油酸离子液体作为镁合金润滑剂的摩擦学性能研究_狄聪.pdf

宝鸡文理学院学报（自然科学版），第 卷，第期，第 页，年 月 （），：油酸离子液体作为镁合金润滑剂的摩擦学性能研究狄聪，王俊华，郝达，韩云燕（宝鸡文理学院 化学化工学院，陕西 宝鸡 ）摘要：目的以油酸为原料制备种不同阳离子结构的油酸基离子液体，表征其粘度、热稳定性和腐蚀性，考察这类离子液体对镁合金的润滑性能，并分析其润滑作用机理。方法采用简单的酸碱中和法制备油酸离子液体，并利用 微动摩擦磨损试验机、三维表面轮廓仪考察其摩擦学性能，采用接触电阻、射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜对润滑作用机制进行探究。结果种油酸离子液体具有良好的粘温性能和热稳定性，但对镁合金具有一定的腐蚀性，且阳离子结构对粘度、热稳定性和腐蚀性具有显著影响；作为镁合金润滑剂，种油酸离子液体表现出优异的润滑性能，且阳离子结构对油酸离子液体的润滑性能影响较小；表明在摩擦实验过程中，在镁合金表面形成了含有氧化镁、氮化物等物质的摩擦膜。结论种油酸离子液体对钢镁合金摩擦副具有优异的润滑性能，且物理吸附膜和摩擦化学反应膜共同决定了其润滑性能。关键词：油酸离子液体；镁合金润滑剂；摩擦学性能；摩擦膜中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，（）（），收稿日期：，修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；陕西省教育厅重点实验室项目（）；陕西省大学生创新创业训练计划项目（）；宝鸡文理学院大学生创新创业训练计划资助项目（）作者简介：狄聪（），女，陕西西安人 ：通讯作者：韩云燕（），女，甘肃静宁人，讲师，博士，研究方向：高性能润滑剂研发 ：，：；镁合金被誉为“世纪绿色工程材料”，因具有密度小，比强度、比刚度高，导电、导热性能优良等特点，而备受汽车制造、航空航天、电子计算机制造等工业部门的青睐，成为未来新型材料的发展方向之一。但是镁合金的一些特点限制了其加工和应用，如高化学活性，低平衡电位，低的塑性变形能力（室温下）等，。合适的润滑剂不仅能够降低加工过程的能耗，提高机器的使用寿命，而且能改善镁合金制品的质量如尺寸精度、表面粗糙度及清洁性，并且良好的润滑剂也能够扩大镁合金的应用范围，对镁合金的加工效率和应用前景具有十分重要的工业价值和现实意义。因而，开发出对镁合金具有优异性能的润滑剂具有重要意义。然而，目前还没有专门适用于镁合金成形加工的润滑剂。尽管在一些情况下，在镁合金的加工过程会使用铝合金的加工成形润滑剂，但其效果并不令人满意。并且，常用的铝合金成型润滑剂主要为含，等元素的化合物。这些润滑剂不仅成本高，而且排放会引起环境污染等一系列问题。随着人们对资源、能源和环境问题的重视，绿色高效环保型润滑剂的研究已成为合成润滑剂的主要方向。离子液体作为一种绿色溶剂，因具有高的热稳定性、低挥发性、不燃性、优良的导电性能等而成为一种高性能的润滑剂被广泛研究 。但是离子液体作为镁合金的润滑剂少有研究，并且常规的四氟硼酸盐和六氟磷酸盐离子液体制备成本较高，且对金属具有较强的腐蚀性。脂肪酸作为一种有机酸，只含有，元素，不含，等对环境有危害的元素，环境友好，且大多数脂肪酸可以从动植物体中分离，来源丰富且可再生。脂肪酸类润滑剂含有的羧基在金属表面具有较好的吸附性，能够形成有效的吸附膜，是优异润滑性能的主要原因之一。而且与，等元素相比，镁更倾向于与 配位，因而在镁合金表面应该具有较好的成膜性。基于此，我们以油酸为原料，制备出种不同阳离子结构的油酸离子液体，研究他们作为润滑剂的理化性能，考察他们对镁合金的润滑性能，并通过多种手段探索其润滑作用机理。实验部分 离子液体的制备离子液体的制备可参考文献 ，油酸四丁铵（）离子液体由等摩尔量的四丁基氢氧化铵水溶液和油酸中和反应制得，将 的四丁基氢氧化铵水溶液滴加到 油酸的乙醇溶液中，室温搅拌，旋转蒸发除去溶剂，真 空 干 燥 。油 酸 四 丁 基 磷 离 子 液 体（）由等摩尔量四丁基氢氧化磷水溶液和油酸采用上述同样的方法合成。