含硫代磷酸銨鹽潤滑油在電磁場作用下的摩擦學性能

江澤琦,馮彥寒，方建華,劉 坪,陳波水,谷科城,吳 江

(1 陸軍軍醫大學 藥學院，重慶 400038；2 陸軍勤務學院油料系，重慶 401311)

日益電氣化和現代化的機器設備使許多滑動部位的服役條件變得多樣化和復雜化，電動機電刷、高速鐵路的滑板、大功率電力輸送中的開關接觸器、太空設備中的滑動部件等都涉及到電磁環境下的摩擦磨損問題[1-5]。電磁場能夠在摩擦副表面激發電磁效應，通過產生某些物理或化學效應而影響摩擦磨損性能[6-9]。Abder-jaber等[6]發現磁場作用下植物油的摩擦系數比無電磁場作用時小，認為這是電磁場促進了長鏈植物油分子在摩擦副表面的密集排列，從而增強了植物油分子的吸附性能；翟文杰等[7]發現電場通過影響摩擦界面間的氧化物層的性質和狀態而影響摩擦學性能；常秋英等[8]發現，酸性或堿性溶液在帶電的摩擦副表面會發生電化學反應，生成的氫氣起到“氣墊”的作用使摩擦系數減小。

電磁場對摩擦磨損的影響已經成為當今摩擦學領域的熱點問題，在相關領域的研究中，鮮見從摩擦界面電磁效應的角度解釋其對潤滑油添加劑作用行為影響的相關報道。傳統潤滑添加劑的分子設計僅僅考慮了摩擦化學的反應特性，卻忽略了電磁場可能對其在形成潤滑膜過程中的影響。因此，通過有、無電磁場作用下含不同添加劑潤滑油的摩擦磨損性能的比較，對指導電磁工況下添加劑的選用、添加劑分子的結構設計等方面將會是一種有益的探索。在這方面，筆者[10-12]已經研究了電磁場對磷酸三甲酚酯(TCP)和二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)摩擦學性能的影響，并從添加劑所含活性元素和分子結構特性的角度初步分析了影響機制。

1 試樣制備與實驗方法

1.1 試樣制備

采用無極性石蠟基150SN作為基礎油，其40℃時的運動黏度為31.85mm2·s-1。

添加劑采用硫代磷酸銨鹽(代號為T307)，其理化性質見表1所示。

表1 T307極壓抗磨劑的理化性質Table 1 Physicochemical indies of T307

進行摩擦學實驗前，將T307按照質量分數0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的添加量加入基礎油中，配制5種潤滑油樣。

1.2 摩擦學實驗

使用筆者自行改進的四球摩擦磨損試驗機[10-12]進行摩擦學實驗。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 改進后四球試驗機工作示意圖Fig.1 Illustration of the four-ball tribo-testerafter modified

為了研究添加劑含量、載荷和電磁場強度對含硫代磷酸銨鹽(T307)潤滑油的摩擦學性能的影響，實驗分為以下3組進行：

(1)通電線圈的電流強度為0A和1A的工況下，實驗載荷392N，實驗轉速1200r/min時，考察含不同添加劑質量分數潤滑油的摩擦學性能；

(2)選取含2.0%添加劑的潤滑油，在通電線圈的電流強度為0A和1A的工況下，轉速1200r/min時，考察實驗載荷分別為196，392N和490N下該潤滑油樣的摩擦學性能；

(3)選取含2.0%添加劑的潤滑油，在實驗載荷392N，轉速1200r/min時，考察通電線圈的電流強度為0，0.5，1A和1.5A 3種工況下該油樣的摩擦學性能。

娟妹聽得心曠神怡：“淼哥，前幾天我腳扭了，站地疼得全身出冷汗，可還是走到醫院，一路上墻都沒扶，可是你，我不得不服！

根據SH/T0189-92，使用12.7mm GCr15標準鋼球，硬度HRC58～62，實驗時間為30min。設置磁感應線圈的電流強度為0，0.5，1A和1.5A時，用HT201型手持式數字特斯拉計測得摩擦接觸區域的實測磁場強度分別為0，0.05，0.1T和0.12T。摩擦學實驗結束后，使用光學顯微鏡測量3個底球的磨斑直徑(wear scar diameter, WSD)并將其平均值作為該輪實驗鋼球的磨斑直徑，取摩擦因素的平均值作為該輪實驗的摩擦因數。

1.3 表面分析

將0T和0.1T強度的電磁場作用下，經含2% T307潤滑油摩擦磨損實驗后的鋼球用石油醚超聲清洗，然后用TESCAN VEGA 3 LMH型電子掃描顯微鏡(SEM)觀察鋼球表面形貌，并用X射線光電子能譜(XPS)檢測磨斑表面所含元素的化學狀態及其含量。

2 實驗結果與討論

2.1 摩擦學性能

2.1.1 硫代磷酸銨鹽的質量分數對摩擦學性能的影響

圖2是有、無電磁場作用下(摩擦區域的電磁感應強度分別為0T和0.1T)，載荷392N，轉速1200r/min時鋼球表面磨斑直徑和摩擦因數(coefficient of friction, COF)隨T307在150SN礦物油中質量分數的變化關系曲線。從圖2中可以看出，T307的添加有效改善了150SN基礎油的抗磨性能，但卻削弱了基礎油的減摩性能。另外，在有、無電磁場工況中，隨著添加劑含量的增加，磨斑直徑和摩擦因數的變化趨勢大致一致；電磁場作用下，添加T307油樣中鋼球的磨斑直徑和摩擦因數均比無電磁場時大，說明電磁場對含T307油樣的抗磨減摩性能有不利的影響。

