韋永毅，謝紅梅，何林杪，芶慶霜，毛京雙，楊貴川

(長(zhǎng)江師范學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 408100)

0 前 言

鎂合金作為最輕的商用工程結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高、鑄造成型性好、阻尼吸震降噪性能優(yōu)越、電磁屏蔽性能強(qiáng)、易于回收等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航天航空、汽車、“3C”產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。但是鎂合金由于硬度低導(dǎo)致的高磨損和較差的減摩性能嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍的拓寬，因此提高鎂合金的摩擦學(xué)性能具有重要意義[4，5]。

水基潤(rùn)滑液作為一種重要的潤(rùn)滑劑具有成本低、環(huán)保、節(jié)能、廢液容易回收處理等優(yōu)點(diǎn)，是一類很有發(fā)展前途的潤(rùn)滑劑[6]。但是水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑性能較差，還容易腐蝕金屬表面。為了改善水基潤(rùn)滑液在潤(rùn)滑性能和抗腐蝕性能上的不足，通常在水中加入各類水溶性基礎(chǔ)添加劑和功能性添加劑，制備出綜合性能良好的水基潤(rùn)滑液。

納米材料在小尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)的作用下，具有熔點(diǎn)低、吸附能力強(qiáng)、反應(yīng)活性高等優(yōu)點(diǎn)，為先進(jìn)潤(rùn)滑材料的發(fā)展提供了新的思路[7，8]。在眾多納米材料中，納米氮化硼(BN)是一種白色粉末，具有類似石墨的片層狀結(jié)構(gòu)，一直是潤(rùn)滑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[9-11]表明納米BN 作為潤(rùn)滑添加劑在摩擦過(guò)程中能逐漸在鋼/鋼摩擦副、鋁合金/鋼摩擦副等摩擦副表面沉積，形成一層低剪切強(qiáng)度的保護(hù)膜，從而降低摩擦和磨損。然而，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于納米BN 作為水基潤(rùn)滑添加劑在鎂合金/鋼體系中的摩擦學(xué)性能研究鮮有報(bào)道。為此，本工作首先采用超聲和磁力攪拌法制備了4種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的BN 納米水基潤(rùn)滑液，然后采用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了不同BN 納米水基潤(rùn)滑液在鎂合金/鋼體系中的摩擦學(xué)性能，最后對(duì)摩擦學(xué)性能測(cè)試結(jié)果、磨痕表面形貌及磨痕表面成分進(jìn)行綜合分析，探討了納米BN 作為水基潤(rùn)滑添加劑的減摩抗磨機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用去離子水為基礎(chǔ)液。將少量的納米BN 加入95%(體積分?jǐn)?shù))酒精溶液中，超聲分散5 min 后滴在銅網(wǎng)上，然后采用JEM1200EX 透射電子顯微鏡(TEM)觀察納米BN 的顯微形貌，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，納米BN 為片層狀結(jié)構(gòu)，尺寸約為100 nm。將納米BN 添加到去離子水中，采用磁力攪拌器攪拌30 min，超聲分散2 h，制備納米BN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.5%、0.8%和1.0%的納米水基潤(rùn)滑液。為了考察納米BN 在鎂合金表面的摩擦學(xué)性能，在納米水基潤(rùn)滑液中不添加任何分散劑和表面活性劑。為保證BN納米顆粒在去離子水中均勻分散，制備的納米潤(rùn)滑液在摩擦試驗(yàn)測(cè)試前超聲分散5 min。

