2018, Vol. 46
文章信息
- 江泽琦, 冯彦寒, 方建华, 刘坪, 陈波水, 谷科城, 吴江
- JIANG Ze-qi, FENG Yan-han, FANG Jian-hua, LIU Ping, CHEN Bo-shui, GU Ke-cheng, WU Jiang
- 含硫代磷酸铵盐润滑油在电磁场作用下的摩擦学性能
- Tribological Characteristics of Lubricating Oils with Ammonium Thiophosphate Under Electromagnetic Field
- 材料工程, 2018, 46(9): 95-100
- Journal of Materials Engineering, 2018, 46(9): 95-100.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000019
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文章历史
- 收稿日期: 2017-01-03
- 修订日期: 2017-06-29
2. 陆军勤务学院 油料系, 重庆 401311
2. Department of Petroleum, Army Logistics University, Chongqing 401311, China
日益电气化和现代化的机器设备使许多滑动部位的服役条件变得多样化和复杂化，电动机电刷、高速铁路的滑板、大功率电力输送中的开关接触器、太空设备中的滑动部件等都涉及到电磁环境下的摩擦磨损问题[1-5]。电磁场能够在摩擦副表面激发电磁效应，通过产生某些物理或化学效应而影响摩擦磨损性能[6-9]。Abder-jaber等[6]发现磁场作用下植物油的摩擦系数比无电磁场作用时小，认为这是电磁场促进了长链植物油分子在摩擦副表面的密集排列，从而增强了植物油分子的吸附性能；翟文杰等[7]发现电场通过影响摩擦界面间的氧化物层的性质和状态而影响摩擦学性能；常秋英等[8]发现，酸性或碱性溶液在带电的摩擦副表面会发生电化学反应，生成的氢气起到“气垫”的作用使摩擦系数减小。
电磁场对摩擦磨损的影响已经成为当今摩擦学领域的热点问题，在相关领域的研究中，鲜见从摩擦界面电磁效应的角度解释其对润滑油添加剂作用行为影响的相关报道。传统润滑添加剂的分子设计仅仅考虑了摩擦化学的反应特性，却忽略了电磁场可能对其在形成润滑膜过程中的影响。因此，通过有、无电磁场作用下含不同添加剂润滑油的摩擦磨损性能的比较，对指导电磁工况下添加剂的选用、添加剂分子的结构设计等方面将会是一种有益的探索。在这方面，笔者[10-12]已经研究了电磁场对磷酸三甲酚酯(TCP)和二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)摩擦学性能的影响，并从添加剂所含活性元素和分子结构特性的角度初步分析了影响机制。
基于缺少含氮元素添加剂电摩擦性能相关研究的考虑，本工作选取常用于液压油、齿轮油等工业润滑领域的硫代磷酸铵盐(T307)为研究对象，在改进后的四球摩擦磨损试验机上，考察了添加剂含量、载荷、电磁场强度对T307的摩擦学性能的影响，并通过扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析其摩擦学机理。
1 试样制备与实验方法 1.1 试样制备采用无极性石蜡基150SN作为基础油，其40℃时的运动黏度为31.85mm2·s-1。
添加剂采用硫代磷酸铵盐(代号为T307)，其理化性质见表 1所示。
| Additive | Structural formula | Appearance | Elemental content/% | ||
| P | S | N | |||
| T307 | 
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Transparent oily liquid | ≥8.5 | ≥10 | ≥1.4 |
进行摩擦学实验前，将T307按照质量分数0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的添加量加入基础油中，配制5种润滑油样。
1.2 摩擦学实验使用笔者自行改进的四球摩擦磨损试验机[10-12]进行摩擦学实验。其工作原理图如图 1所示。
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图 1 改进后四球试验机工作示意图 Fig. 1 Illustration of the four-ball tribo-testerafter modified |
为了研究添加剂含量、载荷和电磁场强度对含硫代磷酸铵盐(T307)润滑油的摩擦学性能的影响，实验分为以下3组进行：
(1) 通电线圈的电流强度为0A和1A的工况下，实验载荷392N，实验转速1200r/min时，考察含不同添加剂质量分数润滑油的摩擦学性能；
