電磁場作用下含三乙醇胺硼酸酯潤滑油的摩擦學特性

方建華，王 鑫，姜自超，丁建華，馮彥寒

(陸軍勤務學院油料系，重慶 401311)

機械設備的電氣化及運轉過程中由于摩擦產生自生電勢而激發電磁效應，會使得許多摩擦部位都受到電磁環境的影響，從而產生特殊的摩擦磨損問題[1-8]。傳統的研究認為，潤滑油極壓添加劑在摩擦過程中發生摩擦化學反應，生成具有低剪切強度的摩擦化學反應膜是其具有優良抗磨減摩作用的主要原因。因此，目前學者們設計潤滑添加劑時，主要從引入硫、磷、氯、硼等元素，以及能在摩擦過程中發生控制性腐蝕反應的分子結構入手，卻忽視了在電磁效應影響下，潤滑添加劑的作用行為和潤滑方式會發生改變這一問題。近年來，學者們在構思新的摩擦學理論時，研究思路逐漸向電和電磁作用的范疇轉移。大量文獻報道證實，由界面電磁效應引起的熱現象、吸附現象和與電磁作用有關的復雜物理或化學行為，勢必會影響摩擦副的摩擦、磨損及潤滑方面的性能和機理[9-12]。

硼酸酯潤滑油添加劑在摩擦過程中，分別能在摩擦副金屬表面上形成由吸附膜、聚合物膜及由于金屬局部高溫高壓而生成的FeB、Fe2B擴散滲B、滲C層三者組成的復合保護膜，具有優異的抗磨減摩性能，因此，是一種性能優良的抗磨添加劑[13-18]。目前尚無電磁場中硼酸酯潤滑油添加劑的摩擦學性能和機理的研究報道，而這種研究，對于解決電氣化機械設備潤滑問題，設計相關潤滑油添加劑的分子結構，具有重要的理論和現實意義。

本研究使用自制通電線圈，使四球摩擦磨損試驗機的四球接觸區處于外加電磁場內，考察電磁場作用下含三乙醇胺硼酸酯(TBE)抗磨添加劑的潤滑油的摩擦磨損性能，并使用掃描電鏡觀測鋼球磨痕表面形貌，使用X射線光電子能譜儀分析磨斑表面典型元素的化學狀態，并探討電磁作用下TBE的摩擦磨損機理。

1 實 驗

1.1 基礎油及添加劑

基礎油采用無極性石蠟基150SN基礎油，潤滑油添加劑采用成都華夏化學試劑有限公司提供的TBE，其分子式為C6H12BNO3，其結構式如圖1所示，其理化性質見表1。

圖1 TBE的結構式

w(B),%w(N),%密度(20 ℃)∕(kg·m-3)外觀6.027.35≤867淺黃色透明油狀液體

1.2 摩擦磨損試驗

采用濟南舜茂試驗儀器有限公司生產的MMW-1型立式四球摩擦磨損試驗機進行摩擦摩損試驗，分析方法為SH/T 0189—1992，使用直徑為12.7 mm的GCr15標準鋼球，硬度(HRC)為58～62。將TBE按質量分數0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的添加量分別加入150SN基礎油中，使用磁力攪拌器對油樣攪拌10 min，再在超聲波作用下對油樣進行均勻分散。在載荷392 N、轉速1 200 r/min的工況條件下考察潤滑油中添加劑含量不同時，摩擦因數和試驗后鋼球的磨斑直徑隨磁場強度變化的趨勢。

使用自制通電線圈放置在試驗機四球接觸區的外部，用以提供電磁場環境，磁感線方向大致垂直于摩擦副接觸界面，如圖2所示。試驗時通過磁感應線圈的電流強度為1 A，使用HT201型手持式數字特斯拉儀(上海亨通電磁科技有限公司生產)測得四球接觸點的磁感應強度為0.1 T。試驗時間均為30 min。試驗結束后，測定鋼球3個底球的磨斑直徑算術平均值。

圖2 改進后四球試驗機工作示意

1.3 表面分析

在有、無電磁場作用兩種條件下，用不同TBE含量的潤滑油進行摩擦磨損試驗，試驗后用石油醚清洗鋼球，使用TESCAN VEGA 3 LMH型掃描電子顯微鏡觀察磨斑表面形貌，用Escalab250型X射線光電子能譜儀(XPS)和X射線能譜儀(EDS)分析磨痕表面典型元素的化學狀態。

