基于正交试验的含氮硼酸酯铝材轧制润滑油摩擦学性能研究*

赵永涛1, 孙建林1 王成龙1 张红松 赵 玲

(1.北京科技大学材料科学与工程学院 北京 100083；2.河南工程学院机械工程学院 河南郑州451191)

铝材轧制过程中，磷酸酯作为润滑油极压抗磨添加剂很早就已广泛使用。含磷添加剂会在摩擦表面形成一层由磷酸盐组成的边界润滑薄膜，从而具有良好的极压抗磨性能，但酸性磷酸盐易产生化学腐蚀，含磷化合物还对环境有一定的污染[1-3]。与此同时，新型铝材轧制向高速、宽幅、大压下率方向的发展，对铝材轧制润滑油也提出了更高的要求。为开发一种高效、环保的铝材轧制润滑油添加剂，国内外研究人员进行了大量研究。研究发现，将极压抗磨活性元素和杂环官能团结合在同一分子内的含N杂环衍生物[4-8]，是一种能够替代现有极压抗磨添加剂的新型添加剂。

有机硼酸酯作为一种绿色环保型的添加剂得到的广泛关注，而将N元素引入到硼酸酯中，N原子可以和B原子可形成较稳定的配位键，制成的含氮硼酸酯可在一定程度上提高轧制润滑油抗磨减摩的效果。本文作者合成了一种新型含氮硼酸酯，并将合成的含氮硼酸酯作为极压剂添加到铝材轧制基础油中，考察其摩擦学特性，验证了合成的含氮硼酸酯作为铝材轧制油添加剂的可行性。关于润滑油摩擦学性能方面的研究，前人已经做了很多工作，但大多研究的是单一工艺参数对摩擦学性能的影响，而对摩擦学性能的多因素影响的研究很少[9-10]。四球试验后可以获得油膜强度、摩擦因数和磨斑直径等摩擦学性能参数，油膜强度值越大，说明油样的极压性能越好，润滑性能越优良[11-13]；摩擦因数越小，说明减摩效果越好，越有利于边界润滑条件的形成，容易提高润滑质量[14-16]；磨斑直径越小，说明抗磨性能越好，越又有利于再摩擦副表面形成有效的润滑薄膜[17-19]。本文作者以油膜强度、摩擦因数和磨斑直径为摩擦学性能指标，采用正交试验法研究基础油种类、极压剂添加量、四球机载荷和转速对油样这三项指标的综合影响，优选出含氮硼酸酯铝材轧制润滑油制备及使用的最佳工艺参数。

1 试验部分

1.1 试验材料

选用1100工业纯铝作为轧制试验材料，其化学成分如表1所示。试验用轧制基础油选用商用铝板轧制油，其主要理化性能指标如表2所示。

表1 工业纯铝化学成分(质量分数)

表2 基础油主要理化性能指标

1.2 氮硼酸酯的合成

将一定量的二羟乙基十八胺(化学纯)与适量的固体硼酸(化学纯)(按摩尔比1∶1)充分混合于三口瓶中，加入甲苯(化学纯)溶液进行加热回流反应；利用分水器除去所产生的水，待产生的水达到理论出水量时，停止反应；干燥后旋蒸出甲苯溶剂，即可得到含氮硼酸酯。该化合物结构式为C18H37-N-(CH2CH2OH)2-B-OH。采用红外光谱分析仪(Nicolet 6700，美国Thermo Fisher生产)对合成的含氮硼酸酯进行了结构分析，分析结果如图1所示。可见，该化合物在1 310～1 380 cm-1处出现了吸收峰，说明化合物中存在有机硼酸酯B-O键；在1 000～1 100 cm-1处出现了吸收峰，说明该化合物中有C-N键存在。因此，证明合成的该化合物为含氮类硼酸酯。另外，图中2 800～3 000 cm-1处的吸收峰说明化合物中存在CH2、CH3，在3 300～3 400 cm-1处的吸收峰则说明存在B-OH键，进一步证明了该化合物为长链含氮硼酸酯。

图1 含氮硼酸酯的FTIR分析结果

1.3 摩擦学性能试验

将制备的含氮硼酸酯作为极压剂按一定比例添加到基础油中，得到系列铝材轧制油油样。采用MR-S10型四球摩擦磨损试验机，对轧制油进行摩擦学性能试验，测试该轧制油的油膜强度(pB)值、摩擦因数(μ)，并通过带读数刻度的显微镜观察测量四球试验后的磨斑直径。

1.4 正交试验

采用正交试验方法对影响摩擦学性能的参数进行分析。对摩擦学性能起主要作用的因素有基础油种类、极压添加剂含量、试验载荷、试验转速，对各试验因素分别安排4个变量，选取正交表L16(44)，即4水平4因素正交表。最终确定的试验因素水平表如表3所示。

