【摘要】為探究高強化運行工況下離子液體（IL）添加劑對內(nèi)燃機關(guān)鍵配對副、氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響，采用離子液體質(zhì)量分數(shù)為2%的潤滑油潤滑配對副，通過分析磨損后配對副的表面微觀形貌、成分以及摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，探究配對副在離子液體潤滑條件下的磨損行為及其相關(guān)機制，評價其對配對副摩擦、磨損和磨損特性的影響。試驗結(jié)果表明：離子液體添加劑有助于提升氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對副的摩擦學(xué)性能；在180 ℃條件下，離子液體具有最佳的摩擦學(xué)性能，該現(xiàn)象與離子液體在氣缸套表面上的摩擦化學(xué)反應(yīng)及其產(chǎn)物有關(guān)。

關(guān)鍵詞：離子液體 摩擦學(xué)性能 氮化氣缸套

中圖分類號：U473.6" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230028

Research on Influence of Ionic Liquid on Friction and Wear Properties of Piston Ring-Cylinder Liner under High Reinforcement Conditions

Gao Zhiwei1， Huang Ruoxuan2， Qin Xue1， Wang Yiran1， Wang Zichun3， Fan Junjing3

（1. Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2. China North Engine Research Institute，

Tianjin 300000; 3. Dalian Maritime University， Dalian 116026）

【Abstract】In order to investigate the effects of Ionic Liquid （IL） additives on the tribological properties of the key pairs of internal combustion engine， nitriding cylinder liner and molybdenum spray piston ring under high-reinforcement conditions， the lubricating oil with 2% ionic liquid mass fraction is used to lubricate the pairs. By analyzing the surface morphology， composition and tribological chemical reaction products of the worn pairs， the paper investigates wear behavior and relates mechanism of pair under ionic liquid lubrication， and evaluates its influence on friction， wear and wear characteristics of pairs. The experimental results show that the ionic liquid additive can improve the tribological properties of nitriding cylinder liner and molybdenum injection piston ring pair. The ionic liquid has the best tribological properties at 180 ℃， which is related to the tribological chemical reaction of ionic liquid on the surface of cylinder liner and its products.

Key words： Ionic liquid， Tribological properties， Nitrided cylinder liner

【引用格式】 郜智偉， 黃若軒， 秦學(xué)， 等. 高強化條件下離子液體對活塞環(huán)-氣缸套摩擦磨損性能的影響研究[J]. 汽車工程師， 2024（7）： 24-33.

GAO Z W， HUANG R X， QIN X， et al. Research on Influence of Ionic Liquid on Friction and Wear Properties of Piston Ring-Cylinder Liner under High Reinforcement Conditions[J]. Automotive Engineer， 2024（7）： 24-33.

1 前言

近年來，柴油發(fā)動機逐漸向高功率密度發(fā)展，在功率相同的條件下減小了整機尺寸，導(dǎo)致活塞環(huán)-氣缸套間的溫度及壓力不斷提高，從而使摩擦功耗顯著增加，并嚴重影響發(fā)動機的可靠性和使用壽命[1]。McMillan的研究表明，發(fā)動機中的大部分摩擦損失由此產(chǎn)生[2]，故改善活塞環(huán)-氣缸套配對副的摩擦學(xué)性能和可靠性對于現(xiàn)代內(nèi)燃機的發(fā)展至關(guān)重要[3-4]。

活塞環(huán)-氣缸套配對副間的潤滑性能改善方法之一是使用高質(zhì)量潤滑油。潤滑油由基礎(chǔ)油和各種添加劑組成[5]。大多數(shù)具有優(yōu)異性能的潤滑油含有多種添加劑，如抗磨劑、摩擦改性劑、粘度改性劑、抗氧化劑、分散劑等[6]。然而，大多數(shù)抗磨添加劑，如二烷基二硫代磷酸鋅，會在熱分解時產(chǎn)生灰質(zhì)（Ash），導(dǎo)致催化劑失活[7]，因此需要找到一種無灰且更有效的抗磨添加劑。

