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        磷系潤(rùn)滑添加劑對(duì)7050鋁合金摩擦學(xué)性能的影響

        2013-12-14 07:44:06黃偉九余永梅張小彬唐麗文
        關(guān)鍵詞:亞磷酸摩擦學(xué)丁酯

        黃偉九 ,余永梅,張小彬,唐麗文

        (1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400054;2.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400054)

        超高強(qiáng)鋁合金是20世紀(jì)60年代以航空航天用材為背景研制并發(fā)展起來(lái)的一類高性能鋁合金材料[1-3]。目前世界各國(guó)民用飛機(jī)上鋁合金已占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的70%~80%, 其中大部分為超高強(qiáng)鋁合金。同時(shí),現(xiàn)代核工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展也急需高性能、輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)材料, 因此高強(qiáng)高韌高抗蝕的超高強(qiáng)鋁合金無(wú)疑是理想的備選材料[4]。7050鋁合金是代表性的超高強(qiáng)鋁合金,具有高的比強(qiáng)度和硬度、良好的熱加工性、優(yōu)良的焊接性能、良好的耐腐蝕性能和較高韌性等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。

        然而鋁合金由于化學(xué)活性高、黏性強(qiáng)、耐磨和抗擦傷性能差,難于潤(rùn)滑;特別是在常用的鋼-鋁摩擦副中,鋁和鋼之間存在較大的固溶度,易發(fā)生鋁向鋼的轉(zhuǎn)移,從而造成鋁件的嚴(yán)重磨損;在鋁合金的加工過(guò)程中,這種轉(zhuǎn)移會(huì)嚴(yán)重地影響工件的表面質(zhì)量,縮短模具的使用壽命。因此,鋁合金的潤(rùn)滑一直是困擾摩擦學(xué)家的難題之一[9-10]。近年來(lái),人們對(duì)鋁加工潤(rùn)滑進(jìn)行了大量研究[11-16],取得了一些規(guī)律性認(rèn)識(shí),但也出現(xiàn)了對(duì)相同潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)作用結(jié)論相反的情況。如LIU等[12]發(fā)現(xiàn)氮氧型添加劑對(duì)鋁合金具有較好的潤(rùn)滑性,并發(fā)現(xiàn)可聚合型添加劑不僅可以降低鋁的摩擦磨損,還能提高鋁的表面質(zhì)量;HU和LIU[13]研究發(fā)現(xiàn)含氯添加劑對(duì)鋼-鋁摩擦副有較好的抗磨性能,含S和P等常用極壓抗磨添加劑對(duì)鋁合金的抗磨減摩作用不佳,而S和P混合型添加劑對(duì)鋼-鋁摩擦副具有較好的抗磨減摩效果;萬(wàn)勇和薛群基[14]研究發(fā)現(xiàn)含磷極壓添加劑加劇了2024鋁合金的磨損,且化學(xué)腐蝕磨損是主要磨損形式;而劉維民等[15]則發(fā)現(xiàn)磷酸酯和磷氮型極壓抗磨添加劑能在2024鋁合金表面形成含磷酸鋁的表面膜,可有效提高鋁合金的減摩抗磨性能。目前,對(duì)超高強(qiáng)鋁合金潤(rùn)滑特性的研究還不多,李廣宇等[16]研究了添加劑對(duì)7A04和7075鋁合金潤(rùn)滑性能的影響,發(fā)現(xiàn)添加劑的種類對(duì)鋁合金潤(rùn)滑性的影響差異較大,黏結(jié)磨損是主要磨損形式。本文作者對(duì)7050鋁合金在磷系潤(rùn)滑添加劑作用下的摩擦學(xué)行為進(jìn)行研究,并探討其摩擦學(xué)作用機(jī)制,以期為高強(qiáng)鋁合金的加工潤(rùn)滑提供借鑒。

        1 實(shí)驗(yàn)

