钢表面氧氮处理层对硫化烯烃润滑的作用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.06.018 第18卷第6期 北京科技大学学报 Vol.18 No.6 1996年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1996 钢表面氧氮处理层对硫化烯烃润滑的作用* 马雁声山顾正秋”吴荫顺)刘家浚2) )北京科技大学表面科学与腐蚀工程系，北京1000832)清华大学机械工程系 摘要利用球一盘试验机研究了40C钢表面氧氮处理层对添加剂硫化烯烃作用效果的影响，并 利用多种表面分析仪器分析了其机理，结果表明，由于氧氨处理表面的氧化膜可促进化学反应膜 FS的生成，加上该氧化膜本身的作用，使其摩擦表面上由FeS和氧化铁组成的边界润滑膜更厚 且结构更致密，导致硫化烯烃与氧氮处理表面的配合具有更好的抗擦伤和抗磨效果， 关键词氧化处理层，硫化烯烃，摩擦磨损 中图分类号TH117 硫化烯烃(SO)是一种典型的极压添加剂，对于钢铁材料的摩擦副，SO能在摩擦表反 应生成FS膜，主要起抗擦伤作用川，许多研究结果表明，氧在边界润滑中起着重要作 用(2】.Godfrey!)指出，润滑剂中加人硫系添加剂时，所形成的表面润滑膜是由氧化铁和硫化 铁组成的.Murakami等[发现，先利用不含添加剂的润滑剂进行试验，使摩擦表面上生成一 层氧化膜，然后再利用含有硫系添加剂的润滑剂进行试验，可以取得更好的减摩及抗擦伤的 效果，本文主要研究当摩擦副表面有一层氧化处理膜时，对硫化烯烃润滑效果和机理的影响， 以进一步揭示氧化膜的作用机理. 1试验 摩擦磨损试验在球一盘试验机上进行.球试样材料为GC15钢，硬度为770HV,表面粗 糙度R,为0.025μm.盘试样材料为40Cr钢，硬度为290HV,R,为0.41μm.氧氮处理盘(ON) 试样的表面为一层Fe,O,膜，下面为渗氮层，R,为0.42μm,氧化膜及氮化合物层的厚度分别 为7.6μm及7.5μm,硬度分别为453HV及481HV.基础润滑油为液体石蜡(LP),硫化烯烃 (SO)的加人量为润滑油中含硫元素质量的1.7%.试验在室温大气环境中进行.试验时摩擦副 处于边界润滑状态)，盘试样的氧氮处理方法和试验分析方法见文献[6，刀]中所述. 2试验结果 试验结果示于表1.对于40Cr钢盘，润滑剂中加入S0时，承载能力提高了1.44kN,但摩 擦因数略有增大.对于氧氨处理盘(ON),仅由基础润滑油LP润滑时，承载能力明显高于40C 1996-04-10收稿第一作者男34岁博士后 ◆请华大学摩擦国家重点实验室基金资助项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 钢表面氧氮处理层对硫化烯烃润 滑 的作用 马雁 声 ‘ 顾正秋 吴 荫顺 ’ 刘 家浚 北京科技 大 学表 面科 学 与腐蚀工 程 系 ， 北京 清华大学机械工程系 摘要 利 用 球 一 盘试验机研究 了 钢表 面 氧氮处理层对添加剂硫化烯烃作用 效果的影 响 ， 并 利 用多种 表 面分 析仪器 分析 了其机理 结果表 明 ， 由于 氧氮处理表面 的氧化膜可促进化学反应膜 的生 成 ， 加 上 该 氧 化膜本身 的作 用 ， 使其摩擦表 面上 由 和 氧化铁组成 的边 界 润 滑膜更厚 且结构更致密 ， 导致硫化烯烃 与氧氮处理表面 的配合具有更好的抗擦伤和抗磨效果 关键词 氧化处理层 ， 硫化烯烃 ， 摩擦磨损 中图分类号 硫 化烯 烃 是 一 种 典 型 的极 压 添加 剂 对于 钢 铁材 料 的摩 擦 副 ， 能在 摩擦 表 面 反 应 生 成 膜 ， 主 要 起 抗 擦 伤 作 