(2) 选取含2.0%添加剂的润滑油，在通电线圈的电流强度为0A和1A的工况下，转速1200r/min时，考察实验载荷分别为196，392N和490N下该润滑油样的摩擦学性能；
(3) 选取含2.0%添加剂的润滑油，在实验载荷392N，转速1200r/min时，考察通电线圈的电流强度为0，0.5，1A和1.5A 3种工况下该油样的摩擦学性能。
根据SH/T0189-92，使用12.7mm GCr15标准钢球，硬度HRC58~62，实验时间为30min。设置磁感应线圈的电流强度为0，0.5，1A和1.5A时，用HT201型手持式数字特斯拉计测得摩擦接触区域的实测磁场强度分别为0，0.05，0.1T和0.12T。摩擦学实验结束后，使用光学显微镜测量3个底球的磨斑直径(wear scar diameter, WSD)并将其平均值作为该轮实验钢球的磨斑直径，取摩擦因素的平均值作为该轮实验的摩擦因数。
1.3 表面分析将0T和0.1T强度的电磁场作用下，经含2% T307润滑油摩擦磨损实验后的钢球用石油醚超声清洗，然后用TESCAN VEGA 3 LMH型电子扫描显微镜(SEM)观察钢球表面形貌，并用X射线光电子能谱(XPS)检测磨斑表面所含元素的化学状态及其含量。
2 实验结果与讨论 2.1 摩擦学性能 2.1.1 硫代磷酸铵盐的质量分数对摩擦学性能的影响图 2是有、无电磁场作用下(摩擦区域的电磁感应强度分别为0T和0.1T)，载荷392N，转速1200r/min时钢球表面磨斑直径和摩擦因数(coefficient of friction, COF)随T307在150SN矿物油中质量分数的变化关系曲线。从图 2中可以看出，T307的添加有效改善了150SN基础油的抗磨性能，但却削弱了基础油的减摩性能。另外，在有、无电磁场工况中，随着添加剂含量的增加，磨斑直径和摩擦因数的变化趋势大致一致；电磁场作用下，添加T307油样中钢球的磨斑直径和摩擦因数均比无电磁场时大，说明电磁场对含T307油样的抗磨减摩性能有不利的影响。
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图 2 有、无电磁场作用下磨斑直径(a)和摩擦因数(b)随T307质量分数的变化曲线 Fig. 2 Variation of WSD (a) and COF (b) with mass fraction of T307 under electromagnetic or non-electromagnetic field |
图 3是有、无电磁场作用下(摩擦区域的电磁感应强度分别为0T和0.1T)，转速1200r/min时载荷为196, 392N和490N时含2%T307油样中钢球的磨斑直径和摩擦因数。从图 3中可以看出，在有、无电磁场两种工况下，磨斑直径随着载荷的增大而增大，摩擦因数随着载荷的增大而减小。另外，电磁场作用下的磨斑直径和摩擦因数均大于无电磁场作用时的数值，说明在所考察的3种载荷下，摩擦副界面的电磁效应对含T307油样的抗磨减摩性能均有不利的影响。
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图 3 有、无电磁场工况中磨斑直径(a)和摩擦因数(b)随载荷的变化关系 Fig. 3 Variation of WSD (a) and COF (b) with loads under electromagnetic or non-electromagnetic field |
图 4给出了载荷392N，转速1200r/min时，不同电磁场强度时(摩擦区域的电磁感应强度分别为0, 0.05, 0.1T和0.12T)含2%T307油样的磨斑直径(WSD)和摩擦因数(COF)的变化曲线。从图 4中可以看出，在所考察的电磁场强度下，摩擦界面的电磁效应对含T307油样的抗磨减摩性能均有不利的影响。
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图 4 磨斑直径和摩擦因数随电磁场强度的变化关系曲线 Fig. 4 Variation curves of WSD and COF with the intensityof electromagnetic field |
图 5是有、无电磁场条件下，载荷392N，转速1200r/min时，添加2%T307润滑油中钢球表面磨斑的全貌图(左侧)和细节图(右侧)的SEM照片。从图 5中可以看出，在电磁场条件下，含T307油样中钢球的磨斑直径比无电磁场作用时的磨斑直径大，磨斑表面的犁沟也比无电磁场作用时更明显。SEM分析说明电磁场削弱了含T307油样的润滑效果，这与上述摩擦学实验结果是一致的。
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图 5 有、无电磁场条件下含2%T307油样中钢球表面磨斑的SEM照片 (a)0T;(b)0.1T;(1)全貌图; (2)细节图 Fig. 5 SEM morphologies of worn surface lubricated by oil with 2.0% of T307 under electromagnetic and non-electromagnetic field (a)0T;(b)0.1T;(1)overall view; (2)detailed view |
