有机摩擦改性剂润滑的铝合金在碳氢油中的表面化学作用

抽象

滑动对钢铝合金的润滑机理从表面化学的观点出发进行了研究。在烃润滑剂使用甘油单羟基钠盐观察低摩擦和低磨损。增加在摩擦期间铝合金中的硅含量是通过表面观察分析使用（1）的俄歇电子光谱法，（2）用能量分散型X射线光谱仪，和（3）X射线光电子能谱沿着扫描电子显微镜。磨合过程提出了作为润滑机构过程中从最上表面温和去除被动状态（氧化铝）由添加剂。化学添加剂的改善磨合过程中指出的重要性。

1.简介

铝基合金重量轻，并有望成为运输系统的节能材料。铝本质上是一种软金属;因此，它是为了使其能有充分的特性合金化硅和铜。用于铝合金的润滑几种添加剂已经报道了1- - - - - -6];然而，改善铝合金摩擦学性能的润滑剂仍需优化。传统的钢添加剂并不总是能改善铝合金在边界条件下的摩擦学性能[7,8]。这些结果归因于与添加剂和铝表面有关的摩擦化学。需要注意的是，在这种化学中有两类:第一类是添加剂与表面的反应性差(动力学问题)，第二类是摩擦化学反应在表面形成的边界膜的摩擦学特性不充分(热力学问题)。这些问题是通过结合精心设计的摩擦试验和表面分析进行实验研究的[8]。润滑油化学家们，同时为个人材料适当的润滑剂，以考虑这些类别。

用酒精润滑铝合金是众所周知的[9]。形成的无定形类烷氧基铝所组成的边界膜已经通过化学分析检测到[10]。醇和摩擦铝表面之间的直接相互作用也已解析检测[11]。正在讨论的润滑油在铝合金的摩擦性能的分子结构的影响。已经报道了具有超过12个碳的直链伯醇比1,2-二醇[更好的润滑剂11]。许多研究者已经指出了双功能性在润滑剂分子中的重要性。材料和润滑剂分子之间的强相互作用通过一个循环复合物已经被提出。这导致了摩擦学性能的改善[12]。从1,2-二醇和1,3-二醇衍生的铝配合物的热稳定性已指出[13]。在1,2-二醇和上铝 - 钢的接触的摩擦性能1,3-二醇分子结构的影响进行了研究系统[14]。摩擦和磨损通过1,2-二醇和它们的衍生物和，减少到较小的程度上，由1,3-和1,4-二醇。

尽管有上述优点，但酒精不适合作为基液，使用纯酒精作为基液是有问题的。即使在储存过程中也会发生醇的自氧化，生成羧酸;这些酸可能腐蚀金属材料。此外，醇有时会损坏用作机械部件的聚合物。酒精的反应性被认为是造成这些问题的原因。降低反应性的一个实用的解决办法是在中性溶剂中稀释醇。润滑油化学家对这种添加剂技术非常熟悉。因此，我们尝试用醇作为铝合金的润滑添加剂。在我们的初步研究中，我们评价了几种作为烃类流体添加剂的醇。其中，我们发现甘油单酸酯或2,3-二羟丙基9z -十八烯酸酯(GMO，图1）当施加于铝合金滑动对钢提供了良好的润滑性。添加剂具有独特的化学结构：具有在所述终端的所述分子的1,2-二醇部分上的直链酯。该1,2-二醇结构预计通过形成环状配合物[是在铝表面上的锚定12]包含铝原子，两个氧原子，和两个碳原子。直链部分提供了可降低摩擦稠密填充边界膜。在这项研究中，我们调查了铝 - 硅合金的润滑机构通过GMO在烃从表面化学的观点来看。

2.实验

2.1。化学品和材料

采用角鲨烷和聚-烯烃(PAOs)作为基液。前者被选为基础研究的纯烃。它们的粘度列于表中1。添加剂，GMO的结构，在图中示出1。样品小号for use in the tribotest were prepared by dissolving GMO in hydrocarbon oil at a concentration of 50 mmol kg^-1（1.8质量％）。在这项工作中所采用的tribomaterials是用于轴承的材料。特性和材料的组合物列于表2。

