質子型離子液體水溶液對GCr15軸承鋼的摩擦學性能研究

張洋 劉志杭 金丹

摘要：以質子型離子液體：二羥乙基胺正辛酸（Bis[（2-hydroxyethyl） ammonium] caprylate，BOEAC）作為添加劑，配置了不同質量濃度的BOEAC水溶液，使用MS-10A摩擦試驗機對質子離子液體水溶液的減摩抗磨性能、極壓性能和潤滑穩定性能進行試驗研究。試驗結果表明：BOEAC離子液體水溶液具有顯著的減摩抗磨性能，其中10%BOEAC離子液體水溶液的最大無卡咬負荷高達847N，相比于純水（98N）減摩抗磨性能顯著，甚至高于普通基礎油，可作為水基潤滑液的極壓添加劑。BOEAC離子液體能夠顯著改善其水溶液的成膜性能，這是由于BOEAL分子能夠在摩擦副表面迅速形成吸附膜和化學反應膜，使摩擦副表面的摩擦系數降低，抗磨性能提升。作為一種不含鹵素等有毒元素的新型綠色離子潤滑劑，可通過調節BOEAC濃度配比，替代傳統潤滑劑，在各種工況中應用。

關鍵詞：二羥乙基胺正辛酸;減摩抗磨;成膜性能

中圖分類號：TF762+.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0017-03

0? 引言

重工業是國家發展的支柱產業，決定著國防、基建等的國家基礎產業的發展命運。然而隨著國家環保意識的加強，對重工業的治理力度逐漸加大。因此在重工業發展的各個方面，都要注意對環保材料的使用。金屬加工潤滑劑，作為金屬切削、軋制等流程中必不可少的材料，需求量逐年遞增，然而，傳統的油基潤滑劑多含有S、P、Cl等元素，嚴重污染環境、危害人體健康。因此，需要一種綠色環保的新型潤滑液，改善金屬加工中的潤滑性能，防止金屬表面劃傷剝離[1]。水基潤滑液具有綠色環保、來源廣泛等特性，然而由于水的黏度較低、成膜能力有限，因此需要加入合適的水溶性添加劑來改善水在低速區的極壓抗磨性能，使水溶液具有良好的成膜能力和潤滑性能[2]。

近年來，科學家發現一種“綠色潤滑劑”：離子液體具有不揮發、不可燃、良好的化學和熱穩定性等理性潤滑劑的性質，吸引了相關學者對該領域的研究[3-5]。然而市場上現存的離子液體大多含有鹵素元素，在金屬摩擦過程中易生成鹵化氫，對金屬產生腐蝕，因此限制了其在金屬加工業中的使用，且離子液體的溶解性較低，如何制備具有良好水溶性和性能穩定的離子液體水溶液，也是需要考慮的重要問題[6-7]。

本文所使用的離子液體屬于質子型季銨鹽類離子，相關研究表明該類離子液體具有較好的水溶性和可生物降解性，這些特征引起了人們對其在潤滑和摩擦學中的研究，2014年Tulia Espinosa小組將1%的質子型季銨鹽類離子液體二羥乙基胺丁二酸加入到水中在藍寶石/鋼摩擦副上進行了摩擦學試驗，結果表明其不僅顯著縮短了磨合期，并且呈現出超滑現象。該研究結果證明質子型季銨鹽類離子液體可作為水機潤滑添加劑。因此，本文作者前期合成了一種只含有C、H、O、N且水溶性良好的質子型季銨鹽類離子液體：二羥乙基胺正辛酸（BOEAC），將以其水溶液作為研究對象，系統的研究其在鋼/鋼摩擦副的摩擦學性能，并對其減摩抗磨機理進行分析。

1? 試驗部分

質子型離子液體添加劑二羥乙基胺正辛酸通過布朗斯特酸堿中和反應合成并提純而成。BOEAC離子液體的分子式為C12H27NO4，常溫下為淡黃色膠狀液體，BOEAC分子結構見表1。常溫下在純水中的溶解度≥70g（水100g）。本文用電子天平分別稱取一定量的BOEAC離子液體，加入適量的去離子水配置出質量分數為1%、5%、10%、15%、20%五種濃度梯度的水溶液，用磁力攪拌器攪拌20分鐘至溶質充分溶解，靜置24小時后溶質未出現變質和析出現象。

