表面粗糙度對環境友好潤滑劑潤滑性能的影響

蔡發達,彭文竹

(集美大學 誠毅學院，福建 廈門 361021)

0 引 言

材料的摩擦學性能復雜而多變,尤其是當存在潤滑介質時,摩擦副表面的粗糙度對其影響更為復雜[1-3].材料表面的粗糙度影響著摩擦副間的實際接觸面積,而通過理論上的分析往往難以精確計算,因此通過對實驗結果的分析,在某種程度上能夠對其結果做出較為可靠的預估.為此,學者們進行了大量試驗來進一步探究表面粗糙度對潤滑條件下摩擦副摩擦磨損的影響.沈錦龍等人[4]研究了表面形貌對點接觸彈流潤滑的影響,結果表明:輕載荷下,表面粗糙度削弱了油膜的厚度,提高了油膜的接觸壓力.劉麟等人[5]分析了潤滑條件下CuZn36的摩擦磨損性能,結果表明:隨著試驗的進行,磨痕表面逐漸形成強化層,表面粗糙度、磨損率趨于穩定.陳匯龍等人[6]通過正交試驗分析了粗糙度對液膜潤滑動壓型機械密封性的影響,結果表明:隨著斷面粗糙度的增加,液膜開啟力和扭矩也隨之增加,泄漏量隨粗糙度增加而減小.

通常情況下,降低材料表面的粗糙度能夠提高對偶副的摩擦磨損性能,但在超光潔表面情況下,粗糙度小反而會降低其摩擦性能.目前,針對潤滑條件下材料表面粗糙度與其摩擦學行為的研究已經獲得一定進展,但是仍沒有一個統一的定論[7-10].田世新等人[11]考察了油潤滑下粗糙度對鋼銅摩擦副摩擦磨損特性的影響,發現:表面粗糙度越大,摩擦副間的摩擦系數越高,磨損也越大.王秋鳳等人[12]研究了不同粗糙表面的超高分子聚乙烯(UHMWPE)摩擦磨損的特性,指出:摩擦系數隨著UHMWPE表面粗糙度的增加先降后升,UHMWPE表面越粗糙,磨損率越大.黃建龍等人[13]探究了GCr15/35CrMo摩擦副的摩擦磨損特性,認為:35CrMo試塊存在一個最佳粗糙度范圍使得摩擦副間的摩擦磨損最小,過高與過低的粗糙表面,其磨損量都較大.

在日常生產應用中,礦物基潤滑劑由于生物降解性差,加上泄露、滲透、處理不當等因素,大約有三分之一在使用和排放過程中會對自然環境造成危害.而環境友好潤滑劑不僅能夠滿足使用對象的工況要求,減少摩擦損耗,提高零件使用壽命,同時也能滿足環境的可持續發展需求.為此,尋找合適的環境友好潤滑劑代替傳統的礦物基潤滑劑顯得尤為重要.角鯊烷作為一種無色液體,不僅可以作為氣相色譜固定液,而且還是有機合成的重要原料,具有良好的潤滑性、穩定性、凝固點低,常作為精密機械潤滑油,在化工領域有著廣泛的用途.賈秀璨等人[14]指出:二甲醚與角鯊烷接觸形成的混合物具有無腐蝕性,且可在273.15K以下工況工作,穩定性強等優點,可作為吸收式制冷系統中一種潛力工質.潘伶等人[15]通過分子動力學模擬出剪切速度對納米間隙角鯊烷界面滑移的影響,結果表明:納米間隙中角鯊烷潤滑劑存在分層現象,隨著油膜厚度的減小,潤滑劑的層狀分布越明顯.季戊四醇油酸酯作為一種綠色潤滑劑,其分子結構含有許多活性酯基基團,容易吸附于金屬表面形成潤滑油膜,穩定性強,無毒,生物降解性好.張晨輝等人[16]指出:季戊四醇油酸酯作為潤滑劑或潤滑油基礎油,具有優良的抗氧化穩定性、低溫粘性,也可作為優良油品添加劑,改善潤滑油的抗磨性.但合成季戊四醇油酸酯過程中會產生各種酯,其成分較為復雜,對產品的整體性能有一定影響.本次實驗選用季戊四醇油酸酯(Pentaerythitol Oleate)、角鯊烷(squalance)作為潤滑劑,進一步探究表面粗糙度對這兩種潤滑劑摩擦磨損性能的影響.

1 實驗部分

1.1 試驗材料

試驗主要是在UMT-2微摩擦磨損試驗機上進行,試驗液體潤滑劑選用32號季戊四醇油酸酯、合成角鯊烷,其相關參數如表1、2所示.下試樣選用20×20×5mm的SiO2基片,對偶件選用直徑4mm軸承鋼GCr15,精度等級G10.為了研究粗糙度對二氧化硅表面潤滑特性的影響,借助原子力顯微鏡測得二氧化硅基片5×5μm范圍內的三維形貌圖.試驗中,制備了3組不同粗糙度的二氧化硅試樣,選擇不同的區域對掃描,多次測量取其平均值,得到3組試樣的粗糙度Ra分別為0.06nm、0.36nm和0.67nm,如圖1所示.

