張大同，楊淑燕,，蔡美榮，郭峰

（1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520；2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

根據(jù)生命周期不同，可將潤(rùn)滑油分為新油、在用油和廢油三大類[1]。在潤(rùn)滑過程中，由于高溫、空氣中的雜質(zhì)、添加劑的耗盡等因素影響，使?jié)櫥筒荒芾^續(xù)保持使用性能，這種潤(rùn)滑油稱為廢油[2]，國(guó)際上通常稱之為“Used oil”，而非“Waste oil”，原因在于，它僅僅喪失了部分功能，發(fā)生了部分化學(xué)性質(zhì)的變化，并非全“廢”[1]，仍然具備一定的潛在使用價(jià)值。若直接棄用，不但對(duì)環(huán)境造成大量污染，而且會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)。因此，將廢潤(rùn)滑油進(jìn)行再生處理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)潤(rùn)滑油失效的嚴(yán)重程度和失效機(jī)理的不同，可將廢潤(rùn)滑油的再生技術(shù)分為三類：再凈化（Reclamation）、再精制（Re-processing）和再煉制（Re-refining）[3]。發(fā)達(dá)國(guó)家處理廢潤(rùn)滑油的工藝逐漸走向成熟，且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，比如無酸工藝[4]、加氫工藝[5]和比較先進(jìn)的分子蒸餾技術(shù)[6]等，但由于這些工藝技術(shù)操作復(fù)雜，設(shè)備投資費(fèi)用較高，且對(duì)技術(shù)工人水平要求較高，在我國(guó)還難以應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中。我國(guó)目前大多采用傳統(tǒng)的對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重的酸洗工藝和白土精制[7]。針對(duì)此問題，學(xué)者們提出了一種新穎且簡(jiǎn)單的廢舊油處理方法，即針對(duì)潤(rùn)滑油的失效類型和程度，補(bǔ)加不同的再生添加劑，在一定程度上延長(zhǎng)失效潤(rùn)滑油的使用壽命。

離子液體（Ionic Liquids，以下簡(jiǎn)稱IL）是由有大量的有機(jī)陽離子和弱配位陰離子組成的混合物，也被稱為熔融鹽，其熔點(diǎn)低于100 °C[8]。IL 具有一系列獨(dú)特的特性，例如揮發(fā)性、不可燃性、高熱穩(wěn)定性、低熔點(diǎn)和導(dǎo)電性等[9]，已被證明是最具潛在應(yīng)用價(jià)值的一種潤(rùn)滑油添加劑[10-14]。需要指出的是，IL 很難溶解在非極性基礎(chǔ)油中（例如PAO 潤(rùn)滑油），這在一定程度上限制了它在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[15]。值得慶幸的是，2012 年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Qu 等人[16-17]打破了這項(xiàng)技術(shù)壁壘，成功制備了油溶性離子液體——雙(2-乙基己基)磷酸三己基十四烷基磷酸鹽，將其添加在基礎(chǔ)油PAO 中，與ZDDP 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其摩擦磨損性能更加優(yōu)異。隨后，中科院蘭化所蔡美榮等人[18-19]開展了一系列關(guān)于油溶性添加劑摩擦學(xué)性能的研究。以上的研究工作證實(shí)，在邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑條件下，IL 可在摩擦表面形成一層具有低剪切強(qiáng)度的吸附膜，可有效降低摩擦磨損，最有希望成為下一代的潤(rùn)滑油添加劑。在混合潤(rùn)滑或彈流潤(rùn)滑下，本課題組[20-21]研究了IL 添加至基礎(chǔ)油PAO 或PEG 時(shí)其潤(rùn)滑性能變化。發(fā)現(xiàn)在充分供油條件下，IL 的添加對(duì)潤(rùn)滑性能幾乎沒有影響，但在“乏油”（Starvation）時(shí)，IL 可有效緩解入口區(qū)的乏油，測(cè)得油膜厚度相較于基礎(chǔ)油明顯增大。推斷是，極性較強(qiáng)的油性劑IL 在球-盤表面間形成了一層吸附膜，吸附膜改變了接觸區(qū)的壓力分布，從而引起入口區(qū)潤(rùn)滑油的有效黏度增加，使其潤(rùn)滑性能得到了改善。