試驗選用上海鋼球廠生產的？準12.7mm軸承鋼鋼球，硬度HRC64～66，使用前分別用乙醇和丙酮超聲清洗十分鐘，再用去離子水沖洗十分鐘，氮氣吹干后放入密封袋密封待用。試驗使用MRS-10A型四球試驗機分別從濃度、載荷和轉速三個角度進行長磨試驗，測試BOEAL水溶液的減摩抗磨性能，并對其減摩穩定性能和極壓性能進行試驗，并使用光學顯微鏡對磨斑表面進行分析。

2? 試驗結果與分析

2.1 減摩抗磨性能試驗性能

2.1.1 濃度對減摩抗磨性能的影響

試驗研究BOEAL離子液體水溶液濃度與其減摩抗磨性能的關系。試驗條件：載荷300N，轉速1200r/min，時間20min，濃度分別為1%、5%、10%、15%、20%、25%，試驗結果如圖1所示。

前期對純水的潤滑性能進行測試，試驗結果表明100N載荷下鋼球摩擦副迅速出現干磨現象，摩擦表面出現燒結，并伴隨刺耳噪聲，機器迅速停機，這是由于純水承載能力有限，無法形成有效的潤滑膜。從圖1中可以看出，不同濃度BOEAL水溶液摩擦系數都在0.1以下，說明BOEAL離子液體的加入能夠顯著改善純水的潤滑性能。當濃度為1%時其摩擦系數相對較大，達到0.094，這主要是因為此時BOEAL離子液體的含量較少，不能完全吸附于整個金屬表面，無法將摩擦副表面完全分隔開形成有效流體潤滑，因此1%BOEAL水溶液的摩擦系數相對較大。隨著濃度的增加，溶液中的離子液體增多，分子吸附數量增加，吸附膜強度增大，摩擦系數降低。當濃度達到15%時，BOEAL水溶液的摩擦系數最低達到0.078，此時分子吸附膜接近飽和。當濃度繼續增加時，潤滑劑分子在金屬表面的吸附已達到飽和狀態，隨著黏度增大，離子液體間的內摩擦力增加，從而在宏觀上表現出內摩擦力增大。BOEAL水溶液的磨斑直徑隨濃度的增加呈現下降的趨勢，BOEAL水溶液的磨斑直徑在0.33～0.46mm之間變化，而隨著濃度的增加，磨斑直徑顯著降低，這是因為潤滑膜強度的提升是由摩擦副表面潤滑劑分子的吸附率和黏度共同決定的，隨著濃度的增加，潤滑液黏度增大，潤滑劑分子在摩擦副表面的吸附率增加，潤滑膜的整體承載能力提高，膜厚增加，從而使摩擦副粗糙峰的動態接觸率降低，因此，BOEA水溶液的磨斑直徑隨濃度的增加而降低。

2.1.2 載荷對減摩抗磨性能的影響

試驗研究BOEAL離子液體水溶液載荷與其減摩抗磨性能的關系。試驗條件：轉速1200r/min，時間20min，濃度5%，載荷分別為100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N，試驗結果如圖2所示。

從圖2中可以看出隨載荷的增加BOEAL水溶液的摩擦系數先減小后增加。當載荷為500N時離子液體水溶液的摩擦系數達到最小值0.080。分析原因，當載荷較小時，隨載荷的增加摩擦副表面逐漸形成穩定的化學反應膜，使得摩擦系數降低，而當載荷達到500N后，摩擦副表面的化學反應膜被逐漸破壞，粗糙峰間的直接接觸率增大，導致摩擦系數逐漸增加。同時隨載荷的增加，鋼球表面的接觸應力和變形量增加，必然會導致鋼球表面的實際接觸面積增大，實際磨損量隨之增加。

從圖2可以看出，在100N載荷下BOEAL水溶液潤滑的鋼球具有最大的摩擦系數和最小的磨斑直徑，這也從側面證明了摩擦系數和磨損率之間沒有直接的關系，為進一步探究BOEAL水溶液潤滑的鋼球摩擦和磨損狀態，對100N和800N載荷下BOEAL水溶液潤滑的鋼球磨斑表面進行分析。（圖3、圖4）

從圖3和圖4中可以看出，隨載荷的增加，摩擦副間的接觸壓力增大，磨損加劇，磨斑直徑較大。在100N載荷下，摩擦副表面的粗糙峰較為明顯，未能被迅速磨平，峰谷內的潤滑液不能起到承載潤滑的作用，粗糙峰間擠壓和磨削程度較嚴重，導致摩擦系數較大。而在800N載荷下摩擦副表面的粗糙峰被迅速磨平，峰谷內的潤滑液起到承載潤滑的作用]，并且由于離子液體自身所含的羥基、羧基等極性基團吸附于鋼球摩擦副表面形成的吸附膜，以及BOEAL離子液體與摩擦副表面發生化學反應形成的化學反應膜共同作用，使摩擦副在較高載荷下反而具有較好的減摩效果。