圖1 納米BN 的TEM 形貌Fig.1 TEM morphology of nano-BN

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

采用CSM 往復(fù)式球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)納米水基潤(rùn)滑液的摩擦學(xué)性能，上試樣為AISI52100 軸承鋼球，鋼球半徑為3 mm，鋼球的維氏硬度約為697 HV0.1N，下試樣為AZ31 鎂合金，試樣尺寸為10 mm(寬) ×20 mm (長(zhǎng)) ×3 mm (厚)，維氏硬度約為66.7 HV0.1N。采用200、500、1 000 目砂紙對(duì)鎂合金進(jìn)行粗磨和精磨直至表面粗糙度Ra為0.08 μm。在上試樣鋼球和下試樣鎂合金片固定好后，在鎂合金表面滴3 滴納米水基潤(rùn)滑液進(jìn)行測(cè)試。首先評(píng)價(jià)了含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米BN 的潤(rùn)滑液的摩擦學(xué)性能，測(cè)試的載荷為4 N，滑動(dòng)速度為0.06 m/s，時(shí)間為30 min。然后進(jìn)一步考察載荷對(duì)最優(yōu)含量(即在該含量下摩擦學(xué)性能最佳)的納米BN 水基潤(rùn)滑液的摩擦學(xué)性能的影響，測(cè)試的載荷為2，4，6，8 N，滑動(dòng)速度為0.06 m/s，時(shí)間為30 min。相同條件下重復(fù)測(cè)試3 次，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄摩擦系數(shù)。

1.3 磨痕表面分析

摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)試完成后的樣品用丙酮進(jìn)行超聲清洗5 min，吹干待用。采用OLS4000 激光共聚焦顯微鏡測(cè)量鎂合金表面磨痕深度和寬度，然后采用激光共聚焦顯微鏡自帶的軟件計(jì)算出磨損的橫截面積，采用磨損的橫截面積評(píng)價(jià)相同測(cè)試條件下含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米BN 的潤(rùn)滑液的抗磨損性能。采用Zeiss AURIGA 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和Thermo Kalpha 型X射線光電子能譜儀(XPS)對(duì)磨痕表面形貌和成分進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦學(xué)性能表征

圖2 為平均摩擦系數(shù)與納米BN 添加劑添加量的關(guān)系和去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化曲線。結(jié)果表明，摩擦系數(shù)隨著納米BN 添加劑添加量的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)。納米BN 添加劑含量為0.5%時(shí)，減摩的效果最明顯，摩擦系數(shù)從0.26 降低至0.16，相對(duì)于去離子水條件下的摩擦系數(shù)下降了38.5%。由圖3b 可以看出，去離子水潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)在測(cè)試過(guò)程中較為穩(wěn)定。0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)波動(dòng)較明顯，這可能是由于納米BN 在基礎(chǔ)液中的分散性較差，但是0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)除900 s 時(shí)略高于去離子水潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)，其它測(cè)試時(shí)間始終小于去離子水潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)。

圖2 平均摩擦系數(shù)與納米BN 添加劑添加量的關(guān)系和去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化曲線Fig.2 The relationship between the average friction coefficient and the amount of nano BN additive and the curve of friction coefficient with sliding time of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

圖3 磨痕磨損橫截面積與納米BN 添加劑添加量的關(guān)系和試樣在去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的磨痕表面2D 輪廓Fig.3 The relationship between the wear cross-section area of wear mark and the amount of nano-BN additive and the 2D profile of the worn surface of the sample under the lubrication condition of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

摩擦學(xué)性能良好的潤(rùn)滑添加劑不僅應(yīng)具有良好的減摩性能，還應(yīng)具有優(yōu)異的抗磨損性能。圖3 為磨痕磨損橫截面積與納米BN 添加劑添加量的關(guān)系和試樣在去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的磨痕表面2D 輪廓。由圖3 可知，磨損量隨納米BN 添加劑添加量的變化和摩擦系數(shù)隨納米BN 添加劑添加量的變化規(guī)律一致，呈先降低后增加的趨勢(shì)，0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液磨損量最低。去離子水潤(rùn)滑條件下的磨痕磨損橫截面積為28 166 μm2，0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的磨痕磨損橫截面積為8 343 μm2，相比去離子水潤(rùn)滑條件降低了70.4%。從圖3b 和3c可以看出，去離子水潤(rùn)滑條件下磨痕的寬度和深度分別為1 250 μm 和40 μm。0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下磨痕的寬度和深度分別為864 μm 和17 μm。納米BN 的加入有效降低了鎂合金表面的磨損量，表明納米BN 水基潤(rùn)滑液具有優(yōu)異的抗磨損性能。