基于此，本文選取季膦鹽油酸離子液體和商用ZDDP 作為添加劑，將其添加到廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油15W-40中，與新鮮的發(fā)動(dòng)機(jī)油作比對(duì)。利用立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)四球模塊，評(píng)價(jià)IL 添加劑加入廢舊潤(rùn)滑油后對(duì)摩擦磨損性能的影響。同時(shí)利用光干涉技術(shù)，在點(diǎn)接觸油膜厚度測(cè)量裝置上，研究其對(duì)成膜特性的影響，以期證實(shí)通過補(bǔ)加再生添加劑IL 可在一定程度上延長(zhǎng)廢舊潤(rùn)滑油的使用壽命，達(dá)到節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 潤(rùn)滑油及添加劑選取

本文選取新、舊發(fā)動(dòng)機(jī)油SAE 15W-40 作為基礎(chǔ)油。其中，前者直接從浙江殼牌化工石油有限公司購(gòu)買；后者為由福特汽車公司提供的實(shí)際使用5000 公里后更換下來的廢舊油，將其進(jìn)行了沉降、過濾、離心、蒸餾、精濾等一系列處理。

添加劑有兩種：第一種為工業(yè)中廣泛應(yīng)用的ZDDP-T202（購(gòu)自濟(jì)南賽亞公司）；第二種為季膦鹽油酸離子液體。季膦鹽油酸離子液體的制備方法為：首先在130 ℃，將亞磷酸三乙酯和1,3-二溴丙烷以2∶1的摩爾比加入甲苯溶劑中，攪拌4 h，均勻混合，再通過減壓蒸餾提純，收集中間餾分油；然后在95 ℃回流下，將(3-溴丙基)亞磷酸二乙酯和月桂胺以1:2 的摩爾比混合，攪拌48 h，用低溫過濾的方法，將多余的月桂胺分離出來；在上述混合物中，加入過量的多庫酯鈉（NaDOOS），以二氯甲烷為溶劑，在85 ℃下攪拌48 h，最終化合物用水反復(fù)洗滌，直至除去溴化鈉和未反應(yīng)的多庫酯鈉，得到油溶性季銨鹽離子液體[(C12H25)3NC3H6PO(OC2H5)2]+[CH3(CH2)10COO]–[18]。ZDDP 和IL 的分子式如圖1 所示。通過1H NMR(INOVA-400 Hz) 和13C NMR (100 MHz, DMSO)確認(rèn)的離子液體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其具體的數(shù)據(jù)如下：

圖1 ZDDP 和IL 的分子式Fig.1 Molecular structure of ZDDP and IL

圖2 離子液體的核磁氫譜及碳譜圖Fig.2 The 1H NMR and 13C NMR of IL

1H NMR (400 MHz, DMSO)δ：3.69～3.75 (dd,J=8.0 Hz, 4H), 3.18～3.28 (m, 4H), 2.96～3.00 (t,J=8.0 Hz,2H), 1.58～1.85 (m, 8H), 1.22～1.38 (m, 86H), 0.85～0.90(m, 12H)。

13C NMR (100 MHz, DMSO)δ：171.49、67.30、58.44、52.44、38.53、31.90、30.29、29.57、29.47、29.32、29.15、29.03、28.89、26.84、26.43、23.61、23.40、23.14、22.96、22.67、18.43、14.09、14.05、14.03、10.85。

