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有機(jī)鉬對(duì)低黏度潤(rùn)滑油摩擦學(xué)性能的影響

來(lái)源：時(shí)間：2022-08-24 09:34:15 瀏覽：2185次

摘要

目的：制備一種非活性油溶性有機(jī)鉬添加劑（SPFMo）以為滿足汽油發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油低黏度化發(fā)展的需求。

方法：將 SPFMo 添加到 0W–20 潤(rùn)滑油中，利用 SRV 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)詳細(xì)分析了在不同溫度、載荷條件下，自研減摩劑 SPFMo、商用減摩劑 Molyvan855 和商用抗磨劑 MOM201 在 0W–20 中摩擦學(xué)性能的影響，并采用3D激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)摩擦副表面進(jìn)行分析。

結(jié)果：SPFMo 具有良好的減摩抗磨性能，并有效降低潤(rùn)滑油 0W–20 的摩擦因數(shù)及磨損率。摩擦過(guò)程中鉬元素會(huì)發(fā)生富集，并發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成包含硫–鉬–氧的復(fù)合減摩片層，實(shí)現(xiàn)減摩抗磨功能。SPFMo 添加到 0W–20 中可以發(fā)揮良好摩擦學(xué)性能的使用溫度區(qū)間和載荷區(qū)間分別為 80~180 ℃和 150~250 N（1 559~1 848 MPa）。0W–20+1% SPFMo 與潤(rùn) 滑油 0W–20 相比，在 130 ℃、200 N 下，摩擦因數(shù)降低 13.28%，磨損率降低 37.91%；在 130 ℃、250 N 下，摩擦因數(shù)降低18.05%，磨損率降低 57.68%。0W–20+1% SPFMo 潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)隨溫度的升高先減小后增大，隨載荷的增大而減小；磨損率隨溫度的升高先減小后增大，隨載荷的增大而減小。

結(jié)論：低黏度潤(rùn)滑油中添加 SPFMo 可有效增強(qiáng)其摩擦學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：低黏度潤(rùn)滑油；非硫磷有機(jī)鉬；減摩；抗磨；汽油發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TH117

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3660(2022)07-0107-10

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.010

正文

摩擦是指兩個(gè)接觸的物體表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦過(guò)程中由于物理或化學(xué)作用而產(chǎn)生的能量不斷損失的現(xiàn)象，摩擦磨損過(guò)程中帶來(lái)了大量的能量損失及材料損耗。因此，近些年廣大學(xué)者不斷開展新型減摩抗磨技術(shù)的研究。賈陸營(yíng)等^[1]通過(guò)羥基硅酸鎂粉體表面改性，提高羥基硅酸鎂粉體在設(shè)備磨損表面的成膜性能，減少磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。王陳向等^[2]通過(guò)在潤(rùn)滑油中加入改性納米坡縷石達(dá)到減摩抗磨的作用。鉬具備優(yōu)良的潤(rùn)滑特性，首次被人們所關(guān)注是固體二硫化鉬（MoS₂）粉末。MoS₂ 本身為片層結(jié)構(gòu)，層與層之間的結(jié)合力為范德華力，在摩擦過(guò)程中易發(fā)生滑動(dòng)，故而具有優(yōu)異的減摩效果?；粲⒔艿?/span>^[3]制備的納米球狀 MoS₂ 作為潤(rùn)滑油添加劑顯著提高了潤(rùn)滑油的極壓性能。沃恒洲等^[4]也發(fā)現(xiàn)同 MoS₂ 微粒相比，nano–MoS₂ 更易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在鋼球磨損表面形成含 MoO₃ 的表面膜，nano–MoS₂ 添加劑的極壓、抗磨和減摩性能優(yōu)于普通 MoS₂。由于其分散性和油溶性較差，在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚及沉淀析出，使得發(fā)動(dòng)機(jī)油的潤(rùn)滑性能下降。其他納米添加劑也存在類似問(wèn)題，如納米銅^[5-6]、納米氮化硼^[7]、鈦基納米粒子^[8]、石墨烯^[9]等。為了解決納米顆粒在潤(rùn)滑油中的分散性問(wèn)題，許多學(xué)者相繼開發(fā)了一系列活性油溶性有機(jī)鉬添加劑，如油溶性納米銅^[10]、二烷基二硫代磷酸鉬和二烷基二硫代氨基甲酸鉬^[11-12]等。這些活性基團(tuán)改性添加劑能夠在潤(rùn)滑油中保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定分散，還具有一定的抗氧化、抗腐蝕性能，但二烷基二硫代磷酸基中含有的硫、磷等活性元素會(huì)存在一定的腐蝕問(wèn)題和環(huán)保問(wèn)題。