用 许 多 研 究 结 果 表 明 ， 氧 在 边 界 润 滑 中 起 着 重 要 作 用〔 指 出 ， 润 滑 剂 中加 人硫 系 添 加 剂 时 ， 所 形 成 的表 面 润 滑 膜 是 由氧 化 铁 和 硫 化 铁组 成 的 等 发 现 ， 先 利 用 不 含 添 加 剂 的润 滑 剂 进 行 试 验 ， 使 摩 擦 表 面 上 生 成 一 层 氧 化膜 ， 然后 再利 用含 有硫 系 添 加剂 的润 滑 剂进行 试验 ， 可 以 取 得 更 好 的减 摩 及 抗 擦 伤 的 效果 本文 主要 研究 当摩 擦 副表 面有 一层 氧 化处理 膜 时 ， 对硫 化烯烃 润 滑效果 和 机理 的影 响 ， 以进一 步揭示 氧化膜 的作用机理 试验 摩 擦磨 损 试 验 在 球一盘 试 验 机 上 进 行 球 试 样 材 料 为 巧 钢 ， 硬 度 为 ， 表 面 粗 糙度 ， 为 · · 盘 试样材料 为 钢 ， 硬度 为 ， ，为 · 氧 氮处理 盘 试样 的表 面 为 一 层 膜 ， 下 面 为 渗氮层 ， ， 为 ， 氧 化 膜 及 氮 化合 物层 的厚度 分 别 为 协 及 协 ， 硬 度 分 别 为 及 基 础 润 滑 油 为液 体石 蜡 ， 硫 化 烯 烃 的加 人 量 为 润 滑油 中含 硫元 素质量 的 试验 在 室 温 大 气环 境 中进 行 试验 时摩擦 副 处于边 界 润 滑状态 盘试样 的氧氮处理 方法 和 试验分析方法 见 文献 ， 中所 述 试验结果 试验结果 示 于 表 对于 钢 盘 ， 润 滑 剂 中加人 时 ， 承 载能力提 高 了 ， 但摩 擦 因数 略有 增 大 对于 氧 氮处理 盘 ， 仅 由基 础 润 滑油 润 滑 时 ， 承 载 能力 明显高 于 一 收稿 第一作者 男 岁 博 士 后 清 华大学摩擦 国家重 点 实验室 基金 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．06．018

·578· 北京科技大学学报 1996年No.6 钢盘，但摩擦因数较 表：试验结果 高.说明氧氮处理可显 编号盘试样润滑剂承载能力/kN摩擦系数 磨损率/107mN 著改善钢的抗擦伤性 A 40Cr LP 0.24 0.105 掾擦伤 能，但减摩作用不好.当 B 40Cr LP+SO 1.68 0.128 117.9 润滑剂中加入S0时， C ON LP 1.32 0.150 21.4 ON盘的承载能力提高D ON LP+SO 4.404 0.137 47.6 了3.08kN,提高的幅度比40Cr钢盘高1.14倍，承载能力比40Cr钢盘增加1.62倍，而且摩擦 因数有所降低，磨损率虽然增大了1倍多，但仍显著低于40Cr钢盘.说明氧氨处理表面与S0 配合可取得更好的抗磨和抗擦伤效果， 3分析及讨论 利用X射线光电子能谱仪(XP$)分析了盘试样各摩擦表面上边界润滑膜的化学结构.结 果表明，仅由LP润滑时，2种盘试样摩擦表面上的边界润滑膜均主要由氧化铁组成.由 LP+SO润滑时，在2种盘试样的摩擦表面上，SO生成的化学反应膜均为FS,边界润滑膜均 主要由氧化铁和FS组成.说明氧氮处理表面不影响化学反应膜和边界润滑膜的化学结构. 根据俄歇电子能谱仪(AES)的分析结果，算出了盘试样各摩擦表面上边界润滑膜中主要 元素的原子数比O/Fe和SFe随溅射时间的变化，结果如图1所示.