高強(qiáng)化條件下離子液體對(duì)活塞環(huán)-氣缸套摩擦磨損性能的影響研究

【摘要】為探究高強(qiáng)化運(yùn)行工況下離子液體（IL）添加劑對(duì)內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵配對(duì)副、氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響，采用離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑配對(duì)副，通過(guò)分析磨損后配對(duì)副的表面微觀形貌、成分以及摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，探究配對(duì)副在離子液體潤(rùn)滑條件下的磨損行為及其相關(guān)機(jī)制，評(píng)價(jià)其對(duì)配對(duì)副摩擦、磨損和磨損特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：離子液體添加劑有助于提升氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦學(xué)性能；在180 ℃條件下，離子液體具有最佳的摩擦學(xué)性能，該現(xiàn)象與離子液體在氣缸套表面上的摩擦化學(xué)反應(yīng)及其產(chǎn)物有關(guān)。

關(guān)鍵詞：離子液體 摩擦學(xué)性能 氮化氣缸套

中圖分類號(hào)：U473.6" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230028

Research on Influence of Ionic Liquid on Friction and Wear Properties of Piston Ring-Cylinder Liner under High Reinforcement Conditions

Gao Zhiwei1， Huang Ruoxuan2， Qin Xue1， Wang Yiran1， Wang Zichun3， Fan Junjing3

（1. Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2. China North Engine Research Institute，

Tianjin 300000; 3. Dalian Maritime University， Dalian 116026）

【Abstract】In order to investigate the effects of Ionic Liquid （IL） additives on the tribological properties of the key pairs of internal combustion engine， nitriding cylinder liner and molybdenum spray piston ring under high-reinforcement conditions， the lubricating oil with 2% ionic liquid mass fraction is used to lubricate the pairs. By analyzing the surface morphology， composition and tribological chemical reaction products of the worn pairs， the paper investigates wear behavior and relates mechanism of pair under ionic liquid lubrication， and evaluates its influence on friction， wear and wear characteristics of pairs. The experimental results show that the ionic liquid additive can improve the tribological properties of nitriding cylinder liner and molybdenum injection piston ring pair. The ionic liquid has the best tribological properties at 180 ℃， which is related to the tribological chemical reaction of ionic liquid on the surface of cylinder liner and its products.

Key words： Ionic liquid， Tribological properties， Nitrided cylinder liner

【引用格式】 郜智偉， 黃若軒， 秦學(xué)， 等. 高強(qiáng)化條件下離子液體對(duì)活塞環(huán)-氣缸套摩擦磨損性能的影響研究[J]. 汽車工程師， 2024（7）： 24-33.

GAO Z W， HUANG R X， QIN X， et al. Research on Influence of Ionic Liquid on Friction and Wear Properties of Piston Ring-Cylinder Liner under High Reinforcement Conditions[J]. Automotive Engineer， 2024（7）： 24-33.

1 前言

近年來(lái)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸向高功率密度發(fā)展，在功率相同的條件下減小了整機(jī)尺寸，導(dǎo)致活塞環(huán)-氣缸套間的溫度及壓力不斷提高，從而使摩擦功耗顯著增加，并嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和使用壽命[1]。McMillan的研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)中的大部分摩擦損失由此產(chǎn)生[2]，故改善活塞環(huán)-氣缸套配對(duì)副的摩擦學(xué)性能和可靠性對(duì)于現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展至關(guān)重要[3-4]。

活塞環(huán)-氣缸套配對(duì)副間的潤(rùn)滑性能改善方法之一是使用高質(zhì)量潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑油由基礎(chǔ)油和各種添加劑組成[5]。大多數(shù)具有優(yōu)異性能的潤(rùn)滑油含有多種添加劑，如抗磨劑、摩擦改性劑、粘度改性劑、抗氧化劑、分散劑等[6]。然而，大多數(shù)抗磨添加劑，如二烷基二硫代磷酸鋅，會(huì)在熱分解時(shí)產(chǎn)生灰質(zhì)（Ash），導(dǎo)致催化劑失活[7]，因此需要找到一種無(wú)灰且更有效的抗磨添加劑。

