纳米BN 作为水基润滑添加剂在镁合金表面的摩擦学行为研究

韦永毅，谢红梅，何林杪，芶庆霜，毛京双，杨贵川

(长江师范学院材料科学与工程学院，重庆 408100)

0 前 言

镁合金作为最轻的商用工程结构材料，具有比强度高、铸造成型性好、阻尼吸震降噪性能优越、电磁屏蔽性能强、易于回收等诸多优点，在航天航空、汽车、“3C”产品等领域有广阔的应用前景[1-3]。但是镁合金由于硬度低导致的高磨损和较差的减摩性能严重限制了其应用范围的拓宽，因此提高镁合金的摩擦学性能具有重要意义[4，5]。

水基润滑液作为一种重要的润滑剂具有成本低、环保、节能、废液容易回收处理等优点，是一类很有发展前途的润滑剂[6]。但是水基润滑液润滑性能较差，还容易腐蚀金属表面。为了改善水基润滑液在润滑性能和抗腐蚀性能上的不足，通常在水中加入各类水溶性基础添加剂和功能性添加剂，制备出综合性能良好的水基润滑液。

纳米材料在小尺寸效应和表面界面效应的作用下，具有熔点低、吸附能力强、反应活性高等优点，为先进润滑材料的发展提供了新的思路[7，8]。在众多纳米材料中，纳米氮化硼(BN)是一种白色粉末，具有类似石墨的片层状结构，一直是润滑领域的研究热点。文献[9-11]表明纳米BN 作为润滑添加剂在摩擦过程中能逐渐在钢/钢摩擦副、铝合金/钢摩擦副等摩擦副表面沉积，形成一层低剪切强度的保护膜，从而降低摩擦和磨损。然而，目前国内外关于纳米BN 作为水基润滑添加剂在镁合金/钢体系中的摩擦学性能研究鲜有报道。为此，本工作首先采用超声和磁力搅拌法制备了4种不同质量分数的BN 纳米水基润滑液，然后采用往复式摩擦磨损试验机考察了不同BN 纳米水基润滑液在镁合金/钢体系中的摩擦学性能，最后对摩擦学性能测试结果、磨痕表面形貌及磨痕表面成分进行综合分析，探讨了纳米BN 作为水基润滑添加剂的减摩抗磨机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

选用去离子水为基础液。将少量的纳米BN 加入95%(体积分数)酒精溶液中，超声分散5 min 后滴在铜网上，然后采用JEM1200EX 透射电子显微镜(TEM)观察纳米BN 的显微形貌，结果如图1 所示。从图1 中可以看出，纳米BN 为片层状结构，尺寸约为100 nm。将纳米BN 添加到去离子水中，采用磁力搅拌器搅拌30 min，超声分散2 h，制备纳米BN 质量分数分别为0.2%、0.5%、0.8%和1.0%的纳米水基润滑液。为了考察纳米BN 在镁合金表面的摩擦学性能，在纳米水基润滑液中不添加任何分散剂和表面活性剂。为保证BN纳米颗粒在去离子水中均匀分散，制备的纳米润滑液在摩擦试验测试前超声分散5 min。

图1 纳米BN 的TEM 形貌Fig.1 TEM morphology of nano-BN

1.2 摩擦磨损试验

采用CSM 往复式球-盘摩擦磨损试验机评价纳米水基润滑液的摩擦学性能，上试样为AISI52100 轴承钢球，钢球半径为3 mm，钢球的维氏硬度约为697 HV0.1N，下试样为AZ31 镁合金，试样尺寸为10 mm(宽) ×20 mm (长) ×3 mm (厚)，维氏硬度约为66.7 HV0.1N。采用200、500、1 000 目砂纸对镁合金进行粗磨和精磨直至表面粗糙度Ra为0.08 μm。在上试样钢球和下试样镁合金片固定好后，在镁合金表面滴3 滴纳米水基润滑液进行测试。首先评价了含有不同质量分数纳米BN 的润滑液的摩擦学性能，测试的载荷为4 N，滑动速度为0.06 m/s，时间为30 min。然后进一步考察载荷对最优含量(即在该含量下摩擦学性能最佳)的纳米BN 水基润滑液的摩擦学性能的影响，测试的载荷为2，4，6，8 N，滑动速度为0.06 m/s，时间为30 min。相同条件下重复测试3 次，摩擦磨损试验机自动记录摩擦系数。

