表面粗糙度对环境友好润滑剂润滑性能的影响

蔡发达,彭文竹

(集美大学 诚毅学院，福建 厦门 361021)

0 引 言

材料的摩擦学性能复杂而多变,尤其是当存在润滑介质时,摩擦副表面的粗糙度对其影响更为复杂[1-3].材料表面的粗糙度影响着摩擦副间的实际接触面积,而通过理论上的分析往往难以精确计算,因此通过对实验结果的分析,在某种程度上能够对其结果做出较为可靠的预估.为此,学者们进行了大量试验来进一步探究表面粗糙度对润滑条件下摩擦副摩擦磨损的影响.沈锦龙等人[4]研究了表面形貌对点接触弹流润滑的影响,结果表明:轻载荷下,表面粗糙度削弱了油膜的厚度,提高了油膜的接触压力.刘麟等人[5]分析了润滑条件下CuZn36的摩擦磨损性能,结果表明:随着试验的进行,磨痕表面逐渐形成强化层,表面粗糙度、磨损率趋于稳定.陈汇龙等人[6]通过正交试验分析了粗糙度对液膜润滑动压型机械密封性的影响,结果表明:随着断面粗糙度的增加,液膜开启力和扭矩也随之增加,泄漏量随粗糙度增加而减小.

通常情况下,降低材料表面的粗糙度能够提高对偶副的摩擦磨损性能,但在超光洁表面情况下,粗糙度小反而会降低其摩擦性能.目前,针对润滑条件下材料表面粗糙度与其摩擦学行为的研究已经获得一定进展,但是仍没有一个统一的定论[7-10].田世新等人[11]考察了油润滑下粗糙度对钢铜摩擦副摩擦磨损特性的影响,发现:表面粗糙度越大,摩擦副间的摩擦系数越高,磨损也越大.王秋凤等人[12]研究了不同粗糙表面的超高分子聚乙烯(UHMWPE)摩擦磨损的特性,指出:摩擦系数随着UHMWPE表面粗糙度的增加先降后升,UHMWPE表面越粗糙,磨损率越大.黄建龙等人[13]探究了GCr15/35CrMo摩擦副的摩擦磨损特性,认为:35CrMo试块存在一个最佳粗糙度范围使得摩擦副间的摩擦磨损最小,过高与过低的粗糙表面,其磨损量都较大.

在日常生产应用中,矿物基润滑剂由于生物降解性差,加上泄露、渗透、处理不当等因素,大约有三分之一在使用和排放过程中会对自然环境造成危害.而环境友好润滑剂不仅能够满足使用对象的工况要求,减少摩擦损耗,提高零件使用寿命,同时也能满足环境的可持续发展需求.为此,寻找合适的环境友好润滑剂代替传统的矿物基润滑剂显得尤为重要.角鲨烷作为一种无色液体,不仅可以作为气相色谱固定液,而且还是有机合成的重要原料,具有良好的润滑性、稳定性、凝固点低,常作为精密机械润滑油,在化工领域有着广泛的用途.贾秀璨等人[14]指出:二甲醚与角鲨烷接触形成的混合物具有无腐蚀性,且可在273.15K以下工况工作,稳定性强等优点,可作为吸收式制冷系统中一种潜力工质.潘伶等人[15]通过分子动力学模拟出剪切速度对纳米间隙角鲨烷界面滑移的影响,结果表明:纳米间隙中角鲨烷润滑剂存在分层现象,随着油膜厚度的减小,润滑剂的层状分布越明显.季戊四醇油酸酯作为一种绿色润滑剂,其分子结构含有许多活性酯基基团,容易吸附于金属表面形成润滑油膜,稳定性强,无毒,生物降解性好.张晨辉等人[16]指出:季戊四醇油酸酯作为润滑剂或润滑油基础油,具有优良的抗氧化稳定性、低温粘性,也可作为优良油品添加剂,改善润滑油的抗磨性.但合成季戊四醇油酸酯过程中会产生各种酯,其成分较为复杂,对产品的整体性能有一定影响.本次实验选用季戊四醇油酸酯(Pentaerythitol Oleate)、角鲨烷(squalance)作为润滑剂,进一步探究表面粗糙度对这两种润滑剂摩擦磨损性能的影响.

