方建華，江澤琦，鄭 哲，丁建華，姜自超

(后勤工程學(xué)院 軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401311)

隨著機(jī)械設(shè)備電氣化程度的不斷提高和電磁技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多機(jī)械部件的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部位都處在電磁場(chǎng)影響下的環(huán)境中工作，毋庸置疑，電磁環(huán)境對(duì)摩擦副的摩擦磨損性能會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。磁化切削、電動(dòng)機(jī)電刷或勵(lì)磁電機(jī)中的碳刷、高速鐵路的接觸導(dǎo)線(xiàn)與滑板、大功率電力輸送中的開(kāi)關(guān)接觸器等都涉及到電磁環(huán)境影響下的摩擦磨損問(wèn)題。同時(shí)，摩擦副在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面微凸峰互相接觸會(huì)產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而激發(fā)摩擦表面產(chǎn)生電磁場(chǎng)。因此，從電磁學(xué)角度認(rèn)識(shí)和研究摩擦磨損和潤(rùn)滑機(jī)理，在實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)對(duì)摩擦的主動(dòng)調(diào)控、革新潤(rùn)滑材料成分、創(chuàng)新添加劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都將是一種有益的探索，同時(shí)對(duì)完善和發(fā)展摩擦學(xué)理論和實(shí)踐具有重要的意義[1-6]。

目前關(guān)于磁場(chǎng)干涉下材料摩擦學(xué)特性的研究方面，國(guó)內(nèi)外研究較多，主要集中在磁場(chǎng)對(duì)干摩擦磨損特性的影響機(jī)制和規(guī)律方面，研究結(jié)果都表明，磁場(chǎng)對(duì)摩擦副和潤(rùn)滑添加劑摩擦學(xué)性能都有不同程度的影響，但由于試驗(yàn)的參數(shù)和工況復(fù)雜多樣，研究結(jié)論也不一致。大量的研究發(fā)現(xiàn)，納米潤(rùn)滑添加劑具有軸承效應(yīng)，是優(yōu)良的減摩抗磨添加劑，但在摩擦電磁效應(yīng)對(duì)納米潤(rùn)滑添加劑摩擦學(xué)性能的影響方面，尚未見(jiàn)報(bào)道。

董凌[7]的研究表明，表面油酸修飾的SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑在基礎(chǔ)油中不但具有優(yōu)良的分散性能，在一定負(fù)荷、轉(zhuǎn)速條件下也具有較好的抗磨自修復(fù)性能，研究電磁環(huán)境下復(fù)合納米添加劑的自修復(fù)性能，對(duì)于延長(zhǎng)摩擦副的使用壽命具有重要的應(yīng)用價(jià)值。筆者通過(guò)在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的四球接觸區(qū)域外加磁場(chǎng)來(lái)模擬和放大摩擦過(guò)程中自生電勢(shì)產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，考察電磁場(chǎng)環(huán)境中含SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下摩擦副的摩擦磨損和自修復(fù)特性，并通過(guò)掃描電鏡和X射線(xiàn)光電子能譜技術(shù)分析其摩擦學(xué)性能及抗磨自修復(fù)機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、基礎(chǔ)油及添加劑

采用無(wú)極性石蠟基HVI150作為基礎(chǔ)油(中國(guó)石油重慶分公司提供)，添加劑為按照文獻(xiàn)[7]采用雙注控制沉積法制備的SiO2/SnO2復(fù)合納米材料，超聲分散，平均粒徑在100 nm以下。石油醚，化學(xué)純，重慶北碚化學(xué)試劑廠產(chǎn)品。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