2.2。Tribotest

样品的摩擦性能通过气缸和组装四嵌段型tribotester评价（图2)。这是设计用于从摩擦化学的观点出发，评估与所述tribomaterial润滑剂的相容性的独特的方法[8]。试验条件列于表3.。这些条件选择为模拟轴承运转。期间磨合过程低滑动速度施加到在表面化学微量变化。摩擦在整个测试监控。试验结束后，将所得块在己烷中超声清洗，并通过俄歇电子能谱（AES）研究了它们的表面进行，用能量分散型X射线光谱法（SEM-EDX）沿着扫描电子显微镜和X射线光电子能谱（XPS)。将得到的含油磨粒用己烷稀释，并通过倾析除去液相。磨损颗粒用己烷洗涤三次，并在空气中干燥。然后磨损颗粒收集SEM-EDX分析。AESwas taken on PHI Instrument Model-680 at electron beam energy of 5 kV, test area ofμm，分析深度为3-4 nm。在Elionix型号EXM-3500上，加速电压为25 kV，试验区域为mm，电子束入射76度，发射角29度，分析深度1μ用al - k -单色x射线源在PHI仪器Quantum-2000上采集m. XPSαray (1486.6 eV) at 20 W, test area ofϕ100年μ米ellipse, emission angle of 45 degree, and analysis depth of 4 nm.

3。结果与讨论

GMO的角鲨烷中的溶液显着地减小摩擦，如图3.。GMO较好地改善了实用基础油PAO的摩擦学性能(图4）;the coefficient of friction was reduced and fluctuation of friction was prevented after a running-in period (approximately 20 min). The additive also reduced wear of the aluminium block in the tribotest performed for 120 min (Figure5)。将得到的块通过SEM-EDX分析，研究表面上的元素含量。观察到的磨损的轨道上在硅含量和减小的铝含量的显着增加[15]，而在磨损轨迹外未观察到含量变化(图)6)。收集了摩擦试验中产生的磨粒，并用SEM-EDX分析了其元素组成。除了铝作为主要成分外，还发现了大量的铜和锡。还发现了从钢筒上磨损掉的铁。但磨粒中硅的含量低于原材料中的硅含量。结果表明，摩擦材料中的硅残留在表面，而其他成分(Al、Cu、Sn)则在摩擦过程中被磨损。似乎软金属(如铝)比硬金属(如硅)更容易磨损。用GMO-PAO和不添加PAO摩擦表面的化学成分非常相似。说明添加剂对改变表面元素含量没有作用。然而，无添加剂的PAO产生了粗糙的磨损表面，不适合进一步的AES和XPS分析。 The function of the additive was to provide a smooth worn surface (see SEM micrograph in Figure9），以及以减少磨损量。从tribotest的意见，有人认为GMO使磨损较轻，生成一种光滑的磨损表面。

在我们进一步调查中硅含量的增加而磨合的tribotest的过程。The silicon content on the worn surface was traced during the initial 20 min of the test. As shown in Figure7,it increased rapidly during the first minute of the test and then linearly increased during the next 20 min. Since the concentration of silicon on rubbed surfaces after 120 min of the tribotest fell in the range of 23–25% (Figure6), we concluded that the surface chemistry had reached the steady state within 20 min of rubbing under these conditions. The friction trace (Figure4)也表明摩擦20分钟后处于低摩擦的稳定状态。结果支持了表面化学成分在减少摩擦中的重要性。