1 实验部分

1.1 试验材料

试验主要是在UMT-2微摩擦磨损试验机上进行,试验液体润滑剂选用32号季戊四醇油酸酯、合成角鲨烷,其相关参数如表1、2所示.下试样选用20×20×5mm的SiO2基片,对偶件选用直径4mm轴承钢GCr15,精度等级G10.为了研究粗糙度对二氧化硅表面润滑特性的影响,借助原子力显微镜测得二氧化硅基片5×5μm范围内的三维形貌图.试验中,制备了3组不同粗糙度的二氧化硅试样,选择不同的区域对扫描,多次测量取其平均值,得到3组试样的粗糙度Ra分别为0.06nm、0.36nm和0.67nm,如图1所示.

(a)Ra=0.060nm

表1 季戊四醇油酸酯相关参数

表2 角鲨烷的物理性质

1.2 试验仪器及方法

SiO2基底与润滑剂的浸润性主要通过接触角测量仪来测定判断,试验条件为一个标准大气压,室温20℃.采用悬滴法对试样的不同位置进行测定,用微米级注射器将润滑液体滴于二氧化硅表面,每次滴10μl,多次测量后取其平均值作为最后的结果.

试验采用UMT-2微摩擦磨损试验机,它的系统主要由控制系统和检测器组成,能够同时对多种信号进行采集,并且通过闭环反馈实时调节载荷与速度,保证数据采集的精确性,如图2所示.试验的对偶方式选用球-盘接触式,上试样为GCr15,固定不动,下试样为SiO2基片,来回往复运动,其示意图见图3.试验前,1)先将GCr15钢球与二氧化硅基片放入盛有乙醇、丙酮的超声清洗器中,清洗10分钟.2)待丙酮挥发后再用去离子水对其冲洗1～2次,然后烘干.3)将润滑油滴在试样的表面,均匀展开,形成一层薄膜.最后通过微摩擦磨损试验机设定SiO2-GCr15摩擦副的载荷与速度,即可得到摩擦系数与时间的变化关系.

图2 摩擦系数采集设备

图3 球-盘接触式示意图

1.3 接触角模型

材料的浸润性与其化学组成、表面微观结构有关,常用于表征固体表面重要特征,是摩擦研究中一个重要的因素.当液滴滴在固体表面时,由于固、液、气界面间表面张力作用,将形成一个接触角,使得系统表面能量达到最小,趋于稳定,其界面示意图见图4.当系统达到平衡时,根据杨氏方程,接触角与各个界面的表面张力将满足:

图4 固液气界面示意图

γsv=γlvcosθ+γsl

(1)

则浸润系数

(2)

式中,γsl、γsv、γlv分别为固-液、固-气、液-气三个界面的表面张力,θ为接触角,为固-液与液-气界面切平面间的夹角.

根据浸润系数的不同,试样与液体的浸润性可以分为以下四种情况.

(1)当k=1时,即θ=0,液体将在试样表看面铺展开来,完全浸润于固体.

(2)当0

(3)当-1

(4)当k=-1时,即θ=180°,液体将在试样表面聚成一个球形液滴,完全不能浸润于固体.

显然,接触角的大小将影响到液体在固体的表面流动状态,从而影响到润滑剂的润滑效果.

2 结果与讨论

2.1 粗糙度对试样上油滴浸润性的影响

图5为润滑剂角鲨烷、季戊四醇油酸酯与固体表面的接触情况.从图中可以看到,固液气系统平衡后,0<θ<90°,根据接触角模型可知,浸润系数0

(a)角鲨烷 (b)季戊四醇油酸酯

为了探究粗糙度与基片上角鲨烷、季戊四醇油酸酯接触角的关系,分别在3组试样上对其接触角进行测量.测量结果如表3所示.

表3 不同粗糙表面润滑剂的接触角测量结果

从表3可以看出:随着试样表面接粗糙度的增加,润滑液体与其表面的接触角越大,这说明试样表面的粗糙度越大,其表面的浸润效果越差.这是因为固体试样表面越粗糙,其微凸体的波峰与波谷的起伏大,当液滴与试样表面接触时,气泡更容易进入微凸体间的沟壑,阻碍油滴与试样表面的接触,降低油液与试样的浸润性.同时为了验证角鲨烷、季戊四醇油酸酯与二氧化硅样品间接触角的大小,在同一基底上选取了不同面积率润滑剂对其进行测量,结果如图6所示.从图中可以看出,同一基底上,角鲨烷的接触角确实大于季戊四醇油酸酯.

图6 不同面积率下的接触角

2.2 油润滑下环境友好润滑剂的摩擦磨损性能

在UMT-2微摩擦磨损试验机上,油润滑下对偶副来回往复运动过程中,其摩擦系数的变化曲线如图7所示.为了分析方便,避免不同粗糙度试样下的摩擦系数曲线在同一图中产生重叠混乱,选取不同时间段的摩擦系数的平均数来分析.

