納米BN 作為水基潤滑添加劑在鎂合金表面的摩擦學(xué)行為研究

韋永毅，謝紅梅，何林杪，芶慶霜，毛京雙，楊貴川

(長江師范學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 408100)

0 前 言

鎂合金作為最輕的商用工程結(jié)構(gòu)材料，具有比強度高、鑄造成型性好、阻尼吸震降噪性能優(yōu)越、電磁屏蔽性能強、易于回收等諸多優(yōu)點，在航天航空、汽車、“3C”產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。但是鎂合金由于硬度低導(dǎo)致的高磨損和較差的減摩性能嚴重限制了其應(yīng)用范圍的拓寬，因此提高鎂合金的摩擦學(xué)性能具有重要意義[4，5]。

水基潤滑液作為一種重要的潤滑劑具有成本低、環(huán)保、節(jié)能、廢液容易回收處理等優(yōu)點，是一類很有發(fā)展前途的潤滑劑[6]。但是水基潤滑液潤滑性能較差，還容易腐蝕金屬表面。為了改善水基潤滑液在潤滑性能和抗腐蝕性能上的不足，通常在水中加入各類水溶性基礎(chǔ)添加劑和功能性添加劑，制備出綜合性能良好的水基潤滑液。

納米材料在小尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)的作用下，具有熔點低、吸附能力強、反應(yīng)活性高等優(yōu)點，為先進潤滑材料的發(fā)展提供了新的思路[7，8]。在眾多納米材料中，納米氮化硼(BN)是一種白色粉末，具有類似石墨的片層狀結(jié)構(gòu)，一直是潤滑領(lǐng)域的研究熱點。文獻[9-11]表明納米BN 作為潤滑添加劑在摩擦過程中能逐漸在鋼/鋼摩擦副、鋁合金/鋼摩擦副等摩擦副表面沉積，形成一層低剪切強度的保護膜，從而降低摩擦和磨損。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于納米BN 作為水基潤滑添加劑在鎂合金/鋼體系中的摩擦學(xué)性能研究鮮有報道。為此，本工作首先采用超聲和磁力攪拌法制備了4種不同質(zhì)量分數(shù)的BN 納米水基潤滑液，然后采用往復(fù)式摩擦磨損試驗機考察了不同BN 納米水基潤滑液在鎂合金/鋼體系中的摩擦學(xué)性能，最后對摩擦學(xué)性能測試結(jié)果、磨痕表面形貌及磨痕表面成分進行綜合分析，探討了納米BN 作為水基潤滑添加劑的減摩抗磨機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選用去離子水為基礎(chǔ)液。將少量的納米BN 加入95%(體積分數(shù))酒精溶液中，超聲分散5 min 后滴在銅網(wǎng)上，然后采用JEM1200EX 透射電子顯微鏡(TEM)觀察納米BN 的顯微形貌，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，納米BN 為片層狀結(jié)構(gòu)，尺寸約為100 nm。將納米BN 添加到去離子水中，采用磁力攪拌器攪拌30 min，超聲分散2 h，制備納米BN 質(zhì)量分數(shù)分別為0.2%、0.5%、0.8%和1.0%的納米水基潤滑液。為了考察納米BN 在鎂合金表面的摩擦學(xué)性能，在納米水基潤滑液中不添加任何分散劑和表面活性劑。為保證BN納米顆粒在去離子水中均勻分散，制備的納米潤滑液在摩擦試驗測試前超聲分散5 min。

圖1 納米BN 的TEM 形貌Fig.1 TEM morphology of nano-BN

1.2 摩擦磨損試驗

采用CSM 往復(fù)式球-盤摩擦磨損試驗機評價納米水基潤滑液的摩擦學(xué)性能，上試樣為AISI52100 軸承鋼球，鋼球半徑為3 mm，鋼球的維氏硬度約為697 HV0.1N，下試樣為AZ31 鎂合金，試樣尺寸為10 mm(寬) ×20 mm (長) ×3 mm (厚)，維氏硬度約為66.7 HV0.1N。采用200、500、1 000 目砂紙對鎂合金進行粗磨和精磨直至表面粗糙度Ra為0.08 μm。在上試樣鋼球和下試樣鎂合金片固定好后，在鎂合金表面滴3 滴納米水基潤滑液進行測試。首先評價了含有不同質(zhì)量分數(shù)納米BN 的潤滑液的摩擦學(xué)性能，測試的載荷為4 N，滑動速度為0.06 m/s，時間為30 min。然后進一步考察載荷對最優(yōu)含量(即在該含量下摩擦學(xué)性能最佳)的納米BN 水基潤滑液的摩擦學(xué)性能的影響，測試的載荷為2，4，6，8 N，滑動速度為0.06 m/s，時間為30 min。相同條件下重復(fù)測試3 次，摩擦磨損試驗機自動記錄摩擦系數(shù)。

