合金在氟硼酸盐离子液体中的摩擦学性能

肖金坤, 谭 红, 张 伟, 张 皓, 陈 娟, 张 超

(扬州大学 a. 机械工程学院, 江苏 扬州 225127; b. 测试中心, 江苏 扬州 225009)

离子液体,又称室温熔融盐,是在室温下呈液态的由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的盐[1]．离子液体具有低挥发性、不可燃性、高热稳定性,宽电化学窗口以及良好的有机物相容性[2-3], 在有机合成、分离提纯、催化、电化学及润滑等方面具有广阔的应用前景．作为润滑剂,离子液体可以耐受摩擦过程中的高温高压; 另一方面, 离子液体具有极性,可以吸附在摩擦表面并通过摩擦化学反应形成润滑膜[4-5], 起到润滑作用． Han等[6]研究了几种磷酸盐离子液体对铝合金摩擦性能的影响及其润滑机理; Somers等[7]研究了离子液体作为基础润滑油的添加剂对铝合金耐磨性能的影响,结果表明当其阴阳离子不紧密结合,也不与油分子紧密结合时,离子液体才能有效地吸附在摩擦表面并减少磨损; Zhou等[8]研究了由鏻阳离子与有机膦、羧酸和磺酸盐阴离子组成的离子液体作为润滑油添加剂的抗磨性能; 郭月霞等[9]考察了3种氨基酸离子液体作为不同摩擦副润滑剂的摩擦学性能．相关研究表明, 离子液体的润滑机制与其阴阳离子的极性以及吸附膜或反应膜的形成有关[10-13], 但不同种类金属的化学活性不同,同种离子液体对于不同金属材料的润滑性能也可能存在差异, 目前相关研究报道较少．本文以去离子水为参照, 研究1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体作为润滑剂对镁合金、铝合金、钛合金、铜合金的摩擦学性能的影响及其摩擦磨损机理,以期为同类离子液体的应用提供相关参考．

1 实验部分

1.1 实验材料

1.2 摩擦磨损实验

摩擦磨损实验在UMT-2型摩擦磨损试验机(Bruker公司, 美国)上进行,测试模式为球-块往复式, 选用直径为5 mm的GCr15钢球进行配对．摩擦实验前用微量注射器将0.5 mL离子液体或去离子水滴加在球-块接触区域, 实验过程中润滑液体始终覆盖磨痕表面．摩擦实验的法向载荷为5 N, 往复频率为2 Hz, 磨痕长度为3 mm,时间为30 min．摩擦实验结束后, 用无水乙醇清洗试样表面, 以备分析检测．利用Contour GT-K型三维光学轮廓仪(Bruker公司, 美国)测定磨损体积, 并计算出材料的磨损率．

1.3 形貌观察和结构分析

利用Supra 55型场发射扫描电镜(Zeiss公司, 德国)观察试样的磨损形貌, 利用能谱仪(Bruker公司, 德国)对磨损表面进行成分分析, 利用ESCALAB 250Xi型X射线光电子能谱仪(Thermo Fisher Scientific公司, 美国)分析磨痕表面的特征元素, 选用Al Kα激发源, 通过能量为29.35 eV, 结合能测量精度为±0.3 eV, 以C 1s电子结合能284.80 eV作为内标．

2 结果与讨论

2.1 摩擦因数与磨损率

图1是4种合金在离子液体和去离子水中的摩擦因数曲线．镁合金在两种介质环境中的初始摩擦因数都约为0.27, 进入稳定摩擦阶段后在水和离子液体中的稳定摩擦因数分别为0.15和0.06, 说明离子液体对镁合金的润滑效果更好; 铝合金在2种介质中的摩擦因数相差较大, 在水中和离子液体中的摩擦因数分别为0.53和0.17; 而对于钛合金而言, 2种介质中的摩擦因数相近,均约为0.35,且摩擦因数在整个摩擦过程中的波动都较大,表明离子液体对钛合金的润滑作用不明显; 铜合金在水和离子液体中的摩擦因数均随摩擦时间增加呈现缓慢升高的趋势, 其平均摩擦因数分别为0.35和0.26, 离子液体对铜合金的润滑效果略优于水．综上可知, 离子液体对不同合金的润滑效果不同, 这可能与合金的化学性质密切相关．