離子液體（Ionic Liquid，IL）是一種熔點低于100 ℃的鹽，其溶解液完全由陰、陽離子組成[8]，具有良好的熱穩(wěn)定性、極性、高粘性且不易燃[9]。2001年，離子液體被首次用作潤滑油添加劑[10]。國外學(xué)者的早期研究大多集中于以四氟硼酸鹽和六氟磷酸鹽為陰離子的咪唑型離子液體，它們在各種金屬配對副中表現(xiàn)出良好的潤滑性能[11]。然而，咪唑型離子液體含有鹵族元素，具有強腐蝕性和毒性，且會對環(huán)境造成嚴重污染，限制了其在發(fā)動機上的應(yīng)用[12]。與傳統(tǒng)含鹵族元素的離子液體相比，含磷酸根的離子液體具有更低的腐蝕性和更好的潤滑性。這類離子液體含有在摩擦化學(xué)反應(yīng)過程中起到重要作用的磷元素，可以實現(xiàn)較好的減摩效果，許多學(xué)者對磷酸鹽基離子液體進行了相關(guān)研究[13]。大多數(shù)國內(nèi)外學(xué)者[14]針對添加磷酸鹽型離子液體的基礎(chǔ)油的潤滑性能進行了研究，但主要試驗多在標準試驗機上進行，如四球試驗機、銷/盤試驗機、環(huán)/塊試驗機等。研究發(fā)現(xiàn)，離子液體確實具有較好的減摩效果[15]，然而，大多數(shù)試驗的溫度最高只能達到100 ℃，與內(nèi)燃機的實際工作溫度仍有很大差距，且均為材料級試驗，難以模擬內(nèi)燃機活塞環(huán)-氣缸套配對副在實機中的潤滑狀態(tài)和磨損形式。為了驗證磷酸鹽基離子液體在實機工況下是否仍具有減摩效果，有必要在更貼近實機運行工況，即在活塞到達上止點附近，活塞環(huán)與氣缸套間的潤滑狀態(tài)下，對其進行測試。

本文主要研究典型活塞環(huán)涂層與氮化氣缸套進行配副的磨損行為。根據(jù)試樣磨損后的表面形貌與化學(xué)元素分布的變化情況分析磨損過程，并通過磨損試驗評估磷酸鹽基離子液體對此配對副摩擦學(xué)性能的影響。

2 試驗設(shè)置

2.1 材料和潤滑油

本文試驗使用的基礎(chǔ)潤滑油為一種商用合成油（HVIH-5），離子液體化學(xué)式為[THTDP][PHOS]，名稱為2，4，4-三甲基戊基次膦酸鹽，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將離子液體加入基礎(chǔ)油（HVIH-5）中，超聲振蕩分散50 min，得到含離子液體的均勻混合潤滑油，發(fā)動機油選取CF-4 10W40 4652D。本文分別對質(zhì)量分數(shù)為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的磷酸鹽基離子液體潤滑油進行測試，選擇減摩效果最佳的離子液體濃度，并對該濃度的含磷酸鹽基離子液體的潤滑油在不同溫度、恒定載荷下進行后續(xù)試驗。

2.2 配對副

在活塞環(huán)-氣缸套配對副中測試含磷酸鹽基離子液體的潤滑油，本文試驗選擇噴鉬活塞環(huán)。為最大程度模擬實機工況，選取的活塞環(huán)均為實機上使用的開口環(huán)，考慮到開口環(huán)的曲率問題，使用線切割機以開口處為始點，沿圓周方向，分別在90°和270°處進行切割，并選取該位置的試樣進行試驗。通過掃描電鏡觀察涂層的截面形貌，發(fā)現(xiàn)涂層的最大厚度為220 μm，如圖2所示。通過顯微硬度計測試，噴鉬活塞環(huán)工作面的維氏硬度為475.4 HV0.1，輪廓的算數(shù)平均偏差Ra為0.31 μm。所選用的氮化氣缸套內(nèi)部有很淺的珩磨紋，其工作表面維氏硬度為574.75 HV0.1，Ra為0.021 μm。

試驗所用氣缸套為氮化鏡面氣缸套，用車刀沿氣缸套外壁最凹處進行切割，切割后的氣缸套為直筒狀。首先采用電火花線切割機將完整氣缸套沿圓周方向均勻等分為60份，隨后將氣缸套切成43 mm的等長小段作為試驗試樣，切割后的氣缸套試樣和活塞環(huán)試樣如圖3所示。試驗前，使用汽油和酒精超聲清洗氣缸套和活塞環(huán)試樣30 min。

