黃偉九 ，余永梅，張小彬，唐麗文

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054；2.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

超高強(qiáng)鋁合金是20世紀(jì)60年代以航空航天用材為背景研制并發(fā)展起來的一類高性能鋁合金材料[1-3]。目前世界各國(guó)民用飛機(jī)上鋁合金已占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的70%～80%, 其中大部分為超高強(qiáng)鋁合金。同時(shí)，現(xiàn)代核工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展也急需高性能、輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)材料, 因此高強(qiáng)高韌高抗蝕的超高強(qiáng)鋁合金無疑是理想的備選材料[4]。7050鋁合金是代表性的超高強(qiáng)鋁合金，具有高的比強(qiáng)度和硬度、良好的熱加工性、優(yōu)良的焊接性能、良好的耐腐蝕性能和較高韌性等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。

然而鋁合金由于化學(xué)活性高、黏性強(qiáng)、耐磨和抗擦傷性能差，難于潤(rùn)滑；特別是在常用的鋼-鋁摩擦副中，鋁和鋼之間存在較大的固溶度，易發(fā)生鋁向鋼的轉(zhuǎn)移，從而造成鋁件的嚴(yán)重磨損；在鋁合金的加工過程中，這種轉(zhuǎn)移會(huì)嚴(yán)重地影響工件的表面質(zhì)量，縮短模具的使用壽命。因此，鋁合金的潤(rùn)滑一直是困擾摩擦學(xué)家的難題之一[9-10]。近年來，人們對(duì)鋁加工潤(rùn)滑進(jìn)行了大量研究[11-16]，取得了一些規(guī)律性認(rèn)識(shí)，但也出現(xiàn)了對(duì)相同潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)作用結(jié)論相反的情況。如LIU等[12]發(fā)現(xiàn)氮氧型添加劑對(duì)鋁合金具有較好的潤(rùn)滑性，并發(fā)現(xiàn)可聚合型添加劑不僅可以降低鋁的摩擦磨損，還能提高鋁的表面質(zhì)量；HU和LIU[13]研究發(fā)現(xiàn)含氯添加劑對(duì)鋼-鋁摩擦副有較好的抗磨性能，含S和P等常用極壓抗磨添加劑對(duì)鋁合金的抗磨減摩作用不佳，而S和P混合型添加劑對(duì)鋼-鋁摩擦副具有較好的抗磨減摩效果；萬勇和薛群基[14]研究發(fā)現(xiàn)含磷極壓添加劑加劇了2024鋁合金的磨損，且化學(xué)腐蝕磨損是主要磨損形式；而劉維民等[15]則發(fā)現(xiàn)磷酸酯和磷氮型極壓抗磨添加劑能在2024鋁合金表面形成含磷酸鋁的表面膜，可有效提高鋁合金的減摩抗磨性能。目前，對(duì)超高強(qiáng)鋁合金潤(rùn)滑特性的研究還不多，李廣宇等[16]研究了添加劑對(duì)7A04和7075鋁合金潤(rùn)滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加劑的種類對(duì)鋁合金潤(rùn)滑性的影響差異較大，黏結(jié)磨損是主要磨損形式。本文作者對(duì)7050鋁合金在磷系潤(rùn)滑添加劑作用下的摩擦學(xué)行為進(jìn)行研究，并探討其摩擦學(xué)作用機(jī)制，以期為高強(qiáng)鋁合金的加工潤(rùn)滑提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

使用 MRH-3環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試磷系潤(rùn)滑添加劑作用下鋼-鋁摩擦副的摩擦學(xué)性能，其中試環(huán)為CrWMn淬火鋼環(huán)，其尺寸為d49 mm×12.7 mm，表面粗糙度(Ra)為0.27 μm，硬度為59～62HRC，試塊為熱軋態(tài)7050鋁合金，其化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Zn 6.06%，Mg 2.20%，Cu 2.12%，Zr 0.11%，Cr 0.04%，F(xiàn)e 0.08%，Si 0.04%，Al余量。試塊尺寸為19 mm×12.35 mm×12.35 mm，硬度為82.2HRB，表面粗糙度(Ra)為0.30 μm。試驗(yàn)前將鋼環(huán)和鋁合金塊均用石油醚超聲清洗 10 min，摩擦副接觸形式為環(huán)-塊線接觸。試驗(yàn)條件如下：載荷為100～500 N，轉(zhuǎn)速為600 r/min(相當(dāng)于滑動(dòng)速度1.54 m/s)，室溫，試驗(yàn)時(shí)間為10 min。每次試驗(yàn)前在試樣的接觸部位滴油1～2滴，而后在試驗(yàn)中以3～4滴/min的速率滴加含磷系添加劑的石蠟油至摩擦接觸部位，保持其處于薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)；摩擦因數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄，鋁合金的磨損體積經(jīng)表面輪廓儀測(cè)量后計(jì)算而得，試驗(yàn)結(jié)果均為3次測(cè)試的平均值。