離子液體（Ionic Liquid，IL）是一種熔點(diǎn)低于100 ℃的鹽，其溶解液完全由陰、陽(yáng)離子組成[8]，具有良好的熱穩(wěn)定性、極性、高粘性且不易燃[9]。2001年，離子液體被首次用作潤(rùn)滑油添加劑[10]。國(guó)外學(xué)者的早期研究大多集中于以四氟硼酸鹽和六氟磷酸鹽為陰離子的咪唑型離子液體，它們?cè)诟鞣N金屬配對(duì)副中表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性能[11]。然而，咪唑型離子液體含有鹵族元素，具有強(qiáng)腐蝕性和毒性，且會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，限制了其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[12]。與傳統(tǒng)含鹵族元素的離子液體相比，含磷酸根的離子液體具有更低的腐蝕性和更好的潤(rùn)滑性。這類離子液體含有在摩擦化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中起到重要作用的磷元素，可以實(shí)現(xiàn)較好的減摩效果，許多學(xué)者對(duì)磷酸鹽基離子液體進(jìn)行了相關(guān)研究[13]。大多數(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者[14]針對(duì)添加磷酸鹽型離子液體的基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了研究，但主要試驗(yàn)多在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如四球試驗(yàn)機(jī)、銷/盤試驗(yàn)機(jī)、環(huán)/塊試驗(yàn)機(jī)等。研究發(fā)現(xiàn)，離子液體確實(shí)具有較好的減摩效果[15]，然而，大多數(shù)試驗(yàn)的溫度最高只能達(dá)到100 ℃，與內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作溫度仍有很大差距，且均為材料級(jí)試驗(yàn)，難以模擬內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-氣缸套配對(duì)副在實(shí)機(jī)中的潤(rùn)滑狀態(tài)和磨損形式。為了驗(yàn)證磷酸鹽基離子液體在實(shí)機(jī)工況下是否仍具有減摩效果，有必要在更貼近實(shí)機(jī)運(yùn)行工況，即在活塞到達(dá)上止點(diǎn)附近，活塞環(huán)與氣缸套間的潤(rùn)滑狀態(tài)下，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

本文主要研究典型活塞環(huán)涂層與氮化氣缸套進(jìn)行配副的磨損行為。根據(jù)試樣磨損后的表面形貌與化學(xué)元素分布的變化情況分析磨損過(guò)程，并通過(guò)磨損試驗(yàn)評(píng)估磷酸鹽基離子液體對(duì)此配對(duì)副摩擦學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 材料和潤(rùn)滑油

本文試驗(yàn)使用的基礎(chǔ)潤(rùn)滑油為一種商用合成油（HVIH-5），離子液體化學(xué)式為[THTDP][PHOS]，名稱為2，4，4-三甲基戊基次膦酸鹽，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將離子液體加入基礎(chǔ)油（HVIH-5）中，超聲振蕩分散50 min，得到含離子液體的均勻混合潤(rùn)滑油，發(fā)動(dòng)機(jī)油選取CF-4 10W40 4652D。本文分別對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的磷酸鹽基離子液體潤(rùn)滑油進(jìn)行測(cè)試，選擇減摩效果最佳的離子液體濃度，并對(duì)該濃度的含磷酸鹽基離子液體的潤(rùn)滑油在不同溫度、恒定載荷下進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 配對(duì)副

