Tribology International： 通过摩擦界面考察高温下偏硅酸钠的润滑机制

布鲁克文章推荐 第15期 

Bruker Journal Club

     文：布鲁克纳米表面仪器部门  

      黄鹤博士 

澳大利亚卧龙岗大学朱洪涛教授、中科院兰州化物所杨军研究员与暨南大学、中南大学的研究团队合作，在研究偏硅酸钠高温条件下摩擦时的润滑机制研究中取得重要发现。此研究考察了550到960°C高温下钢-钢球盘对磨时偏硅酸钠在摩擦界面的润滑机制。

该研究成果（Lubrication mechanism of sodium metasilicate at elevated temperatures through tribo-interface observation于2019年9月线上发表在《Tribology International》杂志上。

高压（1GPa）、高温（600-1000°C）、高速（3-10m/s）热轧钢材时，过度的摩擦、剧烈的磨损、氧化和热-机械导致的疲劳将导致摩擦接触界面处出现不可预测的机械失效。据报导适当的润滑剂可使轧辊寿命提高20-40%，改善表面质量同时减少能耗。

其中，具有非晶态的无机化合物润滑剂（磷酸盐、硼酸盐、硅酸盐等）以其优异的热、化学稳定性被认为非常适合于高温润滑。已有一些研究针对磷酸盐、硼酸盐。而偏硅酸盐是一种价格低廉且环境友好的无机化合物。此前的研究多数集中在室温，少部分研究了硅酸钠（其中Na2O/SiO2比在2到4）与石墨混合后在500至1200°C时的摩擦特性。

然而，高温下单纯的偏硅酸钠（Na2O/SiO2=1）在氧化铁界面的摩擦化学的研究还鲜见报导。

因此，该论文作者考察了高温下（550-960°C）偏硅酸钠的摩擦、磨损行为，通过对摩擦界面所生成材料的化学成分、物相和显微结构的分析来解释偏硅酸钠的润滑机制。

实验选用低碳钢模拟被轧制的钢板制成下试样盘片（Disc），高速钢钢球（Ball）处于静态从上往下施载以模拟轧辊。润滑剂是经高温（550°C）脱水后形成纯的偏硅酸钠（Na2SiO3，缩写NSO）, 将其制成3 wt%的偏硅酸钠溶液后覆盖于盘片表面，加热至120°C去水液后进行摩擦试验。

所有摩擦试验均在布鲁克公司的UMT TriboLab上进行，球-盘摩擦时将覆盖有润滑剂的盘和钢球装好后，加热至实验温度。实验时，正压力10N（压强在0.69至0.8GPa），温度在550-960°C，滑动速度为0.094m/s(60 RPM, 15mm半径)，时长15分钟。UMT摩擦试验机自动记录整个过程摩擦系数（µ）实时数据（如图一）。为确保测试的再现性，摩擦试验至少重复三次。

如图一，当温度在550至730°C之间时，无论干磨或有NSO润滑，摩擦系数都在0.45到0.75间大幅波动。此波动是由于高温条件下原本形成的氧化皮出现断裂，使得滑动表面出现直接接触。当温度上升至825°C以后，摩擦系数曲线变得平缓，因为此时有润滑层形成，分离开了滑动配副。从c图看，干磨与有NSO润滑层时的平均摩擦系数在550至730°C间基本在0.51，一直到825°C时，曲线趋势保持一致。而到825°C时，系数大幅下降至0.4。到了920°C和以上时，两种条件下的摩擦系数曲线分化严重：干磨时µ降至0.3，有NSO层的降至0.15。d图具体对比了920°C时两种条件下随时间变化的情况。在磨合阶段，µ首先降至0.38附近，因为此时盘片上薄而致密的氧化皮充当了固体润滑剂。随后它攀升至0.45，因为此时氧化层破裂引起接触表面粗化。此后，µ下降并稳定在0.3（干磨）和0.15（有NSO），这是因为此时接触表面生成了一层稳定的润滑层。对比干磨可以看到，有NSO润滑情况下，其反应层可使摩擦大幅下降50%。可以看出，UMT TriboLab仪器在920°C高温条件下系统稳定运行，其力传感器仍能非常稳定地工作并且保持极高的灵敏度，对摩擦系数的细小变化还能准确获取（d图中红线在400到900秒间是有较小波动的，推测可能与生成的润滑层的动态剪切滑动颤动有关）。

摩擦试验后，为考察磨损情况，作者使用布鲁克三维光学形貌仪（白光干涉仪）准确测量出各种条件摩擦后的表面磨痕形貌。通过软件定量分析磨损体积，计算磨损速率。图二a展示出有NSO润滑条件下，在920-960°C时，磨损速率低至0.25x10-3mm3/N·m，比干磨条件减小至少60%，尤其同比920°C干磨时低了一个数量级。图二 b – e以920°C为例，对比了干磨和有NSO润滑层的试样在磨损后的磨痕形貌与截面分析结果，可以明显看到，干磨条件下磨痕较宽且深而有润滑层其磨痕则较窄而浅。这一结果与摩擦结果一致，印证了在920°C及以上高温时偏硅酸钠大大提高了润滑性能。此处，布鲁克白光干涉技术对磨痕形貌的观察十分直观有效，令人信服。此外，若采用自动拼接则可获得整个磨痕区域三维形貌使得数据更完整可靠，自带的专有软件可精确定量计算磨损体积，从而准确给出磨损率。

论文作者随后针对920°C时偏硅酸钠的结果进行了磨斑观察、摩擦配副界面处材料的断面观察（包含EDS、SAED和EELS等），认为在920°C附近到达了偏硅酸钠熔融点，形成非晶化，在随后冷却时出现纳米晶。正是这一偏硅酸钠层结构分离开摩擦配副间的直接接触，其磨损粒子嵌入紧实了表面，减少了破坏性的磨粒磨损，形成了较光滑的表面，从而显著降低了摩擦和磨损。此研究不仅延伸了环境友好的偏硅酸钠作为高温润滑剂的应用，也阐明了无机盐润滑剂与氧化皮在界面处是如何相互作用的机制。

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论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105972

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