隨著近些年汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，加上環(huán)保要求不斷嚴(yán)苛，要求在不降低發(fā)動(dòng)機(jī)油的抗磨、減摩、高溫穩(wěn)定性的前提下，盡可能降低潤(rùn)滑油中含有的硫和磷元素^[13]。國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者進(jìn)行了非硫磷油溶性有機(jī)鉬的研究。龔民等^[14]合成了一種非硫磷有機(jī)鉬添加劑，并考察了其和 Molyvan855 的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)該添加劑和 Molyvan855 添加到鋰基脂中都能夠發(fā)揮較好的摩擦學(xué)性能。但是非硫磷有機(jī)鉬添加劑主要應(yīng)用于潤(rùn)滑油中，以鋰基脂作為潤(rùn)滑材料得出的結(jié)論難以直接應(yīng)用到潤(rùn)滑油中。井致遠(yuǎn)等^[15]利用 SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察 Molyvan855 的減摩抗磨性能，發(fā)現(xiàn) Molyvan855 以不同添加量調(diào)入到柴油中后，在45號(hào)鋼上的減摩性能隨添加量的增大而提高，抗磨性能隨添加量的增大而降低；在 GCr15 鋼上的潤(rùn)滑效果要優(yōu)于 45 號(hào)鋼，且摩擦因數(shù)和磨損體積均隨添加劑添加量的增加而減小?，F(xiàn)有研究多為考察非活性油溶性有機(jī)鉬在潤(rùn)滑脂、純基礎(chǔ)油或高黏度潤(rùn)滑油中的摩擦學(xué)性能。而作為發(fā)動(dòng)機(jī)油添加劑，非活性鉬添加劑通常被添加到全配方潤(rùn)滑油中，且可能被應(yīng)用于高溫、重載等苛刻工況。目前市場(chǎng)上 R. T. Vanderbilt公司生產(chǎn)的 Molyvan855（鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%）以及旭化成株式會(huì)社生產(chǎn)的Sakura–lube 700（鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù) 4.4%）代表著非硫磷油溶性有機(jī)鉬添加劑的先進(jìn)水平^[16]，常用的潤(rùn)滑油添加劑還有極壓抗磨劑（如 MOM201等），因此本文將 Molyvan855 和 MOM201 作為對(duì)比添加劑。最近幾年，很多汽車主機(jī)廠已經(jīng)采用 0W–20級(jí)別的機(jī)油，并嘗試開發(fā)使用黏度更低的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油^[17-18]，0W–20 機(jī)油標(biāo)號(hào)表示其在–30 ℃時(shí)仍能發(fā)揮良好的潤(rùn)滑性，在 100 ℃下的黏度為 5.6~9.3 mm² /s。。實(shí)驗(yàn)室前期制備了一種非活性有機(jī)鉬添加劑（SPFMo）^[19]，并通過(guò)四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了其在低黏度 0W–20 成品油中的摩擦學(xué)性能，考察在點(diǎn)–點(diǎn)摩擦過(guò)程中，添加劑所起到的減摩抗磨作用。本文通過(guò) SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察含 SPFMo 、 Molyvan855 、MOM201 等 3 種添加劑的低黏度 0W–20 成品油在點(diǎn)–線摩擦過(guò)程中的表現(xiàn)，分析了不同的載荷、溫度等條件對(duì)添加劑減摩抗磨效果的影響。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1有機(jī)鉬制備及添加