在活塞環(huán)-氣缸套配對(duì)副中測(cè)試含磷酸鹽基離子液體的潤(rùn)滑油，本文試驗(yàn)選擇噴鉬活塞環(huán)。為最大程度模擬實(shí)機(jī)工況，選取的活塞環(huán)均為實(shí)機(jī)上使用的開口環(huán)，考慮到開口環(huán)的曲率問(wèn)題，使用線切割機(jī)以開口處為始點(diǎn)，沿圓周方向，分別在90°和270°處進(jìn)行切割，并選取該位置的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)掃描電鏡觀察涂層的截面形貌，發(fā)現(xiàn)涂層的最大厚度為220 μm，如圖2所示。通過(guò)顯微硬度計(jì)測(cè)試，噴鉬活塞環(huán)工作面的維氏硬度為475.4 HV0.1，輪廓的算數(shù)平均偏差Ra為0.31 μm。所選用的氮化氣缸套內(nèi)部有很淺的珩磨紋，其工作表面維氏硬度為574.75 HV0.1，Ra為0.021 μm。

試驗(yàn)所用氣缸套為氮化鏡面氣缸套，用車刀沿氣缸套外壁最凹處進(jìn)行切割，切割后的氣缸套為直筒狀。首先采用電火花線切割機(jī)將完整氣缸套沿圓周方向均勻等分為60份，隨后將氣缸套切成43 mm的等長(zhǎng)小段作為試驗(yàn)試樣，切割后的氣缸套試樣和活塞環(huán)試樣如圖3所示。試驗(yàn)前，使用汽油和酒精超聲清洗氣缸套和活塞環(huán)試樣30 min。

2.3 磨損試驗(yàn)

采用對(duì)置式往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行溫度級(jí)試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)針對(duì)活塞環(huán)-氣缸套摩擦磨損特點(diǎn)，按照試樣試驗(yàn)的磨損形式-條件模擬準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，能夠較好地模擬活塞環(huán)-氣缸套摩擦學(xué)系統(tǒng)的摩擦磨損行為。

試驗(yàn)分為低溫低載荷磨合階段和高溫高載荷磨損階段，潤(rùn)滑油以0.1 mL/min的速度流入試驗(yàn)機(jī)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次以上，選取3組誤差在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)并取平均值，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

采用OLYMPUS-OLS4000激光掃描共聚焦顯微鏡（Confocal Laser Scanning Microscope，CLSM）觀察氣缸套和活塞環(huán)磨損后的表面形貌，通過(guò)測(cè)量氣缸套與活塞環(huán)已磨損區(qū)域和未磨損區(qū)域的臺(tái)階來(lái)表征其線磨損量。

采用ZEISS-SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)配對(duì)副磨損前、后的微觀形貌進(jìn)行觀察與分析。

利用X射線光電子能譜（X-ray Photo-electron Spectroscopy，XPS）對(duì)氣缸套和活塞環(huán)表面摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的種類和數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)與分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 添加劑濃度對(duì)含離子液體潤(rùn)滑油摩擦性能的影響

選用氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對(duì)副作為研究對(duì)象，在相同載荷和溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)。圖4所示為含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)離子液體的潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)的摩擦力曲線。

從圖4中可以看出，低載荷條件下，基礎(chǔ)油潤(rùn)滑條件下的摩擦力明顯高于添加離子液體的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦力，這是由于基礎(chǔ)油中沒(méi)有極性官能團(tuán)（羧基、羥基、硫酸鹽和季銨鹽等），基礎(chǔ)油潤(rùn)滑的滑動(dòng)面難以形成穩(wěn)定而牢固的油膜所致。在基礎(chǔ)油中加入離子液體后，低載荷磨合階段的摩擦力明顯下降，這可能是由于配對(duì)副在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生了電位差，使離子液體中的官能團(tuán)吸附在基體表面，從而降低了摩擦力[16]。但在高載荷的穩(wěn)定磨損階段，采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦力迅速下降并保持穩(wěn)定，而采用加入離子液體的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦力需要較長(zhǎng)時(shí)間才能下降并保持穩(wěn)定。這可能是由于在高載荷條件下，離子液體與基體表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，形成了摩擦化學(xué)反應(yīng)膜[17]。摩擦化學(xué)反應(yīng)需要一定的時(shí)間，故添加離子液體后摩擦力所需的穩(wěn)定時(shí)間明顯長(zhǎng)于采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑的情況。當(dāng)離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，磨合階段和穩(wěn)定磨損階段的摩擦力均是最低且最穩(wěn)定的；當(dāng)離子液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)，磨合階段和穩(wěn)定磨損階段的摩擦力均是4種添加濃度中最大的；當(dāng)離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，磨合階段的摩擦力接近離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的情況，但穩(wěn)定磨損階段的摩擦力也大于離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的情況。