图2为4种合金在离子液体和水中的磨痕形貌及磨损率．由图2可知: 1) 镁合金在离子液体中的磨损率比在水中高．这可能是由于Mg原子的活性强, 摩擦时易与离子液体和水发生化学反应, 腐蚀磨损是主要的磨损机制． 2) 铝合金在2种介质中的磨损率均比镁合金的低, 这是因为离子液体对铝合金具有腐蚀作用, 腐蚀促进了铝合金的磨损, 而摩擦过程会生成软质的腐蚀产物,对摩擦界面起到润滑作用．铝合金在水中摩擦时表面容易形成硬质的氧化铝层,使摩擦因数保持在较高水平, 但硬质氧化铝层同时也提高了材料的抗磨损性能．3) 钛合金在离子液体和水中的磨损率都较高, 这是由于钛合金表面在摩擦过程中能快速生成致密的耐腐蚀钝化膜,因此腐蚀磨损的影响可以忽略; 且钛合金为密排六方晶体结构, 滑移系较少, 摩擦过程中难以发生塑性变形．钛合金在离子液体中磨损率略低,可能是由于离子液体界面具有双电层结构, 因此其容易吸附在新生的摩擦副表面并形成润滑膜[4,14]．4) 铜合金在离子液体和水中的磨损率都很低, 具有较好的耐磨性能,这主要是由于铜合金的金属活性低, 基本可以忽略摩擦过程中腐蚀磨损．

2.2 磨损表面形貌分析

图3为4种合金在水和离子液体中磨损表面的SEM形貌．由图3可见: 1) 镁合金在水中的磨损表面较光滑,表面有细小磨屑和较小的腐蚀坑．镁合金在离子液体中的磨损表面相比水中更平整,表面有一层压实的团絮状物质,原因是镁合金表面与离子液体中的四氟硼酸阴离子发生摩擦化学反应,形成化合物膜,起到润滑作用．2) 铝合金在水中的磨损表面出现大量裂纹和氧化物,说明表面经历了较长时间的往复摩擦,表现为疲劳磨损．这可能是由于A380铝合金表面析出的针状初生硅在水中发生摩擦化学反应生成硅氧化物层．离子液体中的铝合金表面两侧光滑,中间粗糙．这是因为中间区域发生了较严重的粘着磨损,导致块状磨屑剥落,而两侧接触应力小仅发生轻微的疲劳磨损．3) 钛合金在水和离子液体中的磨损表面均有许多较深的犁沟,是由于摩擦过程中有较大的硬质磨屑颗粒剥落,部分残留在摩擦界面,在对摩球的作用下使接触表面产生严重的磨粒磨损．4) 铜合金在水中的磨损表面最为光滑平整, 且磨痕最窄,表面存在微裂纹,发生轻微的塑性变形, 表现为轻微的疲劳磨损,这与铜合金具有最低的磨损率的现象一致．但铜合金在离子液体中的磨损表面形貌与水介质中的形貌截然不同,其表面存在细小的犁沟,主要磨损机制为轻微的磨粒磨损．

2.3 磨损表面成分分析

图5为镁合金和铝合金在离子液体中磨损表面的XPS能谱图．由图5(a)可知, 在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体中, 镁合金和铝合金磨损表面的XPS能谱中出现了很强的F和O特征峰, 说明离子液体和空气中的O2都与合金发生了摩擦化学反应．在镁合金磨损表面主要生成了MgO和MgF2(见图5(b)～(d)), 铝合金表面生成Al2O3和AlF3(见图5 (e)～(h)), 这些氧化物和氟化物组成润滑膜为摩擦过程提供边界润滑．此外, 离子液体中的阴阳离子还会在合金的摩擦表面形成双电层结构的吸附膜, 为阻碍金属与金属之间的直接接触发挥了一定作用．离子液体通过与金属基体形成化学反应层和物理吸附膜, 在合金的摩擦过程中起到润滑作用[14]．

3 结论

本文研究了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体和水分别作为润滑介质时4种合金的摩擦学性能, 对离子液体的润滑机理进行了分析．结果表明, 镁合金和铝合金在离子液体中的摩擦因数分别为0.06和0.17, 远小于在水中的摩擦因数,但是离子液体对钛合金和铜合金的摩擦因数影响较小,表明离子液体对合金的润滑作用具有选择性．对于金属活性越强的合金材料,离子液体降低摩擦因数的效果越好．在活性较高的镁合金和铝合金的磨损表面发现大量F元素, 说明离子液体对活性金属材料会造成腐蚀磨损．离子液体的腐蚀性使得镁合金和铝合金的磨损比在去离子水中高．