质子型离子液体水溶液对GCr15轴承钢的摩擦学性能研究

张洋 刘志杭 金丹

摘要：以质子型离子液体：二羟乙基胺正辛酸（Bis[（2-hydroxyethyl） ammonium] caprylate，BOEAC）作为添加剂，配置了不同质量浓度的BOEAC水溶液，使用MS-10A摩擦试验机对质子离子液体水溶液的减摩抗磨性能、极压性能和润滑稳定性能进行试验研究。试验结果表明：BOEAC离子液体水溶液具有显著的减摩抗磨性能，其中10%BOEAC离子液体水溶液的最大无卡咬负荷高达847N，相比于纯水（98N）减摩抗磨性能显著，甚至高于普通基础油，可作为水基润滑液的极压添加剂。BOEAC离子液体能够显著改善其水溶液的成膜性能，这是由于BOEAL分子能够在摩擦副表面迅速形成吸附膜和化学反应膜，使摩擦副表面的摩擦系数降低，抗磨性能提升。作为一种不含卤素等有毒元素的新型绿色离子润滑剂，可通过调节BOEAC浓度配比，替代传统润滑剂，在各种工况中应用。

关键词：二羟乙基胺正辛酸;减摩抗磨;成膜性能

中图分类号：TF762+.4                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0017-03

0  引言

重工业是国家发展的支柱产业，决定着国防、基建等的国家基础产业的发展命运。然而随着国家环保意识的加强，对重工业的治理力度逐渐加大。因此在重工业发展的各个方面，都要注意对环保材料的使用。金属加工润滑剂，作为金属切削、轧制等流程中必不可少的材料，需求量逐年递增，然而，传统的油基润滑剂多含有S、P、Cl等元素，严重污染环境、危害人体健康。因此，需要一种绿色环保的新型润滑液，改善金属加工中的润滑性能，防止金属表面划伤剥离[1]。水基润滑液具有绿色环保、来源广泛等特性，然而由于水的黏度较低、成膜能力有限，因此需要加入合适的水溶性添加剂来改善水在低速区的极压抗磨性能，使水溶液具有良好的成膜能力和润滑性能[2]。

近年来，科学家发现一种“绿色润滑剂”：离子液体具有不挥发、不可燃、良好的化学和热稳定性等理性润滑剂的性质，吸引了相关学者对该领域的研究[3-5]。然而市场上现存的离子液体大多含有卤素元素，在金属摩擦过程中易生成卤化氢，对金属产生腐蚀，因此限制了其在金属加工业中的使用，且离子液体的溶解性较低，如何制备具有良好水溶性和性能稳定的离子液体水溶液，也是需要考虑的重要问题[6-7]。

本文所使用的离子液体属于质子型季铵盐类离子，相关研究表明该类离子液体具有较好的水溶性和可生物降解性，这些特征引起了人们对其在润滑和摩擦学中的研究，2014年Tulia Espinosa小组将1%的质子型季铵盐类离子液体二羟乙基胺丁二酸加入到水中在蓝宝石/钢摩擦副上进行了摩擦学试验，结果表明其不仅显著缩短了磨合期，并且呈现出超滑现象。该研究结果证明质子型季铵盐类离子液体可作为水机润滑添加剂。因此，本文作者前期合成了一种只含有C、H、O、N且水溶性良好的质子型季铵盐类离子液体：二羟乙基胺正辛酸（BOEAC），将以其水溶液作为研究对象，系统的研究其在钢/钢摩擦副的摩擦学性能，并对其减摩抗磨机理进行分析。

1  试验部分

质子型离子液体添加剂二羟乙基胺正辛酸通过布朗斯特酸碱中和反应合成并提纯而成。BOEAC离子液体的分子式为C12H27NO4，常温下为淡黄色胶状液体，BOEAC分子结构见表1。常温下在纯水中的溶解度≥70g（水100g）。本文用电子天平分别称取一定量的BOEAC离子液体，加入适量的去离子水配置出质量分数为1%、5%、10%、15%、20%五种浓度梯度的水溶液，用磁力搅拌器搅拌20分钟至溶质充分溶解，静置24小时后溶质未出现变质和析出现象。

试验选用上海钢球厂生产的？准12.7mm轴承钢钢球，硬度HRC64～66，使用前分别用乙醇和丙酮超声清洗十分钟，再用去离子水冲洗十分钟，氮气吹干后放入密封袋密封待用。试验使用MRS-10A型四球试验机分别从浓度、载荷和转速三个角度进行长磨试验，测试BOEAL水溶液的减摩抗磨性能，并对其减摩稳定性能和极压性能进行试验，并使用光学显微镜对磨斑表面进行分析。