因此，本文試驗(yàn)最終選取離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，這與Qu[18]的試驗(yàn)結(jié)果相似。值得注意的是，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的離子液體對(duì)潤(rùn)滑油的減摩性能影響具有較大差異，但均優(yōu)于純基礎(chǔ)油潤(rùn)滑的情況。

3.2 溫度對(duì)離子液體在活塞環(huán)-氣缸套間減摩耐磨性能的影響

圖5所示為試驗(yàn)載荷為40 MPa時(shí)3種溫度條件下采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)的摩擦力曲線。

由圖5可知，離子液體對(duì)氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對(duì)副中基礎(chǔ)油的減摩性能有顯著影響。與基礎(chǔ)油相比，添加離子液體后的潤(rùn)滑油在3種不同溫度下得到的摩擦力均低于使用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑的情況，并且其摩擦力在整個(gè)試驗(yàn)階段更加穩(wěn)定。在磨合期和穩(wěn)定磨損期，添加離子液體的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑性能均顯著提高。在穩(wěn)定磨損期，采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦力需要一段時(shí)間逐漸下降，最終保持穩(wěn)定，采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦力可以迅速穩(wěn)定。造成該現(xiàn)象的可能原因是，在穩(wěn)定磨損階段，離子液體與配對(duì)副基體發(fā)生反應(yīng)，形成更堅(jiān)固的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，而發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)需要一定的時(shí)間，該摩擦化學(xué)反應(yīng)膜可以有效保護(hù)配對(duì)副，避免微凸體的直接接觸[19]。

圖6所示為試驗(yàn)載荷為40 MPa時(shí)3種溫度條件下采用含離子液體潤(rùn)滑油與基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)的氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)。

由圖6可知，在3種溫度下，采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)均小于采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)的情況。在相同載荷下，含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)隨著溫度的上升呈先下降、后上升的趨勢(shì)，其在180 ℃時(shí)的摩擦因數(shù)最低，220 ℃時(shí)的摩擦因數(shù)次之，在150 ℃時(shí)摩擦因數(shù)最高。而基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)曲線隨著溫度的升高而增加，說(shuō)明隨著溫度的升高，基礎(chǔ)油的油膜承載能力不斷下降，無(wú)法有效避免微凸體的直接接觸，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：離子液體可以有效提升基礎(chǔ)油的減摩性能，減少微凸體的直接接觸，降低摩擦因數(shù)。此外，含離子液體潤(rùn)滑油在溫度較高的情況下具有更低的摩擦因數(shù)，其在180 ℃時(shí)摩擦因數(shù)最低，220 ℃次之。這表明此種離子液體在高溫下對(duì)基礎(chǔ)油的減摩性能改善效果更好，這可能是由于離子液體在高溫下與基體表面發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)更為劇烈，形成了更致密的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜[20]。該化學(xué)反應(yīng)膜與離子液體分解產(chǎn)生的物理吸附膜共同作用，減小了滑動(dòng)過(guò)程中配對(duì)副的摩擦。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證離子液體在發(fā)動(dòng)機(jī)油中是否仍具有良好的減摩性能，在溫度為180 ℃、載荷為40 MPa的試驗(yàn)條件下向CF-4 10W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油中加入離子液體，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，向發(fā)動(dòng)機(jī)油中添加離子液體仍可以有效降低摩擦因數(shù)，且離子液體在發(fā)動(dòng)機(jī)油中仍具有良好的減摩效果，證實(shí)了離子液體在該工況下可以改善成品油的潤(rùn)滑性能，并可作為其潛在的替代品[21]。