本文用到的非活性油溶性有機(jī)鉬添加劑（SPFMo）在實(shí)驗(yàn)室合成，利用植物油、乙醇胺、鉬酸銨等原料一步合成 SPFMo，鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.05%，紅外譜圖和分子式見圖 1。所用到的 Molyvan855 添加劑為范德比爾特所生產(chǎn)的添加劑，其中鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。所用到的 MOM201 添加劑（Macromolecular Organic Matter 201）為市面上一種常見的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油添加劑，幾種添加劑和基礎(chǔ)油 SN 0W–20 的熱重曲線如圖1a 所示。在 250 mL 燒杯中加入 100 g SN 0W–20 潤(rùn)滑油和 1 g 添加劑，將燒杯置于 60 ℃水浴中磁力攪拌0.5 h，攪拌結(jié)束后自然冷卻，收集待用。

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圖 1 添加劑和 SPFMo 表征

Fig.1 Characterization of additive and SPFMo: a) TG curve; b) FTIR; c) proposed structure model

1.2 摩擦學(xué)性能測(cè)試

利用 SRV–5 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試含有不同添加劑潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能，其摩擦測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。試驗(yàn)鋼球和鋼盤所用材質(zhì)為軸承鋼 GCr15，硬度為 59~61HRC，鋼球直徑為 10 mm。試驗(yàn)條件：往復(fù)式摩擦，行程 2 mm，頻率 50 Hz，溫度分別為30、80、130、180、230 ℃，載荷分別為 50、100、150、200、250 N，對(duì)應(yīng)的接觸應(yīng)力分別為 1 081、1 362、1 559、1 716、1 848 MPa，試驗(yàn)時(shí)間為 60 min。采用3D 激光顯微鏡對(duì)磨痕的寬度、體積進(jìn)行測(cè)量，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察分析磨痕的微觀形貌和表面成分。微信截圖_20220823171838.png

圖 2 摩擦測(cè)試系統(tǒng)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of friction test

2、結(jié)果與討論

2.1 摩擦學(xué)性能測(cè)試

將 SPFMo、Molyvan855、MOM201 分別以 1%加入量調(diào)入到 0W–20 中，進(jìn)行油潤(rùn)滑摩擦試驗(yàn)，不同溫度下對(duì)應(yīng)的平均摩擦因數(shù)及磨損率結(jié)果如圖 3 所示。試驗(yàn)條件：載荷 200 N，頻率 50 Hz，行程 2 mm，時(shí)間 3 600 s。對(duì)于潤(rùn)滑油 0W–20，溫度為 30~230 ℃時(shí)，其摩擦因數(shù)基本穩(wěn)定在 0.133~0.137。將 SPFMo 和 Molyvan855 加入 0W–20 后，其摩擦因數(shù)與基礎(chǔ)油相比均明顯降低。0W–20+1% SPFMo 和 0W–20+1% Molyvan855 的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)隨溫度升高而先降低后升高的趨勢(shì)，其中在 130 ℃時(shí)摩擦因數(shù)最低，說(shuō)明有機(jī)鉬添加劑能夠在 130 ℃左右發(fā)揮最佳的減摩性能。在 130 ℃時(shí)，0W–20+1% SPFMo 的摩擦因數(shù)降低到 0.111，與基礎(chǔ)油相比降幅為 13.28%。一般認(rèn)為，溫度低于 130 ℃時(shí)有機(jī)鉬分子斷裂釋放出鉬原子的條件較苛刻，圖 4a—b 中基本不含有鉬元素；溫度高于 130 ℃時(shí)基礎(chǔ)油發(fā)生了較嚴(yán)重的碳化，影響有機(jī)鉬發(fā)揮減摩作用。由圖 4a—j 的磨斑形貌及元素含量可以看出，高溫（180、230 ℃）時(shí)，磨痕表面的黑色痕跡增加，同時(shí)表面的碳元素和氧元素大幅增加。摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，利用 3D 顯微鏡測(cè)量鋼盤和鋼球表面磨痕寬度及體積，通過(guò)磨痕體積計(jì)算得到磨損率結(jié)果如圖 3b 所示，鋼盤表面磨痕寬度及鋼球表面磨痕直徑結(jié)果如表 1 所示。在圖 3b 中，從 30 ℃升至 180 ℃時(shí)，0W–20 的磨損率從 5.04×10^–9 mm³/(N·m)逐漸升高至 10.15×10^?9 mm³ /(N·m)，在 230 ℃時(shí)陡升至 29.83× 10^?9 mm³ /(N·m)，說(shuō)明隨著溫度的升高，0W–20 的黏度不斷降低，在 230 ℃時(shí)潤(rùn)滑油黏度進(jìn)一步降低，很難發(fā)揮較好的潤(rùn)滑作用。由表 1 可知，4 種潤(rùn)滑油的鋼球磨痕直徑和鋼盤磨痕寬度基本都隨溫度的升高而增大，且 SPFMo、Molyvan855 和 MOM201 加入 0W–20后對(duì)于磨痕直徑和磨痕寬度的降低不明顯。值得注意的是在 230 ℃時(shí)，0W–20+1% MOM201 與 0W–20 相比磨痕直徑降低了 17.75%，磨痕寬度降低了 18.76%。

