肖金坤, 譚 紅, 張 偉, 張 皓, 陳 娟, 張 超

(揚(yáng)州大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127; b. 測試中心, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

離子液體,又稱室溫熔融鹽,是在室溫下呈液態(tài)的由有機(jī)陽離子和有機(jī)或無機(jī)陰離子組成的鹽[1]．離子液體具有低揮發(fā)性、不可燃性、高熱穩(wěn)定性,寬電化學(xué)窗口以及良好的有機(jī)物相容性[2-3], 在有機(jī)合成、分離提純、催化、電化學(xué)及潤滑等方面具有廣闊的應(yīng)用前景．作為潤滑劑,離子液體可以耐受摩擦過程中的高溫高壓; 另一方面, 離子液體具有極性,可以吸附在摩擦表面并通過摩擦化學(xué)反應(yīng)形成潤滑膜[4-5], 起到潤滑作用． Han等[6]研究了幾種磷酸鹽離子液體對鋁合金摩擦性能的影響及其潤滑機(jī)理; Somers等[7]研究了離子液體作為基礎(chǔ)潤滑油的添加劑對鋁合金耐磨性能的影響,結(jié)果表明當(dāng)其陰陽離子不緊密結(jié)合,也不與油分子緊密結(jié)合時(shí),離子液體才能有效地吸附在摩擦表面并減少磨損; Zhou等[8]研究了由鏻陽離子與有機(jī)膦、羧酸和磺酸鹽陰離子組成的離子液體作為潤滑油添加劑的抗磨性能; 郭月霞等[9]考察了3種氨基酸離子液體作為不同摩擦副潤滑劑的摩擦學(xué)性能．相關(guān)研究表明, 離子液體的潤滑機(jī)制與其陰陽離子的極性以及吸附膜或反應(yīng)膜的形成有關(guān)[10-13], 但不同種類金屬的化學(xué)活性不同,同種離子液體對于不同金屬材料的潤滑性能也可能存在差異, 目前相關(guān)研究報(bào)道較少．本文以去離子水為參照, 研究1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體作為潤滑劑對鎂合金、鋁合金、鈦合金、銅合金的摩擦學(xué)性能的影響及其摩擦磨損機(jī)理,以期為同類離子液體的應(yīng)用提供相關(guān)參考．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在UMT-2型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(Bruker公司, 美國)上進(jìn)行,測試模式為球-塊往復(fù)式, 選用直徑為5 mm的GCr15鋼球進(jìn)行配對．摩擦實(shí)驗(yàn)前用微量注射器將0.5 mL離子液體或去離子水滴加在球-塊接觸區(qū)域, 實(shí)驗(yàn)過程中潤滑液體始終覆蓋磨痕表面．摩擦實(shí)驗(yàn)的法向載荷為5 N, 往復(fù)頻率為2 Hz, 磨痕長度為3 mm,時(shí)間為30 min．摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 用無水乙醇清洗試樣表面, 以備分析檢測．利用Contour GT-K型三維光學(xué)輪廓儀(Bruker公司, 美國)測定磨損體積, 并計(jì)算出材料的磨損率．

1.3 形貌觀察和結(jié)構(gòu)分析

利用Supra 55型場發(fā)射掃描電鏡(Zeiss公司, 德國)觀察試樣的磨損形貌, 利用能譜儀(Bruker公司, 德國)對磨損表面進(jìn)行成分分析, 利用ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀(Thermo Fisher Scientific公司, 美國)分析磨痕表面的特征元素, 選用Al Kα激發(fā)源, 通過能量為29.35 eV, 結(jié)合能測量精度為±0.3 eV, 以C 1s電子結(jié)合能284.80 eV作為內(nèi)標(biāo)．

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)與磨損率

圖1是4種合金在離子液體和去離子水中的摩擦因數(shù)曲線．鎂合金在兩種介質(zhì)環(huán)境中的初始摩擦因數(shù)都約為0.27, 進(jìn)入穩(wěn)定摩擦階段后在水和離子液體中的穩(wěn)定摩擦因數(shù)分別為0.15和0.06, 說明離子液體對鎂合金的潤滑效果更好; 鋁合金在2種介質(zhì)中的摩擦因數(shù)相差較大, 在水中和離子液體中的摩擦因數(shù)分別為0.53和0.17; 而對于鈦合金而言, 2種介質(zhì)中的摩擦因數(shù)相近,均約為0.35,且摩擦因數(shù)在整個(gè)摩擦過程中的波動(dòng)都較大,表明離子液體對鈦合金的潤滑作用不明顯; 銅合金在水和離子液體中的摩擦因數(shù)均隨摩擦?xí)r間增加呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢, 其平均摩擦因數(shù)分別為0.35和0.26, 離子液體對銅合金的潤滑效果略優(yōu)于水．綜上可知, 離子液體對不同合金的潤滑效果不同, 這可能與合金的化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)．