相關(guān)研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、2%、3%和4%的離子液體對(duì)基礎(chǔ)油PAO10 摩擦學(xué)性能的影響相差不大[18,22]?？紤]到IL 很難溶解在基礎(chǔ)油中，本研究選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的ZDDP 和IL，將其分別添加到廢舊潤(rùn)滑油中，并在40～50 ℃下，用磁力攪拌器攪拌4 h，然后在室溫下超聲處理1 h。試驗(yàn)中用到的4 種潤(rùn)滑油分別命名為Fresh 15W-40、Used 15W-40、Used 15W-40+1%ZDDP 和Used 15W-40+1%IL。在40 ℃和100 ℃下，使用流變儀MCR302 測(cè)量新、舊發(fā)動(dòng)機(jī)油和添加IL 和ZDDP 的廢油的動(dòng)力黏度，并根據(jù)ASTM D2270—2004 標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定了潤(rùn)滑油的黏度指數(shù)（Viscosity Index）。在室溫23 ℃下，利用Abbe折光儀測(cè)量了潤(rùn)滑油的折光率，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相較于新鮮的潤(rùn)滑油，廢舊油的動(dòng)力黏度和黏度指數(shù)均有所下降，這表明廢舊油受到了一定程度的污染，但其黏度指數(shù)相對(duì)來說還是較高，表明廢舊油具有良好的黏溫性能，仍具有潛在的使用價(jià)值。此外，向廢舊潤(rùn)滑油中添加ZDDP 和IL 后，由于離子液體的濃度較小，對(duì)潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度、密度、黏度指數(shù)和折射率的影響很小。

表1 試驗(yàn)所用潤(rùn)滑劑的物理性能參數(shù)Tab.1 The physical performance parameters of lubricants used in the tests

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

在MMW-1 型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的四球模塊下，評(píng)價(jià)4 種潤(rùn)滑油的摩擦磨損性能。測(cè)試條件為：負(fù)載196 N（對(duì)應(yīng)的平均赫茲接觸壓力2.78 GPa），測(cè)試溫度40 ℃，鋼球轉(zhuǎn)速600 r/min，測(cè)試持續(xù)時(shí)間60 min，供應(yīng)的油量約10 mL（可以完全覆蓋球形表面，并超過3 mm）。

另外，通過四球模塊測(cè)試了舊發(fā)動(dòng)機(jī)油及添加ZDDP 和IL 后的失效載荷。具體試驗(yàn)工況為：溫度40 ℃，載荷以30 s 的間隔逐漸增加。其失效標(biāo)準(zhǔn)為摩擦力驟然增大20 N 以上。測(cè)試中使用的鋼球材質(zhì)為軸承鋼GCr15，公稱直徑為12.7 mm，硬度為64HRC，粗糙度為40 nm。試驗(yàn)前，先清洗鋼球，將其浸泡在石油醚中12 h，隨后在石油醚中超聲處理2 h，再在乙醇中超聲處理，并用氮?dú)獯蹈?。摩擦測(cè)試后，再次將鋼球用石油醚和無水乙醇超聲處理并吹干，除去表面的殘留油，便于分析磨斑的表面。

1.3 磨損表面的表征

在顯微鏡下觀察鋼球表面的磨損情況，在3 個(gè)不同的位置測(cè)量磨斑直徑，取平均值，評(píng)估鋼球的磨損量。利用Form Talysurf PGI 800 型粗糙度輪廓儀（Taylor Hobson Corporation，UK）掃描獲取磨斑表面，掃描區(qū)域?yàn)?.1 mm×1.1 mm。使用Hitachi S-3500N 型掃描電子顯微鏡獲取磨斑形貌，并通過能量色散X 射線光譜（EDS）分析磨損表面的化學(xué)成分。

