磁場作用下基礎(chǔ)油和含硫代磷酸銨鹽潤滑油的摩擦學(xué)特性

江澤琦，方建華，鄭 哲，陳波水

(中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401311)

磁場作用下基礎(chǔ)油和含硫代磷酸銨鹽潤滑油的摩擦學(xué)特性

江澤琦，方建華，鄭 哲，陳波水

(中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401311)

采用改進(jìn)后的四球試驗機(jī)考察在有、無磁場作用下150SN基礎(chǔ)油和含硫代磷酸銨鹽(T307)抗磨添加劑潤滑油的摩擦磨損性能，并用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨斑的表面形貌，分析磁場、載荷和T307的添加量對潤滑油摩擦學(xué)特性的影響。結(jié)果表明：以150SN基礎(chǔ)油為潤滑介質(zhì)時，與無磁場作用時相比，磁場作用下的鋼球磨斑直徑較小、摩擦因數(shù)較大，即磁場作用可增強(qiáng)150SN基礎(chǔ)油的抗磨性能、削弱其減摩性能；以含T307潤滑油為潤滑介質(zhì)時，磁場作用下的鋼球磨斑直徑和摩擦因數(shù)均大于無磁場作用時的磨斑直徑和摩擦因數(shù)，即磁場作用對含T307潤滑油的抗磨性能和減摩性能都有不利影響；磁場作用會影響鋼球表面膜的性質(zhì)和狀態(tài)，不利于T307與金屬表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成潤滑膜。

磁場 硫代磷酸銨鹽 潤滑油 摩擦 磨損

日益電氣化和現(xiàn)代化的機(jī)器設(shè)備使許多滑動部位的服役條件變得多樣化和復(fù)雜化，這對潤滑油的性能提出了更高的要求。電動機(jī)電刷、高速鐵路的滑板、大功率電力輸送中的開關(guān)接觸器、太空設(shè)備中的滑動部件等都涉及到電磁環(huán)境下的摩擦磨損問題[1-5]，另外，摩擦副在發(fā)生相對運(yùn)動的過程中，會由于摩擦自生電勢激發(fā)磁場，而磁場作為物質(zhì)存在的一種形式，與實物物質(zhì)一樣有著能量、動量等屬性，它勢必會影響物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，從而影響摩擦、磨損和潤滑性能以及作用機(jī)理[6-11]。

國內(nèi)外許多學(xué)者開展了磁場條件下的摩擦學(xué)研究，Sato等[12]通過實驗發(fā)現(xiàn)，摩擦不僅可以誘發(fā)磁場的產(chǎn)生，還可以改變摩擦副材料的摩擦學(xué)特性；Muju 等[4]認(rèn)為，磁場會影響金屬的內(nèi)應(yīng)力而使其硬度發(fā)生改變。在對潤滑添加劑摩擦學(xué)性能的研究中，研究者主要考慮摩擦化學(xué)的反應(yīng)特性，而很少從電磁效應(yīng)的角度解釋其作用行為。因此，通過比較有、無磁場作用下潤滑油的抗磨、減摩性能，探究磁場、載荷等因素對摩擦學(xué)特性的影響，對指導(dǎo)不同工況下添加劑種類的選用、添加劑分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計等將會有所裨益。

硫代磷酸銨鹽(T307)因其優(yōu)異的抗磨性能和良好的極壓能力而廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域[13]。本課題通過在摩擦磨損試驗機(jī)的四球摩擦接觸區(qū)域外加通電線圈產(chǎn)生磁場來模擬和放大摩擦自生電勢激發(fā)的電磁效應(yīng)，考察不同工況下基礎(chǔ)油和含T307潤滑油的抗磨、減摩性能，并結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)的分析結(jié)果，探討磁場作用對油品抗摩、減磨性能影響的機(jī)理。

1 實 驗

1.1 潤滑油樣品的配制

采用無極性石蠟基150SN作為基礎(chǔ)油，添加劑采用北京苯環(huán)精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的T307極壓抗磨添加劑，其結(jié)構(gòu)式如下(R表示烷基)：