1.3 磨痕表面分析

摩擦磨损试验测试完成后的样品用丙酮进行超声清洗5 min，吹干待用。采用OLS4000 激光共聚焦显微镜测量镁合金表面磨痕深度和宽度，然后采用激光共聚焦显微镜自带的软件计算出磨损的横截面积，采用磨损的横截面积评价相同测试条件下含有不同质量分数纳米BN 的润滑液的抗磨损性能。采用Zeiss AURIGA 型场发射扫描电镜(FESEM)和Thermo Kalpha 型X射线光电子能谱仪(XPS)对磨痕表面形貌和成分进行表征。

2 结果与分析

2.1 摩擦学性能表征

图2 为平均摩擦系数与纳米BN 添加剂添加量的关系和去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液的摩擦系数随滑动时间的变化曲线。结果表明，摩擦系数随着纳米BN 添加剂添加量的增加呈先降低后增加的趋势。纳米BN 添加剂含量为0.5%时，减摩的效果最明显，摩擦系数从0.26 降低至0.16，相对于去离子水条件下的摩擦系数下降了38.5%。由图3b 可以看出，去离子水润滑条件下的摩擦系数在测试过程中较为稳定。0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的摩擦系数波动较明显，这可能是由于纳米BN 在基础液中的分散性较差，但是0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的摩擦系数除900 s 时略高于去离子水润滑条件下的摩擦系数，其它测试时间始终小于去离子水润滑条件下的摩擦系数。

图2 平均摩擦系数与纳米BN 添加剂添加量的关系和去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液的摩擦系数随滑动时间的变化曲线Fig.2 The relationship between the average friction coefficient and the amount of nano BN additive and the curve of friction coefficient with sliding time of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

图3 磨痕磨损横截面积与纳米BN 添加剂添加量的关系和试样在去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的磨痕表面2D 轮廓Fig.3 The relationship between the wear cross-section area of wear mark and the amount of nano-BN additive and the 2D profile of the worn surface of the sample under the lubrication condition of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

摩擦学性能良好的润滑添加剂不仅应具有良好的减摩性能，还应具有优异的抗磨损性能。图3 为磨痕磨损横截面积与纳米BN 添加剂添加量的关系和试样在去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的磨痕表面2D 轮廓。由图3 可知，磨损量随纳米BN 添加剂添加量的变化和摩擦系数随纳米BN 添加剂添加量的变化规律一致，呈先降低后增加的趋势，0.5%纳米BN 水基润滑液磨损量最低。去离子水润滑条件下的磨痕磨损横截面积为28 166 μm2，0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的磨痕磨损横截面积为8 343 μm2，相比去离子水润滑条件降低了70.4%。从图3b 和3c可以看出，去离子水润滑条件下磨痕的宽度和深度分别为1 250 μm 和40 μm。0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下磨痕的宽度和深度分别为864 μm 和17 μm。纳米BN 的加入有效降低了镁合金表面的磨损量，表明纳米BN 水基润滑液具有优异的抗磨损性能。

2.2 载荷影响

为了进一步考察载荷对摩擦学性能的影响，考察了去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的摩擦系数和磨损量与载荷的关系，结果见图4。去离子水润滑条件下，摩擦系数随着载荷的增加而增加；而0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下摩擦系数随着载荷的增加先降低后升高。0.5%纳米BN 水基润滑液在载荷为4 N 和6 N 时的减摩性能最佳，相对于去离子水润滑条件下分别降低了38.5%和36.9%。去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的磨损量均随着载荷的增加而增加，但是0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的磨损量始终小于去离子水润滑条件下的磨损量。上述试验结果表明0.5%纳米BN 水基润滑液具有良好的承载能力。

图4 去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的摩擦系数和磨痕磨损横截面积与载荷的关系Fig.4 The relationship between load and friction coefficient and wear cross-section area of wear mark under the lubrication condition of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

2.3 磨痕表面形貌和成分观察

为了进一步探究纳米BN 水基润滑液的减摩抗磨机理，采用FESEM 和XPS 考察了磨痕表面形貌和成分。图5 所示为含不同质量分数纳米BN 的水基润滑液润滑条件下镁合金磨痕表面形貌。试验条件为载荷4 N、滑动速度0.06 m/s、滑动时间30 min。

图5 含不同质量分数纳米BN 的水基润滑液润滑条件下镁合金磨痕表面形貌Fig.5 Surface morphology of wear marks of magnesium alloy lubricated by water-based lubricant with different mass fraction of nano BN