图7 UMT-2摩擦磨损试验机下摩擦系数的变化曲线

图8为角鲨烷、季戊四醇油酸酯润滑介质中不同粗糙表面下摩擦系数随时间的变化曲线图.从图8(a)中可看出:在角鲨烷润滑介质中,总体上试样表面越粗糙,钢球与基片间的摩擦越大,摩擦系数随时间先变大而后慢慢减小趋于稳定.这是因为试样表面存在着许多微凸体,粗糙度越大的表面在摩擦的过程中,克服微凸体机械啮合所需的横向剪切力就越大.此外,表面越粗糙,摩擦副间的真实接触面积将越小,同等载荷作用下钢球与基底的粘着作用增强,因此摩擦副间的摩擦系数随着表面粗糙度的增加而增加.在摩擦的起始阶段,摩擦副间的摩擦有一个磨合阶段,而后过渡到稳定摩擦阶段,因此摩擦系数表现为先增加后减少.从图8(b)中可看出:在季戊四醇油酸酯介质中,在摩擦开始的12min时段内,表面粗糙度对摩擦系数的影响规律与角鲨烷介质中相近.12min往后,试样表面越粗糙,摩擦副间的摩擦系数反而越小.造成这种现象的原因可能是:摩擦系数的变化不仅与摩擦副的性质有关,同时也跟润滑介质的性质有关,不同润滑介质可能表现出不同的润滑特性,同时试验测得样品的粗糙度为零点几纳米,可以看成近似光滑表面.在一定的范围内,粗糙度越低,摩擦副间的分子间的结合能力越大,因此可能导致摩擦系数随着试样表面粗糙度的增加而减小的情况发生.

(a)角鲨烷 (b)季戊四醇油酸酯

图9为三种不同粗糙表面试样的磨损体积柱状图.从图中可以看出,在角鲨烷介质中,表面粗糙度越大,试样表面的磨损体积越大,而在季戊四醇油酸酯介质中,试样表面的磨损体积随着试样粗糙度的增加而略有下降.这与图8中两种润滑介质下试样表面摩擦摩擦系数表现出的规律有关.在角鲨烷介质中,粗糙表面呈现出更大的摩擦作用,在剪切作用下,破坏基体结合的能力越强,形成更严重的粘着磨损.而在季戊四醇油酸酯介质中,在摩擦12min后的时间段内,试样表面越粗糙摩擦系数反而越低,因此在磨损过程中,试样表面的磨损体积略有下降.对比两种润滑剂可发现:两种润滑剂在油润滑中都能起到较好的润滑特性,在摩擦过程中,基片与钢球的摩擦系数均不超过0.12且磨损量较小,季戊四醇油酸酯在抗磨擦磨损方面性能更为突出.

图9 不同粗糙表面试样磨损体积柱状图

3 结 论

本文主要考察试样表面粗糙度对角鲨烷、季戊四醇油酸酯浸润性以及摩擦磨损特性的影响,通过接触角测量仪及微摩擦磨损试验机对其进行了测量.为了更好地区分试样表面粗糙度对润滑剂摩擦磨损性能的影响,选择粗糙度分别为0.06nm,0.36nm与0.67nm的二氧化硅试样.实验结果如下:

(1)固体试样表面越粗糙,其微凸体的波峰与波谷的起伏大,当液滴与试样表面接触时,气泡更容易进入微凸体间的沟壑,阻碍油滴与试样表面的接触,其浸润性越差.同等条件下,季戊四醇油酸酯与试样的浸润效果好于角鲨烷.

(2)摩擦系数的变化不仅与摩擦副的性质有关,同时也跟润滑介质的性质有关,不同润滑介质可能表现出不同的润滑特性.在角鲨烷润滑介质中,总体上试样表面越粗糙,钢球与基片间的摩擦越大,摩擦系数随时间先变大而后慢慢减小趋于稳定;在季戊四醇油酸酯介质中,在摩擦开始的12min时段内,表面粗糙度对摩擦系数的影响规律与角鲨烷介质中相近.12min往后,试样表面越粗糙,摩擦副间的摩擦系数反而越小.

(3)就磨损特性而言,角鲨烷与季戊四醇油酸酯呈现出相反的规律.在角鲨烷介质中,试样粗糙度越大,其表面的磨损体积越大,而在季戊四醇油酸酯介质中,试样表面的磨损体积随着试样粗糙度的增加而略有下降.两种润滑剂在油润滑中都能起到较好的润滑特性,季戊四醇油酸酯在抗磨擦磨损方面性能更为突出.