將T307按0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的添加量(w)加入基礎(chǔ)油中配制5種潤滑油樣品，基礎(chǔ)油和T307的理化性質(zhì)分別見表1和表2。

1.2 摩擦磨損試驗

在MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機(jī)(濟(jì)南舜茂試驗儀器有限公司生產(chǎn))上，采用四球摩擦的方式評價摩擦副在不同工況下的摩擦磨損性能。在摩擦接觸區(qū)外置一個通電線圈產(chǎn)生磁場來模擬和放大摩擦副摩擦過程中激發(fā)的摩擦電磁效應(yīng)，線圈匝數(shù)為800匝，其工作原理如圖1所示。

表1 150SN基礎(chǔ)油的理化性質(zhì)

表2 T307極壓抗磨劑的理化性質(zhì)

圖1 改進(jìn)后四球試驗機(jī)的工作原理示意

1.3 表面形貌分析

分別將有、無磁場作用條件下經(jīng)150SN基礎(chǔ)油和含2%T307潤滑油摩擦磨損試驗后的鋼球用石油醚清洗，用TESCAN VEGA 3 LMH型電子掃描顯微鏡觀察鋼球磨痕的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗磨性能

不同試驗條件下鋼球磨斑直徑隨T307添加量的變化見圖2。由圖2可以看出：以150SN基礎(chǔ)油為潤滑介質(zhì)時，在磁場作用下不同載荷時鋼球磨斑直徑均比無磁場作用時的磨斑直徑小，說明磁場作用有利于提高150SN基礎(chǔ)油的抗磨性能；150SN基礎(chǔ)油中加入T307后，在所考察的工況下，油樣的抗磨性能均不同程度地得到改善，這是因為T307分子與摩擦副表面發(fā)生了復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成了含有S，P，N等元素的邊界潤滑膜，增強(qiáng)了其抗磨性能[13]；隨著T307添加量的增加，鋼球磨斑直徑呈先降低后略有升高的變化趨勢，3種載荷下的抗磨性能均在T307添加量(w)為0.5%時最好；以含T307的潤滑油為潤滑介質(zhì)時，在磁場作用下不同載荷時鋼球的磨斑直徑均大于無磁場作用時的磨斑直徑，說明磁場作用對含T307潤滑油的抗磨性能有不利影響；當(dāng)載荷為196 N時，磁場作用對油樣抗磨性能的影響程度隨T307添加量的增大而減?。划?dāng)載荷為392 N和490 N時，磁場作用對油樣抗磨性能的影響程度隨T307添加量的增大而增大。

圖2 不同工況下鋼球磨斑直徑隨T307添加量的變化■—無磁場，196 N； ▲—有磁場，196 N； —無磁場，392 N； —有磁場，392 N； ◆—無磁場，490 N； ●—有磁場，490 N。圖3同

2.2 減摩性能

不同試驗條件下摩擦因數(shù)隨T307添加量的變化見圖3。由圖3可以看出，以150SN基礎(chǔ)油或含T307的潤滑油為潤滑介質(zhì)時，在所考察的3種載荷條件下，磁場作用下的摩擦因數(shù)均大于無磁場作用時的摩擦因數(shù)。說明磁場作用削弱了150SN基礎(chǔ)油和含T307潤滑油的減摩性能。

圖3 不同工況下摩擦因數(shù)隨T307添加量的變化

以含2%T307的潤滑油為潤滑介質(zhì)，在有、無磁場作用下摩擦因數(shù)隨試驗時間的變化見圖4。從圖4可以看出，磁場作用下的摩擦因數(shù)大于無磁場作用時的摩擦因數(shù)，且波動幅度更大。說明磁場作用在不斷影響著表面膜的性質(zhì)和狀態(tài)，且不利于T307與金屬表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成潤滑膜。