油酸二丁铵离子液体（）由等摩尔量的二正丁胺和油酸室温搅拌，然后真空干燥 制得。油酸离子液体的结构由核磁共振氢谱和碳谱（）确认，具体数据如下：（，）（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，）。（，），。：（，）（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，）。（，），。：（，）第期狄聪 等油酸离子液体作为镁合金润滑剂的摩擦学性能研究 （，），（，），（，），（，），（，），（，），（，），（，）。（，），。图油酸离子液体的阴阳离子结构示意图 理化性能表征所制备的油酸离子液体和对照样 的运动粘度（和 ）采用石油产品运动粘度仪（）测量，并用该数据计算润滑剂的 粘 度 指 数。采 用 耐 驰 的 同 步 热 分 析 仪（）分析润 滑 剂的热 稳定性，采用氮气气氛，温度从室温升至 ，升温速率为 。离子液体的腐蚀性可参考文献 ，将离子液体滴在 镁合金块上，使润滑剂覆盖镁合金表面，在大气环境中放置（室温，相对湿度：）。腐蚀试验后，洗掉镁合金表面的润滑剂，采用金相显微镜（，放大 倍）观察镁合金表面。摩擦磨损测试摩擦试验使用 微动摩擦磨损试验机（德国 油脂公司），摩擦副的接触方式为球盘模式，下试样为 镁合金盘，尺寸为 ，硬度为 ，将 的 钢球作为上试对偶件。测试开始前，将离子液体样品 滴加在球盘之间。摩擦试验所施加的载荷为，振动频率为 ，振幅，摩擦试验持续时间为 ，温度为 。摩擦系数由仪器自动记录，镁合金表面磨斑的磨损体积由三维表面轮廓仪（）测得。磨斑表面表征用（）观察磨斑表面形貌，用 射线光电子能谱仪（，）分析镁合金盘磨斑表面特征元素的化学状态，以 结合能 作为内标。结果与讨论 离子液体的理化性能所制备的油酸离子液体的运动粘度如表所示，可以看出，阳离子结构对离子液体的粘度有显著影响，季铵盐油酸离子液体的粘度显著高于季磷盐油酸离子液体，而质子化的二丁铵油酸离子液体的粘度最低。粘度指数是润滑剂的重要性能，表明离子液体的粘温性能，从表中可以看出，该类离子液体具有较好的粘温性能，其中质子化离子液体 的 粘度指数最高，季磷盐 次之，而季铵盐 的最小。表对照样及所制备离子液体的运动粘度和粘度指数 图所示为不同润滑剂的热重曲线，从图中可以看出，所制备的油酸离子液体均具有良好的热稳 定 性。其 中 铵 盐 离 子 液 体 和 的热分解温度相对较低，初始分解温度为 ，而季磷盐离子液体的热分解温度远高于铵盐离子液体，其初始热分解温度略高于 ，与 相当。图所示为常规腐蚀试验后镁合金表面形貌图。可以看出，对镁合金表面几乎无腐蚀，而合成的离子液体对镁合金表面有一定的腐蚀作用，这主要归因于镁合金的高活性以及离子液体的高极性。种离子液体中，季磷盐油酸离子液体 对镁合金表面腐蚀最为严重宝鸡文理学院学报（自然科学版）年（图（），其次是季铵盐油酸离子液体 （图（），而质子化的 对镁合金几乎无腐蚀（图（）。摩擦学性能图为润滑剂的摩擦系数变化曲线和磨损体积柱状图，由图（）可以看出，参照样 的摩擦系数在试验过程中波动较大，且摩擦系数高达 ，而脂肪酸离子液体的摩擦系数在 左右，且整个摩擦试验过程中比较平稳，表明该类离子液体对钢镁合金摩擦副具有优异的减摩性能。并且种油酸离子液体的摩擦系数相差不大，其中质子化的离子液体 的摩擦系数最低且稳定，季磷盐 的摩擦系数略大。由图（）可以看出，制备的脂肪酸离子液体作为镁合金润滑剂，具有优异的抗磨性能，其磨损体积相较于 降低了 左右，且不同阳离子油酸离子液体润滑后镁合金表面的磨损体积相差不大。图 及油酸离子液体的热重曲线图 图腐蚀试验后镁合金的表面（）空白对照组；（）；（）；（）；（）（）；（）；（）；（）；（）图不同润滑剂润滑钢镁合金的摩擦系数变化曲线（）及平均摩擦系数和磨损体积柱状图（）（），（）接触电阻通过采集摩擦试验过程中的接触电阻（图）来探究试验过程中油酸基离子液体在摩擦副表面的成膜性能。