        使用 MRH-3環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試磷系潤(rùn)滑添加劑作用下鋼-鋁摩擦副的摩擦學(xué)性能,其中試環(huán)為CrWMn淬火鋼環(huán),其尺寸為d49 mm×12.7 mm,表面粗糙度(Ra)為0.27 μm,硬度為59~62HRC,試塊為熱軋態(tài)7050鋁合金,其化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:Zn 6.06%,Mg 2.20%,Cu 2.12%,Zr 0.11%,Cr 0.04%,F(xiàn)e 0.08%,Si 0.04%,Al余量。試塊尺寸為19 mm×12.35 mm×12.35 mm,硬度為82.2HRB,表面粗糙度(Ra)為0.30 μm。試驗(yàn)前將鋼環(huán)和鋁合金塊均用石油醚超聲清洗 10 min,摩擦副接觸形式為環(huán)-塊線接觸。試驗(yàn)條件如下:載荷為100~500 N,轉(zhuǎn)速為600 r/min(相當(dāng)于滑動(dòng)速度1.54 m/s),室溫,試驗(yàn)時(shí)間為10 min。每次試驗(yàn)前在試樣的接觸部位滴油1~2滴,而后在試驗(yàn)中以3~4滴/min的速率滴加含磷系添加劑的石蠟油至摩擦接觸部位,保持其處于薄膜潤(rùn)滑狀態(tài);摩擦因數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄,鋁合金的磨損體積經(jīng)表面輪廓儀測(cè)量后計(jì)算而得,試驗(yàn)結(jié)果均為3次測(cè)試的平均值。

        試驗(yàn)所用的含磷潤(rùn)滑添加劑為磷酸三甲酚酯(TCP)、二正丁基磷酰胺(DBPA)、亞磷酸二丁酯(DBPi)和二辛基二硫代磷酸鋅(ZDDP),其中前兩種為化學(xué)純?cè)噭?,后兩種為商業(yè)品,使用前未作提純處理;基礎(chǔ)油為化學(xué)純的液體石蠟,添加劑在基礎(chǔ)油中的含量(體積分?jǐn)?shù))為0.5%~5%。用JSM-6460LV掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌;用PHI-5702型多功能X射線光電子能譜(XPS)對(duì)鋁合金磨損表面元素的化合態(tài)進(jìn)行分析,采用Mg Kα線,通過(guò)能量29.4 eV,用C1s的電子結(jié)合能284.6 eV作內(nèi)標(biāo)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 試驗(yàn)條件對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響

        圖1所示為在載荷為200 N時(shí)含2%磷系潤(rùn)滑添加劑的石蠟油對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響。研究表明:與基礎(chǔ)油相比,4種潤(rùn)滑添加劑均能降低鋼-鋁摩擦副間的摩擦因數(shù),其中以亞磷酸二丁酯潤(rùn)滑時(shí)的摩擦因數(shù)最低;這說(shuō)明4種磷系潤(rùn)滑添加劑在摩擦表面生成了剪切強(qiáng)度較低的潤(rùn)滑膜,有效地降低了鋼-鋁摩擦副間的摩擦因數(shù)。與對(duì)摩擦因數(shù)的影響不同,4種磷系潤(rùn)滑添加劑對(duì)鋁合金磨損的影響差異較大;磷酸三甲酚酯和二正丁基磷酰胺均能提高鋁合金的抗磨損性能,且二正丁基磷酰胺效果更好;而亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅作為潤(rùn)滑添加劑則加劇了鋁合金的磨損,其中亞磷酸二丁酯導(dǎo)致的鋁合金磨損量最大。這說(shuō)明磷系潤(rùn)滑添加劑與鋁合金因摩擦化學(xué)反應(yīng)生成的化學(xué)反應(yīng)膜在致密性、強(qiáng)度及膜基結(jié)合強(qiáng)度上有較大差異,化學(xué)反應(yīng)膜的致密性、強(qiáng)度及膜基結(jié)合強(qiáng)度高則抗磨性能好,反之化學(xué)反應(yīng)膜的抗磨性能差。試驗(yàn)中亞磷酸二丁酯潤(rùn)滑的鋁合金出現(xiàn)了摩擦因數(shù)小,磨損量大的現(xiàn)象。這可能是潤(rùn)滑添加劑在鋁合金表面形成的潤(rùn)滑膜在減摩性能(剪切強(qiáng)度)和抗磨性能(致密性、強(qiáng)度和膜基結(jié)合強(qiáng)度)的變化上不同步造成的。

        圖1 不同添加劑潤(rùn)滑下鋁合金的摩擦學(xué)性能Fig.1 Tribological performances of aluminium alloy lubricated by various additives: (a) Friction coefficient; (b)Wear volume