試驗(yàn)所用的含磷潤(rùn)滑添加劑為磷酸三甲酚酯(TCP)、二正丁基磷酰胺(DBPA)、亞磷酸二丁酯(DBPi)和二辛基二硫代磷酸鋅(ZDDP)，其中前兩種為化學(xué)純?cè)噭?，后兩種為商業(yè)品，使用前未作提純處理；基礎(chǔ)油為化學(xué)純的液體石蠟，添加劑在基礎(chǔ)油中的含量(體積分?jǐn)?shù))為0.5%～5%。用JSM-6460LV掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌；用PHI-5702型多功能X射線光電子能譜(XPS)對(duì)鋁合金磨損表面元素的化合態(tài)進(jìn)行分析，采用Mg Kα線，通過能量29.4 eV，用C1s的電子結(jié)合能284.6 eV作內(nèi)標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)條件對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響

圖1所示為在載荷為200 N時(shí)含2%磷系潤(rùn)滑添加劑的石蠟油對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響。研究表明：與基礎(chǔ)油相比，4種潤(rùn)滑添加劑均能降低鋼-鋁摩擦副間的摩擦因數(shù)，其中以亞磷酸二丁酯潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)最低；這說明4種磷系潤(rùn)滑添加劑在摩擦表面生成了剪切強(qiáng)度較低的潤(rùn)滑膜，有效地降低了鋼-鋁摩擦副間的摩擦因數(shù)。與對(duì)摩擦因數(shù)的影響不同，4種磷系潤(rùn)滑添加劑對(duì)鋁合金磨損的影響差異較大；磷酸三甲酚酯和二正丁基磷酰胺均能提高鋁合金的抗磨損性能，且二正丁基磷酰胺效果更好；而亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅作為潤(rùn)滑添加劑則加劇了鋁合金的磨損，其中亞磷酸二丁酯導(dǎo)致的鋁合金磨損量最大。這說明磷系潤(rùn)滑添加劑與鋁合金因摩擦化學(xué)反應(yīng)生成的化學(xué)反應(yīng)膜在致密性、強(qiáng)度及膜基結(jié)合強(qiáng)度上有較大差異，化學(xué)反應(yīng)膜的致密性、強(qiáng)度及膜基結(jié)合強(qiáng)度高則抗磨性能好，反之化學(xué)反應(yīng)膜的抗磨性能差。試驗(yàn)中亞磷酸二丁酯潤(rùn)滑的鋁合金出現(xiàn)了摩擦因數(shù)小，磨損量大的現(xiàn)象。這可能是潤(rùn)滑添加劑在鋁合金表面形成的潤(rùn)滑膜在減摩性能(剪切強(qiáng)度)和抗磨性能(致密性、強(qiáng)度和膜基結(jié)合強(qiáng)度)的變化上不同步造成的。

圖1 不同添加劑潤(rùn)滑下鋁合金的摩擦學(xué)性能Fig.1 Tribological performances of aluminium alloy lubricated by various additives: (a) Friction coefficient; (b)Wear volume

圖2所示為添加劑含量對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響。研究表明：在測(cè)試含量范圍內(nèi)，二正丁基磷酰胺含量變化對(duì)鋁合金的摩擦及磨損性能影響較小，這說明二正丁基磷酰胺與鋁合金形成穩(wěn)定表面膜的臨界含量較低，且形成的表面膜性能差異較小，因而鋁合金的摩擦學(xué)性能很快就進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。而對(duì)亞磷酸二丁酯而言，出現(xiàn)了摩擦因數(shù)隨添加劑含量增加先降低而后進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，鋁合金磨損量隨添加劑含量增加先上升而后進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)的現(xiàn)象，但摩擦因數(shù)和磨損量發(fā)生變化的臨界含量并不完全吻合。亞磷酸二丁酯含量增加可能使添加劑與鋁合金表面的摩擦化學(xué)反應(yīng)加劇，且化學(xué)反應(yīng)膜的性能隨添加劑含量的變化呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，且生成的化學(xué)反應(yīng)膜在減摩和抗磨性能上并不同步。