仅由LP润滑时，在120N 载荷下，ON盘摩擦表面的O/Fe远高于40Cr钢盘，表明ON盘摩擦表面的氧化膜更厚且结构 更致密，此即为LP润滑时ON盘的承载能力明显高于40C钢盘的主要原因. (a)1.60 (b)0.80 1.20 B 0.60 出 D 0.80 受 0.40 2/O D D Da A D, nc. 0.40 0.20 C C, 0 0 0.601.201.802.403.00 00.601.201.802.403.00 溅射时间/min 溅射时间/min 图1不同载何下盘试样摩擦表面上元素的原子含量比随溅射时间的变化关系 (图中曲线所标字母为表1所列的试验编号，数字为该摩擦表面的最高试验载荷) 由LP+SO润滑时，在试验的3个载荷下，ON盘摩擦表面的S/Fe均明显高于40Cr钢盘， 说明氧氮处理表面的氧化膜可促进FS膜的生成，使得ON盘摩擦表面的FeS膜更厚且结构 更致密.在120N载荷下，LP+SO润滑时40Cr钢盘摩擦表面的OFe比LP润滑时低；LP润滑 时ON盘摩擦表面的OFe随载荷的增加而逐步升高，而LP+SO润滑时其摩擦表面的OFe不 仅比LP润滑时低，而且随着载荷的增加而逐步降低.这些都表明，润滑剂中加入SO时不利

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 钢 盘 ， 但 摩 擦 因 数 较 表 试验结果 高 说 明 氧 氮 处 理 可 显 编 号 盘试样 润滑剂 承载能力 摩擦系数 磨损率 一 一 ‘ 著 改 善 钢 的 抗 擦 伤 性 擦伤 能 ， 但 减 摩 作 用 不 好 当 · · 润 滑 剂 中 加 人 时 ， · 盘 的 承 载 能 力 提 高 了 ， 提 高的 幅度 比 钢 盘 高 倍 ， 承 载能力 比 钢 盘增 加 倍 ， 而 且 摩 擦 因数有 所 降低 ， 磨 损率 虽 然增 大 了 倍多 ， 但仍显 著低 于 钢盘 说 明氧 氮 处理 表 面 与 配合 可 取得更 好 的抗磨 和 抗擦伤效果 分析及讨论 利 用 射 线光 电子 能谱仪 分 析 了盘 试样各摩擦 表 面上边 界 润 滑膜 的化学 结构 结 果 表 明 ， 仅 由 润 滑 时 ， 种 盘 试 样 摩 擦 表 面 上 的 边 界 润 滑 膜 均 主 要 由 氧 化 铁 组 成 由 润 滑 时 ， 在 种 盘 试 样 的摩 擦 表 面 上 ， 生 成 的化 学 反 应膜 均 为 ， 边 界 润 滑 膜 均 主要 由氧化 铁和 组成 说 明氧 氮处理 表 面不 影 响化 学反 应 膜 和 边 界 润 滑膜 的化学 结 构 根 据俄 歇 电子 能 谱 仪 的分析结 果 ， 算 出 了盘 试样 各 摩 擦 表 面 上边 界 润 滑膜 中主要 元 素的原 子 数 比 下 和 用 随溅射 时 间 的变 化 ， 结果 如 图 所示 仅 由 润 滑 时 ， 在 载荷 下 ， 盘摩擦 表 面 的 用 远 高于 钢 盘 ， 表 明 盘摩擦 表 面 的 氧化膜更 厚且 结 构 更致 密 ， 此 即为 润 滑 时 盘 的承 载能力 明显 高于 钢盘 的主要 原 因 卜刃 燕吸斗︵︶ 燕吸斗︵︶己 ﹄。 石 溅 射日寸旬 溅射时 间 图 不 同载何下盘试样摩擦表面上 元素的原子含最 比随溅射时间的变化关 系 图 中曲线所标字母为表 所 列的试验编 号 ， 数字为该摩擦表面的最高试验载荷 由 润 滑 时 ， 在 试验 的 个 载荷 下 ， 盘摩 擦 表 面 的 压 均 明显 高于 钢 盘 ， 说 明氧 氮处理 表 面 的氧化 膜 可促 进 膜 的生 成 ， 使得 盘摩擦 表 面 的 膜更 厚且 结 构 更 致 密 在 载荷 下 ， 润 滑 时 钢 盘摩擦 表 面 的 压 比 润 滑 时低 润 滑 时 盘摩擦 表 面 的 压 随载荷 的增 加 而 逐 步 升 高 ， 而 润 滑 时其摩 擦 表 面 的 下 不 仅 比 润 滑 时低 ， 而 且 随 着 载 荷 的增 加 而 逐 步 降低 这 些 都表 明 ， 润 滑 剂 中加 入 时不 利