結(jié)合圖 3b 和表 1 可知，30~180 ℃下在 0W–20中加入 SPFMo 后，在一定程度上降低了鋼球和鋼盤的磨損率，在發(fā)揮減摩作用的同時(shí)發(fā)揮了抗磨作用。130 ℃時(shí)，與 0W–20 相比，加入 SPFMo 能夠使鋼盤的磨損率降低 37.91%。230 ℃時(shí)由于潤(rùn)滑油黏度降低難以發(fā)揮較好的潤(rùn)滑作用，SPFMo 也難以發(fā)揮出減摩抗磨作用。而 MOM201 加入到 0W–20 中后在 230 ℃ 時(shí)也起到了較好的抗磨作用，與 0W–20 相比鋼盤的磨損率降低了 73.39%。這是由于 MOM201 是一種硼改性聚合物基極壓抗磨劑，在高溫高壓作用下，抗磨劑中的硼元素活化，并與基底反應(yīng)形成含有 FeB、 Fe₂B 等超硬物質(zhì)的高強(qiáng)度吸附膜。即使在 230 ℃時(shí)潤(rùn)滑油黏度降低，F(xiàn)eB、Fe₂B形成的邊界膜能夠在高溫高壓條件下仍發(fā)揮抗磨性能^[20]。

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圖 3 不同潤(rùn)滑油摩擦因數(shù)（a）及磨損率（b）隨溫度的變化曲線

Fig.3 Different lubricating oil friction factor (a) and wear rate (b) change with temperature

表 1 不同溫度的 SRV 試驗(yàn)?zāi)Σ粮狈治?

Tab.1 Analysis of friction pairs in the SRV test at different temperatures

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圖 4 和圖 5 分別為不同油品在不同溫度下鋼盤表面和對(duì)偶鋼球表面的 SEM 圖像及元素分析。圖 4a—e 是 0W–20+1% SPFMo 的鋼盤表面形貌，其中在溫度低于 80 ℃時(shí)僅有部分區(qū)域能夠發(fā)現(xiàn)硫元素和鉬元素，高于 130 ℃時(shí)硫元素和鉬元素的分布明顯增加，說(shuō)明此溫度下在摩擦副表面形成了一層硫–鉬–氧復(fù)合減摩層。圖 5a—e 是對(duì)偶鋼球表面形貌及元素分析，發(fā)現(xiàn)在鋼球表面都生成了一層硫–鉬–氧減摩層，30~ 130 ℃下，隨著溫度的增加，鋼盤表面出現(xiàn)黏著磨損，隨著摩擦過(guò)程的加劇，有機(jī)鉬在磨痕區(qū)發(fā)揮抗磨作用。隨著溫度繼續(xù)增加，潤(rùn)滑油黏度下降，使膜性變差，成膜性降低，導(dǎo)致潤(rùn)滑油的減摩抗磨作用減弱，鋼盤磨損嚴(yán)重^[21]。圖 4f—j 和圖 5f—j 是 Molyvan855 的鋼盤表面形貌及元素分析，隨著溫度的增加，磨損逐漸加劇。在180 ℃時(shí)，表面開始出現(xiàn)黑色物質(zhì)，這是由于在摩擦過(guò)程中，摩擦區(qū)的溫度更高，導(dǎo)致潤(rùn)滑油碳化成焦，此時(shí)鋼球磨痕表面出現(xiàn)“犁溝”磨損。在 230 ℃時(shí)潤(rùn)滑油氧化程度加深，生成油泥等物質(zhì)腐蝕摩擦副，鋼球表面“犁溝”磨損加劇，導(dǎo)致磨損率急劇增大^[22]。圖 4k—o 和圖 5k—o 是 MOM201 的鋼盤表面形貌及元素分析，MOM201 是高分子有機(jī)物添加劑，所以其磨痕中僅含有 C、O、Cr、Fe 等元素。從圖 4e 和圖 4j 中能夠發(fā)現(xiàn)含有有機(jī)鉬添加劑的表面出現(xiàn)了黏著磨損（圓框選區(qū)域），其碳和氧含量上升明顯，結(jié)果與圖 3b 中磨損率結(jié)果相吻合。