        圖2所示為添加劑含量對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響。研究表明:在測(cè)試含量范圍內(nèi),二正丁基磷酰胺含量變化對(duì)鋁合金的摩擦及磨損性能影響較小,這說(shuō)明二正丁基磷酰胺與鋁合金形成穩(wěn)定表面膜的臨界含量較低,且形成的表面膜性能差異較小,因而鋁合金的摩擦學(xué)性能很快就進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。而對(duì)亞磷酸二丁酯而言,出現(xiàn)了摩擦因數(shù)隨添加劑含量增加先降低而后進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài),鋁合金磨損量隨添加劑含量增加先上升而后進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)的現(xiàn)象,但摩擦因數(shù)和磨損量發(fā)生變化的臨界含量并不完全吻合。亞磷酸二丁酯含量增加可能使添加劑與鋁合金表面的摩擦化學(xué)反應(yīng)加劇,且化學(xué)反應(yīng)膜的性能隨添加劑含量的變化呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),且生成的化學(xué)反應(yīng)膜在減摩和抗磨性能上并不同步。

        圖2 添加劑含量對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of additive content on tribological performance of aluminium alloy: (a) Friction coefficient; (b) Wear volume

        圖3 載荷對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of load on tribological performance of aluminium alloy: (a) Friction coefficient; (b) Wear volume

        圖3所示為載荷對(duì)鋁合金摩擦學(xué)性能的影響。研究表明:在兩種添加劑潤(rùn)滑下,鋁合金的摩擦因數(shù)和磨損量均隨載荷的增加呈增大狀態(tài),但使用二正丁基磷酰胺潤(rùn)滑時(shí)鋁合金的摩擦因數(shù)和磨損量增幅小于使用亞磷酸二丁酯潤(rùn)滑時(shí)鋁合金的摩擦因數(shù)和磨損量增幅。這是由于鋁和鋼之間存在較大的固溶度,隨著載荷增加,鋁合金單位面積上的壓強(qiáng)增大,易發(fā)生鋁向鋼的轉(zhuǎn)移;轉(zhuǎn)移到鋼摩擦副表面鋁進(jìn)而又與配副的鋁合金表面發(fā)生粘著,使鋼鋁摩擦副做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切強(qiáng)度增大,即摩擦因數(shù)增大;同時(shí)粘著磨損也使鋁合金的磨損量明顯提高。圖3所示也表明二正丁基磷酰胺形成的潤(rùn)滑膜比亞磷酸二丁酯形成的潤(rùn)滑膜具有更優(yōu)良的減摩抗磨性能。

        2.2 磨痕表面分析與討論

        圖4所示為不同添加劑潤(rùn)滑時(shí)7050鋁合金試件表面磨損形貌的SEM像。整體而言,用4種磷系潤(rùn)滑添加劑潤(rùn)滑時(shí)磨損表面比較光滑,沒有粘連較多的沉積物。這可能是鋁合金化學(xué)活性比較強(qiáng),在摩擦過(guò)程中易與磷系潤(rùn)滑添加劑發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),生成化學(xué)反應(yīng)膜且反應(yīng)膜剪切強(qiáng)度較低,易從表面剔除的緣故。這與4種磷系潤(rùn)滑添加劑均能有效降低鋁合金的摩擦因數(shù)相吻合,同時(shí)也說(shuō)明化學(xué)腐蝕磨損在磷系潤(rùn)滑添加劑的摩擦過(guò)程中普遍存在。從圖4(a)和4(d)可見,用磷酸三甲酚酯和二正丁基磷酰胺潤(rùn)滑的試件表面磨損輕微,無(wú)明顯粘連現(xiàn)象,摩擦表面上犁溝淺且分布均勻,其主要的磨損形式是磨粒磨損。從圖4(b)和4(c)可見,亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅作為添加劑潤(rùn)滑時(shí),摩擦表面的磨損程度明顯大于前兩種添加劑潤(rùn)滑時(shí)摩擦表面的磨損程度,磨痕的寬度和深度加大,磨痕上存在部分沉積物,可能是鋁合金與對(duì)磨表面發(fā)生粘著磨損形成的殘余。上述表面形貌表明,亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅潤(rùn)滑時(shí)的摩擦學(xué)機(jī)制包括磨粒磨損和粘著磨損。

        圖5所示為亞磷酸二丁酯作為添加劑潤(rùn)滑時(shí),在不同測(cè)試條件下 7050鋁合金對(duì)偶表面鋼環(huán)上鋁元素的面分布。從圖5可見,在摩擦條件比較溫和及添加劑含量較低時(shí),對(duì)偶表面有一定量的鋁元素分布且比較均勻,隨著載荷或添加劑含量增加,轉(zhuǎn)移到對(duì)偶表面的鋁元素明顯增多,且鋁元素還出現(xiàn)部分積聚的現(xiàn)象;這是粘著磨損發(fā)生的佐證之一,說(shuō)明載荷或添加劑含量增加,加速了鋁向?qū)ε急砻娴霓D(zhuǎn)移,并促進(jìn)了粘著磨損發(fā)生。