采用廈門(mén)試驗(yàn)機(jī)廠制造的四球長(zhǎng)時(shí)抗磨損試驗(yàn)機(jī)和濟(jì)南舜茂試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的MMW-1型立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB3142-82試驗(yàn)方法，四球機(jī)轉(zhuǎn)速為1450 r/min，試驗(yàn)時(shí)溫度約28℃，長(zhǎng)磨時(shí)間為30 min，試驗(yàn)載荷為392 N，所用鋼球?yàn)橹貞c鋼球廠生產(chǎn)的Φ12.7 mm二級(jí)GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，硬度HRC58-62鋼球。將SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑按2%、3%、4%、5%、6%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入基礎(chǔ)油中，考察潤(rùn)滑油磨斑直徑和摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。將基礎(chǔ)油在載荷為392 N、有無(wú)電磁場(chǎng)環(huán)境下分別長(zhǎng)磨30 min后，加入含4%SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑的潤(rùn)滑油，在有無(wú)電磁場(chǎng)環(huán)境下繼續(xù)長(zhǎng)磨30 min，并與相同條件下基礎(chǔ)油長(zhǎng)磨時(shí)鋼球表面情況進(jìn)行對(duì)比，測(cè)定鋼球表面的粗糙度，分析磨斑表面的修復(fù)情況。用HT201型手持式數(shù)字特斯拉計(jì)測(cè)得摩擦接觸區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.01 T。

將自制通電線(xiàn)圈放置于四球接觸區(qū)外部，用于外加電磁場(chǎng)，使磁感線(xiàn)的方向垂直于摩擦接觸面，其工作原理如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)保持磁感應(yīng)線(xiàn)圈的通電電流強(qiáng)度為1 A，使鋼球接觸點(diǎn)的實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度保持0.1 T。其他所有試驗(yàn)參數(shù)與無(wú)場(chǎng)環(huán)境時(shí)相同，考慮到通電時(shí)線(xiàn)圈的發(fā)熱量較大，長(zhǎng)磨試驗(yàn)時(shí)間均設(shè)定為30 min。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定底球的磨斑直徑，取其算術(shù)平均值作為鋼球的長(zhǎng)磨磨斑直徑(WSD)。

圖1 外加通電線(xiàn)圈后四球試驗(yàn)機(jī)的示意圖Fig.1 Illustration of four-ball machine after electrifyed loop installed

1.3 表面分析

有無(wú)電磁場(chǎng)環(huán)境下，在HVI150SN基礎(chǔ)油和含4%SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑作用下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，將試驗(yàn)后的下試球用石油醚清洗干凈，采用Quant200型掃描電子顯微鏡(美國(guó)FEI公司產(chǎn)品)觀察鋼球磨斑表面形貌，采用ESCALAB250型X-射線(xiàn)光電子能譜儀(XPS)(美國(guó)賽默飛公司產(chǎn)品)分析磨斑表面典型元素的化學(xué)狀態(tài)，并在Zygo粗糙度測(cè)量?jī)x上(瑞士丹青公司產(chǎn)品)測(cè)定修復(fù)前后鋼球表面的粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 含SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑潤(rùn)滑油的摩擦磨損特性

圖2為有無(wú)電磁場(chǎng)工況條件下，在載荷為392 N、長(zhǎng)磨時(shí)間為30 min時(shí)，鋼球表面磨斑直徑(WSD)和摩擦系數(shù)(f)隨SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑在潤(rùn)滑油中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系曲線(xiàn)。由圖2可以看出，在有磁場(chǎng)的環(huán)境下，基礎(chǔ)油和含SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑潤(rùn)滑油潤(rùn)滑時(shí)的磨斑直徑均比無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境時(shí)小，兩種工況下的磨斑直徑隨納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，且均在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)磨斑直徑達(dá)到最小。與無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境相比，在磁場(chǎng)環(huán)境下，添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)的磨斑直徑減小最大，減小了17.6%；兩種不同工況下，隨添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦系數(shù)先增大后減小，除添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%外，其他均表現(xiàn)為在有電磁場(chǎng)條件下的摩擦系數(shù)比無(wú)電磁場(chǎng)條件下大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁場(chǎng)能提高鋼球的抗擦傷性能，但會(huì)減弱減摩效果。