圖2 添加劑含量對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of additive content on tribological performance of aluminium alloy: (a) Friction coefficient; (b) Wear volume

圖3 載荷對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of load on tribological performance of aluminium alloy: (a) Friction coefficient; (b) Wear volume

圖3所示為載荷對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響。研究表明：在兩種添加劑潤(rùn)滑下，鋁合金的摩擦因數(shù)和磨損量均隨載荷的增加呈增大狀態(tài)，但使用二正丁基磷酰胺潤(rùn)滑時(shí)鋁合金的摩擦因數(shù)和磨損量增幅小于使用亞磷酸二丁酯潤(rùn)滑時(shí)鋁合金的摩擦因數(shù)和磨損量增幅。這是由于鋁和鋼之間存在較大的固溶度，隨著載荷增加，鋁合金單位面積上的壓強(qiáng)增大，易發(fā)生鋁向鋼的轉(zhuǎn)移；轉(zhuǎn)移到鋼摩擦副表面鋁進(jìn)而又與配副的鋁合金表面發(fā)生粘著，使鋼鋁摩擦副做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切強(qiáng)度增大，即摩擦因數(shù)增大；同時(shí)粘著磨損也使鋁合金的磨損量明顯提高。圖3所示也表明二正丁基磷酰胺形成的潤(rùn)滑膜比亞磷酸二丁酯形成的潤(rùn)滑膜具有更優(yōu)良的減摩抗磨性能。

2.2 磨痕表面分析與討論

圖4所示為不同添加劑潤(rùn)滑時(shí)7050鋁合金試件表面磨損形貌的SEM像。整體而言，用4種磷系潤(rùn)滑添加劑潤(rùn)滑時(shí)磨損表面比較光滑，沒有粘連較多的沉積物。這可能是鋁合金化學(xué)活性比較強(qiáng)，在摩擦過程中易與磷系潤(rùn)滑添加劑發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)反應(yīng)膜且反應(yīng)膜剪切強(qiáng)度較低，易從表面剔除的緣故。這與4種磷系潤(rùn)滑添加劑均能有效降低鋁合金的摩擦因數(shù)相吻合，同時(shí)也說明化學(xué)腐蝕磨損在磷系潤(rùn)滑添加劑的摩擦過程中普遍存在。從圖4(a)和4(d)可見，用磷酸三甲酚酯和二正丁基磷酰胺潤(rùn)滑的試件表面磨損輕微，無明顯粘連現(xiàn)象，摩擦表面上犁溝淺且分布均勻，其主要的磨損形式是磨粒磨損。從圖4(b)和4(c)可見，亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅作為添加劑潤(rùn)滑時(shí)，摩擦表面的磨損程度明顯大于前兩種添加劑潤(rùn)滑時(shí)摩擦表面的磨損程度，磨痕的寬度和深度加大，磨痕上存在部分沉積物，可能是鋁合金與對(duì)磨表面發(fā)生粘著磨損形成的殘余。上述表面形貌表明，亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅潤(rùn)滑時(shí)的摩擦學(xué)機(jī)制包括磨粒磨損和粘著磨損。

圖5所示為亞磷酸二丁酯作為添加劑潤(rùn)滑時(shí)，在不同測(cè)試條件下 7050鋁合金對(duì)偶表面鋼環(huán)上鋁元素的面分布。從圖5可見，在摩擦條件比較溫和及添加劑含量較低時(shí)，對(duì)偶表面有一定量的鋁元素分布且比較均勻，隨著載荷或添加劑含量增加，轉(zhuǎn)移到對(duì)偶表面的鋁元素明顯增多，且鋁元素還出現(xiàn)部分積聚的現(xiàn)象；這是粘著磨損發(fā)生的佐證之一，說明載荷或添加劑含量增加，加速了鋁向?qū)ε急砻娴霓D(zhuǎn)移，并促進(jìn)了粘著磨損發(fā)生。

