磁场作用下基础油和含硫代磷酸铵盐润滑油的摩擦学特性

江泽琦，方建华，郑 哲，陈波水

(中国人民解放军后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 401311)

磁场作用下基础油和含硫代磷酸铵盐润滑油的摩擦学特性

江泽琦，方建华，郑 哲，陈波水

(中国人民解放军后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 401311)

采用改进后的四球试验机考察在有、无磁场作用下150SN基础油和含硫代磷酸铵盐(T307)抗磨添加剂润滑油的摩擦磨损性能，并用扫描电子显微镜(SEM)观察磨斑的表面形貌，分析磁场、载荷和T307的添加量对润滑油摩擦学特性的影响。结果表明：以150SN基础油为润滑介质时，与无磁场作用时相比，磁场作用下的钢球磨斑直径较小、摩擦因数较大，即磁场作用可增强150SN基础油的抗磨性能、削弱其减摩性能；以含T307润滑油为润滑介质时，磁场作用下的钢球磨斑直径和摩擦因数均大于无磁场作用时的磨斑直径和摩擦因数，即磁场作用对含T307润滑油的抗磨性能和减摩性能都有不利影响；磁场作用会影响钢球表面膜的性质和状态，不利于T307与金属表面发生摩擦化学反应形成润滑膜。

磁场 硫代磷酸铵盐 润滑油 摩擦 磨损

日益电气化和现代化的机器设备使许多滑动部位的服役条件变得多样化和复杂化，这对润滑油的性能提出了更高的要求。电动机电刷、高速铁路的滑板、大功率电力输送中的开关接触器、太空设备中的滑动部件等都涉及到电磁环境下的摩擦磨损问题[1-5]，另外，摩擦副在发生相对运动的过程中，会由于摩擦自生电势激发磁场，而磁场作为物质存在的一种形式，与实物物质一样有着能量、动量等属性，它势必会影响物质的结构、性质，从而影响摩擦、磨损和润滑性能以及作用机理[6-11]。

国内外许多学者开展了磁场条件下的摩擦学研究，Sato等[12]通过实验发现，摩擦不仅可以诱发磁场的产生，还可以改变摩擦副材料的摩擦学特性；Muju 等[4]认为，磁场会影响金属的内应力而使其硬度发生改变。在对润滑添加剂摩擦学性能的研究中，研究者主要考虑摩擦化学的反应特性，而很少从电磁效应的角度解释其作用行为。因此，通过比较有、无磁场作用下润滑油的抗磨、减摩性能，探究磁场、载荷等因素对摩擦学特性的影响，对指导不同工况下添加剂种类的选用、添加剂分子的结构设计等将会有所裨益。

硫代磷酸铵盐(T307)因其优异的抗磨性能和良好的极压能力而广泛应用于众多工业领域[13]。本课题通过在摩擦磨损试验机的四球摩擦接触区域外加通电线圈产生磁场来模拟和放大摩擦自生电势激发的电磁效应，考察不同工况下基础油和含T307润滑油的抗磨、减摩性能，并结合扫描电子显微镜(SEM)的分析结果，探讨磁场作用对油品抗摩、减磨性能影响的机理。

1 实 验

1.1 润滑油样品的配制

采用无极性石蜡基150SN作为基础油，添加剂采用北京苯环精细化工有限公司生产的T307极压抗磨添加剂，其结构式如下(R表示烷基)：

将T307按0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的添加量(w)加入基础油中配制5种润滑油样品，基础油和T307的理化性质分别见表1和表2。

1.2 摩擦磨损试验

在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)上，采用四球摩擦的方式评价摩擦副在不同工况下的摩擦磨损性能。在摩擦接触区外置一个通电线圈产生磁场来模拟和放大摩擦副摩擦过程中激发的摩擦电磁效应，线圈匝数为800匝，其工作原理如图1所示。

表1 150SN基础油的理化性质

表2 T307极压抗磨剂的理化性质

图1 改进后四球试验机的工作原理示意

1.3 表面形貌分析

分别将有、无磁场作用条件下经150SN基础油和含2%T307润滑油摩擦磨损试验后的钢球用石油醚清洗，用TESCAN VEGA 3 LMH型电子扫描显微镜观察钢球磨痕的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 抗磨性能