圖2 有無(wú)電磁場(chǎng)條件下鋼球表面磨斑直徑(WSD)和摩擦系數(shù)(f)隨添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)的變化Fig.2 Wear scar diameter (WSD) and friction coefficient (f) vs additive’s mass fraction (w) in magnetic or non-magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) WSD; (b) f

圖3為HVI 150基礎(chǔ)油和含4%SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑潤(rùn)滑油在有無(wú)電磁場(chǎng)條件下，摩擦載荷為392 N時(shí)的摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況。從圖3可以看出，在磁場(chǎng)環(huán)境下的摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度大于無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境，這可能是因?yàn)樽兓姶艌?chǎng)的動(dòng)態(tài)磁化作用引起了磁疇的移動(dòng)、位錯(cuò)和能量的變化，從而影響摩擦副的摩擦學(xué)特性。從圖3還可看出，在基礎(chǔ)油潤(rùn)滑下，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦系數(shù)降低；而在含4%SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下，摩擦系數(shù)在前500 s的趨勢(shì)是逐漸增大，這可能是因?yàn)樵谀Σ脸跏茧A段，由于化學(xué)反應(yīng)膜沒(méi)有完全形成，摩擦磨損相對(duì)劇烈；隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦系數(shù)波動(dòng)趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樵谀Σ翢岬淖饔孟?，?fù)合納米添加劑在摩擦表面熔融鋪展，且摩擦副微凸體接觸區(qū)相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦感應(yīng)電勢(shì)以及外置線(xiàn)圈施加產(chǎn)生的磁效應(yīng)促進(jìn)了該區(qū)域表面氧化膜的形成，使摩擦副表面生成了均勻和完整的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜和沉積物膜，從而有效減小了摩擦磨損。

圖3 有無(wú)電磁場(chǎng)環(huán)境下兩種潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)(f)隨試驗(yàn)時(shí)間(t)的變化情況Fig.3 Variation of friction coefficient (f) with test time (t) of two lubricants in magnetic and non-magnetic fieldsLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) HVI150 base oil; (b) Lubricanting oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

2.2 電磁效應(yīng)對(duì)含SiO2/SnO2復(fù)合納米粒子潤(rùn)滑油的摩擦自修復(fù)特性

在載荷392 N下，分別在有無(wú)磁場(chǎng)情況下測(cè)定鋼球表面的粗糙度，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 無(wú)電磁場(chǎng)條件下兩種潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的鋼球表面粗糙度(Ra)Fig.4 The steel ball surface roughness (Ra) of two lubricant in non-magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) Base oil; (b) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

圖5 有電磁場(chǎng)條件下兩種潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的鋼球表面粗糙度(Ra)Fig.5 The steel ball surface roughness (Ra) of two lubricant in magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) Base oil; (b) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

從圖4和圖5可以看出，無(wú)論在有電磁場(chǎng)和無(wú)電磁場(chǎng)環(huán)境下，加有SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑的潤(rùn)滑油均表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)性能，且在相同載荷下，有磁場(chǎng)環(huán)境下的抗磨自修復(fù)性能優(yōu)于無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境。

2.3 電磁環(huán)境下含SiO2/SnO2復(fù)合納米粒子潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑機(jī)理分析

圖6分別為有無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)、在基礎(chǔ)油和含4%SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下，鋼球摩擦磨損試驗(yàn)后磨斑表面形貌放大200倍和500倍后的SEM照片。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)油潤(rùn)滑和無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下，鋼球表面磨斑直徑稍大，但表面擦傷較為輕微；而在有磁場(chǎng)條件下，其磨斑直徑稍小但磨痕表面黏著的金屬磨屑較多，犁溝變深，磨損變大。在含4%SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下，有磁場(chǎng)時(shí)的磨斑表面直徑比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)更小且磨痕犁溝較淺，擦傷明顯輕微。這可能是由于電磁場(chǎng)有利于金屬表面氧化鐵膜生成和SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑在摩擦副表面的沉積，沉積物在摩擦載荷和摩擦熱作用下快速熔融鋪展，形成了具有良好抗磨減摩和修復(fù)性能的沉積物膜，有效控制了摩擦過(guò)程中的磨損。