(a)Ra=0.060nm

表1 季戊四醇油酸酯相關參數

表2 角鯊烷的物理性質

1.2 試驗儀器及方法

SiO2基底與潤滑劑的浸潤性主要通過接觸角測量儀來測定判斷,試驗條件為一個標準大氣壓,室溫20℃.采用懸滴法對試樣的不同位置進行測定,用微米級注射器將潤滑液體滴于二氧化硅表面,每次滴10μl,多次測量后取其平均值作為最后的結果.

試驗采用UMT-2微摩擦磨損試驗機,它的系統主要由控制系統和檢測器組成,能夠同時對多種信號進行采集,并且通過閉環反饋實時調節載荷與速度,保證數據采集的精確性,如圖2所示.試驗的對偶方式選用球-盤接觸式,上試樣為GCr15,固定不動,下試樣為SiO2基片,來回往復運動,其示意圖見圖3.試驗前,1)先將GCr15鋼球與二氧化硅基片放入盛有乙醇、丙酮的超聲清洗器中,清洗10分鐘.2)待丙酮揮發后再用去離子水對其沖洗1～2次,然后烘干.3)將潤滑油滴在試樣的表面,均勻展開,形成一層薄膜.最后通過微摩擦磨損試驗機設定SiO2-GCr15摩擦副的載荷與速度,即可得到摩擦系數與時間的變化關系.

圖2 摩擦系數采集設備

圖3 球-盤接觸式示意圖

1.3 接觸角模型

材料的浸潤性與其化學組成、表面微觀結構有關,常用于表征固體表面重要特征,是摩擦研究中一個重要的因素.當液滴滴在固體表面時,由于固、液、氣界面間表面張力作用,將形成一個接觸角,使得系統表面能量達到最小,趨于穩定,其界面示意圖見圖4.當系統達到平衡時,根據楊氏方程,接觸角與各個界面的表面張力將滿足:

圖4 固液氣界面示意圖

γsv=γlvcosθ+γsl

(1)

則浸潤系數

(2)

式中,γsl、γsv、γlv分別為固-液、固-氣、液-氣三個界面的表面張力,θ為接觸角,為固-液與液-氣界面切平面間的夾角.

根據浸潤系數的不同,試樣與液體的浸潤性可以分為以下四種情況.

(1)當k=1時,即θ=0,液體將在試樣表看面鋪展開來,完全浸潤于固體.

(2)當0

(3)當-1

(4)當k=-1時,即θ=180°,液體將在試樣表面聚成一個球形液滴,完全不能浸潤于固體.

顯然,接觸角的大小將影響到液體在固體的表面流動狀態,從而影響到潤滑劑的潤滑效果.

2 結果與討論

2.1 粗糙度對試樣上油滴浸潤性的影響

圖5為潤滑劑角鯊烷、季戊四醇油酸酯與固體表面的接觸情況.從圖中可以看到,固液氣系統平衡后,0<θ<90°,根據接觸角模型可知,浸潤系數0

(a)角鯊烷 (b)季戊四醇油酸酯

為了探究粗糙度與基片上角鯊烷、季戊四醇油酸酯接觸角的關系,分別在3組試樣上對其接觸角進行測量.測量結果如表3所示.

表3 不同粗糙表面潤滑劑的接觸角測量結果

從表3可以看出:隨著試樣表面接粗糙度的增加,潤滑液體與其表面的接觸角越大,這說明試樣表面的粗糙度越大,其表面的浸潤效果越差.這是因為固體試樣表面越粗糙,其微凸體的波峰與波谷的起伏大,當液滴與試樣表面接觸時,氣泡更容易進入微凸體間的溝壑,阻礙油滴與試樣表面的接觸,降低油液與試樣的浸潤性.同時為了驗證角鯊烷、季戊四醇油酸酯與二氧化硅樣品間接觸角的大小,在同一基底上選取了不同面積率潤滑劑對其進行測量,結果如圖6所示.從圖中可以看出,同一基底上,角鯊烷的接觸角確實大于季戊四醇油酸酯.

圖6 不同面積率下的接觸角

2.2 油潤滑下環境友好潤滑劑的摩擦磨損性能

在UMT-2微摩擦磨損試驗機上,油潤滑下對偶副來回往復運動過程中,其摩擦系數的變化曲線如圖7所示.為了分析方便,避免不同粗糙度試樣下的摩擦系數曲線在同一圖中產生重疊混亂,選取不同時間段的摩擦系數的平均數來分析.