圖 6 為 130 ℃條件下 0W–20+1% SPFMo 鋼盤表面磨痕內(nèi)部分區(qū)域的元素分布。磨痕區(qū)域中的 C、Cr 和 Fe 元素為 GCr15 鋼材中所帶元素，C 和 O 元素為摩擦后潤(rùn)滑油成焦、積碳所產(chǎn)生元素，S 和 Mo 元素是摩擦后的硫–鉬–氧減摩層^[23-24]，是有機(jī)鉬與 0W–20 中的 S、P 元素在摩擦產(chǎn)生的高溫高壓條件下發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、再生成而形成的一層混合減摩層。MoS₂ 為片層結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合力為范德華力，在摩擦過(guò)程中發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而發(fā)揮減摩效果^[25-26]；MoO₃ 為六方晶體結(jié)構(gòu)，在摩擦中晶體間易發(fā)生滑移，從而發(fā)揮減摩效果^[27]。從圖 6a 中的 S 和 Mo 元素分布圖中能夠看出 S 元素和 Mo 元素均勻地分布于磨痕表面，無(wú)密集或稀少區(qū)域，表明其能夠穩(wěn)定地在摩擦區(qū)域內(nèi)發(fā)揮減摩作用。

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圖 4 不同溫度 SRV 試驗(yàn)鋼盤磨痕的 SEM 圖及元素分析

Fig.4 SEM images and elemental analysis of SRV experimental disks with different temperatures conditions: p) element content in frame selection area

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圖 5 不同溫度 SRV 試驗(yàn)對(duì)偶鋼球磨痕的 SEM 圖及元素分析

Fig.5 SEM images and elemental analysis of SRV experimental balls with different temperatures conditions: p) element content in frame selection area

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圖 6 SRV 試驗(yàn)鋼盤磨痕元素分布圖及元素含量（試驗(yàn)條件 0W–20+1% SPFMo，130 ℃）

Fig.6 EDS-mapping and element content of SRV experimental disks (test conditions: 0W-20+1% SPFMo, 130 ℃): a) EDS-mapping; b) element content

由 0W–20 、 0W–20+1% SPFMo 、 0W–20+1% Molyvan855、0W–20+1% MOM201 在不同溫度下的摩擦試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，有機(jī)鉬在不同溫度下均能夠發(fā)揮較好的減摩作用，其中在 130 ℃下能夠發(fā)揮最優(yōu)的減摩性能。下面重點(diǎn)分析在 130 ℃條件下，0W–20、0W–20+1% SPFMo、0W–20+1% Molyvan855、0W–20+1% MOM201 在不同載荷下的抗磨減摩作用，不同潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)及磨損率隨載荷變化如圖 7所示，鋼盤表面磨痕寬度及鋼球表面磨痕直徑結(jié)果如表 2 所示。試驗(yàn)條件：溫度 130 ℃，頻率 50 Hz，行程 2 mm，時(shí)間 3 600 s。