圖4 不同添加劑潤(rùn)滑下鋁合金試塊磨斑形貌的SEM像Fig.4 SEM images of worn surfaces of aluminium alloy blocks under lubrication of various additives: (a) TCP; (b) DBPi; (c) ZDDP;(d) DBPA

圖5 鋼環(huán)磨損表面鋁元素的分布Fig.5 Distribution of element aluminum on wear scar of steel ring: (a) Load=100 N, additive content=2%; (b) Load=500 N,additive content=2%; (c) Load=200 N, additive content=5%

分析磷系潤(rùn)滑添加劑潤(rùn)滑下鋁合金的摩擦學(xué)行為可知，磷系潤(rùn)滑添加劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)鋁合金的摩擦學(xué)行為有較大的影響。對(duì)含磷添加劑潤(rùn)滑的鋁合金摩擦表面進(jìn)行 XPS分析可知，摩擦表面磷元素的特征峰P 2p主要出現(xiàn)在133.5和133.9 eV處，分別對(duì)應(yīng)磷酸鋁和亞磷酸鹽，與文獻(xiàn)[9]的結(jié)果相似。這表明含磷添加劑可通過摩擦化學(xué)反應(yīng)在鋁合金表面形成由磷酸鋁或亞磷酸鋁等組成的邊界潤(rùn)滑膜。這一過程實(shí)質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)控制的金屬化學(xué)腐蝕過程，添加劑的反應(yīng)活性直接影響反應(yīng)膜的抗磨性能，添加劑反應(yīng)高會(huì)導(dǎo)致金屬表面嚴(yán)重的腐蝕，反應(yīng)膜疏松、強(qiáng)度低且易剝離，進(jìn)而產(chǎn)生較大的磨損；而添加劑反應(yīng)活性太低則不能有效地保護(hù)表面。亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅均屬于與鋁反應(yīng)活性較高的添加劑，因而導(dǎo)致較大的磨損量。二正丁基磷酰胺由于分子中有氮元素，而氮的電負(fù)性高，原子半徑??；在摩擦過程中，當(dāng)二正丁基磷酰胺吸附于摩擦表面時(shí)，分子間比較容易形成氫鍵而導(dǎo)致橫向引力增加和油膜強(qiáng)度增大，這有利于抗磨強(qiáng)度的提高；同時(shí)，二正丁基磷酰胺中的氮是一種較強(qiáng)的路易斯堿，能有效地抑制磷元素的過度腐蝕。因此，這兩種效應(yīng)的共同作用有效地提高了鋁合金的減摩抗磨性能。

3 結(jié)論

1) 4種磷系潤(rùn)滑添加劑均能有效降低鋼-鋁摩擦副的摩擦因數(shù)，但對(duì)高強(qiáng)鋁合金抗磨作用的影響有差異；磷酸三甲酚酯和二正丁基磷酰胺能增強(qiáng)7050鋁合金的抗磨作用，其中二正丁基磷酰胺的效果更優(yōu)；而亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅會(huì)增加鋁合金的磨損，且亞磷酸二丁酯對(duì)鋁合金抗磨作用的負(fù)面影響較大。磷系潤(rùn)滑添加劑對(duì)高強(qiáng)鋁合金減摩抗磨性能的影響與其化學(xué)反應(yīng)活性密切相關(guān)，添加劑反應(yīng)活性太強(qiáng)對(duì)鋁合金抗磨性副作用較大，而潤(rùn)滑添加劑反應(yīng)活性適中則能提高7050鋁合金的減摩抗磨性能。

2) 鋼-鋁摩擦副間的摩擦因數(shù)隨添加劑含量增加而減少，但隨載荷增加而增大；以二正丁基磷酰胺潤(rùn)滑的鋁合金的磨損量隨添加劑含量增加而減少，但隨載荷增加而增大；而以亞磷酸二丁酯潤(rùn)滑時(shí)磨損量隨載荷和添加劑含量的增大均呈增加趨勢(shì)。

3) 磷系潤(rùn)滑添加劑潤(rùn)滑下7050鋁合金的磨損機(jī)制包括磨粒磨損、粘著磨損、化學(xué)腐蝕磨損3種，其中化學(xué)腐蝕磨損和磨粒磨損是鋁合金的主要摩損機(jī)制。

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