3.3 離子液體潤(rùn)滑油添加劑對(duì)活塞環(huán)-氣缸套磨損性能的影響

圖8所示為試驗(yàn)載荷為40 MPa時(shí)3種溫度條件下采用含離子液體潤(rùn)滑油與基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)的氮化氣缸套和噴鉬活塞環(huán)的磨損量對(duì)比結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果表明：含離子液體潤(rùn)滑油在3種溫度下均能有效降低氣缸套和活塞環(huán)的磨損深度。與基礎(chǔ)油相比，其在180 ℃時(shí)缸套磨損量下降比例最大，為16.4%，在220 ℃、150 ℃時(shí)缸套磨損量分別下降7.3%和7.1%。與采用基礎(chǔ)油相比，采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)噴鉬活塞環(huán)在220 ℃、180 ℃、150 ℃時(shí)的磨損深度分別對(duì)應(yīng)下降了32.9%、27.9%和17.7%。該配對(duì)副的總磨損深度均隨著溫度的升高而增加。

從圖8中還可看出，活塞環(huán)的磨損量明顯較氮化氣缸套大，造成該現(xiàn)象的原因是氣缸套表面存在高硬度的氮化層，其硬度遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)配副的噴鉬涂層，當(dāng)活塞環(huán)表面沿剪切方向承受較大的剪切力時(shí)，活塞環(huán)磨損量較大。除此之外，加入離子液體后，溫度對(duì)氣缸套和活塞環(huán)磨損量的影響程度明顯小于潤(rùn)滑油種類的影響程度。其磨損量在180 ℃與220 ℃時(shí)基本無(wú)變化，氣缸套和活塞環(huán)在行程中不同位置的磨損情況不同，在行程中部以流體動(dòng)壓潤(rùn)滑為主[22]。因此，選用低黏度潤(rùn)滑油可以有效減少該部位的磨損和摩擦功消耗。

在低黏度基礎(chǔ)礦物油中添加離子液體，取得了良好的減摩效果，表明離子液體可以作為添加劑添加到低黏度潤(rùn)滑油中，其摩擦學(xué)性能可與現(xiàn)有的高黏度潤(rùn)滑油相媲美，具有良好的發(fā)展?jié)摿23]。

圖9所示為不同溫度下采用基礎(chǔ)油和含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對(duì)副對(duì)應(yīng)的氣缸套的磨損形貌。本文選取2種現(xiàn)象較為明顯的工況進(jìn)行比對(duì)。

由2種溫度下磨損試驗(yàn)后的表面形貌對(duì)比結(jié)果可知，含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑情況下的磨損量顯著小于采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑的情況。采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的氣缸套表面沿滑動(dòng)方向存在一定數(shù)量的劃痕且珩磨紋存在輕微塑性變形，而采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)的氣缸套表面磨損嚴(yán)重，表面沿滑動(dòng)方向存在大量的塑性流動(dòng)層且多數(shù)珩磨紋被塑性流動(dòng)層完全填充，氣缸套表面存在部分疲勞剝落現(xiàn)象。

圖10所示為不同溫度下采用基礎(chǔ)油和含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對(duì)副對(duì)應(yīng)活塞環(huán)的磨損形貌。

