Page 162 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 石伟, 等: 界面闪温对ZDDP反应膜生成特性的研究 947

Key words: zinc dialkyl dithiophosphate; flash temperature; slip roll ratio; friction film; calcium stearate

二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)作为兼具抗磨、抗氧 鉴于此，本文作者在前期理论研究的基础上，采
和抗腐蚀多种功能的添加剂，在汽车润滑油中应用非 用球-盘试验与理论建模相结合的方式，在相同接触
常广泛. ZDDP已经使用了70多年，至今仍然是发动机 载荷和环境温度下，通过构建滑滚比界面的混合润滑
润滑油的关键成分，尚未找到适合的替代品，很多研 闪温分析模型，获得不同滑滚比下界面的闪温大小和
究工作都聚焦于ZDDP的摩擦膜生长机理和抗磨性能. 分布，从试验角度研究不同界面闪温对ZDDP反应膜
在ZDDP反应膜的生成机理研究方面，通常认为 生长的影响，并进一步测试硬质酸盐与ZDDP反应膜
其在摩擦表面上形成反应膜，主要成分为固体无定形 的协同减摩效果.

磷酸盐 [1-2] ，反应膜主要性能取决于磷酸盐种类 . 反应
[3]
1 闪温模型计算及试验部分
膜通过限制两个摩擦表面的直接接触来控制磨损，从
而防止表面产生粘附并减少滑动过程中的瞬态接触 ZDDP摩擦膜的生长速率服从热-应力活化理论，
应力. 由于摩擦工况的复杂性，现有ZDDP反应膜形成 如公式(1)所示.
机理的研究主要通过在实验室中用球-盘试验机分析 ( )
Γ = Γ 0 exp − ∆U act −σ∆V act (1)
反应膜的摩擦磨损特性与成形机理. 环境温度和压力 growth rate k B T
已经被证实是影响ZDDP降解和摩擦膜形成的主要因 式中： Γ 0 是前因子， ∆U act 是内部活化能， ∆V act 表示活
素，而应力促进的热活化理论已被普遍认可 . 近年 化体积， σ表示应力大小，一般可用最大赫兹压力, k B
[4]
来，Spikes等 [5-8] 系统研究了往复运动、滑滚比、剪切应 是玻尔兹曼常数, T 表示反应温度 .
[8]
力以及时间对ZDDP反应膜生长的影响，发现在接触 可以看到温度和压力是影响ZDDP降解和摩擦膜
压力和环境温度相同的情况下，剪切应力的增加也将 形成的主要因素. 研究表明，宏观环境温度对摩擦膜
会显著提升ZDDP反应膜的生长速率，而往复运动频 的生长具有显著影响，Spikes等 通过在一定工况范围
[5]
率和滑滚比对摩擦膜的生长影响很小，基本可以忽略. 内的试验认为滑滚比对摩擦膜的生长影响很小，可以
本文作者基于应力促进的热活化理论，建立了 忽略. 本文旨在进一步探究滑滚比变化导致的瞬态闪
ZDDP反应膜生长的理论模型，理论研究发现在一定 温(闪温时间很短，通常小于0.000 1 s)是否如宏观环境
[9]
的条件下，界面闪温会显著影响反应膜的生长速率 . 温度一样对摩擦膜的生长有明显影响. 首先采用界面
进一步可以推测，存在一定的工况范围，即使载荷和 闪温理论对润滑界面温升进行预测，以指导试验的设
环境温度恒定，改变界面滑滚比也有可能显著影响摩 计. 试验中ZDDP摩擦膜通过球盘间的摩擦生成，摩擦
擦膜的生长；或者即使在较低的环境温度下(例如20 ℃， 膜的生长将会显著增大界面的摩擦系数，因此，通过
文献的试验温度通常在100 ℃以上)，通过调整滑滚比 观察摩擦系数的变化就可以直观判定界面是否有

使界面闪温升高，仍然可能实现ZDDP反应膜的生成. ZDDP摩擦膜的产生. 同时，为了避免磨损对摩擦系数
在ZDDP反应膜摩擦特性研究方面，有学者发现 的干扰，界面的润滑油膜必须具有一定的厚度，使球
不同的工况环境和ZDDP成分不同配比，会不同程度 盘处于全膜润滑状态. 为了研究界面闪温对ZDDP摩
地影响反应膜的摩擦系数 [6,10] ，但边界摩擦系数总体 擦膜形成的影响，接触区域的闪温可以通过控制卷吸
处于0.13~0.18左右. 为了降低摩擦能耗，美国阿贡国 速度和相对滑动速度来改变，设定固定的卷吸速度，
家实验室曾提出了以碳基摩擦反应膜替代ZDDP膜的 改变滑滚比从而使闪温出现明显的变化，并将闪温和
[11]
制备技术，可以将摩擦系数减小为0.08 . 同时，许多 观测到的摩擦系数变化进行对比.

学者也研究了不同材料的协同减摩效果，例如，Campen 1.1 闪温模型计算
[12]
等 发现硬脂酸可以在常温下有效降低油酸和反油 润滑条件下点接触摩擦闪温计算基本方程组如
[13]
酸的边界润滑摩擦系数，付景国等 发现石墨烯与 下所示.
ZDDP共混物作为润滑油添加剂时可改善摩擦副间的 界面的压力分布可采用等温Reynolds方程求解 ：
[14]
摩擦学性能. 因此，进一步探索油润滑状态下硬质酸 ( ) ( )
∂ ρ 3 ∂p ∂ ρ 3 ∂p ∂(ρh) ∂(ρh)
盐与ZDDP反应膜的协同减摩效果，对工程实践具有 ∂x 12η ∗ h ∂x + ∂y 12η ∗ h ∂y = u e ∂x + ∂t
一定的指导意义. (2)