1.4 乏油狀態(tài)下的成膜特性

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境除工作在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)以外，也會(huì)處于混合潤(rùn)滑和彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)，即除了評(píng)價(jià)添加劑IL 對(duì)廢舊油摩擦磨損性能的影響，還應(yīng)考慮對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。目前普遍采用的研究手段是，利用光干涉測(cè)量技術(shù)觀察接觸區(qū)的油膜潤(rùn)滑狀態(tài)，并測(cè)量其油膜厚度。當(dāng)兩摩擦表面進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將潤(rùn)滑油卷吸到接觸區(qū)中，在流體動(dòng)壓作用下，產(chǎn)生的潤(rùn)滑油膜將兩個(gè)摩擦副表面隔開。其中，充分的供油是潤(rùn)滑油被卷吸到接觸區(qū)中的必要條件，否則將出現(xiàn)“乏油”（Starvation），油膜變得不穩(wěn)定且有可能塌陷，這種狀態(tài)被稱為乏油狀態(tài)下的彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑（Starved EHL）或混合潤(rùn)滑狀態(tài)[23-25]。此時(shí)，接觸區(qū)內(nèi)潤(rùn)滑油膜的厚度較低，通常為幾十到幾百納米，故需要考慮添加劑對(duì)潤(rùn)滑油膜成膜特性的影響。

本研究擬利用圖3 所示的球-盤式潤(rùn)滑油膜測(cè)量裝置[26-27]，在混合潤(rùn)滑和彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)下，研究添加劑IL 對(duì)廢舊潤(rùn)滑油成膜特性的影響。成膜特性的研究是基于光干涉測(cè)量技術(shù)來開展的，該技術(shù)對(duì)接觸區(qū)的粗糙度要求極高，只有達(dá)到一定粗糙度水平，才能獲取有效的油膜光干涉圖像，進(jìn)而測(cè)量對(duì)應(yīng)的膜厚。因此，難以在工程上開展粗糙度光干涉試驗(yàn)。本文的研究?jī)H適用于油膜的成膜機(jī)理，與工程應(yīng)用仍存在一定差距。試驗(yàn)過程中，將鋼球（直徑25.4 mm，粗糙度Ra為25 nm）加載到玻璃盤（直徑為150 mm，粗糙度Ra為8 nm）上，玻璃盤上鍍有厚20 nm、反射率約為20%的析光鉻膜和200 nm 厚的二氧化硅墊層。選用紅色和綠色兩束激光（波長(zhǎng)分別為655 nm 和532 nm）同時(shí)穿過玻璃盤，照射到球-盤接觸區(qū)中，玻璃盤和鋼球反射光的光學(xué)相位差會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，利用CCD 獲取光干涉圖像，利用雙色光干涉強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)（ Dichromatic Interference Intensity Modulation Approach，DIIM）對(duì)圖像進(jìn)行處理，測(cè)得接觸區(qū)的中心膜厚hc[28]。在測(cè)試之前，鋼球要進(jìn)行與四球試驗(yàn)相同的清潔程序，而玻璃盤以1 mm/s 的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，先后使用石油醚和無水乙醇進(jìn)行擦拭。測(cè)試溫度為室溫。開始膜厚測(cè)量之前，首先令玻璃盤以1 mm/s 的速度運(yùn)行30 min，保證潤(rùn)滑油均勻分布在玻璃盤表面。

圖3 球-盤式潤(rùn)滑油膜測(cè)量裝置示意圖Fig.3 Schematic of optical interference point contact elastohydrodynamic lubricant film measurement system

2 結(jié)果與討論

2.1 添加劑對(duì)摩擦系數(shù)的影響

如圖4 所示，在測(cè)試初期，廢舊潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)略低于新鮮潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)，隨后摩擦系數(shù)迅速增大。在廢舊潤(rùn)滑油中加入ZDDP 后，摩擦系數(shù)上升；加入IL 后，在40 ℃時(shí)，其摩擦系數(shù)與新鮮潤(rùn)滑油接近，而當(dāng)測(cè)試溫度升至100 ℃時(shí)，其摩擦系數(shù)低于新鮮潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)。同時(shí)注意到，廢舊油的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了輕微波動(dòng)，這是廢舊油中的部分雜質(zhì)所致，例如塵埃、金屬磨粒、滲漏物（燃油、水等）、潤(rùn)滑油氧化物以及燃料燃燒產(chǎn)生的物質(zhì)等[2]。