圖2為4種合金在離子液體和水中的磨痕形貌及磨損率．由圖2可知: 1) 鎂合金在離子液體中的磨損率比在水中高．這可能是由于Mg原子的活性強(qiáng), 摩擦?xí)r易與離子液體和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 腐蝕磨損是主要的磨損機(jī)制． 2) 鋁合金在2種介質(zhì)中的磨損率均比鎂合金的低, 這是因?yàn)殡x子液體對鋁合金具有腐蝕作用, 腐蝕促進(jìn)了鋁合金的磨損, 而摩擦過程會生成軟質(zhì)的腐蝕產(chǎn)物,對摩擦界面起到潤滑作用．鋁合金在水中摩擦?xí)r表面容易形成硬質(zhì)的氧化鋁層,使摩擦因數(shù)保持在較高水平, 但硬質(zhì)氧化鋁層同時(shí)也提高了材料的抗磨損性能．3) 鈦合金在離子液體和水中的磨損率都較高, 這是由于鈦合金表面在摩擦過程中能快速生成致密的耐腐蝕鈍化膜,因此腐蝕磨損的影響可以忽略; 且鈦合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu), 滑移系較少, 摩擦過程中難以發(fā)生塑性變形．鈦合金在離子液體中磨損率略低,可能是由于離子液體界面具有雙電層結(jié)構(gòu), 因此其容易吸附在新生的摩擦副表面并形成潤滑膜[4,14]．4) 銅合金在離子液體和水中的磨損率都很低, 具有較好的耐磨性能,這主要是由于銅合金的金屬活性低, 基本可以忽略摩擦過程中腐蝕磨損．

2.2 磨損表面形貌分析

圖3為4種合金在水和離子液體中磨損表面的SEM形貌．由圖3可見: 1) 鎂合金在水中的磨損表面較光滑,表面有細(xì)小磨屑和較小的腐蝕坑．鎂合金在離子液體中的磨損表面相比水中更平整,表面有一層壓實(shí)的團(tuán)絮狀物質(zhì),原因是鎂合金表面與離子液體中的四氟硼酸陰離子發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),形成化合物膜,起到潤滑作用．2) 鋁合金在水中的磨損表面出現(xiàn)大量裂紋和氧化物,說明表面經(jīng)歷了較長時(shí)間的往復(fù)摩擦,表現(xiàn)為疲勞磨損．這可能是由于A380鋁合金表面析出的針狀初生硅在水中發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成硅氧化物層．離子液體中的鋁合金表面兩側(cè)光滑,中間粗糙．這是因?yàn)橹虚g區(qū)域發(fā)生了較嚴(yán)重的粘著磨損,導(dǎo)致塊狀磨屑剝落,而兩側(cè)接觸應(yīng)力小僅發(fā)生輕微的疲勞磨損．3) 鈦合金在水和離子液體中的磨損表面均有許多較深的犁溝,是由于摩擦過程中有較大的硬質(zhì)磨屑顆粒剝落,部分殘留在摩擦界面,在對摩球的作用下使接觸表面產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損．4) 銅合金在水中的磨損表面最為光滑平整, 且磨痕最窄,表面存在微裂紋,發(fā)生輕微的塑性變形, 表現(xiàn)為輕微的疲勞磨損,這與銅合金具有最低的磨損率的現(xiàn)象一致．但銅合金在離子液體中的磨損表面形貌與水介質(zhì)中的形貌截然不同,其表面存在細(xì)小的犁溝,主要磨損機(jī)制為輕微的磨粒磨損．

2.3 磨損表面成分分析

圖5為鎂合金和鋁合金在離子液體中磨損表面的XPS能譜圖．由圖5(a)可知, 在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體中, 鎂合金和鋁合金磨損表面的XPS能譜中出現(xiàn)了很強(qiáng)的F和O特征峰, 說明離子液體和空氣中的O2都與合金發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)．在鎂合金磨損表面主要生成了MgO和MgF2(見圖5(b)～(d)), 鋁合金表面生成Al2O3和AlF3(見圖5 (e)～(h)), 這些氧化物和氟化物組成潤滑膜為摩擦過程提供邊界潤滑．此外, 離子液體中的陰陽離子還會在合金的摩擦表面形成雙電層結(jié)構(gòu)的吸附膜, 為阻礙金屬與金屬之間的直接接觸發(fā)揮了一定作用．離子液體通過與金屬基體形成化學(xué)反應(yīng)層和物理吸附膜, 在合金的摩擦過程中起到潤滑作用[14]．

3 結(jié)論

本文研究了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體和水分別作為潤滑介質(zhì)時(shí)4種合金的摩擦學(xué)性能, 對離子液體的潤滑機(jī)理進(jìn)行了分析．結(jié)果表明, 鎂合金和鋁合金在離子液體中的摩擦因數(shù)分別為0.06和0.17, 遠(yuǎn)小于在水中的摩擦因數(shù),但是離子液體對鈦合金和銅合金的摩擦因數(shù)影響較小,表明離子液體對合金的潤滑作用具有選擇性．對于金屬活性越強(qiáng)的合金材料,離子液體降低摩擦因數(shù)的效果越好．在活性較高的鎂合金和鋁合金的磨損表面發(fā)現(xiàn)大量F元素, 說明離子液體對活性金屬材料會造成腐蝕磨損．離子液體的腐蝕性使得鎂合金和鋁合金的磨損比在去離子水中高．