方建华，江泽琦，郑 哲，丁建华，姜自超

(后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系，重庆 401311)

随着机械设备电气化程度的不断提高和电磁技术的广泛应用，许多机械部件的关键运动部位都处在电磁场影响下的环境中工作，毋庸置疑，电磁环境对摩擦副的摩擦磨损性能会产生不同程度的影响。磁化切削、电动机电刷或励磁电机中的碳刷、高速铁路的接触导线与滑板、大功率电力输送中的开关接触器等都涉及到电磁环境影响下的摩擦磨损问题。同时，摩擦副在发生相对运动时，表面微凸峰互相接触会产生不断变化的感应电动势，从而激发摩擦表面产生电磁场。因此，从电磁学角度认识和研究摩擦磨损和润滑机理，在实现外场对摩擦的主动调控、革新润滑材料成分、创新添加剂分子结构设计等方面都将是一种有益的探索，同时对完善和发展摩擦学理论和实践具有重要的意义[1-6]。

目前关于磁场干涉下材料摩擦学特性的研究方面，国内外研究较多，主要集中在磁场对干摩擦磨损特性的影响机制和规律方面，研究结果都表明，磁场对摩擦副和润滑添加剂摩擦学性能都有不同程度的影响，但由于试验的参数和工况复杂多样，研究结论也不一致。大量的研究发现，纳米润滑添加剂具有轴承效应，是优良的减摩抗磨添加剂，但在摩擦电磁效应对纳米润滑添加剂摩擦学性能的影响方面，尚未见报道。

董凌[7]的研究表明，表面油酸修饰的SiO2/SnO2复合纳米添加剂在基础油中不但具有优良的分散性能，在一定负荷、转速条件下也具有较好的抗磨自修复性能，研究电磁环境下复合纳米添加剂的自修复性能，对于延长摩擦副的使用寿命具有重要的应用价值。笔者通过在四球摩擦磨损试验机的四球接触区域外加磁场来模拟和放大摩擦过程中自生电势产生的电磁效应，考察电磁场环境中含SiO2/SnO2复合纳米添加剂润滑油润滑下摩擦副的摩擦磨损和自修复特性，并通过扫描电镜和X射线光电子能谱技术分析其摩擦学性能及抗磨自修复机理。

1 实验部分

1.1 试剂、基础油及添加剂

采用无极性石蜡基HVI150作为基础油(中国石油重庆分公司提供)，添加剂为按照文献[7]采用双注控制沉积法制备的SiO2/SnO2复合纳米材料，超声分散，平均粒径在100 nm以下。石油醚，化学纯，重庆北碚化学试剂厂产品。

1.2 摩擦磨损试验

采用厦门试验机厂制造的四球长时抗磨损试验机和济南舜茂试验仪器有限公司生产的MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机，依据GB3142-82试验方法，四球机转速为1450 r/min，试验时温度约28℃，长磨时间为30 min，试验载荷为392 N，所用钢球为重庆钢球厂生产的Φ12.7 mm二级GCr15标准钢球，硬度HRC58-62钢球。将SiO2/SnO2复合纳米添加剂按2%、3%、4%、5%、6%的质量分数加入基础油中，考察润滑油磨斑直径和摩擦系数随时间的变化趋势。将基础油在载荷为392 N、有无电磁场环境下分别长磨30 min后，加入含4%SiO2/SnO2复合纳米添加剂的润滑油，在有无电磁场环境下继续长磨30 min，并与相同条件下基础油长磨时钢球表面情况进行对比，测定钢球表面的粗糙度，分析磨斑表面的修复情况。用HT201型手持式数字特斯拉计测得摩擦接触区域的磁感应强度为0.01 T。

将自制通电线圈放置于四球接触区外部，用于外加电磁场，使磁感线的方向垂直于摩擦接触面，其工作原理如图1所示。试验时保持磁感应线圈的通电电流强度为1 A，使钢球接触点的实测磁场强度保持0.1 T。其他所有试验参数与无场环境时相同，考虑到通电时线圈的发热量较大，长磨试验时间均设定为30 min。试验结束后，测定底球的磨斑直径，取其算术平均值作为钢球的长磨磨斑直径(WSD)。

图1 外加通电线圈后四球试验机的示意图Fig.1 Illustration of four-ball machine after electrifyed loop installed