圖7 UMT-2摩擦磨損試驗機下摩擦系數的變化曲線

圖8為角鯊烷、季戊四醇油酸酯潤滑介質中不同粗糙表面下摩擦系數隨時間的變化曲線圖.從圖8(a)中可看出:在角鯊烷潤滑介質中,總體上試樣表面越粗糙,鋼球與基片間的摩擦越大,摩擦系數隨時間先變大而后慢慢減小趨于穩定.這是因為試樣表面存在著許多微凸體,粗糙度越大的表面在摩擦的過程中,克服微凸體機械嚙合所需的橫向剪切力就越大.此外,表面越粗糙,摩擦副間的真實接觸面積將越小,同等載荷作用下鋼球與基底的粘著作用增強,因此摩擦副間的摩擦系數隨著表面粗糙度的增加而增加.在摩擦的起始階段,摩擦副間的摩擦有一個磨合階段,而后過渡到穩定摩擦階段,因此摩擦系數表現為先增加后減少.從圖8(b)中可看出:在季戊四醇油酸酯介質中,在摩擦開始的12min時段內,表面粗糙度對摩擦系數的影響規律與角鯊烷介質中相近.12min往后,試樣表面越粗糙,摩擦副間的摩擦系數反而越小.造成這種現象的原因可能是:摩擦系數的變化不僅與摩擦副的性質有關,同時也跟潤滑介質的性質有關,不同潤滑介質可能表現出不同的潤滑特性,同時試驗測得樣品的粗糙度為零點幾納米,可以看成近似光滑表面.在一定的范圍內,粗糙度越低,摩擦副間的分子間的結合能力越大,因此可能導致摩擦系數隨著試樣表面粗糙度的增加而減小的情況發生.

(a)角鯊烷 (b)季戊四醇油酸酯

圖9為三種不同粗糙表面試樣的磨損體積柱狀圖.從圖中可以看出,在角鯊烷介質中,表面粗糙度越大,試樣表面的磨損體積越大,而在季戊四醇油酸酯介質中,試樣表面的磨損體積隨著試樣粗糙度的增加而略有下降.這與圖8中兩種潤滑介質下試樣表面摩擦摩擦系數表現出的規律有關.在角鯊烷介質中,粗糙表面呈現出更大的摩擦作用,在剪切作用下,破壞基體結合的能力越強,形成更嚴重的粘著磨損.而在季戊四醇油酸酯介質中,在摩擦12min后的時間段內,試樣表面越粗糙摩擦系數反而越低,因此在磨損過程中,試樣表面的磨損體積略有下降.對比兩種潤滑劑可發現:兩種潤滑劑在油潤滑中都能起到較好的潤滑特性,在摩擦過程中,基片與鋼球的摩擦系數均不超過0.12且磨損量較小,季戊四醇油酸酯在抗磨擦磨損方面性能更為突出.

圖9 不同粗糙表面試樣磨損體積柱狀圖

3 結 論

本文主要考察試樣表面粗糙度對角鯊烷、季戊四醇油酸酯浸潤性以及摩擦磨損特性的影響,通過接觸角測量儀及微摩擦磨損試驗機對其進行了測量.為了更好地區分試樣表面粗糙度對潤滑劑摩擦磨損性能的影響,選擇粗糙度分別為0.06nm,0.36nm與0.67nm的二氧化硅試樣.實驗結果如下:

(1)固體試樣表面越粗糙,其微凸體的波峰與波谷的起伏大,當液滴與試樣表面接觸時,氣泡更容易進入微凸體間的溝壑,阻礙油滴與試樣表面的接觸,其浸潤性越差.同等條件下,季戊四醇油酸酯與試樣的浸潤效果好于角鯊烷.

(2)摩擦系數的變化不僅與摩擦副的性質有關,同時也跟潤滑介質的性質有關,不同潤滑介質可能表現出不同的潤滑特性.在角鯊烷潤滑介質中,總體上試樣表面越粗糙,鋼球與基片間的摩擦越大,摩擦系數隨時間先變大而后慢慢減小趨于穩定;在季戊四醇油酸酯介質中,在摩擦開始的12min時段內,表面粗糙度對摩擦系數的影響規律與角鯊烷介質中相近.12min往后,試樣表面越粗糙,摩擦副間的摩擦系數反而越小.

(3)就磨損特性而言,角鯊烷與季戊四醇油酸酯呈現出相反的規律.在角鯊烷介質中,試樣粗糙度越大,其表面的磨損體積越大,而在季戊四醇油酸酯介質中,試樣表面的磨損體積隨著試樣粗糙度的增加而略有下降.兩種潤滑劑在油潤滑中都能起到較好的潤滑特性,季戊四醇油酸酯在抗磨擦磨損方面性能更為突出.