2.1.2 載荷對摩擦學性能的影響

圖3是有、無電磁場作用下(摩擦區域的電磁感應強度分別為0T和0.1T)，轉速1200r/min時載荷為196,392N和490N時含2%T307油樣中鋼球的磨斑直徑和摩擦因數。從圖3中可以看出，在有、無電磁場兩種工況下，磨斑直徑隨著載荷的增大而增大，摩擦因數隨著載荷的增大而減小。另外，電磁場作用下的磨斑直徑和摩擦因數均大于無電磁場作用時的數值，說明在所考察的3種載荷下，摩擦副界面的電磁效應對含T307油樣的抗磨減摩性能均有不利的影響。

圖2 有、無電磁場作用下磨斑直徑(a)和摩擦因數(b)隨T307質量分數的變化曲線Fig.2 Variation of WSD (a) and COF (b) with mass fraction of T307 under electromagnetic or non-electromagnetic field

圖3 有、無電磁場工況中磨斑直徑(a)和摩擦因數(b)隨載荷的變化關系Fig.3 Variation of WSD (a) and COF (b) with loads under electromagnetic or non-electromagnetic field

2.1.3 電磁場強度對摩擦學性能的影響

圖4給出了載荷392N，轉速1200r/min時，不同電磁場強度時(摩擦區域的電磁感應強度分別為0, 0.05, 0.1T和0.12T)含2%T307油樣的磨斑直徑(WSD)和摩擦因數(COF)的變化曲線。從圖4中可以看出，在所考察的電磁場強度下，摩擦界面的電磁效應對含T307油樣的抗磨減摩性能均有不利的影響。

圖4 磨斑直徑和摩擦因數隨電磁場強度的變化關系曲線Fig.4 Variation curves of WSD and COF with the intensityof electromagnetic field

2.2 磨斑表面形貌

圖5是有、無電磁場條件下，載荷392N，轉速1200r/min時，添加2%T307潤滑油中鋼球表面磨斑的全貌圖(左側)和細節圖(右側)的SEM照片。從圖5中可以看出，在電磁場條件下，含T307油樣中鋼球的磨斑直徑比無電磁場作用時的磨斑直徑大，磨斑表面的犁溝也比無電磁場作用時更明顯。SEM分析說明電磁場削弱了含T307油樣的潤滑效果，這與上述摩擦學實驗結果是一致的。

2.3 磨斑表面元素的XPS分析

圖6是在有、無電磁場條件下，載荷392N，轉速1200r/min時，含2%T307潤滑油中鋼球磨斑表面典型元素的XPS圖譜。從C1s的XPS圖譜可以看出潤滑油分子在磨斑表面發生了吸附；P2p在133.4eV處的電子結合能屬于FePO4；Fe2p的電子結合能710.5eV屬于Fe2O3，711.2eV處的吸收峰對應于FeOOH，713.5eV處的吸收峰則對應于FeSO4或FeS；N1s在399.8eV附近的電子結合能表明N以有機態的形式吸附于磨損表面。上述XPS分析結果表明，在有、無電磁場作用兩種工況下，含T307潤滑油中鋼球的磨斑表面均有FeSO4,FeS以及含N有機物等物質的摩擦化學反應膜生成，有效改善了150SN礦物油的抗磨性能。

圖5 有、無電磁場條件下含2%T307油樣中鋼球表面磨斑的SEM照片 (a)0T;(b)0.1T;(1)全貌圖;(2)細節圖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

表2列出了有、無電磁場時含2%T307潤滑油中鋼球磨斑表面典型元素的相對原子分數。從表2可以看出，電磁場作用下，含T307潤滑油中鋼球表面的功能元素(N，S，O和P)的相對原子分數比無電磁磁場時低，說明電磁場不利于這些功能元素與鋼球表面結合，從而不利于鋼球表面化學反應膜的生成；濺射5min后，N，S，O，P元素的相對原子分數比無電磁場時高，說明電磁場促進了這4種元素向金屬基體擴散。因此，從上述分析中推測，由電磁場引起的功能元素向金屬基體的擴散現象可能是電磁場削弱含T307油樣潤滑性能的原因。

圖6 有、無電磁場條件下含2%T307油樣中磨斑表面典型元素的XPS圖譜(a)Cls;(b)Fe2p;(c)P2p;(d)O1s;(e)S2p;(f)N1sFig.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

Sputteringtime/minIntensity/TAtom fraction/%CNSFeOP0074.612.570.531.6218.242.430.178.331.520.341.3817.790.645018.461.761.665.3411.211.630.111.312.462.1968.2113.522.31

2.4 機理分析

同時，將本工作的實驗結果與文獻[10-12]進行對比分析，電磁場并非對所有的潤滑油添加劑都有潤滑增效的作用，添加劑在電磁場作用下的摩擦學性能與添加劑的分子結構、所含的活性元素有關。摩擦界面的電磁效應通過影響添加劑分子的吸附特性、摩擦化學反應膜的吸附特性和摩擦化學反應特性從而影響添加劑的摩擦學性能。

3 結論

(1)電磁場作用下，含T307油樣中鋼球的磨斑直徑和摩擦因數均比無電磁場作用時大，說明電磁場對含T307潤滑油的抗磨減摩性能有不利的影響。

(2)XPS分析表明，電磁場不利于含T307油樣中P，S，O，N元素與金屬表面結合而不利于摩擦化學反應膜的生成，還有可能影響含N有機物的吸附而削弱了油樣的抗磨減摩性能。電磁場引起的T307中功能元素向金屬基體內部擴散可能是對含T307油樣的潤滑性能有不利影響的原因。

(3)電磁場并非對所有的潤滑油添加劑都有潤滑增效的作用，添加劑在電磁場作用下的摩擦學性能與添加劑的分子結構和所含的活性元素有關。