2.3 磨損試驗

采用對置式往復(fù)摩擦磨損試驗機進行溫度級試驗。該試驗機針對活塞環(huán)-氣缸套摩擦磨損特點，按照試樣試驗的磨損形式-條件模擬準則設(shè)計，能夠較好地模擬活塞環(huán)-氣缸套摩擦學(xué)系統(tǒng)的摩擦磨損行為。

試驗分為低溫低載荷磨合階段和高溫高載荷磨損階段，潤滑油以0.1 mL/min的速度流入試驗機，每組試驗重復(fù)3次以上，選取3組誤差在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)并取平均值，試驗參數(shù)如表1所示。

采用OLYMPUS-OLS4000激光掃描共聚焦顯微鏡（Confocal Laser Scanning Microscope，CLSM）觀察氣缸套和活塞環(huán)磨損后的表面形貌，通過測量氣缸套與活塞環(huán)已磨損區(qū)域和未磨損區(qū)域的臺階來表征其線磨損量。

采用ZEISS-SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對配對副磨損前、后的微觀形貌進行觀察與分析。

利用X射線光電子能譜（X-ray Photo-electron Spectroscopy，XPS）對氣缸套和活塞環(huán)表面摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的種類和數(shù)量進行檢測與分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 添加劑濃度對含離子液體潤滑油摩擦性能的影響

選用氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對副作為研究對象，在相同載荷和溫度條件下進行試驗。圖4所示為含不同質(zhì)量分數(shù)離子液體的潤滑油對應(yīng)的摩擦力曲線。

從圖4中可以看出，低載荷條件下，基礎(chǔ)油潤滑條件下的摩擦力明顯高于添加離子液體的潤滑油潤滑時的摩擦力，這是由于基礎(chǔ)油中沒有極性官能團（羧基、羥基、硫酸鹽和季銨鹽等），基礎(chǔ)油潤滑的滑動面難以形成穩(wěn)定而牢固的油膜所致。在基礎(chǔ)油中加入離子液體后，低載荷磨合階段的摩擦力明顯下降，這可能是由于配對副在摩擦過程中產(chǎn)生了電位差，使離子液體中的官能團吸附在基體表面，從而降低了摩擦力[16]。但在高載荷的穩(wěn)定磨損階段，采用基礎(chǔ)油潤滑時的摩擦力迅速下降并保持穩(wěn)定，而采用加入離子液體的潤滑油潤滑時的摩擦力需要較長時間才能下降并保持穩(wěn)定。這可能是由于在高載荷條件下，離子液體與基體表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，形成了摩擦化學(xué)反應(yīng)膜[17]。摩擦化學(xué)反應(yīng)需要一定的時間，故添加離子液體后摩擦力所需的穩(wěn)定時間明顯長于采用基礎(chǔ)油潤滑的情況。當離子液體質(zhì)量分數(shù)為2.0%時，磨合階段和穩(wěn)定磨損階段的摩擦力均是最低且最穩(wěn)定的；當離子液體的質(zhì)量分數(shù)為3.0%時，磨合階段和穩(wěn)定磨損階段的摩擦力均是4種添加濃度中最大的；當離子液體質(zhì)量分數(shù)為1.5%時，磨合階段的摩擦力接近離子液體質(zhì)量分數(shù)為2.0%的情況，但穩(wěn)定磨損階段的摩擦力也大于離子液體質(zhì)量分數(shù)為2.0%的情況。

因此，本文試驗最終選取離子液體質(zhì)量分數(shù)為2.0%，這與Qu[18]的試驗結(jié)果相似。值得注意的是，加入不同質(zhì)量分數(shù)的離子液體對潤滑油的減摩性能影響具有較大差異，但均優(yōu)于純基礎(chǔ)油潤滑的情況。

3.2 溫度對離子液體在活塞環(huán)-氣缸套間減摩耐磨性能的影響

圖5所示為試驗載荷為40 MPa時3種溫度條件下采用含離子液體潤滑油潤滑時的氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)的摩擦力曲線。