Vol.18 No.6 马雁声等：钢表面氧氮处理层对硫化烯烃润滑的作用 ·579· 于摩擦表面氧化膜的生成.曹立礼等]认为，摩擦表面上生成的硫化物对氧化膜的生成有抑 制作用.LP+SO润滑时，40Cr钢盘摩擦表面的O/Fe虽然随着载荷的增加而逐步升高，但载荷 由480N增加到840N时，OFe升高的幅度已经很小，可以认为此时氧化膜的生成和磨损达 到了一个动态平衡.在所试验的3个载荷下，40Cr钢盘摩擦表面的OF均远远低于ON盘， 表明LP+SO润滑时ON盘摩擦表面的氧化膜依然更厚且结构更致密，氧化处理膜仍旧有很 大作用. 根据以上的分析可以认为，由于润滑剂中加入SO时不利于摩擦表面氧化膜的生成，所 以此时承载能力的提高主要是由于摩擦表面化学反应膜FS的生成，因为氧氨处理表面的氧 化膜可促进FeS的生成，使得其摩擦表面的FeS膜更厚且结构更致密，所以润滑剂中加人SO 时，ON盘承载能力提高的幅度远大于40Cr钢盘，氧氯处理表面与SO配合可取得更好的抗磨 和抗擦伤效果的原因，主要是由于氧氮处理表面的氧化膜可促进FS膜的生成，再加上该氧 化膜本身的作用，使得其摩擦表面上由S和氧化铁组成的边界润滑膜更厚且结构更致密， 4结论 (1)硫化烯烃与氧氨处理表面配合可取得更好的抗擦伤和抗磨效果， (2)氧氮处理表面的氧化膜可促进化学反应膜Fs的生成，再加上该氧化膜本身的作用， 使其摩擦表面上由FS和氧化铁组成的边界润滑膜更厚且结构更致密，取得更好润滑效果. 参考文献 1王汝霖.润滑剂摩擦化学.北京：中国石化出版社，1994.192~213 2 Sakurai T.Role of Chemistry in the Lubrication of Concentrated Contacts.J of Lubrication Technology,1981,103(4):473-485 3 Godfrey D.Chemical Changes in Steel Surfaces during Extreme Pressure Lubrication.ASLE Trans, 1962,5:57~66 4 Murakami T,Sakai T.Lubricating Performance of Organic Sulfides under Repeated Rubbing Condi- tions.ASLE Trans,1985,28:363 ~373 5马雁声.钢表面改性层与极压抗磨添加剂的交互作用：[博士学位论文].北京：清华大学，1993 6马雁声，刘家浚，顾正秋.润滑油极压抗磨添加剂在N一P镀层表面的作用机理.北京科技大学学报， 1995,171):91-94 7 Ma Y S,Liu J J,Zheng L Q.The Synegistic Effects of Oil Additive Sulphurized Olefin with Chemico thermal Treatment Surfaces of Steel.Wear,1994,176(1):67 ~72 8曹立礼，王运辉.边界润滑膜化学结构研究.机械工程学报，1987,23(3)：25~30

已 马雁 声等 钢 表 面 氧氮处理 层 对硫化烯烃润 滑 的作用 · · 于 摩 擦 表 面 氧 化 膜 的 生 成 曹 立 礼 等 认 为 ， 摩 擦 表 面 上 生 成 的硫 化 物 对 氧化 膜 的生 成 有 抑 制作 用 润 滑 时 ， 钢 盘摩 擦 表 面 的 压 虽 然 随着 载荷 的增 加 而逐 步 升 高 ， 但 载 荷 由 增 加 到 时 ， 下 升 高 的 幅度 已 经很 小 ， 可 以 认 为此 时 氧 化 膜 的 生 成 和 磨 损 达 到 了 一 个动 态平 衡 在所 试 验 的 个载 荷 下 ， 钢 盘摩 擦 表 面 的 压。 