SEM-EDX在1子表面提供平均化学内容 μ米深度。与此相反，AES和XPS是提供纳米深度（最上表面）的表面化学表面敏感的分析。在由这些仪器分析中观察到的表面元件的相对浓度的差异（表4)。相比于通过SEM-EDX获得的结果，所述nonrubbed表面上的硅含量比AES的检测极限下和XPS分析（还参见图8,9和11)。这些结果表明，nonrubbed表面的最上表面覆盖了铝及少量的硅，如果有的话。AES和XPS分析表明，摩擦处理增加硅含量也最上面的表面上。通过AES测定的硅浓度比由XPS确定更高。应当注意的是，量化的由AES精度劣于XPS [16]。XPS的另一个优点是它产生的最上面的表面上的物质的化学状态。在图中所示的光谱10,11,12和13表明非摩擦区域覆盖着氧化铝和锡氧化物，而相当数量的铝、硅和锡元素(金属)状态存在于摩擦表面。

摩擦学过程改变了表面上的化学内容。首先，硅对地下（浓度为1 μ在深度米）增加4到5倍。第二，相当大量的铝，锡和硅中存在的摩擦最上表面金属态（不作为氧化物），而nonrubbed表面上仅发现铝和锡的氧化物。这些结果可以通过去除通过摩擦现有的最上表面上的金属氧化物的进行说明。其结果是，金属暴露的最上的表面上。金属和矿物的莫氏硬度为2.9的Al，9.0的Al₂Ø_3.（alndum），7.0的Si，7.0的SiO₂（石英），1.8为Sn和6.5的SnO₂（锡石）17]。由于金属铝和锡比它们相应的氧化物更软，这些金属在最表面的存在有利于减少摩擦。最表面硅含量的增加使材料更加坚硬;这有利于防止磨损[15]。用XPS在摩擦表面发现了从柜台钢表面转移的可检测量的铁。

第三点是关于SEM-EDX得到的磨损颗粒的化学含量。除了铝和铁作为摩擦材料的主要成分外，还发现了相当数量的锡和铜。相比之下，磨粒中的硅含量远低于原材料中的硅含量。这些结果表明，在这些条件下，磨损过程中元素具有一定的选择性。这些结果总结在图中14。

据报道，作为矿物油添加剂的1,2-二醇和1,3-二醇通过在钢表面形成分子膜来改善铝硅合金对钢滑动的润滑[13]。这种机制是不是在目前的情况下可能的;the thickness of the boundary film is approximately 2 nm if an oriented, densely packed adsorption film of GMO is applied uniformly. This should result in an increase in carbon content on the uppermost surfaces. However, the carbon content on the rubbed surface decreased significantly by rubbing, as shown in Figure8。

最后，需要强调的是分析技术引线的适当组合，边界润滑条件下更好地了解摩擦化学的。在这项研究中，空间分辨率和表面分析化学分辨率是重要的。

4.结论

从表面化学的角度研究了铝合金对钢滑动的摩擦学性能。

(1)甘油单盐加入烃油中可减少摩擦和磨损。

（2）中的更改表面上的化学内容期间发生tribotest。在硅的浓度的增加显著摩擦表面上通过SEM-EDX观察。这有助于提高防磨损性能。金属铝，硅，锡和最上表面上的相当大的量通过XPS找到。

由于这些金属比它们的氧化物更软，所以它们有利于减少摩擦。

（4）添加剂，GMO，被认为是在磨合过程到轻度从表面除去氧化铝的被动状态。

（5）每个表面分析有个人空间和化学分辨率。结果通过这些分析的组合表示一个提议的机制（图14)。通过多表面分析系统的方法是很重要的在研究摩擦化学。

命名法

AES：	俄歇电子能谱
GMO：	甘油单醇钠，查看图1
PAO：	聚α-烯烃，参见表1
SEM-EDX:	扫描电子显微镜与能量色散x射线能谱
XPS：	x射线光电子能谱。

致谢

这项研究是由格兰特在急救教育，文化，体育，科学与技术，日本部科学研究所（22656040）的支持。作者感谢到大鹏工业株式会社，用于提供铝合金，以及出光兴产株式会社用于提供润滑油。

