Page 105 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 尹艳丽, 等: 蛇纹石矿物作为润滑油添加剂对锡青铜摩擦学行为的影响 515

8 000 2 000
EDS pattern of worn surface with base oil EDS pattern of worn surface with serpentine oil
—area A shown in Fig.5(c) —area B shown in Fig.5(d)
Cu
6 000 1 500
Intensity/a.u. 4 000 Intensity/a.u. 1 000 C Cu Sn Cu

Cu O
2 000 500 Fe
Al Sn
Fe Mg Si S Cu
CO S Sn Fe Cu Fe
0 0
0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10
Energy/KeV Energy/KeV
(a) Base oil (b) Serpentine oil

Fig. 6 EDS spectra of typical areas on worn surfaces lubricated with base oil and serpentine oil
图 6 基础油与含蛇纹石油样润滑下摩擦表面典型区域的EDS图谱

表 3 基础油与含蛇纹石油样润滑下摩擦表面典型区域的元素组成及含量
Table 3 Elemental composition and content of worn surfaces lubricated with base oil and serpentine oil

Mole fraction/%
Worn surfaces
C O S Mg Al Si Fe Cu Sn
Area A 9.39 2.07 0.12 - - - 1.04 82.07 5.31
Area B 28.87 29.73 0.49 0.29 0.55 0.40 0.21 38.22 1.24

(1 304 eV)和(Al/Mg)Si O (OH) ·nH O (1 305.2 eV)等 渐降低并趋于平稳，其稳定后平均值约为2.4 GPa，略
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2
10
4
特征峰，Al2p谱图可拟合为Al O (77.2 eV)、(Al/Mg) 高于锡青铜基体. 含质量分数0.5%蛇纹石油样润滑
2
3
Si O (OH) ·nH O(74.8 eV)特征峰，而Si2p可拟合为 时，摩擦表面纳米硬度曲线在500 nm深度内基本平
2
2
10
4
SiO (101.6 eV)、SiO (102.5 eV)和SiO (103.4 eV)等子 稳，平均值约为1.95 GPa，而后逐渐升高并在1 000 nm
2
x
[27]
峰 . 结合以上EDS和XPS分析结果可知，含蛇纹石油 后稳定在约3.5 GPa. 摩擦表面弹性模量的变化趋势与
样在锡青铜表面形成的摩擦反应膜主要由金属氧化 纳米硬度变化相似，但超过500 nm深度后的稳定弹性
物、氧化物陶瓷、石墨和有机化合物构成，此外摩擦表 模量由高至低依次为含蛇纹石油样润滑形成的摩擦
面还存在直接吸附的蛇纹石矿物颗粒. 反应膜、基础油润滑下摩擦表面以及原始锡青铜表面.
2.5 磨损表面力学性能 由以上结果得知，蛇纹石在锡青铜表面形成的摩擦反
图8所示为不同摩擦表面压痕载荷、纳米硬度和 应膜的硬度和弹性模量均呈现表面低、内部高的梯度
弹性模量随压入深度的变化曲线. 为便于比较，图8同 变化特征.
时给出了未经摩擦的原始锡青铜材料的纳米压痕测 2.6 讨论
试结果. 需要指出的是，在最初的几十纳米深度范围 含蛇纹石油样在锡青铜表面形成的摩擦反应膜
内，由于受压痕尺寸效应的影响，纳米压痕测试获得 成分复杂，由Cu O、CuO、SnO、Fe O 、Fe O 、Al O 、SiO、
2 3 4 2 3 2 3
的材料压痕硬度和弹性模量会迅速升高，通常超过这 SiO 和SiO 等氧化物，FeS、FeS 等硫化物，以及石墨和
2 x 2
一深度后获得的压痕测试结果真正反映材料的实际 有机化合物等成分构成. 其中，Cu O、CuO、Al O 、SiO、
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3
2
性能. 由载荷-深度曲线可以看出，在2 000 nm深度范 SiO 和SiO 等属于摩擦反应膜的特有成分，其余成分
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2
围内，含蛇纹石油样形成的摩擦表面膜达到一定压入 为基础油和含蛇纹石油样润滑下的摩擦表面共有. 根
深度所需的载荷最大，其次为基础油润滑下的摩擦表 据XPS和EDS分析，除含蛇纹石油样形成的摩擦反应
面，铜合金基体最小，表明三者的平均硬度由高至低. 膜内Cu O、CuO、Al O 和石墨含量较高外，不同摩擦
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3
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磨抛过程中产生的加工硬化导致原始锡青铜表 表面的其余摩擦反应产物含量均较低. 由摩擦副材料
层200 nm深度内的纳米硬度迅速升高至3.9 GPa，而后 成分可知，锡青铜摩擦表面的Al、Si元素应来自添加
逐渐降低并在1 000 nm深度后稳定至正常硬度水平， 到润滑油中的蛇纹石粉体，S元素应来自CD 5W/40润
约为2.04 GPa. 基础油润滑下摩擦表面的纳米硬度在 滑油中的含S极压抗磨剂，C元素应来自润滑油中的有
几十至200~300 nm深度内逐渐增至2.92 GPa，而后逐 机碳链，而Fe元素则应来自对偶的GCr15钢球.