1.3 表面分析

有无电磁场环境下，在HVI150SN基础油和含4%SiO2/SnO2复合纳米添加剂的润滑油润滑作用下进行摩擦磨损试验，将试验后的下试球用石油醚清洗干净，采用Quant200型扫描电子显微镜(美国FEI公司产品)观察钢球磨斑表面形貌，采用ESCALAB250型X-射线光电子能谱仪(XPS)(美国赛默飞公司产品)分析磨斑表面典型元素的化学状态，并在Zygo粗糙度测量仪上(瑞士丹青公司产品)测定修复前后钢球表面的粗糙度。

2 结果与讨论

2.1 含SiO2/SnO2复合纳米添加剂润滑油的摩擦磨损特性

图2为有无电磁场工况条件下，在载荷为392 N、长磨时间为30 min时，钢球表面磨斑直径(WSD)和摩擦系数(f)随SiO2/SnO2复合纳米添加剂在润滑油中质量分数的变化关系曲线。由图2可以看出，在有磁场的环境下，基础油和含SiO2/SnO2复合纳米添加剂润滑油润滑时的磨斑直径均比无磁场环境时小，两种工况下的磨斑直径随纳米添加剂质量分数的增加而表现为先减小后增大的趋势，且均在添加质量分数为3%时磨斑直径达到最小。与无磁场环境相比，在磁场环境下，添加剂质量分数为4%时的磨斑直径减小最大，减小了17.6%；两种不同工况下，随添加剂质量分数的增加，摩擦系数先增大后减小，除添加剂质量分数为5%外，其他均表现为在有电磁场条件下的摩擦系数比无电磁场条件下大。实验结果表明，磁场能提高钢球的抗擦伤性能，但会减弱减摩效果。

图2 有无电磁场条件下钢球表面磨斑直径(WSD)和摩擦系数(f)随添加剂质量分数(w)的变化Fig.2 Wear scar diameter (WSD) and friction coefficient (f) vs additive’s mass fraction (w) in magnetic or non-magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) WSD; (b) f

图3为HVI 150基础油和含4%SiO2/SnO2复合纳米添加剂润滑油在有无电磁场条件下，摩擦载荷为392 N时的摩擦系数随试验时间的变化情况。从图3可以看出，在磁场环境下的摩擦系数波动幅度大于无磁场环境，这可能是因为变化电磁场的动态磁化作用引起了磁畴的移动、位错和能量的变化，从而影响摩擦副的摩擦学特性。从图3还可看出，在基础油润滑下，随着试验时间的延长，摩擦系数降低；而在含4%SiO2/SnO2复合纳米添加剂的润滑油润滑下，摩擦系数在前500 s的趋势是逐渐增大，这可能是因为在摩擦初始阶段，由于化学反应膜没有完全形成，摩擦磨损相对剧烈；随着试验时间的延长，摩擦系数波动趋于稳定，这是因为在摩擦热的作用下，复合纳米添加剂在摩擦表面熔融铺展，且摩擦副微凸体接触区相对运动产生的摩擦感应电势以及外置线圈施加产生的磁效应促进了该区域表面氧化膜的形成，使摩擦副表面生成了均匀和完整的摩擦化学反应膜和沉积物膜，从而有效减小了摩擦磨损。

图3 有无电磁场环境下两种润滑油的摩擦系数(f)随试验时间(t)的变化情况Fig.3 Variation of friction coefficient (f) with test time (t) of two lubricants in magnetic and non-magnetic fieldsLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) HVI150 base oil; (b) Lubricanting oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

2.2 电磁效应对含SiO2/SnO2复合纳米粒子润滑油的摩擦自修复特性

在载荷392 N下，分别在有无磁场情况下测定钢球表面的粗糙度，结果如图4和图5所示。

图4 无电磁场条件下两种润滑油润滑下的钢球表面粗糙度(Ra)Fig.4 The steel ball surface roughness (Ra) of two lubricant in non-magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) Base oil; (b) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

图5 有电磁场条件下两种润滑油润滑下的钢球表面粗糙度(Ra)Fig.5 The steel ball surface roughness (Ra) of two lubricant in magnetic fieldLoad of 392 N; Grinding time of 30 min(a) Base oil; (b) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles

从图4和图5可以看出，无论在有电磁场和无电磁场环境下，加有SiO2/SnO2复合纳米添加剂的润滑油均表现出优异的自修复性能，且在相同载荷下，有磁场环境下的抗磨自修复性能优于无磁场环境。