2 結果與討論

2.1 摩擦磨損特性分析

圖3所示為載荷392 N、轉速1 200 r/min時，以150SN基礎油為潤滑油時，在不同磁場強度下鋼球磨斑直徑和摩擦因數。從圖3可以看出，在所考察的磁場強度范圍內，磨斑直徑隨著磁場強度的增大而增大，摩擦因數隨著磁場強度的增大表現為先增大后減小，說明電磁場的存在會削弱150SN基礎油的抗磨和減摩性能。圖4所示為在載荷392 N、轉速1 200 r/min、不同磁場強度條件下，150SN基礎油潤滑下鋼球的摩擦因數隨時間變化關系曲線。從圖4可以看出，電磁場條件下鋼球的摩擦因數均要大于無電磁場環境時的摩擦因數，說明電磁場存在不利于150SN基礎油的減摩性能。

圖3 鋼球的磨斑直徑和摩擦因數隨磁場強度的變化●—摩擦因數； ■—磨斑直徑

圖4 不同磁場強度下鋼球的摩擦因數隨時間的變化磁場強度： —0 T； —0.025 T； —0.050 T； —0.075 T

圖5給出了在有電磁場作用(磁場強度為0.05 T)和無電磁場作用下，載荷392 N、轉速1 200 r/min時鋼球磨斑直徑和摩擦因數隨潤滑油中TBE含量的變化情況。從圖5(a)可以看出：TBE的加入很好地改善了潤滑油的抗磨性能；在含有TBE的油樣中，無論有、無電磁場的作用，鋼球磨斑直徑都是先減小后增大，當TBE質量分數為2.0%時磨斑直徑最小；電磁場作用下含TBE的油樣潤滑下鋼球磨斑直徑均小于無磁場作用時的磨斑直徑，說明電磁場環境有利于增強含TBE潤滑油的抗磨性能。從圖5(b)可以看出，摩擦因數隨TBE含量的增加表現為先增大再減小又增大，且電磁場作用下的摩擦因數均大于無電磁場作用時的摩擦因數，表明電磁場存在不利于含TBE潤滑油的減摩性能。

圖5 在有、無電磁場作用下鋼球的磨斑直徑和摩擦因數隨TBE含量的變化■—無電磁場； ●—有電磁場

圖6所示為潤滑油中TBE質量分數2.0%、載荷392 N、轉速1 200 r/min時，鋼球磨斑直徑和摩擦因數隨磁場強度的變化。從圖6可以看出：在所考察的磁場強度范圍內，磨斑直徑隨著磁場強度的增大而減小，最終趨于平穩，說明電磁場環境有利于含TBE潤滑油的抗磨性能；摩擦因數在施加電磁場后急劇增大，隨著磁場強度增大，摩擦因數表現為先增大后減小，說明電磁場存在會削弱潤滑油的減摩性能。

圖6 摩擦因數和鋼球磨斑直徑隨電磁場強度的變化■—摩擦因數； ●—磨斑直徑

2.2 SEM分析

圖7所示分別為在有、無電磁場作用時，在150 SN基礎油或在含1.0%(w)TBE潤滑油潤滑下鋼球的磨斑表面形貌放大100倍時的SEM照片。從圖7可看出：使用基礎油為潤滑介質時，有電磁場時的磨損明顯更劇烈，磨斑直徑稍大于無電磁時的磨斑直徑，且犁溝更深，擦傷較為嚴重；當潤滑介質為含1.0%(w)TBE潤滑油時，電磁場影響下的磨斑比無電磁場時明顯擦傷更輕，磨痕較淺，磨斑直徑較小，犁溝更淺；電磁場作用下鋼球表面的磨斑呈不規則的圓形，兩側幾乎沒有磨痕，這也說明電磁場有利于鋼球表面摩擦化學反應膜的生成從而減輕了摩擦磨損。

圖7 在有、無電磁場作用時兩種潤滑油潤滑下鋼球表面形貌的SEM照片

2.3 XPS分析

圖8所示是在有或無電磁場作用下、載荷392 N、轉速1 200 r/min時，含1.0%(w)TBE潤滑油潤滑下鋼球磨斑表面的XPS圖譜。從圖8可以看出：鋼球磨斑表面C1s軌道在電子結合能284.8 eV和288.3 eV處的雙峰對應于C—C單鍵和C=O雙鍵，表明潤滑油基礎油分子在鋼球磨斑表面上發生了反應與吸附；Fe2p軌道在電子結合能710.8 eV處的譜峰對應于Fe2O3，表明在摩擦過程中有鐵的氧化物生成；O1s軌道在電子結合能530.25 eV附近的譜峰對應于Fe的氧化物，這與Fe2p軌道的譜峰所顯示的化學狀態吻合；N1s軌道在電子結合能398.2 eV附近的譜峰對應的是—C—(NH2)，N1s軌道在電子結合能400.1 eV附近的譜峰對應的是=B—N=。說明在有、無電磁場作用下，鋼球表面均生成了含Fe氧化物、含N有機物以及含硼氮化合物的潤滑膜；在對鋼球磨斑表面的元素含量分析中顯示有B元素存在，但在XPS分析中未檢測出B元素，可能是由于B含量較低、干擾太大、檢測靈敏度低所致。