1.3 磨痕表面分析

摩擦磨損試驗測試完成后的樣品用丙酮進行超聲清洗5 min，吹干待用。采用OLS4000 激光共聚焦顯微鏡測量鎂合金表面磨痕深度和寬度，然后采用激光共聚焦顯微鏡自帶的軟件計算出磨損的橫截面積，采用磨損的橫截面積評價相同測試條件下含有不同質(zhì)量分數(shù)納米BN 的潤滑液的抗磨損性能。采用Zeiss AURIGA 型場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和Thermo Kalpha 型X射線光電子能譜儀(XPS)對磨痕表面形貌和成分進行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦學(xué)性能表征

圖2 為平均摩擦系數(shù)與納米BN 添加劑添加量的關(guān)系和去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液的摩擦系數(shù)隨滑動時間的變化曲線。結(jié)果表明，摩擦系數(shù)隨著納米BN 添加劑添加量的增加呈先降低后增加的趨勢。納米BN 添加劑含量為0.5%時，減摩的效果最明顯，摩擦系數(shù)從0.26 降低至0.16，相對于去離子水條件下的摩擦系數(shù)下降了38.5%。由圖3b 可以看出，去離子水潤滑條件下的摩擦系數(shù)在測試過程中較為穩(wěn)定。0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的摩擦系數(shù)波動較明顯，這可能是由于納米BN 在基礎(chǔ)液中的分散性較差，但是0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的摩擦系數(shù)除900 s 時略高于去離子水潤滑條件下的摩擦系數(shù)，其它測試時間始終小于去離子水潤滑條件下的摩擦系數(shù)。

圖2 平均摩擦系數(shù)與納米BN 添加劑添加量的關(guān)系和去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液的摩擦系數(shù)隨滑動時間的變化曲線Fig.2 The relationship between the average friction coefficient and the amount of nano BN additive and the curve of friction coefficient with sliding time of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

圖3 磨痕磨損橫截面積與納米BN 添加劑添加量的關(guān)系和試樣在去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的磨痕表面2D 輪廓Fig.3 The relationship between the wear cross-section area of wear mark and the amount of nano-BN additive and the 2D profile of the worn surface of the sample under the lubrication condition of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

摩擦學(xué)性能良好的潤滑添加劑不僅應(yīng)具有良好的減摩性能，還應(yīng)具有優(yōu)異的抗磨損性能。圖3 為磨痕磨損橫截面積與納米BN 添加劑添加量的關(guān)系和試樣在去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的磨痕表面2D 輪廓。由圖3 可知，磨損量隨納米BN 添加劑添加量的變化和摩擦系數(shù)隨納米BN 添加劑添加量的變化規(guī)律一致，呈先降低后增加的趨勢，0.5%納米BN 水基潤滑液磨損量最低。去離子水潤滑條件下的磨痕磨損橫截面積為28 166 μm2，0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的磨痕磨損橫截面積為8 343 μm2，相比去離子水潤滑條件降低了70.4%。從圖3b 和3c可以看出，去離子水潤滑條件下磨痕的寬度和深度分別為1 250 μm 和40 μm。0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下磨痕的寬度和深度分別為864 μm 和17 μm。納米BN 的加入有效降低了鎂合金表面的磨損量，表明納米BN 水基潤滑液具有優(yōu)異的抗磨損性能。

2.2 載荷影響

為了進一步考察載荷對摩擦學(xué)性能的影響，考察了去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的摩擦系數(shù)和磨損量與載荷的關(guān)系，結(jié)果見圖4。去離子水潤滑條件下，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而增加；而0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下摩擦系數(shù)隨著載荷的增加先降低后升高。0.5%納米BN 水基潤滑液在載荷為4 N 和6 N 時的減摩性能最佳，相對于去離子水潤滑條件下分別降低了38.5%和36.9%。去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的磨損量均隨著載荷的增加而增加，但是0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的磨損量始終小于去離子水潤滑條件下的磨損量。上述試驗結(jié)果表明0.5%納米BN 水基潤滑液具有良好的承載能力。

圖4 去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的摩擦系數(shù)和磨痕磨損橫截面積與載荷的關(guān)系Fig.4 The relationship between load and friction coefficient and wear cross-section area of wear mark under the lubrication condition of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

2.3 磨痕表面形貌和成分觀察

為了進一步探究納米BN 水基潤滑液的減摩抗磨機理，采用FESEM 和XPS 考察了磨痕表面形貌和成分。圖5 所示為含不同質(zhì)量分數(shù)納米BN 的水基潤滑液潤滑條件下鎂合金磨痕表面形貌。試驗條件為載荷4 N、滑動速度0.06 m/s、滑動時間30 min。

圖5 含不同質(zhì)量分數(shù)納米BN 的水基潤滑液潤滑條件下鎂合金磨痕表面形貌Fig.5 Surface morphology of wear marks of magnesium alloy lubricated by water-based lubricant with different mass fraction of nano BN