表3 因素水平表

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果及评价

正交试验结果如表4所示。为了更好地表征油样的摩擦学性能，文中采用多指标公式评分法对油膜强度、摩擦因数和磨斑直径进行评估，综合表征油样的摩擦学性能。评分方法为：对于油膜强度值，15号油样值为846 MPa，极压效果最好，评分为10分，1号油样为654 MPa，极压效果最差，评分为1；对于摩擦因数，15号油样值为0.822，减摩效果最好，评分为10分，5号油样值为0.126，减摩效果最差，评分为1；对于磨斑直径，14号油样值为0.425 mm，抗磨效果最好，评分为10分，15号油样值为0.578 mm，抗磨效果最差，评分为1。对于其余油样的各项性能指标的评分，由最优和最差效果按照比例给定。最终多指标公式评分法的评分方法为，总评分为油膜强度评分、摩擦因数评分、磨斑直径评分的和。评分情况如表4所示。用总评分来表示各油样的抗磨减摩效果，总评分越大，抗磨减摩效果越好，反之抗磨减摩效果越差。

表4 正交试验结果及评价结果

2.2 极差分析

对正交试验结果进行极差分析，如表5所示。表中Ki(i=1，2，3，4)为每一因素同一水平下的抗磨减摩效果值之和；Kij(i=1，2，3，4；j=A，B，C，D)为每一因素同一水平下的抗磨减摩效果结果的平均值，即kij=Kij/4，kij越大表示在这一水平下，该因素的抗磨减摩系数越大，摩擦学性能越好；Rj=(kij)max-(kij)min，Rj越大，表示这一因素对摩擦学性能影响越大。计算得到因素A(基础油种类)、因素B(极压剂添加量)、因素C(载荷)、因素D(转速)的极差分别为4.700、5.875、2.475和2.500，如表5所示。可以看出，因素B(极压剂添加量)和因素A(基础油种类)对油样的摩擦学性能影响较大，因素D(转速)和因素C(载荷)对油样的摩擦学性能影响较小。

表5 极差分析

通过正交试验数据分析得到的各因素对摩擦学性能影响效果的曲线图，如图2所示。根据正交试验的特性，每个水平的试验条件都是一样的。由图2可以看出各因素的水平变动对摩擦学性能的强化效果，如因素B(极压剂添加量)随着其值的增加，强化效果明显急剧增大，当极压剂质量分数增大到1.0%后，强化效果趋于平稳；随着基础油牌号增大，因素A(基础油种类)的强化效果也呈现出先急剧增大后趋于平稳的趋势；因素C(载荷)和因素D(转速)的强化效果虽然也随着载荷和转速的变化而变化，总体上数值变化不大，因素C(载荷)和因素D(转速)影响效果均值落差分别为2.475和2.500。这一结果同样也说明，因素B(极压剂添加量)和因素A(基础油种类)对油样的摩擦学性能影响较大，因素D(转速)和因素C(载荷)对油样的摩擦学性能影响较小。分析得到的最优强化效果组合为：极压剂质量分数为1.0%，基础油种类为D100，载荷为294 N，转速为1 200 r/min。

图2 各因素对摩擦学性能影响效果图

2.3 方差分析

极差分析法虽然得到了一些结果，但是并不能判断是水平不同还是试验误差导致的试验结果的差异[20]。为了确定各因素的显著性，有必要进一步作方差分析。方差分析结果如表6所示。第j列因素的水平变化引起的平均偏差平方和(MSj)与误差(e)波动引起的平均偏差平方和(MSe)之比记为Fj，具体公式如下：

Fj=MSjMSj=SSj/fjSSe/fe

SSj=1rΣmi=1K2ij-(Σni=1xi)2/n,(j=1,2,3,4)

式中：SSj为第j列因素因为水平变化而得到的偏差平方和；fj为j列的自由度；SSe为误差列因素因为水平变化而得到的偏差平方和；fe为误差列的自由度；r为每个水平重复的次数；n为试验总次数；m为每个因素的水平数；Kij为各因素各水平对应试验结果之和；xi为每组试验的结果值。

Fj值越大说明对应因素对油样摩擦学性能影响程度越大。基础油种类、极压剂添加量、载荷和转速的F值分别为F1、F2、F3、F4。参考F分布表的临界值，当F>F0.05(3,6)=4.757时，表明该因素对试验结果具有高度显著影响；当F0.05(3,6)=4.757>F>F0.1(3,6)=3.289时，表明该因素对试验结果具有显著影响；当FF0.05(3,6)=4.757，F1=4.82>F0.05(3,6)=4.757，说明极压剂添加量和基础油种类对摩擦学性能影响显著；F4=1.54

表6 方差分析

3 结论

(1)通过正交试验分析，各工艺参数对油样的摩擦学性能影响显著性由大到小依次为极压剂添加量、基础油种类、转速和载荷。

(2)从强化效果图可以看出，各因素对油样的摩擦学性能影响并非线性，各因素中极压剂添加量和基础油种类对油样的摩擦学性能具有显著影响。

(3)在文中研究的范围内，最优工艺参数组合为：极压剂质量分数为1.0%，基础油种类为D100，载荷为294 N，转速为1 200 r/min。