从图5a 可以看出，0.2%纳米BN 水基润滑液润滑条件下镁合金的磨痕表面划痕较深，这主要是因为该条件下润滑液中纳米BN 的含量较低，不足以在磨痕表面形成有效润滑膜。摩擦过程中摩擦副之间的直接接触形成的游离磨粒作为第三体在滑动表面之间导致了磨粒磨损。在0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下镁合金磨痕表面仅仅出现轻微的犁削，并且纳米BN 吸附在磨痕表面形成黑色固态膜，这层膜保护了摩擦副表面，从而有效降低了摩擦系数和磨损量。但随着纳米BN 在润滑液中的含量增加至0.8%和1.0%时，磨痕表面形成的润滑保护膜反而减少。这是由于纳米BN 具有高的表面能，当含量过多时，纳米BN 之间容易相互吸附，形成尺寸较大的颗粒，这些大颗粒在摩擦的过程中不容易进入摩擦区，所以0.8%和1.0%纳米BN 水基润滑液在磨痕表面的成膜效果不如0.5%纳米BN 水基润滑液。

图6 所示为去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下镁合金磨痕表面主要元素Mg、B 和N 的化学价态的XPS 谱。试验条件为载荷4 N、滑动速度0.06 m/s、滑动时间30 min。从图6 中可以看出，在去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下镁合金磨痕表面均能探测到Mg 1s 的特征峰，均归属于金属镁。去离子水润滑条件下的镁合金磨痕表面没有出现B 元素和N 元素的特征峰，而0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下的镁合金磨痕表面在190.2 eV 出现B 1s 的特征峰，结合N 1s 位于397.5 eV 的特征峰，归属于吸附在磨痕表面的纳米BN，表明纳米BN 在摩擦过程中沉积在磨痕表面，形成有效润滑膜，提高了镁合金的摩擦学性能。

图6 去离子水和0.5%纳米BN 水基润滑液润滑条件下镁合金磨痕表面主要元素Mg、B 和N 的化学价态的XPS 谱Fig.6 XPS spectra of the chemical valence of the main elements Mg，B and N on the wear surface of magnesium alloys under the lubrication of deionized water and 0.5%BN water-based nanolubricant

2.4 减摩抗磨机理分析

近年来，国内外学者对各种纳米材料作为润滑添加剂的减摩和抗磨机理进行了大量考察验证工作，初步对其作用机理做出了一些总结。纳米材料作为润滑添加剂的减摩和抗磨机理主要有滚珠轴承效应、吸附、渗透、摩擦反应机理、修复机制、表面抛光优化效应等[12-14]。

从摩擦学性能测试结果(图2 和图3)可以看出，纳米BN 作为水基润滑添加剂在镁合金/钢体系中表现出优异的减摩抗磨性能。结合磨痕表面形貌(图5)和成分分析(图6)，BN 作为润滑添加剂的减摩抗磨机理主要表现在以下2 个方面:一方面，润滑液中的纳米BN在摩擦过程中不断吸附在金属表面，形成一层物理吸附膜，这层物理吸附膜有效避免了摩擦副之间的直接接触。另一方面，BN 是典型的层状结构，层内原子通过较强的化学键结合在一起，而层与层之间的作用力则是很弱的范德华力，层与层之间容易滑移和剪切，起到润滑作用。但是这种减摩抗磨作用与纳米BN 在润滑液中的含量密切相关。比如，纳米BN 含量为0.8%和1.0%的水基润滑液的摩擦学性能比纳米BN 含量为0.5%的水基润滑液的略差。换句话说，纳米BN 在润滑液中存在最优含量。纳米BN 由于具有较高的表面能，若过量添加，纳米BN 在润滑液中容易团聚形成大的颗粒，在摩擦的过程中，这些大颗粒不容易进入摩擦区形成保护膜。另外，这些大的颗粒在摩擦过程中作为第三体磨粒刮擦镁合金表面，表现出较差的抗磨损性能。综上所述，纳米BN 含量为0.5%的水基润滑液在摩擦过程中能充分发挥纳米BN 的减摩抗磨优势，从而表现出最佳的摩擦学性能。另外，BN 俗称“白石墨”，具有成本低、环境友好、容易制备等优点，因此本工作制备的纳米BN 水基润滑液是一种经济、绿色且润滑性能优良的镁合金润滑液，在镁合金成形过程中具有广阔的应用前景。

3 结 论

(1)纳米BN 作为水基润滑添加剂能有效提高去离子水的摩擦学性能。随纳米BN 添加剂在水中的含量的增加，摩擦系数和磨损量均呈先降低后增加的趋势。纳米BN 含量为0.5%的水基润滑液在摩擦过程中能充分发挥纳米BN 的减摩抗磨优势，从而表现出最佳的摩擦学性能。

(2)相对于去离子水润滑条件，0.5%纳米BN 水基润滑液的摩擦系数和磨损量分别下降了38.5%和70.4%。另外，0.5%纳米BN 水基润滑液具有优异的承载能力。

(3)纳米BN 作为水基润滑添加剂，其优异的摩擦学性能归因于纳米BN 在磨痕表面沉积形成的保护膜和片层状结构导致的低剪切应力。