活塞環(huán)在180 ℃磨損試驗(yàn)后的表面沿滑動(dòng)方向存在黑色發(fā)暗區(qū)域，與180 ℃時(shí)磨損后氣缸套表面形貌類似。采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)活塞環(huán)表面的磨損程度更為嚴(yán)重，沿滑動(dòng)方向發(fā)生了明顯的塑性流動(dòng)，且涂層剝落的面積增加。當(dāng)試驗(yàn)溫度提高到220 ℃時(shí)，采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)的活塞環(huán)表面發(fā)生大面積剝落，在剝落處邊緣還發(fā)生了明顯的塑性變形，說(shuō)明在該溫度下局部油膜已經(jīng)坍塌，無(wú)法避免微凸體直接接觸，導(dǎo)致了活塞環(huán)的嚴(yán)重磨損。而采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的活塞環(huán)表面沿滑動(dòng)方向存在大量裂紋，裂紋隨著摩擦的進(jìn)行不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致活塞環(huán)基體小面積剝落，同時(shí)在活塞環(huán)表面發(fā)現(xiàn)麻點(diǎn)和坑穴，這說(shuō)明此時(shí)已發(fā)生疲勞磨損。

為進(jìn)一步探究不同溫度條件下離子液體對(duì)基礎(chǔ)油摩擦學(xué)性能改善的影響，利用XPS表征方法對(duì)3種溫度下對(duì)應(yīng)氮化氣缸套表面的黑色發(fā)暗區(qū)域進(jìn)行分析。圖11、圖12所示分別為150 ℃下采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)對(duì)應(yīng)的氣缸套磨損后表面XPS總譜圖和摩擦膜各元素的XPS精細(xì)譜圖。

擬合分峰結(jié)果顯示，離子液體在150 ℃溫度條件下共出現(xiàn)4個(gè)峰值。由圖12a可知，C元素共形成1種碳化物（結(jié)合能為288.54±0.1 eV）與4種長(zhǎng)鏈含碳聚合物（結(jié)合能分別為286.82±0.1 eV、284.50±0.1 eV、285.03±0.1 eV、285.84±0.1 eV），表明離子液體部分分解，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的電勢(shì)差與載荷的雙重作用使得陰離子基團(tuán)分解并吸附在氣缸套基體表面，形成了一層減摩性能較好的物理吸附膜。由圖12b、圖12c可知，F(xiàn)e在摩擦的過(guò)程中被氧化，生成了氧化物Fe2O3（結(jié)合能為711.38±0.1 eV）與FeO（結(jié)合能為708.89±0.1 eV），2種氧化物均具有較低的剪切力[24]，并且氧化膜的生成速率大于其消耗速率，可以有效減少配對(duì)副表面的直接接觸，從而減小摩擦和磨損。由圖12d可知，在該溫度下生成了膦酸鹽（結(jié)合能為133.49±0.1 eV），說(shuō)明離子液體中的P元素參與了摩擦化學(xué)反應(yīng)。

當(dāng)試驗(yàn)溫度為150 ℃時(shí)，采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的氣缸套表面生成的反應(yīng)膜由大量含碳長(zhǎng)鏈聚合物、Fe2O3、FeO、膦酸鹽組成。物理吸附膜和摩擦化學(xué)反應(yīng)膜發(fā)生了協(xié)同作用，減小了摩擦與磨損。

圖13、圖14所示分別為180 ℃下采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)對(duì)應(yīng)的氣缸套磨損后表面XPS總譜圖和氣缸套表面摩擦膜各元素XPS精細(xì)譜圖。

從圖14a中可以看出，180 ℃條件下表面摩擦膜中的C元素含量與150 ℃條件下的結(jié)果相比有所增加，說(shuō)明隨著溫度上升，離子液體分解速度加快，陰、陽(yáng)離子基團(tuán)中的碳鏈斷裂程度加劇[25]。離子液體的窄譜結(jié)果表明，在180 ℃條件下生成了多重長(zhǎng)鏈含碳聚合物（結(jié)合能分別為288.71±0.1 eV、286.28±0.1 eV、284.76±0.1 eV、285.15±0.1 eV、283.70±0.1 eV）與C-C單鍵（結(jié)合能為284.26±0.1 eV）。以上結(jié)果說(shuō)明，該溫度下生成的物理吸附膜含量增加，且值得注意的是，在該溫度下沒(méi)有檢測(cè)到C=C鍵。上述結(jié)果表明，離子液體中的磷酸根陰離子已經(jīng)分解較為徹底，形成了多種聚合物吸附在基體表面。