圖4 兩種測(cè)試溫度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化對(duì)比Fig.4 Comparison of friction coefficient curves between lubricants at two test temperatures

2.2 失效試驗(yàn)測(cè)試

在試驗(yàn)室現(xiàn)有條件下，無法進(jìn)行新發(fā)動(dòng)機(jī)油的失效試驗(yàn)，廢舊油及加入添加劑的失效試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，廢舊油的失效載荷約為510 N，加入ZDDP 和IL 后，潤(rùn)滑油發(fā)生失效時(shí)的載荷明顯增大，說明向廢舊潤(rùn)滑油中加入添加劑可以顯著提升其抗極壓性能，從而延長(zhǎng)其使用壽命。同時(shí)，IL 比ZDDP的效果更加顯著，二者令廢舊潤(rùn)滑油發(fā)生失效時(shí)的載荷分別提高至700 N 和600 N。

圖5 新舊發(fā)動(dòng)機(jī)油及添加ZDDP 和IL 后的失效載荷和磨斑直徑對(duì)比圖Fig.5 The failure load and wear scar diameter of fresh and used engine oil and adding ZDDP and IL

2.3 添加劑對(duì)磨損性能的影響

在四球試驗(yàn)機(jī)上完成摩擦力的測(cè)量后，利用光學(xué)顯微鏡測(cè)量了上試樣鋼球的磨斑直徑（WSD），每組測(cè)量3 次，取平均值，結(jié)果如圖5 所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油的磨斑直徑比新鮮潤(rùn)滑油的磨斑直徑大，尤其是在100 ℃下，約是新鮮潤(rùn)滑油的3 倍，說明廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油的抗磨性能退化得非常明顯。但經(jīng)過補(bǔ)加ZDDP 和IL 后，磨斑直徑均有所減小，但仍然比新鮮潤(rùn)滑油高。此外，在100 ℃下，IL 展現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨性能。

2.4 磨斑的表面形貌表征

圖6 為100 ℃下廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油及添加ZDDP、IL潤(rùn)滑油的摩擦試驗(yàn)中，上試樣鋼球的SEM 圖像、三維形貌及表面粗糙度。從圖6a 可以看出，廢舊油潤(rùn)滑下的磨斑表面有明顯的“犁痕”， 磨斑直徑最大，磨損較為嚴(yán)重，溝痕較深，表面粗糙度Ra約為0.201 μm；添加ZDDP 后，磨斑直徑幾乎不變，溝痕深度以及表面粗糙度均有下降（圖6b）；但添加IL 后，圖6c 顯示，磨斑直徑明顯變小且“犁痕”幾乎消失，溝痕明顯變淺，表面粗糙度降至0.183 μm。

圖6 舊發(fā)動(dòng)機(jī)油及添加ZDDP、IL 潤(rùn)滑下試樣磨斑表面的SEM 圖和3D 形貌圖及粗糙度Fig.6 SEM, surface morphology and roughness of the wear scar of the sample under the lubrication of used oil and the addition of ZDDP and IL

以上摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明：加入IL 后，廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油重新獲得了良好的摩擦磨損性能，尤其是在高溫下獲得了比新鮮發(fā)動(dòng)機(jī)油更低的摩擦系數(shù)、更小的磨斑直徑，且表面幾乎沒有出現(xiàn)“犁痕”，也一定程度上提升了廢舊油的抗極壓能力。