由圖5可知，離子液體對氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對副中基礎(chǔ)油的減摩性能有顯著影響。與基礎(chǔ)油相比，添加離子液體后的潤滑油在3種不同溫度下得到的摩擦力均低于使用基礎(chǔ)油潤滑的情況，并且其摩擦力在整個試驗階段更加穩(wěn)定。在磨合期和穩(wěn)定磨損期，添加離子液體的潤滑油潤滑性能均顯著提高。在穩(wěn)定磨損期，采用含離子液體潤滑油潤滑時的摩擦力需要一段時間逐漸下降，最終保持穩(wěn)定，采用基礎(chǔ)油潤滑時的摩擦力可以迅速穩(wěn)定。造成該現(xiàn)象的可能原因是，在穩(wěn)定磨損階段，離子液體與配對副基體發(fā)生反應(yīng)，形成更堅固的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，而發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)需要一定的時間，該摩擦化學(xué)反應(yīng)膜可以有效保護配對副，避免微凸體的直接接觸[19]。

圖6所示為試驗載荷為40 MPa時3種溫度條件下采用含離子液體潤滑油與基礎(chǔ)油潤滑時的氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)對應(yīng)的摩擦因數(shù)。

由圖6可知，在3種溫度下，采用含離子液體潤滑油潤滑時的摩擦因數(shù)均小于采用基礎(chǔ)油潤滑時的情況。在相同載荷下，含離子液體潤滑油潤滑時的摩擦因數(shù)隨著溫度的上升呈先下降、后上升的趨勢，其在180 ℃時的摩擦因數(shù)最低，220 ℃時的摩擦因數(shù)次之，在150 ℃時摩擦因數(shù)最高。而基礎(chǔ)油潤滑時的摩擦因數(shù)曲線隨著溫度的升高而增加，說明隨著溫度的升高，基礎(chǔ)油的油膜承載能力不斷下降，無法有效避免微凸體的直接接觸，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。由上述試驗結(jié)果可知：離子液體可以有效提升基礎(chǔ)油的減摩性能，減少微凸體的直接接觸，降低摩擦因數(shù)。此外，含離子液體潤滑油在溫度較高的情況下具有更低的摩擦因數(shù)，其在180 ℃時摩擦因數(shù)最低，220 ℃次之。這表明此種離子液體在高溫下對基礎(chǔ)油的減摩性能改善效果更好，這可能是由于離子液體在高溫下與基體表面發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)更為劇烈，形成了更致密的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜[20]。該化學(xué)反應(yīng)膜與離子液體分解產(chǎn)生的物理吸附膜共同作用，減小了滑動過程中配對副的摩擦。

為了進一步驗證離子液體在發(fā)動機油中是否仍具有良好的減摩性能，在溫度為180 ℃、載荷為40 MPa的試驗條件下向CF-4 10W-40發(fā)動機油中加入離子液體，使其質(zhì)量分數(shù)達到2.0%，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，向發(fā)動機油中添加離子液體仍可以有效降低摩擦因數(shù)，且離子液體在發(fā)動機油中仍具有良好的減摩效果，證實了離子液體在該工況下可以改善成品油的潤滑性能，并可作為其潛在的替代品[21]。

3.3 離子液體潤滑油添加劑對活塞環(huán)-氣缸套磨損性能的影響

圖8所示為試驗載荷為40 MPa時3種溫度條件下采用含離子液體潤滑油與基礎(chǔ)油潤滑時的氮化氣缸套和噴鉬活塞環(huán)的磨損量對比結(jié)果。

試驗結(jié)果表明：含離子液體潤滑油在3種溫度下均能有效降低氣缸套和活塞環(huán)的磨損深度。與基礎(chǔ)油相比，其在180 ℃時缸套磨損量下降比例最大，為16.4%，在220 ℃、150 ℃時缸套磨損量分別下降7.3%和7.1%。與采用基礎(chǔ)油相比，采用含離子液體潤滑油潤滑時噴鉬活塞環(huán)在220 ℃、180 ℃、150 ℃時的磨損深度分別對應(yīng)下降了32.9%、27.9%和17.7%。該配對副的總磨損深度均隨著溫度的升高而增加。

從圖8中還可看出，活塞環(huán)的磨損量明顯較氮化氣缸套大，造成該現(xiàn)象的原因是氣缸套表面存在高硬度的氮化層，其硬度遠高于對應(yīng)配副的噴鉬涂層，當活塞環(huán)表面沿剪切方向承受較大的剪切力時，活塞環(huán)磨損量較大。除此之外，加入離子液體后，溫度對氣缸套和活塞環(huán)磨損量的影響程度明顯小于潤滑油種類的影響程度。其磨損量在180 ℃與220 ℃時基本無變化，氣缸套和活塞環(huán)在行程中不同位置的磨損情況不同，在行程中部以流體動壓潤滑為主[22]。因此，選用低黏度潤滑油可以有效減少該部位的磨損和摩擦功消耗。