2.1.3 轉速對減摩抗磨性能的影響

試驗研究BOEAL離子液體水溶液轉速與其減摩抗磨性能的關系。試驗條件：轉速1200r/min，時間20min，濃度5%載荷，轉速分別為100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N，試驗結果如圖5所示。

從圖5中可以看出當轉速在800～1400r/min時，隨轉速的增加，潤滑膜的膜厚和強度增加，會使摩擦系數降低，同時轉速增加又會使水基潤滑液中的分子活性增加，使摩擦副表面的吸附膜和化學反應膜強度增加，這些因素共同作用使潤滑膜厚度和承載能力增加，摩擦系數降低。當轉速繼續增加時，摩擦副表面的動態接觸率增加，同時流體的剪切稀化和溫升共同作用，使流體的粘度降低，潤滑膜強度減弱，摩擦系數增加。隨轉速的增加，鋼球表面的動態接觸率增加，因此相同時間內鋼球表面的磨損量增加。

2.2 極壓性能分析

試驗條件：時間10s，溫度18～35℃，轉速1760r/min，濃度取0.5%和5%。

從表2中可以看出，由于水的承載能力有限，在98N載荷下無法形成有效的潤滑膜，而少量BOEAC離子液體的加入即可顯著提高水的承載能力。其中，5%BOEAC水溶液的承載能力超過了基礎油，達到643N，隨著BOEAC濃度增加，BOEAC水溶液的PB值增大，當BOEAC離子液體濃度達到15%時，其PB值高達964N，具有優異的極壓性能。由于BOEAC水溶液中離子與離子之間以及離子與金屬摩擦副之間的較強靜電作用，使摩擦副間的流體膜不容易被擠出接觸區而承受更大的載荷，因此離子液體相比于相近黏度的非離子液體具有更好的承載能力。

2.3 穩定性試驗分析

潤滑液的減摩穩定性是評價潤滑液性能的重要指標。對BOEAL水溶液進行長磨穩定性試驗，試驗條件為：轉速1200r/min，時間20min，載荷300N，濃度分別為：1%、10%、20%。

圖6中給出了300N載荷下不同濃度BOEAC水溶液摩擦系數隨運動時間的變化關系。BOEAC水溶液在磨合初期（0-100s）摩擦系數相對波動較大，而隨著磨合時間的增加，摩擦系數逐漸趨于穩定。這主要是因為在磨損初期鋼球表面具有宏觀和微觀的幾何缺陷，使得鋼球表面粗糙峰間的實際接觸點壓力較大，擠壓碰撞較為頻繁，在宏觀上磨損劇烈，摩擦系數波動較大。1%BOEAC水溶液極性分子較少，粘度較低使得潤滑膜較薄，潤滑膜分割摩擦副粗糙峰的能力較差，粗糙峰間的擠壓碰撞較為劇烈，因此相對于中、高濃度的離子液體水溶液，具有較大的摩擦系數和不穩定性。在磨合過程中，由于摩擦副粗糙峰間的磨削擠壓使表面產生塑性變形，較大的粗糙峰逐漸被磨平，導致鋼球表面接觸狀態得到改善，鋼球摩擦副間的磨損率降低。當進入穩定磨損階段時，潤滑狀態比較穩定，摩擦系數較為穩定。

3? 結論

①BOEAC水溶液具有較好的減摩抗磨性能，在各種試驗條件摩擦系數均在0.1以下，且潤滑穩定性較好。②BOEAC離子液體具有強極性，在摩擦過程中能夠迅速與金屬表面發生化學反應生成穩固的物理吸附膜和化學吸附膜，使其具有良好的承載能力，可作為極壓添加劑使用。③離子液體的加入能夠有效提高純水的成膜能力，且由于離子液體強靜電作用的影響，相比于同黏度的非離子液體，其具有更強的抗壓和成膜能力。④作為一種綠色環保的潤滑液添加劑，可以通過調節其在水溶液中的質量分數，改善其減摩抗磨性能，從而適應不同工況對其成膜和潤滑性能的要求。

參考文獻：

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