2  试验结果与分析

2.1 减摩抗磨性能试验性能

2.1.1 浓度对减摩抗磨性能的影响

试验研究BOEAL离子液体水溶液浓度与其减摩抗磨性能的关系。试验条件：载荷300N，转速1200r/min，时间20min，浓度分别为1%、5%、10%、15%、20%、25%，试验结果如图1所示。

前期对纯水的润滑性能进行测试，试验结果表明100N载荷下钢球摩擦副迅速出现干磨现象，摩擦表面出现烧结，并伴随刺耳噪声，机器迅速停机，这是由于纯水承载能力有限，无法形成有效的润滑膜。从图1中可以看出，不同浓度BOEAL水溶液摩擦系数都在0.1以下，说明BOEAL离子液体的加入能够显著改善纯水的润滑性能。当浓度为1%时其摩擦系数相对较大，达到0.094，这主要是因为此时BOEAL离子液体的含量较少，不能完全吸附于整个金属表面，无法将摩擦副表面完全分隔开形成有效流体润滑，因此1%BOEAL水溶液的摩擦系数相对较大。随着浓度的增加，溶液中的离子液体增多，分子吸附数量增加，吸附膜强度增大，摩擦系数降低。当浓度达到15%时，BOEAL水溶液的摩擦系数最低达到0.078，此时分子吸附膜接近饱和。当浓度继续增加時，润滑剂分子在金属表面的吸附已达到饱和状态，随着黏度增大，离子液体间的内摩擦力增加，从而在宏观上表现出内摩擦力增大。BOEAL水溶液的磨斑直径随浓度的增加呈现下降的趋势，BOEAL水溶液的磨斑直径在0.33～0.46mm之间变化，而随着浓度的增加，磨斑直径显著降低，这是因为润滑膜强度的提升是由摩擦副表面润滑剂分子的吸附率和黏度共同决定的，随着浓度的增加，润滑液黏度增大，润滑剂分子在摩擦副表面的吸附率增加，润滑膜的整体承载能力提高，膜厚增加，从而使摩擦副粗糙峰的动态接触率降低，因此，BOEA水溶液的磨斑直径随浓度的增加而降低。

2.1.2 載荷对减摩抗磨性能的影响

试验研究BOEAL离子液体水溶液载荷与其减摩抗磨性能的关系。试验条件：转速1200r/min，时间20min，浓度5%，载荷分别为100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N，试验结果如图2所示。

从图2中可以看出随载荷的增加BOEAL水溶液的摩擦系数先减小后增加。当载荷为500N时离子液体水溶液的摩擦系数达到最小值0.080。分析原因，当载荷较小时，随载荷的增加摩擦副表面逐渐形成稳定的化学反应膜，使得摩擦系数降低，而当载荷达到500N后，摩擦副表面的化学反应膜被逐渐破坏，粗糙峰间的直接接触率增大，导致摩擦系数逐渐增加。同时随载荷的增加，钢球表面的接触应力和变形量增加，必然会导致钢球表面的实际接触面积增大，实际磨损量随之增加。

从图2可以看出，在100N载荷下BOEAL水溶液润滑的钢球具有最大的摩擦系数和最小的磨斑直径，这也从侧面证明了摩擦系数和磨损率之间没有直接的关系，为进一步探究BOEAL水溶液润滑的钢球摩擦和磨损状态，对100N和800N载荷下BOEAL水溶液润滑的钢球磨斑表面进行分析。（图3、图4）

从图3和图4中可以看出，随载荷的增加，摩擦副间的接触压力增大，磨损加剧，磨斑直径较大。在100N载荷下，摩擦副表面的粗糙峰较为明显，未能被迅速磨平，峰谷内的润滑液不能起到承载润滑的作用，粗糙峰间挤压和磨削程度较严重，导致摩擦系数较大。而在800N载荷下摩擦副表面的粗糙峰被迅速磨平，峰谷内的润滑液起到承载润滑的作用]，并且由于离子液体自身所含的羟基、羧基等极性基团吸附于钢球摩擦副表面形成的吸附膜，以及BOEAL离子液体与摩擦副表面发生化学反应形成的化学反应膜共同作用，使摩擦副在较高载荷下反而具有较好的减摩效果。

2.1.3 转速对减摩抗磨性能的影响

试验研究BOEAL离子液体水溶液转速与其减摩抗磨性能的关系。试验条件：转速1200r/min，时间20min，浓度5%载荷，转速分别为100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N，试验结果如图5所示。