2.2 載荷影響

為了進(jìn)一步考察載荷對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，考察了去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)和磨損量與載荷的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖4。去離子水潤(rùn)滑條件下，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而增加；而0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)隨著載荷的增加先降低后升高。0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液在載荷為4 N 和6 N 時(shí)的減摩性能最佳，相對(duì)于去離子水潤(rùn)滑條件下分別降低了38.5%和36.9%。去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的磨損量均隨著載荷的增加而增加，但是0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的磨損量始終小于去離子水潤(rùn)滑條件下的磨損量。上述試驗(yàn)結(jié)果表明0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液具有良好的承載能力。

圖4 去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)和磨痕磨損橫截面積與載荷的關(guān)系Fig.4 The relationship between load and friction coefficient and wear cross-section area of wear mark under the lubrication condition of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

2.3 磨痕表面形貌和成分觀察

為了進(jìn)一步探究納米BN 水基潤(rùn)滑液的減摩抗磨機(jī)理，采用FESEM 和XPS 考察了磨痕表面形貌和成分。圖5 所示為含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米BN 的水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下鎂合金磨痕表面形貌。試驗(yàn)條件為載荷4 N、滑動(dòng)速度0.06 m/s、滑動(dòng)時(shí)間30 min。

圖5 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米BN 的水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下鎂合金磨痕表面形貌Fig.5 Surface morphology of wear marks of magnesium alloy lubricated by water-based lubricant with different mass fraction of nano BN

從圖5a 可以看出，0.2%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下鎂合金的磨痕表面劃痕較深，這主要是因?yàn)樵摋l件下潤(rùn)滑液中納米BN 的含量較低，不足以在磨痕表面形成有效潤(rùn)滑膜。摩擦過(guò)程中摩擦副之間的直接接觸形成的游離磨粒作為第三體在滑動(dòng)表面之間導(dǎo)致了磨粒磨損。在0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下鎂合金磨痕表面僅僅出現(xiàn)輕微的犁削，并且納米BN 吸附在磨痕表面形成黑色固態(tài)膜，這層膜保護(hù)了摩擦副表面，從而有效降低了摩擦系數(shù)和磨損量。但隨著納米BN 在潤(rùn)滑液中的含量增加至0.8%和1.0%時(shí)，磨痕表面形成的潤(rùn)滑保護(hù)膜反而減少。這是由于納米BN 具有高的表面能，當(dāng)含量過(guò)多時(shí)，納米BN 之間容易相互吸附，形成尺寸較大的顆粒，這些大顆粒在摩擦的過(guò)程中不容易進(jìn)入摩擦區(qū)，所以0.8%和1.0%納米BN 水基潤(rùn)滑液在磨痕表面的成膜效果不如0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液。

圖6 所示為去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下鎂合金磨痕表面主要元素Mg、B 和N 的化學(xué)價(jià)態(tài)的XPS 譜。試驗(yàn)條件為載荷4 N、滑動(dòng)速度0.06 m/s、滑動(dòng)時(shí)間30 min。從圖6 中可以看出，在去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下鎂合金磨痕表面均能探測(cè)到Mg 1s 的特征峰，均歸屬于金屬鎂。去離子水潤(rùn)滑條件下的鎂合金磨痕表面沒(méi)有出現(xiàn)B 元素和N 元素的特征峰，而0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下的鎂合金磨痕表面在190.2 eV 出現(xiàn)B 1s 的特征峰，結(jié)合N 1s 位于397.5 eV 的特征峰，歸屬于吸附在磨痕表面的納米BN，表明納米BN 在摩擦過(guò)程中沉積在磨痕表面，形成有效潤(rùn)滑膜，提高了鎂合金的摩擦學(xué)性能。