均 远 远低 于 盘 ， 表 明 润 滑 时 盘 摩 擦 表 面 的氧 化膜 依 然 更 厚且 结构 更 致 密 ， 氧 化处理 膜 仍 旧 有 很 大 作 用 根 据 以 上 的分 析 可 以 认 为 ， 由于 润 滑 剂 中加 人 时不 利 于 摩 擦 表 面 氧化 膜 的生 成 ， 所 以 此 时承 载 能力 的提 高主要 是 由于摩 擦 表 面化 学反 应 膜 的生成 因为 氧氮处理表 面 的氧 化膜可促进 的生成 ， 使 得其摩擦表 面 的 膜 更 厚且 结构更 致 密 ， 所 以 润 滑剂 中加人 时 ， 盘承 载能力提 高 的幅度 远大 于 钢盘 氧 氮处理 表 面 与 配合 可取得 更 好 的抗磨 和抗 擦伤效果 的原 因 ， 主 要 是 由于 氧 氮处理 表 面 的氧化膜 可 促 进 膜 的生成 ， 再加上 该氧 化膜本身 的作 用 ， 使得其摩 擦 表 面上 由 和 氧化铁组成 的边 界 润 滑膜更 厚且 结 构更 致 密 结论 硫化烯烃 与氧氮处理 表 面 配合可 取得 更 好 的抗擦 伤和抗磨效果 氧氮处理 表面 的氧化膜 可促进 化 学 反 应膜 的生成 ， 再加 上 该 氧化膜 本 身 的作用 ， 使其摩擦表面 上 由 和 氧 化铁组成 的边 界润 滑膜更 厚且 结 构更致 密 ， 取得 更 好润 滑效果 参 考 文 献 王 汝霖 润滑剂摩擦化学 北京 中国石化出版社 ， 一 勺 ， ， 礴 ， ， ， ， ， 一 马雁 声 钢 表 面 改性层 与极 压抗磨添加剂 的交互作用 博 士学位论文 北京 清华大学 ， 马雁 声 ， 刘 家浚 ， 顾 正 秋 润 滑 油 极 压抗磨 添 加 剂 在 一 镀层表 面 的作用 机理 北京科技大学学 报 ， ， 一 ， ， 一 ， ， 曹立礼 ， 王 运 辉 边 界 润 滑膜化学 结构研究 机械工程 学报 ， ， 一

·580· 北京科技大学学报 1996年No.6 Mechanism of Oxidized Steel Surface Improving Lubricating Performance for Sulfurized Olefin Ma Yansheng Gu Zhengqiul)Wu Yinshun)Liu Jiajun2) 1)Department of Surface Science and Corrosion Engineering.USTB,Beijing 100083,PRC 2)Tsinghua University ABSTRACT A ball on disc machine was employed to study the effect of oxidized steel surface on the lubricating performance of sulfurized olefin.Mechanisms of the effect were discussed based on the analysing results obtained with several surface analysing instru- ments.It is found that better anti-scuffing and antiwear properties could be obtained for the combination of sulfurized olefin and oxidized steel surface.The main reason for the phenomenon can be attributed to