从图5中可以看出当转速在800～1400r/min时，随转速的增加，润滑膜的膜厚和强度增加，会使摩擦系数降低，同时转速增加又会使水基润滑液中的分子活性增加，使摩擦副表面的吸附膜和化学反应膜强度增加，这些因素共同作用使润滑膜厚度和承载能力增加，摩擦系数降低。当转速继续增加时，摩擦副表面的动态接触率增加，同时流体的剪切稀化和温升共同作用，使流体的粘度降低，润滑膜强度减弱，摩擦系数增加。随转速的增加，钢球表面的动态接触率增加，因此相同时间内钢球表面的磨损量增加。

2.2 极压性能分析

试验条件：时间10s，温度18～35℃，转速1760r/min，浓度取0.5%和5%。

从表2中可以看出，由于水的承载能力有限，在98N载荷下无法形成有效的润滑膜，而少量BOEAC离子液体的加入即可显著提高水的承载能力。其中，5%BOEAC水溶液的承载能力超过了基础油，达到643N，随着BOEAC浓度增加，BOEAC水溶液的PB值增大，当BOEAC离子液体浓度达到15%时，其PB值高达964N，具有优异的极压性能。由于BOEAC水溶液中离子与离子之间以及离子与金属摩擦副之间的较强静电作用，使摩擦副间的流体膜不容易被挤出接触区而承受更大的载荷，因此离子液体相比于相近黏度的非离子液体具有更好的承载能力。

2.3 稳定性试验分析

润滑液的减摩稳定性是评价润滑液性能的重要指标。对BOEAL水溶液进行长磨稳定性试验，试验条件为：转速1200r/min，时间20min，载荷300N，浓度分别为：1%、10%、20%。

图6中给出了300N载荷下不同浓度BOEAC水溶液摩擦系数随运动时间的变化关系。BOEAC水溶液在磨合初期（0-100s）摩擦系数相对波动较大，而随着磨合时间的增加，摩擦系数逐渐趋于稳定。这主要是因为在磨损初期钢球表面具有宏观和微观的几何缺陷，使得钢球表面粗糙峰间的实际接触点压力较大，挤压碰撞较为频繁，在宏观上磨损剧烈，摩擦系数波动较大。1%BOEAC水溶液极性分子较少，粘度较低使得润滑膜较薄，润滑膜分割摩擦副粗糙峰的能力较差，粗糙峰间的挤压碰撞较为剧烈，因此相对于中、高浓度的离子液体水溶液，具有较大的摩擦系数和不稳定性。在磨合过程中，由于摩擦副粗糙峰间的磨削挤压使表面产生塑性变形，较大的粗糙峰逐渐被磨平，导致钢球表面接触状态得到改善，钢球摩擦副间的磨损率降低。当进入稳定磨损阶段时，润滑状态比较稳定，摩擦系数较为稳定。

3  结论

①BOEAC水溶液具有较好的减摩抗磨性能，在各种试验条件摩擦系数均在0.1以下，且润滑稳定性较好。②BOEAC离子液体具有强极性，在摩擦过程中能够迅速与金属表面发生化学反应生成稳固的物理吸附膜和化学吸附膜，使其具有良好的承载能力，可作为极压添加剂使用。③离子液体的加入能够有效提高纯水的成膜能力，且由于离子液体强静电作用的影响，相比于同黏度的非离子液体，其具有更强的抗压和成膜能力。④作为一种绿色环保的润滑液添加剂，可以通过调节其在水溶液中的质量分数，改善其减摩抗磨性能，从而适应不同工况对其成膜和润滑性能的要求。

参考文献：

[1]温诗铸，黄平.摩擦学原理[M].北京：清华大学出版社， 2002：1-6.

[2]Ratoi M， Spikes H A. Lubricating properties of aqueous surfactant solutions[J]. A S L E Transactions， 1999， 42（3）：479-486.

[3]Peric B， Esther Marti， Sierra J， et al. Terrestrial ecotoxicity of short aliphatic protic ionic liquids[J]. Environmental Toxicology and Chemistry / SETAC， 2011， 30（12）：2802-2809.

[4]Peric B， Sierra J， Esther Marti， et al. Ecotoxicity and biodegradability of selected protic and aprotic ionic liquids[J]. Journal of Hazardous Materials， 2013， 261C：99-105.

[5]Peric B， Sierra J， Esther Marti， et al. A comparative study of the terrestrial ecotoxicity of selected protic and aprotic ionic liquids[J]. Chemosphere， 2014， 108：418-425.

[6]Gusain R， Khatri O. Fatty acid ionic liquids as environmentally friendly lubricants for low friction and wear[J]. RSC Advances， 2016， 6：15318-15328.

[7]Espinosa T，Sanes， José， et al. Protic ammonium carboxylate ionic liquid lubricants of OFHC copper[J]. Wear， 2013， 303（1-2）：495-509.