图 6是在有、无电磁场条件下，载荷392N，转速1200r/min时，含2%T307润滑油中钢球磨斑表面典型元素的XPS图谱。从C1s的XPS图谱可以看出润滑油分子在磨斑表面发生了吸附；P2p在133.4eV处的电子结合能属于FePO4；Fe2p的电子结合能710.5eV属于Fe2O3，711.2eV处的吸收峰对应于FeOOH，713.5eV处的吸收峰则对应于FeSO4或FeS；N1s在399.8eV附近的电子结合能表明N以有机态的形式吸附于磨损表面。上述XPS分析结果表明，在有、无电磁场作用两种工况下，含T307润滑油中钢球的磨斑表面均有FeSO4, FeS以及含N有机物等物质的摩擦化学反应膜生成，有效改善了150SN矿物油的抗磨性能。
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图 6 有、无电磁场条件下含2%T307油样中磨斑表面典型元素的XPS图谱 (a)Cls; (b)Fe2p;(c)P2p;(d)O1s;(e)S2p;(f)N1s Fig. 6 XPS spectra of worn surfaces lubricated with lubricants containing 2% of T307 under electromagnetic andnon-electromagnetic field (a)Cls; (b)Fe2p;(c)P2p;(d)O1s;(e)S2p;(f)N1s |
表 2列出了有、无电磁场时含2%T307润滑油中钢球磨斑表面典型元素的相对原子分数。从表 2可以看出，电磁场作用下，含T307润滑油中钢球表面的功能元素(N，S，O和P)的相对原子分数比无电磁磁场时低，说明电磁场不利于这些功能元素与钢球表面结合，从而不利于钢球表面化学反应膜的生成；溅射5min后，N，S，O，P元素的相对原子分数比无电磁场时高，说明电磁场促进了这4种元素向金属基体扩散。因此，从上述分析中推测，由电磁场引起的功能元素向金属基体的扩散现象可能是电磁场削弱含T307油样润滑性能的原因。
| Sputteringtime/min | Intensity/T | Atom fraction/% | |||||
| C | N | S | Fe | O | P | ||
| 0 | 0 | 74.61 | 2.57 | 0.53 | 1.62 | 18.24 | 2.43 |
| 0.1 | 78.33 | 1.52 | 0.34 | 1.38 | 17.79 | 0.64 | |
| 5 | 0 | 18.46 | 1.76 | 1.6 | 65.34 | 11.21 | 1.63 |
| 0.1 | 11.31 | 2.46 | 2.19 | 68.21 | 13.52 | 2.31 | |
将本工作的实验结果与文献[10]进行对比分析，在TCP分子中的P＝O双键和T307分子中的P＝S双键中，P原子的3个sp3杂化轨道与O形成共价键，剩下一个轨道上有一对电子分别与O，S形成共价配位键，成键情况和电子跃迁情况都是相似的，但含TCP和T307油样的抗磨性能实验结果却相反，推测电磁条件下TCP和T307的摩擦学性能可能与添加剂的分子结构有关。TCP分子由于3个苯环结构的存在而使其分子整体保持着共轭的π键结构，这些化学键上的孤对电子使其在垂直于分子层面方向具有良好的磁化性能[10, 13]，从而加速了P和O与摩擦表面作用，即促进了P与摩擦副摩擦金属间的键合和FePO4化学反应膜的形成，产生了有益的极压润滑效果；而T307分子整体没有稳定的π键结构，电磁场可能会影响分子间存在的偶极偶极间的极化作用而增大分子间的距离，并且N能够提供电子，其周围的电子云密度较大，构成了吸附活性中心，电磁场会使其电子云发生形变而影响其吸附活性[14-15]，推测这些因素都会影响T307中P，S，N元素与金属表面结合，从而对其摩擦磨损特性有不利的影响。
同时，将本工作的实验结果与文献[10-12]进行对比分析，电磁场并非对所有的润滑油添加剂都有润滑增效的作用，添加剂在电磁场作用下的摩擦学性能与添加剂的分子结构、所含的活性元素有关。摩擦界面的电磁效应通过影响添加剂分子的吸附特性、摩擦化学反应膜的吸附特性和摩擦化学反应特性从而影响添加剂的摩擦学性能。
3 结论(1) 电磁场作用下，含T307油样中钢球的磨斑直径和摩擦因数均比无电磁场作用时大，说明电磁场对含T307润滑油的抗磨减摩性能有不利的影响。
(2) XPS分析表明，电磁场不利于含T307油样中P，S，O，N元素与金属表面结合而不利于摩擦化学反应膜的生成，还有可能影响含N有机物的吸附而削弱了油样的抗磨减摩性能。电磁场引起的T307中功能元素向金属基体内部扩散可能是对含T307油样的润滑性能有不利影响的原因。
(3) 电磁场并非对所有的润滑油添加剂都有润滑增效的作用，添加剂在电磁场作用下的摩擦学性能与添加剂的分子结构和所含的活性元素有关。
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