圖4 在有、無磁場作用下摩擦因數(shù)隨試驗時間的變化

2.3 鋼球的磨斑表面形貌

以150SN基礎(chǔ)油和含2%T307潤滑油為潤滑介質(zhì)，在有、無磁場作用下，載荷為392 N時鋼球磨斑的SEM照片(放大200倍)見圖5。由圖5(a)和圖5(c)可以看出，在無磁場作用時，150SN基礎(chǔ)油潤滑下鋼球的磨斑直徑大于含2%T307潤滑油作用下的磨斑直徑，說明T307在摩擦過程中生成的化學(xué)反應(yīng)膜對鋼球表面起到了一定的保護(hù)作用。由圖5(a)和圖5(b)可以看出，以150SN基礎(chǔ)油為潤滑介質(zhì)時，在磁場作用下鋼球的磨斑直徑小于無磁場作用時的磨斑直徑，這可能是因為磁場通過電物理效應(yīng)促進(jìn)了無極性潤滑油中摩擦副表面膜的物理或化學(xué)吸附[14]，增強(qiáng)了其抗磨性能。由圖5(c)和圖5(d)可以看出，以含2%T307的潤滑油為潤滑介質(zhì)時，在磁場作用下鋼球的磨斑直徑大于無磁場作用時的磨斑直徑，說明磁場作用對含T307潤滑油的抗磨性能有不利的影響，這可能與磁場對含活性添加劑潤滑介質(zhì)的摩擦電化學(xué)效應(yīng)有關(guān)[15]。T307分子中的N能提供未共用電子對，是一種較強(qiáng)的Lewis堿[16]，并且N能夠提供電子，其周圍的電子云密度較大，構(gòu)成了吸附活性中心，因此推測磁場影響了T307分子間存在的偶極間的極化作用，從而增大了分子間的距離，降低了其在鋼球表面的吸附活性，不利于含T307潤滑油抗磨性能的保持和實現(xiàn)。

圖5 在有、無磁場作用下鋼球磨斑的SEM照片

3 結(jié) 論

(1) 以150SN基礎(chǔ)油為潤滑介質(zhì)時，與無磁場作用時相比，磁場作用下的鋼球磨斑直徑較小、摩擦因數(shù)較大，即磁場作用可增強(qiáng)150SN基礎(chǔ)油的抗磨性能、削弱其減摩性能；以含T307的潤滑油為潤滑介質(zhì)時，磁場作用下的鋼球磨斑直徑和摩擦因數(shù)均大于無磁場作用時的磨斑直徑和摩擦因數(shù)，即磁場作用對含T307潤滑油的抗磨性能和減摩性能都有不利影響。

(2) 磁場作用會影響鋼球表面膜的性質(zhì)和狀態(tài)，不利于T307與金屬表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成潤滑膜。

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TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF BASE OIL AND LUBRICANTS WITH AMMONIUM THIOPHOSPHATE IN MAGNETIC FIELD

Jiang Zeqi， Fang Jianhua， Zheng Zhe， Chen Boshui

(DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering，LogisticalEngineeringUniversityofPLA，Chongqing401311)

Friction and wear characteristics of 150SN base oil and oils containing ammonium thiophosphate (T307) were evaluated by an improved four-ball tester with or without magnetic fields. The morphologies of worn surfaces lubricated with tested oils were observed by scanning electron microscope (SEM)， and the effect of the magnetic field， loading and T307 dosage on tribological properties of the oils was analyzed. The results indicate that the wear scar diameters in the magnetic field lubricated with the blank oil are smaller than those in non-magnetic field，the friction coefficients in magnetic field are larger than those without magnetic impact. Furthermore， the wear scar diameters and friction coefficients lubricated with T307-doped oils under the magnetic conditions are larger， indicating the negative effect of magnetic field on tribological performance of formulated oils. The magnetic field has an unfavorable effect for the formation of lubrication film on the metal surface through tribochemical reactions between T307 and metal surface.

magnetic field； ammonium thiophosphate； lubricants； friction； wear

2016-05-06；修改稿收到日期：2016-07-13。

江澤琦，碩士研究生，主要從事環(huán)境友好潤滑油添加劑的研究工作。

方建華，E-mail：fangjianhua71225@sina.com。

國家自然科學(xué)基金項目(51375491)、重慶自然科學(xué)基金項目(CSTC2014JCYJAA50021)和后勤工程學(xué)院創(chuàng)新基金項目(YZ13-43703)。