圖6 去離子水和0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑條件下鎂合金磨痕表面主要元素Mg、B 和N 的化學(xué)價(jià)態(tài)的XPS 譜Fig.6 XPS spectra of the chemical valence of the main elements Mg，B and N on the wear surface of magnesium alloys under the lubrication of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

2.4 減摩抗磨機(jī)理分析

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種納米材料作為潤(rùn)滑添加劑的減摩和抗磨機(jī)理進(jìn)行了大量考察驗(yàn)證工作，初步對(duì)其作用機(jī)理做出了一些總結(jié)。納米材料作為潤(rùn)滑添加劑的減摩和抗磨機(jī)理主要有滾珠軸承效應(yīng)、吸附、滲透、摩擦反應(yīng)機(jī)理、修復(fù)機(jī)制、表面拋光優(yōu)化效應(yīng)等[12-14]。

從摩擦學(xué)性能測(cè)試結(jié)果(圖2 和圖3)可以看出，納米BN 作為水基潤(rùn)滑添加劑在鎂合金/鋼體系中表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能。結(jié)合磨痕表面形貌(圖5)和成分分析(圖6)，BN 作為潤(rùn)滑添加劑的減摩抗磨機(jī)理主要表現(xiàn)在以下2 個(gè)方面:一方面，潤(rùn)滑液中的納米BN在摩擦過(guò)程中不斷吸附在金屬表面，形成一層物理吸附膜，這層物理吸附膜有效避免了摩擦副之間的直接接觸。另一方面，BN 是典型的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子通過(guò)較強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合在一起，而層與層之間的作用力則是很弱的范德華力，層與層之間容易滑移和剪切，起到潤(rùn)滑作用。但是這種減摩抗磨作用與納米BN 在潤(rùn)滑液中的含量密切相關(guān)。比如，納米BN 含量為0.8%和1.0%的水基潤(rùn)滑液的摩擦學(xué)性能比納米BN 含量為0.5%的水基潤(rùn)滑液的略差。換句話說(shuō)，納米BN 在潤(rùn)滑液中存在最優(yōu)含量。納米BN 由于具有較高的表面能，若過(guò)量添加，納米BN 在潤(rùn)滑液中容易團(tuán)聚形成大的顆粒，在摩擦的過(guò)程中，這些大顆粒不容易進(jìn)入摩擦區(qū)形成保護(hù)膜。另外，這些大的顆粒在摩擦過(guò)程中作為第三體磨粒刮擦鎂合金表面，表現(xiàn)出較差的抗磨損性能。綜上所述，納米BN 含量為0.5%的水基潤(rùn)滑液在摩擦過(guò)程中能充分發(fā)揮納米BN 的減摩抗磨優(yōu)勢(shì)，從而表現(xiàn)出最佳的摩擦學(xué)性能。另外，BN 俗稱“白石墨”，具有成本低、環(huán)境友好、容易制備等優(yōu)點(diǎn)，因此本工作制備的納米BN 水基潤(rùn)滑液是一種經(jīng)濟(jì)、綠色且潤(rùn)滑性能優(yōu)良的鎂合金潤(rùn)滑液，在鎂合金成形過(guò)程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

(1)納米BN 作為水基潤(rùn)滑添加劑能有效提高去離子水的摩擦學(xué)性能。隨納米BN 添加劑在水中的含量的增加，摩擦系數(shù)和磨損量均呈先降低后增加的趨勢(shì)。納米BN 含量為0.5%的水基潤(rùn)滑液在摩擦過(guò)程中能充分發(fā)揮納米BN 的減摩抗磨優(yōu)勢(shì)，從而表現(xiàn)出最佳的摩擦學(xué)性能。

(2)相對(duì)于去離子水潤(rùn)滑條件，0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液的摩擦系數(shù)和磨損量分別下降了38.5%和70.4%。另外，0.5%納米BN 水基潤(rùn)滑液具有優(yōu)異的承載能力。

(3)納米BN 作為水基潤(rùn)滑添加劑，其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能歸因于納米BN 在磨痕表面沉積形成的保護(hù)膜和片層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的低剪切應(yīng)力。