        圖4 不同添加劑潤(rùn)滑下鋁合金試塊磨斑形貌的SEM像Fig.4 SEM images of worn surfaces of aluminium alloy blocks under lubrication of various additives: (a) TCP; (b) DBPi; (c) ZDDP;(d) DBPA

        圖5 鋼環(huán)磨損表面鋁元素的分布Fig.5 Distribution of element aluminum on wear scar of steel ring: (a) Load=100 N, additive content=2%; (b) Load=500 N,additive content=2%; (c) Load=200 N, additive content=5%

        分析磷系潤(rùn)滑添加劑潤(rùn)滑下鋁合金的摩擦學(xué)行為可知,磷系潤(rùn)滑添加劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)鋁合金的摩擦學(xué)行為有較大的影響。對(duì)含磷添加劑潤(rùn)滑的鋁合金摩擦表面進(jìn)行 XPS分析可知,摩擦表面磷元素的特征峰P 2p主要出現(xiàn)在133.5和133.9 eV處,分別對(duì)應(yīng)磷酸鋁和亞磷酸鹽,與文獻(xiàn)[9]的結(jié)果相似。這表明含磷添加劑可通過(guò)摩擦化學(xué)反應(yīng)在鋁合金表面形成由磷酸鋁或亞磷酸鋁等組成的邊界潤(rùn)滑膜。這一過(guò)程實(shí)質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)控制的金屬化學(xué)腐蝕過(guò)程,添加劑的反應(yīng)活性直接影響反應(yīng)膜的抗磨性能,添加劑反應(yīng)高會(huì)導(dǎo)致金屬表面嚴(yán)重的腐蝕,反應(yīng)膜疏松、強(qiáng)度低且易剝離,進(jìn)而產(chǎn)生較大的磨損;而添加劑反應(yīng)活性太低則不能有效地保護(hù)表面。亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅均屬于與鋁反應(yīng)活性較高的添加劑,因而導(dǎo)致較大的磨損量。二正丁基磷酰胺由于分子中有氮元素,而氮的電負(fù)性高,原子半徑?。辉谀Σ吝^(guò)程中,當(dāng)二正丁基磷酰胺吸附于摩擦表面時(shí),分子間比較容易形成氫鍵而導(dǎo)致橫向引力增加和油膜強(qiáng)度增大,這有利于抗磨強(qiáng)度的提高;同時(shí),二正丁基磷酰胺中的氮是一種較強(qiáng)的路易斯堿,能有效地抑制磷元素的過(guò)度腐蝕。因此,這兩種效應(yīng)的共同作用有效地提高了鋁合金的減摩抗磨性能。

        3 結(jié)論

        1) 4種磷系潤(rùn)滑添加劑均能有效降低鋼-鋁摩擦副的摩擦因數(shù),但對(duì)高強(qiáng)鋁合金抗磨作用的影響有差異;磷酸三甲酚酯和二正丁基磷酰胺能增強(qiáng)7050鋁合金的抗磨作用,其中二正丁基磷酰胺的效果更優(yōu);而亞磷酸二丁酯和二辛基二硫代磷酸鋅會(huì)增加鋁合金的磨損,且亞磷酸二丁酯對(duì)鋁合金抗磨作用的負(fù)面影響較大。磷系潤(rùn)滑添加劑對(duì)高強(qiáng)鋁合金減摩抗磨性能的影響與其化學(xué)反應(yīng)活性密切相關(guān),添加劑反應(yīng)活性太強(qiáng)對(duì)鋁合金抗磨性副作用較大,而潤(rùn)滑添加劑反應(yīng)活性適中則能提高7050鋁合金的減摩抗磨性能。

        2) 鋼-鋁摩擦副間的摩擦因數(shù)隨添加劑含量增加而減少,但隨載荷增加而增大;以二正丁基磷酰胺潤(rùn)滑的鋁合金的磨損量隨添加劑含量增加而減少,但隨載荷增加而增大;而以亞磷酸二丁酯潤(rùn)滑時(shí)磨損量隨載荷和添加劑含量的增大均呈增加趨勢(shì)。

        3) 磷系潤(rùn)滑添加劑潤(rùn)滑下7050鋁合金的磨損機(jī)制包括磨粒磨損、粘著磨損、化學(xué)腐蝕磨損3種,其中化學(xué)腐蝕磨損和磨粒磨損是鋁合金的主要摩損機(jī)制。

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