從圖5a 可以看出，0.2%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下鎂合金的磨痕表面劃痕較深，這主要是因為該條件下潤滑液中納米BN 的含量較低，不足以在磨痕表面形成有效潤滑膜。摩擦過程中摩擦副之間的直接接觸形成的游離磨粒作為第三體在滑動表面之間導(dǎo)致了磨粒磨損。在0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下鎂合金磨痕表面僅僅出現(xiàn)輕微的犁削，并且納米BN 吸附在磨痕表面形成黑色固態(tài)膜，這層膜保護了摩擦副表面，從而有效降低了摩擦系數(shù)和磨損量。但隨著納米BN 在潤滑液中的含量增加至0.8%和1.0%時，磨痕表面形成的潤滑保護膜反而減少。這是由于納米BN 具有高的表面能，當含量過多時，納米BN 之間容易相互吸附，形成尺寸較大的顆粒，這些大顆粒在摩擦的過程中不容易進入摩擦區(qū)，所以0.8%和1.0%納米BN 水基潤滑液在磨痕表面的成膜效果不如0.5%納米BN 水基潤滑液。

圖6 所示為去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下鎂合金磨痕表面主要元素Mg、B 和N 的化學(xué)價態(tài)的XPS 譜。試驗條件為載荷4 N、滑動速度0.06 m/s、滑動時間30 min。從圖6 中可以看出，在去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下鎂合金磨痕表面均能探測到Mg 1s 的特征峰，均歸屬于金屬鎂。去離子水潤滑條件下的鎂合金磨痕表面沒有出現(xiàn)B 元素和N 元素的特征峰，而0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下的鎂合金磨痕表面在190.2 eV 出現(xiàn)B 1s 的特征峰，結(jié)合N 1s 位于397.5 eV 的特征峰，歸屬于吸附在磨痕表面的納米BN，表明納米BN 在摩擦過程中沉積在磨痕表面，形成有效潤滑膜，提高了鎂合金的摩擦學(xué)性能。

圖6 去離子水和0.5%納米BN 水基潤滑液潤滑條件下鎂合金磨痕表面主要元素Mg、B 和N 的化學(xué)價態(tài)的XPS 譜Fig.6 XPS spectra of the chemical valence of the main elements Mg，B and N on the wear surface of magnesium alloys under the lubrication of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

2.4 減摩抗磨機理分析

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對各種納米材料作為潤滑添加劑的減摩和抗磨機理進行了大量考察驗證工作，初步對其作用機理做出了一些總結(jié)。納米材料作為潤滑添加劑的減摩和抗磨機理主要有滾珠軸承效應(yīng)、吸附、滲透、摩擦反應(yīng)機理、修復(fù)機制、表面拋光優(yōu)化效應(yīng)等[12-14]。

從摩擦學(xué)性能測試結(jié)果(圖2 和圖3)可以看出，納米BN 作為水基潤滑添加劑在鎂合金/鋼體系中表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能。結(jié)合磨痕表面形貌(圖5)和成分分析(圖6)，BN 作為潤滑添加劑的減摩抗磨機理主要表現(xiàn)在以下2 個方面:一方面，潤滑液中的納米BN在摩擦過程中不斷吸附在金屬表面，形成一層物理吸附膜，這層物理吸附膜有效避免了摩擦副之間的直接接觸。另一方面，BN 是典型的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子通過較強的化學(xué)鍵結(jié)合在一起，而層與層之間的作用力則是很弱的范德華力，層與層之間容易滑移和剪切，起到潤滑作用。但是這種減摩抗磨作用與納米BN 在潤滑液中的含量密切相關(guān)。比如，納米BN 含量為0.8%和1.0%的水基潤滑液的摩擦學(xué)性能比納米BN 含量為0.5%的水基潤滑液的略差。換句話說，納米BN 在潤滑液中存在最優(yōu)含量。納米BN 由于具有較高的表面能，若過量添加，納米BN 在潤滑液中容易團聚形成大的顆粒，在摩擦的過程中，這些大顆粒不容易進入摩擦區(qū)形成保護膜。另外，這些大的顆粒在摩擦過程中作為第三體磨粒刮擦鎂合金表面，表現(xiàn)出較差的抗磨損性能。綜上所述，納米BN 含量為0.5%的水基潤滑液在摩擦過程中能充分發(fā)揮納米BN 的減摩抗磨優(yōu)勢，從而表現(xiàn)出最佳的摩擦學(xué)性能。另外，BN 俗稱“白石墨”，具有成本低、環(huán)境友好、容易制備等優(yōu)點，因此本工作制備的納米BN 水基潤滑液是一種經(jīng)濟、綠色且潤滑性能優(yōu)良的鎂合金潤滑液，在鎂合金成形過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

(1)納米BN 作為水基潤滑添加劑能有效提高去離子水的摩擦學(xué)性能。隨納米BN 添加劑在水中的含量的增加，摩擦系數(shù)和磨損量均呈先降低后增加的趨勢。納米BN 含量為0.5%的水基潤滑液在摩擦過程中能充分發(fā)揮納米BN 的減摩抗磨優(yōu)勢，從而表現(xiàn)出最佳的摩擦學(xué)性能。

(2)相對于去離子水潤滑條件，0.5%納米BN 水基潤滑液的摩擦系數(shù)和磨損量分別下降了38.5%和70.4%。另外，0.5%納米BN 水基潤滑液具有優(yōu)異的承載能力。

(3)納米BN 作為水基潤滑添加劑，其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能歸因于納米BN 在磨痕表面沉積形成的保護膜和片層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的低剪切應(yīng)力。