Fe2p在180 ℃條件下的光譜結(jié)果與150 ℃條件下的光譜結(jié)果相似，在氣缸套表面檢測(cè)到Fe2O3、FeS（結(jié)合能分別為710.73±0.1 eV、712.09±0.1 eV）、硫酸鐵（結(jié)合能為714.20±0.1 eV）。生成氧化物的種類增加表明，隨著溫度的升高，摩擦化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度也在增加。180 ℃條件下P元素的分峰擬合結(jié)果與150 ℃時(shí)的結(jié)果有所不同。在該溫度下生成了磷酸鐵（結(jié)合能為133.71±0.1 eV）和膦酸鹽（結(jié)合能為133.29±0.1 eV）[25]，這應(yīng)該是前文提到的氣缸套表面黑色發(fā)暗區(qū)域的組成物質(zhì)。180 ℃條件下的XPS結(jié)果表明，隨著溫度的升高，摩擦化學(xué)反應(yīng)的程度更強(qiáng)烈，生成的磷酸鐵、膦酸鹽與氣缸套表面生成的金屬氧化物和聚合物協(xié)同作用，有效降低氣缸套與活塞環(huán)之間的摩擦力，使配對(duì)副在該溫度下摩擦因數(shù)達(dá)到最低，配對(duì)副的磨損量下降比例最高。

圖15所示為220 ℃條件下采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)對(duì)應(yīng)的氣缸套磨損后表面XPS總譜圖，與摩擦膜相關(guān)的元素為C、O、Fe、P。圖16所示為對(duì)應(yīng)的氣缸套表面摩擦膜各元素XPS精細(xì)譜圖。

結(jié)合圖15、圖16結(jié)果可知：當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到220 ℃時(shí)，C元素的精細(xì)譜圖結(jié)果與前2種溫度下試驗(yàn)結(jié)果存在明顯差異，該結(jié)果只含2種長(zhǎng)鏈聚合物（結(jié)合能分別為288.66±0.1 eV、286.09±0.1 eV），且單位時(shí)間內(nèi)測(cè)得的光電子數(shù)量峰強(qiáng)較180 ℃時(shí)有所下降。表明在較高的溫度下，大多數(shù)長(zhǎng)鏈含碳聚合物在高溫下分解，氣缸套表面的化學(xué)吸附膜被破壞。而O元素的單位時(shí)間內(nèi)測(cè)得的光電子數(shù)量峰強(qiáng)則明顯高于180 ℃時(shí)的對(duì)應(yīng)峰強(qiáng)，且生成的氧化物種類也較多，說(shuō)明在220 ℃溫度下摩擦化學(xué)反應(yīng)程度更劇烈。

在150 ℃溫度條件下，F(xiàn)e元素精細(xì)譜圖的結(jié)果表明，形成了Fe2O3（結(jié)合能為711.58±0.1 eV）、FeO（結(jié)合能為709.58±0.1 eV）與硫酸鹽（結(jié)合能為713.60±0.1 eV）。同時(shí)，由于高溫下氧化過(guò)程的加劇，基體表面的Fe元素與基礎(chǔ)油中的S元素發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程加速[26]，與180 ℃條件下的結(jié)果相比，氣缸套表面產(chǎn)生的硫酸鹽有所增加。P元素精細(xì)譜圖的結(jié)果表明生成了磷酸鹽（結(jié)合能為133.41±0.1 eV）。上述結(jié)論表明，當(dāng)溫度升高到220 ℃時(shí)，雖然吸附在基體表面的化學(xué)吸附膜被破壞，但是隨著摩擦化學(xué)反應(yīng)的加劇，氣缸套表面氧化程度隨之加劇，形成了多種氧化物。伴隨著離子液體分解氧化過(guò)程，形成的磷酸鹽與多種氧化物在配對(duì)副表面協(xié)同作用，從而彌補(bǔ)了被破壞的物理吸附膜所能起到的減摩效果，因此，在220 ℃溫度條件下的摩擦因數(shù)較150 ℃溫度條件下小，但較180 ℃溫度條件下大。