2.3 电磁环境下含SiO2/SnO2复合纳米粒子润滑油的润滑机理分析

图6分别为有无磁场作用时、在基础油和含4%SiO2/SnO2复合纳米添加剂的润滑油润滑下，钢球摩擦磨损试验后磨斑表面形貌放大200倍和500倍后的SEM照片。由图6可以发现，在基础油润滑和无磁场环境下，钢球表面磨斑直径稍大，但表面擦伤较为轻微；而在有磁场条件下，其磨斑直径稍小但磨痕表面黏着的金属磨屑较多，犁沟变深，磨损变大。在含4%SiO2/SnO2复合纳米添加剂的润滑油润滑下，有磁场时的磨斑表面直径比无磁场时更小且磨痕犁沟较浅，擦伤明显轻微。这可能是由于电磁场有利于金属表面氧化铁膜生成和SiO2/SnO2复合纳米添加剂在摩擦副表面的沉积，沉积物在摩擦载荷和摩擦热作用下快速熔融铺展，形成了具有良好抗磨减摩和修复性能的沉积物膜，有效控制了摩擦过程中的磨损。

图6 有无磁场环境下4种润滑油润滑下摩擦副表面形貌的SEM照片Fig.6 SEM images of worn surface in different lubricating oils in magnetic and non-magnetic fields(a)，(a′) Base oil in non-magnetic field (×200)/(×500); (b)，(b′) Base oil in magnetic field (×200)/(×500);(c)，(c′) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in non-magnetic field (×200)/(×500);(d)，(d′) Lubricating oil containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in magnetic field (×200)/(×500)

图7是在含4%SiO2/SnO2复合纳米润滑添加剂润滑油润滑作用下试球磨斑表面的XPS分析结果。从图7可见，试球磨斑表面中的Sn3d5标准电子结合能为486.65 eV(图7(a))，该峰对应于SnO2中的Sn。这表明在摩擦副表面形成了含有SnO2的沉积膜，沉积膜有效改善了润滑油的摩擦磨损和自修复性能。钢球磨斑表面未检测到Si(图7(b))，可能是由于Si信号偏弱的原因。在钢球磨斑表面也未检测到Fe(图7(c))，表明摩擦副表面被修复剂致密覆盖，形成了良好的修复层。钢球表面元素O主要有3种不同的化学状态，电子结合能在532.6 eV 和530.5 eV处O1s(图7(d))的吸收峰分别归属于添加剂SiO2和SnO2中的氧;而电子结合能530.2 eV 处的O1s吸收峰归属于Fe2O3中的氧，表明复合纳米添加剂分子中的氧和空气中的氧在摩擦过程中发生了摩擦化学反应。试球磨痕表面C1s(图7(e))电子结合能位于284.5、286.3及288.7 eV处，分别归属于污染物中的碳、有机酯化合物中的碳和基础油中的碳，表明基础油和空气中各种污染物在摩擦副表面发生了吸附，并形成了复杂的吸附膜或摩擦化学反应膜[8]。

图7 磁场环境下含4%SiO2/SnO2添加剂润滑油润滑下钢球磨斑表面的XPS图谱Fig.7 XPS spectras of worn surfaces after wear test of lubricants containing 4%SiO2/SnO2 composite nanoparticles in magnetic field(a) Sn3d5; (b) Si2p; (c) Fe2p; (d) O1s; (f) C1s

3 结 论

(1)在电磁场作用环境下，基础油和含SiO2/SnO2复合纳米添加剂的润滑油润滑下磨斑表面磨痕直径均比无磁场作用时小，而摩擦系数比无磁场作用时大(添加质量分数5%除外)。随着SiO2/SnO2复合纳米添加剂质量分数的增大，有无电磁场环境工况下，磨斑直径均表现为先减小后增大，而摩擦系数均表现为先增大后减小。

(2)电磁场能改善基础油和含SiO2/SnO2复合纳米添加剂润滑油的抗磨损性能，但弱化了减摩能力。

(3)在电磁场环境下，SiO2/SnO2复合纳米添加剂的作用机理是由于电磁场环境下有利于SiO2/SnO2复合纳米添加剂在摩擦副表面沉积，沉积物在摩擦载荷和摩擦热作用下快速熔融铺展,形成具有良好抗磨减摩和修复性能的沉积物膜。

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[2] 董祥林, 陈金荣, 简小刚. 磁场对金属摩擦磨损影响的研究及展望[J].材料科学与工程, 2000, 18(1): 116-120.(DONG Xianglin，CHEN Jinrong, JIAN Xiaogang. Research situation and prospects for effect of a magnetic field on friction and wear of metals[J].Materials Science and Engineering, 2000, 18(1): 116-120.)

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