100 ℃下廢舊油和添加ZDDP、IL 的潤(rùn)滑油的摩擦試驗(yàn)中，上試樣鋼球磨斑表面化學(xué)元素組成的EDS 分析結(jié)果如圖7 所示。EDS 結(jié)果表明，摩擦表面均檢測(cè)到P、S 及Cr 元素，在添加ZDDP 的試樣表面還檢測(cè)到了少量的Zn 元素，這與各種潤(rùn)滑油的組成是一致的。Fe 和Cr 應(yīng)該來自鋼的表面，當(dāng)使用IL 作為添加劑時(shí)，F(xiàn)e 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，說明此時(shí)發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)最為活躍。參考文獻(xiàn)[18]中，磨損鋼表面Fe2p、P2p 和N1s 的XPS 光譜圖已證實(shí)，在摩擦過程中，IL 可能與基材表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，具體表現(xiàn)在：Fe 的結(jié)合能對(duì)應(yīng)于FeOOH、Fe2O3和Fe3O4；N1s 的峰移動(dòng)表明，氮在苛刻的摩擦條件下會(huì)形成新的氮化合物；P2p 的結(jié)合能輕微移動(dòng)與有機(jī)磷酸酯化合物相對(duì)應(yīng)。Spikes 等人[29]已經(jīng)證實(shí)，ZDDP 在摩擦表面形成了一層“孤島狀”偏硬的反應(yīng)膜（Solid film），相較于基礎(chǔ)油，能有效降低磨損，但卻使摩擦力增加。這是因?yàn)槟Σ吝^程中形成的這層膜偏硬，雖然能有效隔離兩接觸面，但要求剪切強(qiáng)度比較高。

圖7 100 ℃下廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油及添加ZDDP、IL 潤(rùn)滑后試樣的EDS 分析結(jié)果Fig.7 EDS analysis result of sample at 100 ℃ with used oil and ZDDP and IL lubrication

2.5 添加劑對(duì)成膜特性的影響

相關(guān)研究表明，溫度、供油方式、載荷和卷吸速度均會(huì)影響接觸區(qū)的潤(rùn)滑狀態(tài)，例如不充分供油，高載荷和高速下容易出現(xiàn)乏油。潤(rùn)滑油成膜特性的試驗(yàn)研究是在球-盤式光干涉油膜測(cè)量裝置上開展的，100 ℃的溫度對(duì)試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，在高溫條件下，潤(rùn)滑油黏度急劇下降，導(dǎo)致膜厚很低，玻璃盤在該情況下容易劃傷，導(dǎo)致試驗(yàn)被迫中止。另一方面，溫度影響潤(rùn)滑油的黏度，進(jìn)而影響油膜厚度，高溫下的膜厚與常溫下的膜厚存在一定的差異，但英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院[25]和本研究小組[30]的前期研究證實(shí)，在常溫和100 ℃的溫度下，膜厚隨速度變化的趨勢(shì)是相似的，即潤(rùn)滑機(jī)理是相同的?；谝陨峡剂浚疚某赡ぴ囼?yàn)并沒有選擇100 ℃開展，而是選擇在常溫下進(jìn)行。試驗(yàn)過程中，首先通過改變供油量，在彈流潤(rùn)滑和乏油潤(rùn)滑兩種潤(rùn)滑狀態(tài)下，研究了IL 和ZDDP 的添加對(duì)廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油潤(rùn)滑性能的影響。在充分供油（供油量為20 mL）條件下，測(cè)得的最小膜厚隨卷吸速度的變化曲線如圖8 所示，施加的載荷分別為30 N 和75 N。發(fā)現(xiàn)最小膜厚hm與卷吸速度大致成線性關(guān)系，膜厚介于50～400 nm，說明充分供油條件下，潤(rùn)滑效果良好，此時(shí)視為彈流潤(rùn)滑狀態(tài)。新鮮潤(rùn)滑油的膜厚明顯最高，這可能與廢舊潤(rùn)滑油失效導(dǎo)致黏度下降有關(guān)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加ZDDP 后，膜厚幾乎不變，而加入IL 的潤(rùn)滑油略有增大，但總體來說，在彈流潤(rùn)滑條件下，加入添加劑對(duì)廢舊油的成膜能力幾乎沒有影響，故未給出各個(gè)速度下4 種潤(rùn)滑油的光干涉圖像。根據(jù)Hamock-Dowson公式，發(fā)現(xiàn)最小膜厚取決于卷吸速度U、載荷W和入口區(qū)潤(rùn)滑油的黏度η和黏壓系數(shù)α，表1 的數(shù)據(jù)顯示，廢舊潤(rùn)滑油和加入ZDDP 后的黏度非常接近，而加入IL 會(huì)引起黏度略微上升。

