江澤琦，方建華，劉 坪，陳波水，馮彥寒，谷科城，王 鑫

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

近年來，摩擦學研究緊跟時代需要，從宏觀向微觀領域不斷深入，表面效應和界面效應愈來愈突出[1]。在應用實際中，機器設備現(xiàn)代化和電氣化的程度不斷提高和磁技術的廣泛應用使得許多關鍵滑動部位都在電磁場環(huán)境中工作，磁化切削、電動機電刷或勵磁電機中的碳刷、高速鐵路的接觸導線與滑板、大功率電力輸送中的開關接觸器等都涉及到電磁環(huán)境下的摩擦磨損問題[2-5]。同時，摩擦副在相互接觸或發(fā)生相對運動的過程中會由于金屬自由電子密度和電子逸出功的差異自生電勢，電勢在不斷變化過程中將激發(fā)界面的電磁效應[6-7]。大量文獻報道證實[8-12]，由界面電磁效應引起的復雜物理或化學行為，勢必會影響摩擦、磨損及潤滑方面的性能和機理。因此，從電磁學的角度認識和研究摩擦、磨損和潤滑機理，在實現(xiàn)外場對摩擦的調控、革新潤滑材料的成分和結構設計等方面都將是一種有益的探索，同時對完善和發(fā)展摩擦學理論和實踐具有重要意義。

潤滑劑是機械加工工藝潤滑、減少機械設備摩擦磨損的重要“零件”。它通過物理或化學吸附作用以及摩擦化學反應在摩擦副表面形成一層薄膜而起到減緩摩擦磨損作用。添加劑作為潤滑劑中的重要組成部分，尤其是含硫、磷、氮等活性元素的極壓抗磨劑，它們在摩擦過程的作用行為直接關系到潤滑劑的潤滑性能。學者們在設計添加劑的分子結構時，僅僅考慮了摩擦物理或摩擦化學的反應特性，忽視了摩擦界面的電磁效應對其作用行為的影響。深入研究電磁環(huán)境和摩擦帶電機制對潤滑油添加劑的作用行為的影響是適應機械設備電氣化發(fā)展的需要，對指導添加劑的分子結構設計、改革及其研制有重大意義。本研究在改進的摩擦磨損試驗機上，考察電磁場作用下磷酸三甲酚酯(T306)、硫代磷酸銨鹽(T307)、氯化石蠟(T301)、丁辛基二硫代磷酸鋅(T202)、雙辛基二硫代磷酸鋅(T203)等潤滑油添加劑的摩擦學性能，并結合表面分析結果從電磁場的物理效應和化學效應對潤滑油的潤滑機制進行分析。

1 實 驗

1.1 摩擦磨損試驗機的選用與改造

根據Stribeck曲線的特性，在邊界潤滑狀態(tài)，起主要作用的是潤滑劑中活性元素與金屬表面作用生成的化學反應膜。因此選用四球摩擦磨損試驗機，并對之進行簡易改造，即外加電磁場來進行實驗研究。

根據MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機(濟南舜茂試驗儀器有限公司生產)的摩擦副接觸區(qū)域的尺寸，制作了一個通電線圈放置于該試驗機摩擦副接觸區(qū)域的外部。摩擦副接觸區(qū)的工作原理示意見圖1。摩擦副接觸區(qū)套筒材料為鋁合金，導線采用Φ0.6 mm的全銅漆包線，匝數為800匝；當對線圈通一定強度的電流時將在摩擦副接觸區(qū)域產生電磁場，磁感應線的方向大致與摩擦副接觸面垂直。

圖1 摩擦副接觸區(qū)的工作原理示意

1.2 基礎油和添加劑

采用深圳市潤滑油工業(yè)公司提供的無極性石蠟基150SN作為基礎油，其理化性質見表1。潤滑油添加劑T306，T307，T301，T202，T203均由北京苯環(huán)精細化工有限公司生產。

表1 150SN基礎油的理化性質

1.3 摩擦磨損試驗

1.4 表面分析

將摩擦磨損試驗后的鋼球在丙酮中超聲清洗10 min，然后使用裝配X射線能譜儀(EDS)的TESCAN VEGA 3 LMH型掃描電子顯微鏡(SEM)和ESCALab 250型X射線光電子能譜(XPS)儀分別表征鋼球磨斑的表面形貌及磨痕表面典型元素的化學狀態(tài)并檢測相對原子含量。

2 電磁效應對潤滑油添加劑摩擦學性能的影響

2.1 含磷型添加劑

電磁效應對含磷型添加劑(T306、T307)摩擦學性能的影響[13-15]見圖2。從圖2可以看出：①在電磁場作用下，含T306潤滑油潤滑試驗鋼球的磨斑直徑比無電磁場作用時的小，含T307潤滑油潤滑試驗的鋼球磨斑直徑比無電磁場作用時的大；②在電磁場作用下，2種潤滑油潤滑試驗的摩擦因數均比無電磁場作用時的大。說明電磁效應有利于增強T306的抗磨性能，但會削弱T307的抗磨性能，且對T306、T307的減摩性能均有不利影響。