圖 7a 中，在載荷從 50 N 升高至 250 N 過(guò)程中，0W–20 的摩擦因數(shù)由 0.183 逐漸降低，最終穩(wěn)定在0.130~0.133。加入 SPFMo 或 Molyvan855 之后，基礎(chǔ)油的摩擦因數(shù)均明顯降低。在 250 N 時(shí)，0W–20+1% SPFMo 的摩擦因數(shù)為 0.109，與基礎(chǔ)油相比降幅為18.05%。在圖 7b 中，隨著載荷的增大，0W–20 的磨損率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。0W–20+1% SPFMo 在 50~150 N 下的磨損率和 0W–20 相當(dāng)，在 200~250 N 下發(fā)揮了較明顯的抗磨作用，其中 250 N 時(shí)鋼盤的磨損率由 12.55×10^?9 mm³ /(N·m)降低到 5.311×10^?9 mm³ /(N·m)，降幅達(dá)到了 57.68%。而 0W–20+1% Molyvan855 在200~250 N 下也發(fā)揮了較明顯的抗磨作用，但是在50~150 N 下與 0W–20 相比磨損率卻有所上升。這是由于 0W–20 能夠在低于 150 N 的條件下發(fā)揮較好的抗磨及減摩作用，高于 150 N 時(shí)磨損率急劇增大，說(shuō)明摩擦對(duì)偶表面之間形成的保護(hù)膜已被破壞，在高溫高載條件下的邊界潤(rùn)滑過(guò)程中，有機(jī)鉬中的鉬元素被活化，與 0W–20 中的 S、P 元素形成一層混合減摩層，起到了減摩抗磨的作用。

圖 7a—b 中發(fā)現(xiàn)，0W–20+1% MOM201 并沒(méi)有明顯提升 0W–20 的減摩和抗磨性能。結(jié)合圖 3a—b可推斷，MOM201 作為極壓抗磨劑，加入到 0W20 后主要提升了基礎(chǔ)油在較苛刻摩擦條件下的抗磨性。

圖 8 為載荷 100 N、溫度 130 ℃時(shí) 4 種潤(rùn)滑油的鋼盤磨痕圖及豎線所在位置截面的高度分布圖。將圖8 中的高度分布圖、圖 7 中的磨損率以及表 2 中的磨痕寬度 / 直徑綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然 0W–20 和 0W–20+1% SPFMo 的磨痕寬度較大，但其平均磨損深度較小，所以磨損率較低；而 0W–20+1% Molyvan855 和 0W–20+1% MOM201 的磨痕寬度較小，得到的磨痕深度和磨損體積較大，所以其磨損率較高。在低于 150 N 時(shí)，加入 Molyvan855 和 MOM201添加劑后反而降低了 0W–20 的抗磨效果。

圖 9 為 0W–20+1% SPFMo 在不同載荷條件下鋼盤表面和對(duì)偶鋼球表面的 SEM 圖像及元素分析。在載荷為 50 N 時(shí)（圖 9a），鋼盤表面出現(xiàn)磨痕及少量磨屑黏著（圓框選區(qū)域）。隨著載荷的增大，潤(rùn)滑油與鋼盤接觸面積增大，鋼盤與鋼球的潤(rùn)滑增強(qiáng)，磨損降低。圖 9c 中的區(qū)域 4 為未被磨損的鋼盤形貌及元素分析。經(jīng)過(guò)摩擦磨損后，摩擦區(qū)域中除了之前的碳、鉻、鐵 3 種元素，還增加了氧、硫、鉬 3 種元素。其中氧元素和碳元素的變化是由于摩擦過(guò)程中潤(rùn)滑油發(fā)生了碳化及氧化，硫和鉬元素是潤(rùn)滑油中的含硫及含鉬有機(jī)物在摩擦磨損所形成的高溫高壓條件下發(fā)生了舊鍵斷裂及新鍵生成反應(yīng)，在磨損區(qū)域形成了硫 –鉬–氧減摩片層。隨著摩擦磨損過(guò)程的進(jìn)行，復(fù)合減摩片層不斷生成，同時(shí)也在不斷地被消耗，在摩擦磨損過(guò)程中形成了一種動(dòng)態(tài)平衡，不斷發(fā)揮著減摩及抗磨作用。由圖 9a—e 和圖 9k—p 中可發(fā)現(xiàn)，在對(duì)偶的摩擦副中，鋼球上更容易發(fā)生鉬元素富集。這是由于在點(diǎn)–線摩擦中，鋼球始終參與摩擦過(guò)程中，其溫度相對(duì)于鋼盤較高，磨損時(shí)間相對(duì)于鋼盤較長(zhǎng)。