the effect of the pretreated oxide film itself and its effect on promoting the formation of chemical reaction film FeS,which results in the formation of a more continuous in structure and thicker boundary lubricating film consisted of FeS and iron oxide on the wear surfaces of oxidized steel. KEY WORDS oxidized layer,sulfurized olefin,friction and wear 中以+++++》出中中中++++中》以+中小+中++中中十中中中+十+十+十+叶++小+小少+ 科研成果 模糊控制图与模糊诊断 在国家教委博士导师基金项目“工业生产部门的质量控制理论”中，我们集中研究了如何 将模糊数学理论与控制图和两种质量诊断理论相结合，以使控制图和两种质量诊断理论能够 更好地满足生产现场的需要， 经过研究，提出了模糊单值控制图、模糊均值控制图、模糊不合格品率控制图和模糊单值 选控制图.这类模糊控制图在给出定性结论的同时，也给出了控制界限的边界点对正常状态 的隶属度，克服了传统控制图在控制界限判断突变的缺点，通过统计模拟试验，证实了模糊不 合格品率控制图较传统的不合格品率图更灵敏. 本项目还研究了传统的判稳、判异准则及两种质量诊断理论的模糊化问题并获得了初步 成果，从而使模糊控制图可用于生产过程的质量控制与诊断， 到目前为止，模糊控制已在工业中获得广泛应用，如模糊电冰箱、模糊洗衣机、模糊照相 机等等均纷纷问世，取得巨大的经济效益，与此相对应地，可以预计，模糊质量控制与诊断也 将会有广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益

北 京 科 技 大 学 学 报 年 ， 朋 ’ 脚 ‘ 乙 ， ， ， 滋 俪 一 兔 ， ， ， 衍 科研成果 模糊控制 图与模糊诊断 在 国家教 委 博 士 导师基 金 项 目 “ 工 业生 产部 门的质量 控 制理 论 ” 中 ， 我 们集 中研究 了 如何 将模糊 数学理 论与 控 制 图和 两种 质 量 诊 断理 论相 结合 ， 以 使控 制 图和 两 种 质量 诊 断理 论能够 更 好地 满足 生产现场 的需 要 经过研究 ， 提 出 了模 糊 单值控 制 图 、 模 糊 均值控 制 图 、 模 糊 不合 格 品率控 制 图和模 糊 单值 选控 制 图 这类 模 糊控 制 图在 给 出定 性 结 论 的 同时 ， 也 给 出 了控 制 界 限 的边 界 点 对正 常 状 态 的隶属 度 ， 克服 了传统控 制 图在 控 制 界 限判 断突变 的缺点 通 过 统计模 拟 试验 ， 证实 了模糊 不 合格 品率控 制 图较传 统 的不合格 品率 图更 灵敏 本 项 目还研 究 了传 统 的判 稳 、 判 异 准则及 两种 质量 诊 断理 论 的模 糊 化 问题 并获得 了初步 成果 ， 从而 使模糊 控 制 图可 用 于 生 产过 程 的质量 控 制 与诊 断 到 目前 为止 ， 模 糊 控 制 已 在 工 业 中获 得 广 泛 应 用 ， 如模 糊 电冰 箱 、 模 糊洗 衣 机 、 模 糊 照 相 机等 等 均 纷 纷 问世 ， 取 得 巨 大 的 经济 效 益 与 此 相 对应 地 ， 可 以 预计 ， 模 糊 质 量 控 制 与 诊 断也 将会有 广 阔的应用 前 景 和 潜在 的 巨 大 经 济 效益