圖2 電磁效應對含磷型添加劑(T306、T307) 摩擦學性能的影響■—T306(B=0 T)； □—T306(B=0.1 T)； ▲—T307(B=0 T)； △—T307(B=0.1 T)

2.2 含氯型添加劑

電磁效應對含氯型添加劑(T301)摩擦學性能的影響[16]見圖3。從圖3可以看出，在電磁場作用下，含T301潤滑油潤滑試驗的摩擦因數和鋼球的磨斑直徑均比無電磁場作用時的小。說明電磁效應有利于增強T301的抗磨減摩性能。

圖3 電磁效應對含氯型添加劑(T301)摩擦學性能的影響■—T301(B=0 T)； ●—T301(B=0.1 T)

2.3 二烷基二硫代磷酸鋅添加劑

圖4 電磁效應對二烷基二硫代磷酸鋅添加劑 (T202、T203)摩擦學性能的影響■—T202(B=0 T)； □—T202(B=0.1 T)； ▲—T203(B=0 T)； △—T203(B=0.1 T)

電磁效應對二烷基二硫代磷酸鋅添加劑(T202、T203)摩擦學性能的影響[17-18]見圖4。從圖4可以看出，在電磁場作用下，含T202、T203潤滑油潤滑試驗的摩擦因數和鋼球的磨斑直徑均比無電磁場作用時的小。說明電磁效應有利于增強T202、T203的抗磨減摩性能。從圖4還可以看出，相比于T202，含T203潤滑油潤滑試驗鋼球的磨斑直徑在有、無電磁場作用下的差值更大，說明電磁效應對T203抗磨性能的影響更加顯著。

3 基于電磁效應的潤滑油添加劑的潤滑機理

3.1 電磁場的物理效應

在鐵磁性金屬材料的摩擦副機構中，當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場強。由于摩擦面上大量微凸體、磨痕的存在，摩擦面上會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(如圖5所示)[19-20]。

圖5 摩擦界面的電磁效應對磨損微粒的作用

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微粒、反應膜FeSx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，會將這些微粒產生捕集作用，促進它們吸附在摩擦副表面，強磁性的金屬微粒先吸附，弱磁性的反應膜微粒后吸附，逐漸形成一個正梯度的保護膜層，從而達到減少摩擦磨損的效果。但是，這些不同屬性的微粒之間會在相互作用力的作用下，或聚集、或分散，形成不同性質的保護膜層，從而對抗磨減摩性能產生影響[19-20]。

3.2 電磁場的化學效應

3.2.1對添加劑分子吸附性能的影響潤滑油添加劑與摩擦副表面發(fā)生摩擦化學反應之前，添加劑首先與摩擦副表面發(fā)生吸附作用。有研究指出[21-22]，石墨由于大量共軛π鍵體系的存在而促進其在金屬表面的吸附。類似地，T306分子中由于3個苯環(huán)結構賦予其共軛的π鍵結構，電磁場作用下使T306在垂直于分子層面的方向具有良好的磁化性能，有利于T306中P和O原子向摩擦表面作用，即促進了摩擦化學反應膜的形成[13]。而T307分子整體沒有穩(wěn)定的π鍵結構，電磁場可能會影響T307分子間存在的偶極間的極化作用而增大分子間的距離，并且N能夠提供電子，其周圍的電子云密度較大，是吸附活性的中心，電磁場會使其電子云發(fā)生形變而影響其吸附活性，這些因素可能會影響T307中P，S，N元素與金屬表面結合，從而不利于摩擦化學反應形成潤滑膜[15]。

3.2.2對化學反應膜的影響氧化膜是一種常見的化學反應膜，根據EDS和XPS對試驗鋼球磨斑表面的檢測結果可知，電磁場作用下鋼球表面O元素的相對含量均高于無電磁場作用時的相對含量(見表2)，說明電磁場對氧化膜的形成有促進作用[13-18]。根據分子軌道理論，氧分子(O2)中2個氧原子由2個三電子鍵結合(O…O)，由于其中2個未配對電子的存在，表現(xiàn)出極強的順磁性[20]。Mott-Cabrera模型中指出，電子通過勢壘時，氧化膜上出現(xiàn)的負表面電荷使功函數增加，具有順磁性的氧原子將向磁感應強度高的區(qū)域聚集[23]，從而促進摩擦副表面氧化膜的生成。

表2 電磁效應對含不同添加劑潤滑油潤滑試驗鋼球表面氧含量的影響

圖6 含T202和T203潤滑油潤滑試驗鋼球 磨斑表面Zn元素的XPS圖譜

4 結 論

(1)電磁效應有利于增強T306的抗磨性能，但會削弱T307的抗磨性能，且對這兩種添加劑的減摩性能有不利影響；電磁效應有利于增強T301，T202，T203的抗磨和減摩性能。

(2)結合SEM、EDS和XPS的表面分析結果，從電磁場的物理和(或)化學效應探討了摩擦學機理。在物理效應方面，主要考慮電磁場對磨損微粒的作用力；在化學效應方面，主要從添加劑所含活性元素及其分子結構等方面考慮其與潤滑性能的關系。研究成果不僅可以作為電磁場工況下潤滑油添加劑的選用及分子設計的理論依據，而且有利于從電磁學的角度豐富摩擦學的理論和實踐。

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