电磁效应对润滑油添加剂摩擦学性能的影响

江泽琦，方建华，刘 坪，陈波水，冯彦寒，谷科城，王 鑫

(1.陆军军医大学药学院，重庆 400038；2.陆军勤务学院油料系)

近年来，摩擦学研究紧跟时代需要，从宏观向微观领域不断深入，表面效应和界面效应愈来愈突出[1]。在应用实际中，机器设备现代化和电气化的程度不断提高和磁技术的广泛应用使得许多关键滑动部位都在电磁场环境中工作，磁化切削、电动机电刷或励磁电机中的碳刷、高速铁路的接触导线与滑板、大功率电力输送中的开关接触器等都涉及到电磁环境下的摩擦磨损问题[2-5]。同时，摩擦副在相互接触或发生相对运动的过程中会由于金属自由电子密度和电子逸出功的差异自生电势，电势在不断变化过程中将激发界面的电磁效应[6-7]。大量文献报道证实[8-12]，由界面电磁效应引起的复杂物理或化学行为，势必会影响摩擦、磨损及润滑方面的性能和机理。因此，从电磁学的角度认识和研究摩擦、磨损和润滑机理，在实现外场对摩擦的调控、革新润滑材料的成分和结构设计等方面都将是一种有益的探索，同时对完善和发展摩擦学理论和实践具有重要意义。

润滑剂是机械加工工艺润滑、减少机械设备摩擦磨损的重要“零件”。它通过物理或化学吸附作用以及摩擦化学反应在摩擦副表面形成一层薄膜而起到减缓摩擦磨损作用。添加剂作为润滑剂中的重要组成部分，尤其是含硫、磷、氮等活性元素的极压抗磨剂，它们在摩擦过程的作用行为直接关系到润滑剂的润滑性能。学者们在设计添加剂的分子结构时，仅仅考虑了摩擦物理或摩擦化学的反应特性，忽视了摩擦界面的电磁效应对其作用行为的影响。深入研究电磁环境和摩擦带电机制对润滑油添加剂的作用行为的影响是适应机械设备电气化发展的需要，对指导添加剂的分子结构设计、改革及其研制有重大意义。本研究在改进的摩擦磨损试验机上，考察电磁场作用下磷酸三甲酚酯(T306)、硫代磷酸铵盐(T307)、氯化石蜡(T301)、丁辛基二硫代磷酸锌(T202)、双辛基二硫代磷酸锌(T203)等润滑油添加剂的摩擦学性能，并结合表面分析结果从电磁场的物理效应和化学效应对润滑油的润滑机制进行分析。

1 实 验

1.1 摩擦磨损试验机的选用与改造

根据Stribeck曲线的特性，在边界润滑状态，起主要作用的是润滑剂中活性元素与金属表面作用生成的化学反应膜。因此选用四球摩擦磨损试验机，并对之进行简易改造，即外加电磁场来进行实验研究。

根据MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机(济南舜茂试验仪器有限公司生产)的摩擦副接触区域的尺寸，制作了一个通电线圈放置于该试验机摩擦副接触区域的外部。摩擦副接触区的工作原理示意见图1。摩擦副接触区套筒材料为铝合金，导线采用Φ0.6 mm的全铜漆包线，匝数为800匝；当对线圈通一定强度的电流时将在摩擦副接触区域产生电磁场，磁感应线的方向大致与摩擦副接触面垂直。

图1 摩擦副接触区的工作原理示意

1.2 基础油和添加剂

采用深圳市润滑油工业公司提供的无极性石蜡基150SN作为基础油，其理化性质见表1。润滑油添加剂T306，T307，T301，T202，T203均由北京苯环精细化工有限公司生产。

表1 150SN基础油的理化性质

1.3 摩擦磨损试验

1.4 表面分析

将摩擦磨损试验后的钢球在丙酮中超声清洗10 min，然后使用装配X射线能谱仪(EDS)的TESCAN VEGA 3 LMH型扫描电子显微镜(SEM)和ESCALab 250型X射线光电子能谱(XPS)仪分别表征钢球磨斑的表面形貌及磨痕表面典型元素的化学状态并检测相对原子含量。

2 电磁效应对润滑油添加剂摩擦学性能的影响

2.1 含磷型添加剂

电磁效应对含磷型添加剂(T306、T307)摩擦学性能的影响[13-15]见图2。从图2可以看出：①在电磁场作用下，含T306润滑油润滑试验钢球的磨斑直径比无电磁场作用时的小，含T307润滑油润滑试验的钢球磨斑直径比无电磁场作用时的大；②在电磁场作用下，2种润滑油润滑试验的摩擦因数均比无电磁场作用时的大。说明电磁效应有利于增强T306的抗磨性能，但会削弱T307的抗磨性能，且对T306、T307的减摩性能均有不利影响。

图2 电磁效应对含磷型添加剂(T306、T307) 摩擦学性能的影响■—T306(B=0 T)； □—T306(B=0.1 T)； ▲—T307(B=0 T)； △—T307(B=0.1 T)