3.4 膦酸鹽型離子液體在高強(qiáng)化工況下的潤(rùn)滑機(jī)制

在摩擦磨損過(guò)程中，由于低能電子外溢，摩擦表面帶有正電，因此，大量的陰離子自發(fā)地吸附在摩擦界面上。由于靜電相互作用，陽(yáng)離子吸附在陰離子表面[27]。隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)一步加劇，陰離子和陽(yáng)離子在基體表面發(fā)生復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)膜[28]。

在本文試驗(yàn)中，對(duì)磨損表面進(jìn)行表征后發(fā)現(xiàn)，離子液體在高溫高載荷的高強(qiáng)化工況下具有良好的減摩效果。在150 ℃條件下，離子液體的陰、陽(yáng)離子基團(tuán)初步分解，形成少量含碳和含磷的聚合物吸附在氣缸套表面的氧化膜上。當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，摩擦化學(xué)反應(yīng)愈發(fā)劇烈，離子液體中的陰、陽(yáng)離子基團(tuán)進(jìn)一步分解，形成大量的含碳長(zhǎng)鏈聚合物和磷酸酯，能有效分離摩擦界面，減少微凸體的直接接觸，進(jìn)一步減小氣缸套和活塞環(huán)的摩擦磨損。而當(dāng)溫度上升到220 ℃時(shí)，吸附在氣缸套表面氧化物上的含碳長(zhǎng)鏈聚合物和磷酸酯開始分解，其數(shù)量和種類明顯減少，導(dǎo)致離子液體在該溫度下潤(rùn)滑性能下降，但其潤(rùn)滑性能仍優(yōu)于150 ℃條件下的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將膦酸鹽基離子液體作為減摩添加劑均勻分散到基礎(chǔ)油中，選取內(nèi)燃機(jī)中典型配對(duì)副氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，確定了該配對(duì)副中離子液體添加到基礎(chǔ)油中時(shí)其最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度級(jí)試驗(yàn)，研究了高強(qiáng)化工況下膦酸鹽基離子液體對(duì)基礎(chǔ)油減摩耐磨性能的影響，并分析了相關(guān)機(jī)制。研究結(jié)論如下：

a. 在基礎(chǔ)油中加入離子液體潤(rùn)滑油添加劑可以顯著提高氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)間的減摩與耐磨性能，本文試驗(yàn)中膦酸鹽基離子液體作為減摩劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%。

b. 在載荷不變的情況下，采用含離子液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的配對(duì)副摩擦因數(shù)在180 ℃時(shí)最低，220 ℃時(shí)次之，150 ℃時(shí)最高。這種膦酸鹽基離子液體能有效降低氣缸套和活塞環(huán)的磨損，且氣缸套和活塞環(huán)的磨損隨著溫度的升高而增加。

c. XPS的表征結(jié)果表明，膦酸鹽基離子液體能在氣缸套表面形成物理吸附膜和致密的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，可有效分離摩擦界面，從而降低摩擦磨損。通過(guò)對(duì)XPS的試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)溫度為180 ℃時(shí)離子液體潤(rùn)滑性能最好，是由于在此溫度下離子液體中的陰、陽(yáng)離子基團(tuán)的分解較為徹底，并且隨著溫度的升高，摩擦化學(xué)反應(yīng)程度愈發(fā)劇烈，形成的長(zhǎng)鏈含碳聚合物物理吸附膜和摩擦化學(xué)反應(yīng)膜在基體表面協(xié)同作用，減少了摩擦表面的相互接觸，從而有效降低摩擦磨損。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年2月12日。