圖8 兩種載荷下最小膜厚隨卷吸速度的變化曲線Fig.8 Variation curve of film thickness of various lubricants with speed under two loads

相同工況下，將供油量改為10 μL 實(shí)現(xiàn)不充分供油，觀察入口區(qū)是否出現(xiàn)明顯的油氣混合區(qū)域（Oil-air boundary），若出現(xiàn)圖9 中紫色曲線圈出的區(qū)域，表明乏油出現(xiàn)，此時(shí)不再處于彈流潤(rùn)滑狀態(tài)，將其視為乏油下的彈流潤(rùn)滑（Starved EHL）或者混合潤(rùn)滑狀態(tài)。將載荷由30 N 增至75 N，卷吸速度由100 mm/s 增至450 mm/s，控制乏油的嚴(yán)重程度，獲得了輕度乏油（“Light” starvation）和嚴(yán)重乏油（“Server” starvation）2 種工況。載荷為30 N、卷吸速度為100 mm/s 時(shí)為輕度乏油，隨后針對(duì)添加劑對(duì)廢舊潤(rùn)滑油的成膜能力是否有所貢獻(xiàn)來展開研究。具體的研究方法為：利用光干涉技術(shù)觀察乏油程度是否有所變化，同時(shí)根據(jù)接觸區(qū)光強(qiáng)的變化計(jì)算出膜厚，進(jìn)行對(duì)比，兩者定性和定量地表征添加劑加入到廢舊油后能否使其重新獲得良好的潤(rùn)滑性能，其中接觸區(qū)的光干涉圖和中心膜厚輪廓曲線如圖9 所示。中心膜厚的輪廓曲線指的是接觸區(qū)內(nèi)中心線的膜厚，具體對(duì)應(yīng)圖中白色點(diǎn)劃線上的膜厚。

圖9 乏油狀態(tài)下的光干涉圖膜厚和中心膜厚輪廓曲線Fig.9 Interference images and Central film thickness profiles of used oil 15W-40 with additives under starvation: a) “l(fā)ight”starvation; b) “severe” starvation

對(duì)比圖9a 和9b 的光干涉圖像不難發(fā)現(xiàn)，前者的接觸區(qū)整體呈現(xiàn)綠色，而后者為黑色。顏色的深淺代表球-玻璃盤的間隙不同，顏色越深表示間隙越小，膜厚越低。同時(shí)注意到，前者入口區(qū)油氣邊界的形狀與后者有著明顯不同，后者幾乎在整個(gè)接觸區(qū)都發(fā)生了乏油，試驗(yàn)驗(yàn)證了在高速重載條件下乏油更為嚴(yán)重。輕度乏油狀態(tài)下，膜厚曲線出現(xiàn)兩個(gè)側(cè)峰，這是由于氣體竄入到接觸區(qū)，引起油膜出現(xiàn)波動(dòng)；而在嚴(yán)重乏油狀態(tài)下，膜厚曲線則為一條平整的直線，這可能是與重載情況下鋼球-玻璃盤的間隙極小有關(guān)。對(duì)比輕度乏油狀態(tài)下4 種潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能，由中心膜厚輪廓曲線可見：新鮮潤(rùn)滑油的膜厚（圖9a 橙色曲線所示）明顯高于廢舊潤(rùn)滑油（黑色曲線）；藍(lán)色曲線與黑色曲線非常接近，表明添加ZDDP 對(duì)廢舊潤(rùn)滑油的成膜能力幾乎沒有影響；但向廢舊油中添加IL 后，入口區(qū)的乏油邊界變小，幾乎整個(gè)接觸區(qū)呈現(xiàn)明亮的綠色，這表明乏油情況得到了極大緩解，綠色的膜厚曲線也印證了膜厚甚至超越了新鮮潤(rùn)滑油，達(dá)到了最高值，這表明IL 令廢舊潤(rùn)滑油“重獲新生”，獲得了較好的潤(rùn)滑性能。重度乏油狀態(tài)與輕度乏油狀態(tài)相似，新鮮潤(rùn)滑油和加入IL 后的廢舊潤(rùn)滑油，其中心膜厚要比其他2 種潤(rùn)滑油高；添加ZDDP 至廢舊潤(rùn)滑油后，其中心膜厚略有上升，這可能與ZDDP 提升了潤(rùn)滑油的抗極壓能力有關(guān)。