2.2 含氯型添加剂

电磁效应对含氯型添加剂(T301)摩擦学性能的影响[16]见图3。从图3可以看出，在电磁场作用下，含T301润滑油润滑试验的摩擦因数和钢球的磨斑直径均比无电磁场作用时的小。说明电磁效应有利于增强T301的抗磨减摩性能。

图3 电磁效应对含氯型添加剂(T301)摩擦学性能的影响■—T301(B=0 T)； ●—T301(B=0.1 T)

2.3 二烷基二硫代磷酸锌添加剂

图4 电磁效应对二烷基二硫代磷酸锌添加剂 (T202、T203)摩擦学性能的影响■—T202(B=0 T)； □—T202(B=0.1 T)； ▲—T203(B=0 T)； △—T203(B=0.1 T)

电磁效应对二烷基二硫代磷酸锌添加剂(T202、T203)摩擦学性能的影响[17-18]见图4。从图4可以看出，在电磁场作用下，含T202、T203润滑油润滑试验的摩擦因数和钢球的磨斑直径均比无电磁场作用时的小。说明电磁效应有利于增强T202、T203的抗磨减摩性能。从图4还可以看出，相比于T202，含T203润滑油润滑试验钢球的磨斑直径在有、无电磁场作用下的差值更大，说明电磁效应对T203抗磨性能的影响更加显著。

3 基于电磁效应的润滑油添加剂的润滑机理

3.1 电磁场的物理效应

在铁磁性金属材料的摩擦副机构中，当施加垂直于摩擦界面的电磁场时，摩擦界面微凸峰的间隙便会产生垂直的场强。由于摩擦面上大量微凸体、磨痕的存在，摩擦面上会产生分布不均匀的电磁场，从而对磨损微屑(M1和M2)产生捕集作用力(F1和F2)，同时磨损微粒之间还会存在相互作用力Fa(如图5所示)[19-20]。

图5 摩擦界面的电磁效应对磨损微粒的作用

在摩擦过程中，摩擦界面上会产生强磁性或弱磁性的磨损微粒，如磨损过程中产生的Fe2O3微粒、反应膜FeSx微粒、金属Fe微粒等。在垂直于摩擦界面的电磁场的作用下，由于F1和F2的作用，会将这些微粒产生捕集作用，促进它们吸附在摩擦副表面，强磁性的金属微粒先吸附，弱磁性的反应膜微粒后吸附，逐渐形成一个正梯度的保护膜层，从而达到减少摩擦磨损的效果。但是，这些不同属性的微粒之间会在相互作用力的作用下，或聚集、或分散，形成不同性质的保护膜层，从而对抗磨减摩性能产生影响[19-20]。

3.2 电磁场的化学效应

3.2.1对添加剂分子吸附性能的影响润滑油添加剂与摩擦副表面发生摩擦化学反应之前，添加剂首先与摩擦副表面发生吸附作用。有研究指出[21-22]，石墨由于大量共轭π键体系的存在而促进其在金属表面的吸附。类似地，T306分子中由于3个苯环结构赋予其共轭的π键结构，电磁场作用下使T306在垂直于分子层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，即促进了摩擦化学反应膜的形成[13]。而T307分子整体没有稳定的π键结构，电磁场可能会影响T307分子间存在的偶极间的极化作用而增大分子间的距离，并且N能够提供电子，其周围的电子云密度较大，是吸附活性的中心，电磁场会使其电子云发生形变而影响其吸附活性，这些因素可能会影响T307中P，S，N元素与金属表面结合，从而不利于摩擦化学反应形成润滑膜[15]。

3.2.2对化学反应膜的影响氧化膜是一种常见的化学反应膜，根据EDS和XPS对试验钢球磨斑表面的检测结果可知，电磁场作用下钢球表面O元素的相对含量均高于无电磁场作用时的相对含量(见表2)，说明电磁场对氧化膜的形成有促进作用[13-18]。根据分子轨道理论，氧分子(O2)中2个氧原子由2个三电子键结合(O…O)，由于其中2个未配对电子的存在，表现出极强的顺磁性[20]。Mott-Cabrera模型中指出，电子通过势垒时，氧化膜上出现的负表面电荷使功函数增加，具有顺磁性的氧原子将向磁感应强度高的区域聚集[23]，从而促进摩擦副表面氧化膜的生成。

表2 电磁效应对含不同添加剂润滑油润滑试验钢球表面氧含量的影响

图6 含T202和T203润滑油润滑试验钢球 磨斑表面Zn元素的XPS图谱

4 结 论

(1)电磁效应有利于增强T306的抗磨性能，但会削弱T307的抗磨性能，且对这两种添加剂的减摩性能有不利影响；电磁效应有利于增强T301，T202，T203的抗磨和减摩性能。

(2)结合SEM、EDS和XPS的表面分析结果，从电磁场的物理和(或)化学效应探讨了摩擦学机理。在物理效应方面，主要考虑电磁场对磨损微粒的作用力；在化学效应方面，主要从添加剂所含活性元素及其分子结构等方面考虑其与润滑性能的关系。研究成果不仅可以作为电磁场工况下润滑油添加剂的选用及分子设计的理论依据，而且有利于从电磁学的角度丰富摩擦学的理论和实践。

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