在低黏度基礎(chǔ)礦物油中添加離子液體，取得了良好的減摩效果，表明離子液體可以作為添加劑添加到低黏度潤滑油中，其摩擦學(xué)性能可與現(xiàn)有的高黏度潤滑油相媲美，具有良好的發(fā)展?jié)摿23]。

圖9所示為不同溫度下采用基礎(chǔ)油和含離子液體潤滑油潤滑時的氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對副對應(yīng)的氣缸套的磨損形貌。本文選取2種現(xiàn)象較為明顯的工況進行比對。

由2種溫度下磨損試驗后的表面形貌對比結(jié)果可知，含離子液體潤滑油潤滑情況下的磨損量顯著小于采用基礎(chǔ)油潤滑的情況。采用含離子液體潤滑油潤滑時的氣缸套表面沿滑動方向存在一定數(shù)量的劃痕且珩磨紋存在輕微塑性變形，而采用基礎(chǔ)油潤滑時的氣缸套表面磨損嚴重，表面沿滑動方向存在大量的塑性流動層且多數(shù)珩磨紋被塑性流動層完全填充，氣缸套表面存在部分疲勞剝落現(xiàn)象。

圖10所示為不同溫度下采用基礎(chǔ)油和含離子液體潤滑油潤滑時的氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)配對副對應(yīng)活塞環(huán)的磨損形貌。

活塞環(huán)在180 ℃磨損試驗后的表面沿滑動方向存在黑色發(fā)暗區(qū)域，與180 ℃時磨損后氣缸套表面形貌類似。采用基礎(chǔ)油潤滑時活塞環(huán)表面的磨損程度更為嚴重，沿滑動方向發(fā)生了明顯的塑性流動，且涂層剝落的面積增加。當試驗溫度提高到220 ℃時，采用基礎(chǔ)油潤滑時的活塞環(huán)表面發(fā)生大面積剝落，在剝落處邊緣還發(fā)生了明顯的塑性變形，說明在該溫度下局部油膜已經(jīng)坍塌，無法避免微凸體直接接觸，導(dǎo)致了活塞環(huán)的嚴重磨損。而采用含離子液體潤滑油潤滑時的活塞環(huán)表面沿滑動方向存在大量裂紋，裂紋隨著摩擦的進行不斷擴展，導(dǎo)致活塞環(huán)基體小面積剝落，同時在活塞環(huán)表面發(fā)現(xiàn)麻點和坑穴，這說明此時已發(fā)生疲勞磨損。

為進一步探究不同溫度條件下離子液體對基礎(chǔ)油摩擦學(xué)性能改善的影響，利用XPS表征方法對3種溫度下對應(yīng)氮化氣缸套表面的黑色發(fā)暗區(qū)域進行分析。圖11、圖12所示分別為150 ℃下采用含離子液體潤滑油潤滑時對應(yīng)的氣缸套磨損后表面XPS總譜圖和摩擦膜各元素的XPS精細譜圖。

擬合分峰結(jié)果顯示，離子液體在150 ℃溫度條件下共出現(xiàn)4個峰值。由圖12a可知，C元素共形成1種碳化物（結(jié)合能為288.54±0.1 eV）與4種長鏈含碳聚合物（結(jié)合能分別為286.82±0.1 eV、284.50±0.1 eV、285.03±0.1 eV、285.84±0.1 eV），表明離子液體部分分解，摩擦過程中產(chǎn)生的電勢差與載荷的雙重作用使得陰離子基團分解并吸附在氣缸套基體表面，形成了一層減摩性能較好的物理吸附膜。由圖12b、圖12c可知，F(xiàn)e在摩擦的過程中被氧化，生成了氧化物Fe2O3（結(jié)合能為711.38±0.1 eV）與FeO（結(jié)合能為708.89±0.1 eV），2種氧化物均具有較低的剪切力[24]，并且氧化膜的生成速率大于其消耗速率，可以有效減少配對副表面的直接接觸，從而減小摩擦和磨損。由圖12d可知，在該溫度下生成了膦酸鹽（結(jié)合能為133.49±0.1 eV），說明離子液體中的P元素參與了摩擦化學(xué)反應(yīng)。