圖8 在有、無電磁場作用下摩擦磨損試驗后鋼球磨斑表面的XPS圖譜—無電磁場; —有電磁場

2.4 EDS分析

表2所示為在磁場強度分別為0 T和0.05 T、載荷392 N、轉速1 200 r/min時，含1.0%(w)TBE潤滑油潤滑下鋼球磨斑表面的EDS面掃描元素含量分析結果。從表2可知，無電磁場作用時鋼球表面的B，N，O元素質量分數分別為0.95%，0.58%，2.18%，有電磁場作用時鋼球表面的B，N，O元素質量分數分別為1.07%，0.60%，2.78%，說明電磁場促進了含TBE潤滑油中B，N，O三種功能元素與摩擦表面的作用，從而有利于鋼球表面生成摩擦化學反應膜以減輕摩擦表面的磨損。

表2 有、無電磁場作用下鋼球表面的元素含量

2.5 潤滑機理分析

根據以上表面分析的結果，從電磁場的物理效應和化學效應兩個方面對TBE在電磁場作用下可能的摩擦學機理進行分析。

2.5.1 電磁場的物理效應[7，12]對鐵磁性金屬材料的摩擦副施加垂直于摩擦界面的電磁場時，摩擦界面微凸峰的間隙便會產生垂直的磁場。摩擦界面的電磁效應對磨損微粒的作用如圖9所示。摩擦面上存在大量微凸體，使得摩擦界面上產生分布不均勻的電磁場，從而對磨損微屑(M1和M2)產生捕集作用力(F1和F2)，同時磨損微粒之間還會存在相互作用力Fa。在摩擦過程中，摩擦界面上會產生強磁性或弱磁性的磨損微粒，如磨損過程中產生的Fe2O3反應膜微粒、金屬Fe微粒等。在垂直于摩擦界面的電磁場的作用下，由于F1和F2的作用，這些微粒被捕集吸附在摩擦副表面，強磁性的金屬微粒先吸附，弱磁性的反應膜微粒后吸附，逐漸形成一個保護膜層，從而達到減少摩擦磨損的效果，因此電磁場有利于含TBE潤滑油的抗磨性能。

圖9 摩擦界面的電磁效應對磨損微粒的作用

同時，由于這些微粒形成保護膜層是隨著摩擦不斷進行的過程，這就導致在摩擦過程中(特別是在摩擦的初始階段)物理或化學吸附膜的形成不連續，對潤滑油的減摩性能有不利的影響。另外，由于電磁場作用下摩擦接觸區溫度高于無電磁場作用時摩擦接觸區域的溫度，根據潤滑油的黏溫特性，這會導致物理吸附膜變薄，從而不利于含TBE潤滑油的減摩性能。

2.5.2 電磁場的化學效應從上述EDS分析可以看出，電磁場作用下鋼球表面的B，N，O元素的相對含量高于無電磁場作用時的含量。這可能是因為硼酸酯中B原子具有獨特的電子構型(即sp2雜化，還存在一個空的p軌道)，電磁場作用下可能會激發空的p軌道，使其更容易接受類似于“親核試劑”的進攻，即增強其與金屬表面的鍵合作用，從而促進了含硼、氧、氮等元素的高強度聚合物膜生成，增強了油品的抗磨性能。

3 結 論

(1)電磁場不利于150SN基礎油的抗磨減摩性能，電磁場有利于改善TBE潤滑添加劑的抗磨性能，但削弱了其減摩性能。

(2)XPS分析表明，在有、無電磁場作用時鋼球表面均生成了含Fe氧化物、含N有機物以及含硼氮化合物的潤滑膜。

(3)EDS分析表明，有電磁場作用時鋼球表面的B，N，O元素含量均高于無電磁場作用時的含量，說明電磁場促進了含Fe和B元素的摩擦化學反應膜及含有機氮化物的高強度聚合物膜的形成以減輕摩擦表面的摩擦、磨損。