以上光干涉的試驗(yàn)結(jié)果表明，在乏油狀態(tài)下，通過添加IL 至廢舊油，提高了潤(rùn)滑油的成膜能力，有效緩解了乏油，從而重新獲得了較好的潤(rùn)滑性能。這可能與IL 具有較強(qiáng)的極性，容易在摩擦表面形成一層穩(wěn)定的吸附膜有關(guān)。該吸附膜改變了接觸區(qū)的壓力分布，進(jìn)而令入口區(qū)潤(rùn)滑油的有效黏度遠(yuǎn)大于其表觀黏度，從而獲得了較高的膜厚。在眾多機(jī)油中，殼牌發(fā)動(dòng)機(jī)油SAE 15W-40 是比較有代表性的一種機(jī)油，本文的相關(guān)結(jié)論只是針對(duì)該種型號(hào)的機(jī)油而得出。機(jī)油是由基礎(chǔ)油和添加劑兩部分組成的，添加劑可以彌補(bǔ)和改善基礎(chǔ)油性能方面的不足，由于添加劑種類繁多，其他品牌、不同型號(hào)的機(jī)油在添加IL 后是否有類似的改進(jìn)，還有待探究。

3 結(jié)論

利用摩擦磨損四球試驗(yàn)機(jī)，對(duì)比了新鮮油、廢舊油和添加ZDDP、IL 的廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油15W-40 的摩擦磨損性能。同時(shí)利用點(diǎn)接觸光干涉油膜厚度測(cè)量裝置，研究了彈流潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑條件下4 種潤(rùn)滑油的成膜特性。得出以下結(jié)論：

1）提出了一種可在一定程度上延長(zhǎng)潤(rùn)滑油使用壽命的方法，即將季膦鹽油酸離子液體作為再生添加劑加入至廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油中，提升其摩擦學(xué)性能，達(dá)到節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的目的。

2）加入IL 后，廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)油重新獲得了良好的摩擦磨損性能，尤其是在高溫下，獲得了比新鮮發(fā)動(dòng)機(jī)油更低的摩擦系數(shù)、更小的磨斑直徑，且試樣表面幾乎沒有出現(xiàn)“犁痕”，也一定程度上提升了廢舊油的抗極壓能力。這是由于高溫摩擦過程中，IL 與金屬表面發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成了一層低剪切強(qiáng)度的反應(yīng)膜，避免了直接固-固接觸，從而有效降低了磨損，同時(shí)摩擦反應(yīng)膜容易被剪切，因而大大降低了摩擦力。

3）在乏油狀態(tài)下，IL 提升了廢舊油的成膜能力，有效緩解了接觸區(qū)的乏油現(xiàn)象，從而重新獲得了較好的潤(rùn)滑性能。這可能與油性添加劑IL 具有較強(qiáng)的極性，容易在接觸表面形成一層穩(wěn)定的吸附膜有關(guān)。這種吸附膜改變了接觸區(qū)潤(rùn)滑油的壓力分布，進(jìn)而引起入口區(qū)潤(rùn)滑油的有效黏度遠(yuǎn)大于其表觀黏度，從而獲得了較高的中心膜厚。