當試驗溫度為150 ℃時，采用含離子液體潤滑油潤滑時的氣缸套表面生成的反應(yīng)膜由大量含碳長鏈聚合物、Fe2O3、FeO、膦酸鹽組成。物理吸附膜和摩擦化學(xué)反應(yīng)膜發(fā)生了協(xié)同作用，減小了摩擦與磨損。

圖13、圖14所示分別為180 ℃下采用含離子液體潤滑油潤滑時對應(yīng)的氣缸套磨損后表面XPS總譜圖和氣缸套表面摩擦膜各元素XPS精細譜圖。

從圖14a中可以看出，180 ℃條件下表面摩擦膜中的C元素含量與150 ℃條件下的結(jié)果相比有所增加，說明隨著溫度上升，離子液體分解速度加快，陰、陽離子基團中的碳鏈斷裂程度加劇[25]。離子液體的窄譜結(jié)果表明，在180 ℃條件下生成了多重長鏈含碳聚合物（結(jié)合能分別為288.71±0.1 eV、286.28±0.1 eV、284.76±0.1 eV、285.15±0.1 eV、283.70±0.1 eV）與C-C單鍵（結(jié)合能為284.26±0.1 eV）。以上結(jié)果說明，該溫度下生成的物理吸附膜含量增加，且值得注意的是，在該溫度下沒有檢測到C=C鍵。上述結(jié)果表明，離子液體中的磷酸根陰離子已經(jīng)分解較為徹底，形成了多種聚合物吸附在基體表面。

Fe2p在180 ℃條件下的光譜結(jié)果與150 ℃條件下的光譜結(jié)果相似，在氣缸套表面檢測到Fe2O3、FeS（結(jié)合能分別為710.73±0.1 eV、712.09±0.1 eV）、硫酸鐵（結(jié)合能為714.20±0.1 eV）。生成氧化物的種類增加表明，隨著溫度的升高，摩擦化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度也在增加。180 ℃條件下P元素的分峰擬合結(jié)果與150 ℃時的結(jié)果有所不同。在該溫度下生成了磷酸鐵（結(jié)合能為133.71±0.1 eV）和膦酸鹽（結(jié)合能為133.29±0.1 eV）[25]，這應(yīng)該是前文提到的氣缸套表面黑色發(fā)暗區(qū)域的組成物質(zhì)。180 ℃條件下的XPS結(jié)果表明，隨著溫度的升高，摩擦化學(xué)反應(yīng)的程度更強烈，生成的磷酸鐵、膦酸鹽與氣缸套表面生成的金屬氧化物和聚合物協(xié)同作用，有效降低氣缸套與活塞環(huán)之間的摩擦力，使配對副在該溫度下摩擦因數(shù)達到最低，配對副的磨損量下降比例最高。

圖15所示為220 ℃條件下采用含離子液體潤滑油潤滑時對應(yīng)的氣缸套磨損后表面XPS總譜圖，與摩擦膜相關(guān)的元素為C、O、Fe、P。圖16所示為對應(yīng)的氣缸套表面摩擦膜各元素XPS精細譜圖。

結(jié)合圖15、圖16結(jié)果可知：當試驗溫度達到220 ℃時，C元素的精細譜圖結(jié)果與前2種溫度下試驗結(jié)果存在明顯差異，該結(jié)果只含2種長鏈聚合物（結(jié)合能分別為288.66±0.1 eV、286.09±0.1 eV），且單位時間內(nèi)測得的光電子數(shù)量峰強較180 ℃時有所下降。表明在較高的溫度下，大多數(shù)長鏈含碳聚合物在高溫下分解，氣缸套表面的化學(xué)吸附膜被破壞。而O元素的單位時間內(nèi)測得的光電子數(shù)量峰強則明顯高于180 ℃時的對應(yīng)峰強，且生成的氧化物種類也較多，說明在220 ℃溫度下摩擦化學(xué)反應(yīng)程度更劇烈。