不同试验条件下钢球磨斑直径随T307添加量的变化见图2。由图2可以看出：以150SN基础油为润滑介质时，在磁场作用下不同载荷时钢球磨斑直径均比无磁场作用时的磨斑直径小，说明磁场作用有利于提高150SN基础油的抗磨性能；150SN基础油中加入T307后，在所考察的工况下，油样的抗磨性能均不同程度地得到改善，这是因为T307分子与摩擦副表面发生了复杂的摩擦化学反应，生成了含有S，P，N等元素的边界润滑膜，增强了其抗磨性能[13]；随着T307添加量的增加，钢球磨斑直径呈先降低后略有升高的变化趋势，3种载荷下的抗磨性能均在T307添加量(w)为0.5%时最好；以含T307的润滑油为润滑介质时，在磁场作用下不同载荷时钢球的磨斑直径均大于无磁场作用时的磨斑直径，说明磁场作用对含T307润滑油的抗磨性能有不利影响；当载荷为196 N时，磁场作用对油样抗磨性能的影响程度随T307添加量的增大而减小；当载荷为392 N和490 N时，磁场作用对油样抗磨性能的影响程度随T307添加量的增大而增大。

图2 不同工况下钢球磨斑直径随T307添加量的变化■—无磁场，196 N； ▲—有磁场，196 N； —无磁场，392 N； —有磁场，392 N； ◆—无磁场，490 N； ●—有磁场，490 N。图3同

2.2 减摩性能

不同试验条件下摩擦因数随T307添加量的变化见图3。由图3可以看出，以150SN基础油或含T307的润滑油为润滑介质时，在所考察的3种载荷条件下，磁场作用下的摩擦因数均大于无磁场作用时的摩擦因数。说明磁场作用削弱了150SN基础油和含T307润滑油的减摩性能。

图3 不同工况下摩擦因数随T307添加量的变化

以含2%T307的润滑油为润滑介质，在有、无磁场作用下摩擦因数随试验时间的变化见图4。从图4可以看出，磁场作用下的摩擦因数大于无磁场作用时的摩擦因数，且波动幅度更大。说明磁场作用在不断影响着表面膜的性质和状态，且不利于T307与金属表面发生摩擦化学反应形成润滑膜。

图4 在有、无磁场作用下摩擦因数随试验时间的变化

2.3 钢球的磨斑表面形貌

以150SN基础油和含2%T307润滑油为润滑介质，在有、无磁场作用下，载荷为392 N时钢球磨斑的SEM照片(放大200倍)见图5。由图5(a)和图5(c)可以看出，在无磁场作用时，150SN基础油润滑下钢球的磨斑直径大于含2%T307润滑油作用下的磨斑直径，说明T307在摩擦过程中生成的化学反应膜对钢球表面起到了一定的保护作用。由图5(a)和图5(b)可以看出，以150SN基础油为润滑介质时，在磁场作用下钢球的磨斑直径小于无磁场作用时的磨斑直径，这可能是因为磁场通过电物理效应促进了无极性润滑油中摩擦副表面膜的物理或化学吸附[14]，增强了其抗磨性能。由图5(c)和图5(d)可以看出，以含2%T307的润滑油为润滑介质时，在磁场作用下钢球的磨斑直径大于无磁场作用时的磨斑直径，说明磁场作用对含T307润滑油的抗磨性能有不利的影响，这可能与磁场对含活性添加剂润滑介质的摩擦电化学效应有关[15]。T307分子中的N能提供未共用电子对，是一种较强的Lewis碱[16]，并且N能够提供电子，其周围的电子云密度较大，构成了吸附活性中心，因此推测磁场影响了T307分子间存在的偶极间的极化作用，从而增大了分子间的距离，降低了其在钢球表面的吸附活性，不利于含T307润滑油抗磨性能的保持和实现。

图5 在有、无磁场作用下钢球磨斑的SEM照片

3 结 论

(1) 以150SN基础油为润滑介质时，与无磁场作用时相比，磁场作用下的钢球磨斑直径较小、摩擦因数较大，即磁场作用可增强150SN基础油的抗磨性能、削弱其减摩性能；以含T307的润滑油为润滑介质时，磁场作用下的钢球磨斑直径和摩擦因数均大于无磁场作用时的磨斑直径和摩擦因数，即磁场作用对含T307润滑油的抗磨性能和减摩性能都有不利影响。

(2) 磁场作用会影响钢球表面膜的性质和状态，不利于T307与金属表面发生摩擦化学反应形成润滑膜。

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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。

江泽琦，硕士研究生，主要从事环境友好润滑油添加剂的研究工作。

方建华，E-mail：fangjianhua71225@sina.com。

国家自然科学基金项目(51375491)、重庆自然科学基金项目(CSTC2014JCYJAA50021)和后勤工程学院创新基金项目(YZ13-43703)。