圖 7 不同潤(rùn)滑油摩擦因數(shù)（a）及磨損率（b）隨載荷的變化曲線

Fig.7 Different lubricating oil friction factor (a) and wear rate (b) change with load

表 2 不同載荷的 SRV 試驗(yàn)?zāi)Σ粮狈治?nbsp;

Tab.2 Analysis of friction pairs in the SRV test at different load

微信截圖_20220823175420.png

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圖 8 SRV 試驗(yàn)鋼盤顯微鏡圖像及磨痕截面高度分布圖

（試驗(yàn)條件：100 N，130 ℃，50 Hz，2 mm） Fig.8 Microscope image and the sectional height distribution of SRV experimental disks (experimental conditions: 100 N, 130 ℃, 50 Hz, 2 mm)

微信截圖_20220823175459.png

圖 9 不同載荷 SRV 試驗(yàn)?zāi)Σ粮钡?SEM 圖像及元素分析（試驗(yàn)條件：0W–20+1% SPFMo）

(a、f) 50 N、鋼盤；(b、g) 100 N、鋼盤；(c、h) 150 N、鋼盤；(d、i) 200 N、鋼盤；(e、j) 250 N、鋼盤； (k) 50 N、鋼球；(l) 100 N、鋼球；(m) 150 N、鋼球；(n) 200 N、鋼球；(o) 250 N、鋼球；(p)方框選區(qū)域的元素含量 Fig.9 SEM images of SRV experimental disks and balls with different load conditions (test conditions: 0W-20+1% SPFMo): (a, f) 50 N, disk; (b, g) 100 N, disk; (c, h) 150 N, disk; (d, i) 200 N, disk; (e, j) 250 N, disk; (k) 50 N, ball; (l) 100 N, ball; (m) 150 N, ball; (n) 200 N, ball; (o) 250 N, ball; (p) element content in the framed area

3、結(jié)論

1）非活性油溶性有機(jī)鉬 SPFMo 調(diào)入到潤(rùn)滑油0W–20 后顯著提升了其摩擦學(xué)性能。摩擦過(guò)程中鉬元素會(huì)在對(duì)偶摩擦副表面發(fā)生富集，生成硫–鉬–氧復(fù)合減摩片層，實(shí)現(xiàn)減摩和抗磨功能。

2）當(dāng)溫度處于 80~180 ℃時(shí)，0W–20+1% SPFMo能夠發(fā)揮較優(yōu)的摩擦學(xué)性能。與潤(rùn)滑油 0W–20 相比，在 130 ℃、200 N 時(shí)，0W–20+1% SPFMo 的摩擦因數(shù)降低 13.28%，磨損率降低 37.91%。在 230 ℃時(shí)，0W–20+1% Molyvan855 能夠發(fā)揮較優(yōu)的減摩性能，0W–20+1% MOM201 能夠發(fā)揮較優(yōu)的抗磨性能。

3）當(dāng)載荷處于 150~250 N 時(shí)，0W–20+1% SPFMo能夠發(fā)揮較優(yōu)的摩擦學(xué)性能。與潤(rùn)滑油 0W–20 相比，在 130 ℃、250 N 時(shí)，0W–20+1% SPFMo 的摩擦因數(shù)降低 18.05%，磨損率降低 57.68%。

4）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可知，SPFMo 的建議應(yīng)用溫度為80~180 ℃，建議應(yīng)用載荷為 150~250 N 或 1 559~ 1 847 MPa。在此范圍內(nèi)低黏度潤(rùn)滑油 SN 0W–20 外加1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）SPFMo 能夠發(fā)揮較優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

鄒洋 ¹，張紫銅 ¹ ，李小磊 ^1,2,3，戴媛靜 ^1,2

（1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院潤(rùn)滑技術(shù)研究所，天津 300300； 2.清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 3.季華實(shí)驗(yàn)室，廣東佛山 528200）

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