参考文献

1. W.庸和X.群基，“含有对 - 抗磨剂和在钢的对铝合金的滑动极压添加剂的摩擦磨损特性，”穿卷。188，没有。1-2，第27-32页，1995年。查看在：谷歌学术
2. Y.万和Q.薛，“上的铝在润滑铝对钢的接触磨损含磷添加剂的影响，”摩擦学的信卷。2，没有。1期，第37-45，1996。查看在：谷歌学术
3. Y.胡和W.柳，“醇类的摩擦学性能作为润滑油添加剂的铝与钢的接触，”穿卷。218，没有。2，第244-249，1998。查看在：出版商网站|谷歌学术
4. C. Kajdas和W. Liu，“用含酒精或胺类添加剂的液体和其他润滑剂润滑的铝和铝合金系统的摩擦化学-综述，”润滑科技卷。16，没有。3，第267-292，2004。查看在：谷歌学术
5. M. A. Nicholls的，P. R.诺顿，G. M.班克罗夫特和M. Kasrai，“从二烷基锌二硫代产生摩擦膜的X射线吸收光谱上的Al-Si合金，”穿，第257卷，no。2004年，第311-328页，3-4页。查看在：出版商网站|谷歌学术
6. A.尼维尔，A.刺参，T.哈克和M. Voong，“之间的兼容性摩擦表面和润滑油添加剂，如何摩擦和磨损减少可通过表面来控制/润滑油的协同作用，”国际摩擦学第40卷，no。2007年，1680-1695页，10-12。查看在：出版商网站|谷歌学术
7. M. A. Nicholls, P. R. Norton, G. M. Bancroft, M. Kasrai, G. De Stasio，和L. M. Wiese，“圆筒/孔磨损条件下铝硅合金上ZDDP抗磨膜的纳米尺度化学和机械特性的空间解析”，摩擦学的信卷。18，没有。3，第261-278，2005。查看在：出版商网站|谷歌学术
8. I.南，A.山崎，H.七尾和S.森，“A气缸和组装4块类型摩擦试验：新颖的方法，以润滑剂和材料的研究摩擦起化学”摩擦学在线卷。2，没有。1，第40-43，2007。查看在：谷歌学术
9. R. S.蒙哥马利，“上的铝的磨损行为醇类和醚类的效果，”穿卷。8，没有。6，第466-473，1965。查看在：谷歌学术
10. “季戊四醇部分酯对铝磨损的影响”，国立台湾大学机械研究所硕士论文。穿卷。50，没有。1，第105-114，1978。查看在：谷歌学术
11. F.维尔托德，J.-M。马丁，T.勒Mogne，F. Jarnias，M. Querry和P.贝尔涅，“铝表面上的醇的反应机制，”Tribologia卷。37，没有。6，第7-20，2006年。查看在：谷歌学术
12. B. W. Hotten，“二齿有机含氧化合物作为铝边界润滑剂，”润滑工程卷。30，没有。8，第398-402，1974。查看在：谷歌学术
13. Y.万，W.柳，和Q.薛，“上在润滑铝对钢的接触摩擦和铝合金的磨损二醇化合物的影响，”穿卷。193，没有。1，第99-104，1996年。查看在：出版商网站|谷歌学术
14. S.猪狩，S.森，和Y.滝川，“脂肪族二醇和聚亚烷基二醇作为铝的磨损的润滑剂的分子结构的影响，”穿卷。244，没有。1-2，第180-184，2000。查看在：出版商网站|谷歌学术
15. F. A. Davis和T. S.爱“的硅含量和形态上，在干燥的铝 - 硅合金的磨损的影响和润滑的滑动条件，”国际摩擦学卷。27，没有。3，第171-181，1994。查看在：谷歌学术
16. J. F. Watts和J.五星行，简介表面分析XPS和AES，John Wiley和Sons，2003。
17. J. R.里德伯“的单质硬度，”在物理化学、化学计量和化学计量方面都有进展卷。33，第353-359，1900。查看在：谷歌学术

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