圖6 有無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下4種潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下摩擦副表面形貌的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of worn surface in different lubricating oils in magnetic and non-magnetic fields(a)，(a′) Base oil in non-magnetic field (×200)/(×500); (b)，(b′) Base oil in magnetic field (×200)/(×500);(c)，(c′) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in non-magnetic field (×200)/(×500);(d)，(d′) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in magnetic field (×200)/(×500)

圖7是在含4%SiO2/SnO2復(fù)合納米潤(rùn)滑添加劑潤(rùn)滑油潤(rùn)滑作用下試球磨斑表面的XPS分析結(jié)果。從圖7可見(jiàn)，試球磨斑表面中的Sn3d5標(biāo)準(zhǔn)電子結(jié)合能為486.65 eV(圖7(a))，該峰對(duì)應(yīng)于SnO2中的Sn。這表明在摩擦副表面形成了含有SnO2的沉積膜，沉積膜有效改善了潤(rùn)滑油的摩擦磨損和自修復(fù)性能。鋼球磨斑表面未檢測(cè)到Si(圖7(b))，可能是由于Si信號(hào)偏弱的原因。在鋼球磨斑表面也未檢測(cè)到Fe(圖7(c))，表明摩擦副表面被修復(fù)劑致密覆蓋，形成了良好的修復(fù)層。鋼球表面元素O主要有3種不同的化學(xué)狀態(tài)，電子結(jié)合能在532.6 eV 和530.5 eV處O1s(圖7(d))的吸收峰分別歸屬于添加劑SiO2和SnO2中的氧;而電子結(jié)合能530.2 eV 處的O1s吸收峰歸屬于Fe2O3中的氧，表明復(fù)合納米添加劑分子中的氧和空氣中的氧在摩擦過(guò)程中發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)。試球磨痕表面C1s(圖7(e))電子結(jié)合能位于284.5、286.3及288.7 eV處，分別歸屬于污染物中的碳、有機(jī)酯化合物中的碳和基礎(chǔ)油中的碳，表明基礎(chǔ)油和空氣中各種污染物在摩擦副表面發(fā)生了吸附，并形成了復(fù)雜的吸附膜或摩擦化學(xué)反應(yīng)膜[8]。

圖7 磁場(chǎng)環(huán)境下含4%SiO2/SnO2添加劑潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下鋼球磨斑表面的XPS圖譜Fig.7 XPS spectras of worn surfaces after wear test of lubricants containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in magnetic field(a) Sn3d5; (b) Si2p; (c) Fe2p; (d) O1s; (f) C1s

3 結(jié) 論

(1)在電磁場(chǎng)作用環(huán)境下，基礎(chǔ)油和含SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下磨斑表面磨痕直徑均比無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)小，而摩擦系數(shù)比無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)大(添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%除外)。隨著SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，有無(wú)電磁場(chǎng)環(huán)境工況下，磨斑直徑均表現(xiàn)為先減小后增大，而摩擦系數(shù)均表現(xiàn)為先增大后減小。

(2)電磁場(chǎng)能改善基礎(chǔ)油和含SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑潤(rùn)滑油的抗磨損性能，但弱化了減摩能力。

(3)在電磁場(chǎng)環(huán)境下，SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑的作用機(jī)理是由于電磁場(chǎng)環(huán)境下有利于SiO2/SnO2復(fù)合納米添加劑在摩擦副表面沉積，沉積物在摩擦載荷和摩擦熱作用下快速熔融鋪展,形成具有良好抗磨減摩和修復(fù)性能的沉積物膜。

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