由图可知，的平均接触电阻最小，在整个摩擦试验过程中维持在 左右，说明在摩擦试验中，润滑下镁合金磨斑表面形成的摩擦膜较薄，这也与其润滑性能一致。而种油酸基离子液体润滑过程中，摩擦副间的平均接触电阻较大，说明摩擦膜较厚，且其摩擦系数和磨损体积都较低，说明形成的摩擦膜起第期狄聪 等油酸离子液体作为镁合金润滑剂的摩擦学性能研究到了良 好 的 润 滑 效 果。在 摩 擦 试 验 开 始 时，润滑下的接触电阻波动较大，说明形成的摩擦膜不稳定，这与该离子液体呈现出的摩擦系数一致，随后，种离子液体润滑性的摩擦副接触电阻大小比较接近，且较为平稳，但在摩擦试验后期，和 润滑下的接触电阻有所下降，而 的依然平稳，说明该离子液体能够在镁合金表面形成较为稳定的摩擦膜，而这也是其润滑性能较好的原因。磨斑表面形貌不同润滑剂润滑后镁合金磨斑表面形貌如图所示，可以看出，对照样 润滑后镁合金表面磨斑较大，磨斑中部存在大面积剥落现象，为粘着磨损，且磨斑表面存在较浅的平行沟槽，为磨粒磨损。种油酸离子液体润滑后镁合金表面的磨斑较 润滑后的磨斑小，该结果与磨损体积一致。其中 和 润滑后磨斑表面存在较浅的犁沟，其磨损机制主要为磨粒磨损，而 润滑后镁合金表面的犁沟较深，磨粒磨损较严重，且表面有蚀点存在，说明存在腐蚀磨损，与其较强的腐蚀性吻合。图摩擦试验过程中接触电阻随时间变化曲线 图不同润滑剂润滑后镁合金磨斑表面扫描电镜（）图像（，）；（，）；（，）；（，）（，）；（，）；（，）；（，）分析为进一步阐明该类离子液体的润滑作用机理，采用 研究了镁合金磨斑表面的元素状态，结果如图所示。在 的结合能峰值对应为金属镁，在 处的峰值，在 左右的峰值以及 在 左右的峰值，对应为 ，等物质 。基础油 润滑后镁合金磨斑表面的 结合能在 处的峰值相对较高，说明相比于离子液体，润滑过程中存在较高含量的未反应的金属镁，摩擦反应膜较薄，这也与接触电阻的结果一致。而种油酸离子液体润滑后镁合金表面金属镁的相对含量较小，说明摩擦化学反应较为剧烈，摩擦膜主要由 ，等组成，其中 在 处的峰值较另外种离子液体的略强，说明其摩擦膜中存在较多未反应的金属镁。在 左右出现较弱的峰值，对应为氮氧化物或者氮化物，。润滑后镁合金磨斑表面 峰值较弱，说明阳离子在摩擦膜中的含量较低。从摩擦试验过程中的接触电阻和磨斑表面 能谱图可以看出，油酸离子液体对镁合金具有优异的减摩抗磨性能归因于他们在镁合金表面形成的摩擦膜。离子液体的阴阳离子结构以及他们包含的极性基团羧基易于在镁合金表面吸附；且在摩擦过程中产生的高温高压条件下，离子液体与镁合金发生反应，形成摩擦化学反应膜，因而该类离子液体具有优于 的减摩抗磨性能。宝鸡文理学院学报（自然科学版）年图不同润滑剂润滑后镁合金磨斑表面 能谱图 结论（）所制备的种油酸离子液体具有良好的粘温性能和热稳定性，但对镁合金表面具有一定的腐蚀性，且阳离子结构对其理化性能影响较为显著。（）所制备的脂肪酸离子液体对镁合金具有优异的润滑性能，且阳离子结构对其润滑性能影响较小，阴离子起主要作用。（）脂肪酸离子液体在镁合金表面形成的物理吸附膜和摩擦化学反应膜使得他们对钢镁合金摩擦副具有优异的润滑性能。参考文献：，：，（）：，：，（）：谢红梅，蒋斌，彭程，等 复合纳米基润滑油在镁合金冷轧中的摩擦学性能及润滑机理材料导报，（）：，（）：，（）：韩云燕，范晓丽，凡明锦 多库酯类离子液体作为基础油添加剂对镁合金的润滑性能研究宝鸡文理学院学报（自然科学版），（）：，黄福川，杨茂立，谢云果，等环境友好型镁合金加工润滑油的研制轻合金加工技术，（）：，（）：，：，（）：，第期狄聪 等油酸离子液体作为镁合金润滑剂的摩擦学性能研究 ，（）：李奕霏，杜忠泽，朱晓雅，等镁合金板材轧制润滑技术的研究进展 热加工工艺，（）：，：，：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，：，（）：，：韩云燕，范晓丽，凡明锦，等多库酯类离子液体作为镁合金润滑剂的摩擦学性能及机理研究 摩擦学学报，（）：，（，），（）：，（）：，（）：（编校：顾洪溪）（上接第 页），（）：，（）：，（）：，（），：（编校：顾洪溪）宝鸡文理学院学报（自然科学版）年