在150 ℃溫度條件下，F(xiàn)e元素精細譜圖的結(jié)果表明，形成了Fe2O3（結(jié)合能為711.58±0.1 eV）、FeO（結(jié)合能為709.58±0.1 eV）與硫酸鹽（結(jié)合能為713.60±0.1 eV）。同時，由于高溫下氧化過程的加劇，基體表面的Fe元素與基礎(chǔ)油中的S元素發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)的過程加速[26]，與180 ℃條件下的結(jié)果相比，氣缸套表面產(chǎn)生的硫酸鹽有所增加。P元素精細譜圖的結(jié)果表明生成了磷酸鹽（結(jié)合能為133.41±0.1 eV）。上述結(jié)論表明，當溫度升高到220 ℃時，雖然吸附在基體表面的化學(xué)吸附膜被破壞，但是隨著摩擦化學(xué)反應(yīng)的加劇，氣缸套表面氧化程度隨之加劇，形成了多種氧化物。伴隨著離子液體分解氧化過程，形成的磷酸鹽與多種氧化物在配對副表面協(xié)同作用，從而彌補了被破壞的物理吸附膜所能起到的減摩效果，因此，在220 ℃溫度條件下的摩擦因數(shù)較150 ℃溫度條件下小，但較180 ℃溫度條件下大。

3.4 膦酸鹽型離子液體在高強化工況下的潤滑機制

在摩擦磨損過程中，由于低能電子外溢，摩擦表面帶有正電，因此，大量的陰離子自發(fā)地吸附在摩擦界面上。由于靜電相互作用，陽離子吸附在陰離子表面[27]。隨著摩擦過程的進一步加劇，陰離子和陽離子在基體表面發(fā)生復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)膜[28]。

在本文試驗中，對磨損表面進行表征后發(fā)現(xiàn)，離子液體在高溫高載荷的高強化工況下具有良好的減摩效果。在150 ℃條件下，離子液體的陰、陽離子基團初步分解，形成少量含碳和含磷的聚合物吸附在氣缸套表面的氧化膜上。當溫度逐漸升高時，摩擦化學(xué)反應(yīng)愈發(fā)劇烈，離子液體中的陰、陽離子基團進一步分解，形成大量的含碳長鏈聚合物和磷酸酯，能有效分離摩擦界面，減少微凸體的直接接觸，進一步減小氣缸套和活塞環(huán)的摩擦磨損。而當溫度上升到220 ℃時，吸附在氣缸套表面氧化物上的含碳長鏈聚合物和磷酸酯開始分解，其數(shù)量和種類明顯減少，導(dǎo)致離子液體在該溫度下潤滑性能下降，但其潤滑性能仍優(yōu)于150 ℃條件下的情況。

4 結(jié)束語

本文將膦酸鹽基離子液體作為減摩添加劑均勻分散到基礎(chǔ)油中，選取內(nèi)燃機中典型配對副氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)進行試驗，確定了該配對副中離子液體添加到基礎(chǔ)油中時其最優(yōu)質(zhì)量分數(shù)。在此基礎(chǔ)上進行溫度級試驗，研究了高強化工況下膦酸鹽基離子液體對基礎(chǔ)油減摩耐磨性能的影響，并分析了相關(guān)機制。研究結(jié)論如下：

a. 在基礎(chǔ)油中加入離子液體潤滑油添加劑可以顯著提高氮化氣缸套-噴鉬活塞環(huán)間的減摩與耐磨性能，本文試驗中膦酸鹽基離子液體作為減摩劑的最佳質(zhì)量分數(shù)為2.0%。

b. 在載荷不變的情況下，采用含離子液體潤滑油潤滑時的配對副摩擦因數(shù)在180 ℃時最低，220 ℃時次之，150 ℃時最高。這種膦酸鹽基離子液體能有效降低氣缸套和活塞環(huán)的磨損，且氣缸套和活塞環(huán)的磨損隨著溫度的升高而增加。

c. XPS的表征結(jié)果表明，膦酸鹽基離子液體能在氣缸套表面形成物理吸附膜和致密的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜，可有效分離摩擦界面，從而降低摩擦磨損。通過對XPS的試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，試驗溫度為180 ℃時離子液體潤滑性能最好，是由于在此溫度下離子液體中的陰、陽離子基團的分解較為徹底，并且隨著溫度的升高，摩擦化學(xué)反應(yīng)程度愈發(fā)劇烈，形成的長鏈含碳聚合物物理吸附膜和摩擦化學(xué)反應(yīng)膜在基體表面協(xié)同作用，減少了摩擦表面的相互接觸，從而有效降低摩擦磨損。

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（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年2月12日。