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硼酸盐和氯化镧在水介质中的摩擦磨损性能 陈波水，方建华，王九，李嘉，娄方摘要：通过四球摩擦试验机评估硼酸钠、硼酸钾和氯化镧在水中的抗磨减摩性能。借助SEM、EDX和XPS来研究疲劳表面的形貌、元素分布和化学特性。结果表明，硼酸钠、硼酸钾和氯化镧在一定程度上增强了水基的极压、抗磨和减摩性能，其中硼酸钾的效果最佳。硼酸钠、硼酸钾和氯化镧的混合物可以进一步提升抗磨减摩性能。使用含有硼酸盐和氯化镧的水相润滑剂的疲劳表面的划痕比那些使用只含硼酸盐的润滑的要少。对于含有硼酸盐和氯化镧的水基润滑剂主要是一种由镧、硼和铁的氧化物组成的生物化学薄膜来减少摩擦和磨损。关键词：硼酸盐；氯化镧；水；摩擦；磨损；稀土族由于较高的承载负荷能力，较好的热稳定性和氧化稳定性，以及较低的生态毒性等，基于含硼化合物的润滑剂以被证明是大有前途的。的确，许多含硼化合物。像有机硼酸酯、无机硼酸盐中的硼酸钠，甚至纳米级的硼酸盐粒子，都被证实在润滑油、润滑脂中是极好的。在最近十年中，含硼的润滑油、润滑脂添加剂的关注增多，也做了许多的工作。尽管一些关于含硼化合物的生物化学性能研究和含硼酸酯的润滑剂的应用证明含硼化合物是很好的水相添加剂，但是大多数的研究还是集中于其在油和脂中的行为反应。因此，加强对硼基润滑添加剂在水中的摩擦学特性的研究同样具有十分重要的理论和实际意义，不仅有助于理解其在水中的摩擦磨损特性，而且有助于发展新型，特别是环境友好型水基润滑剂，。由于稀土化合物作为添加剂也被广泛应用研究。研究发现许多稀土化合物在润滑油、润滑脂、浆体，甚至是涂料中表现出极佳的摩擦特性。作者研究发现一些稀土化合物在抗磨减摩方面与有机硼酸酯展现出良好的配合作用。本文旨在研究理解水基硼酸钠、硼酸钾和氯化镧以及一些稀土化合物的摩擦磨损特性。1 实验1.1添加剂和设备添加剂：硼酸钠、硼酸钾和氯化镧，所有试剂均为化学纯。设备：MQ-800四球试验机；MMW-1P双显式立式万能摩擦磨损试验机；CSM-950 SEM扫描电子显微镜；（EDX）能散X射线分析仪；（XPS）X射线光谱仪。1.2步骤水相添加剂的抗磨减摩性能是通过摩擦试验机评估出来的。一般，润滑剂的最大无卡咬负荷PB和焊接负荷PD在MQ-800上试验测出，而磨斑直径和摩擦系数由MMW-1P在1500r/min,室温条件下测得。本次试验的摩擦副是直径12.7mm,硬度在59-61HRC的钢制轴承滚珠。摩擦试验结束后所得试球用石油醚进行超声波清洗十分钟,以便进行表面分析试验。通过扫描电镜观察表面形貌，而元素分布和生物化学特性分别由EDX和XPS分析测出。2 结果和分析2.1 硼酸盐和氯化镧的摩擦磨损特性表格1分别显示了硼酸钠、硼酸钾和氯化镧在水中的抗磨减摩性能。当硼酸钠、硼酸钾和氯化镧添加到水中，极压性能增强，水相的抗磨减摩性能在一定程度上得到提高，但是，抗磨减摩能力的大小不尽相同。其中，抗磨减摩的能力大小为硼酸钾硼酸钠氯化镧。因此，硼酸钾是其中最好的添加剂。从表1中可得出一个结论，增加硼酸盐和氯化镧的比例可以提高配制的水相润滑剂的摩擦磨损性能。表1硼酸钠、硼酸钾和氯化镧在水中的抗磨减摩性能2.2 硼酸盐和氯化镧混合物的摩擦磨损性能 表格2展现了硼酸盐和氯化镧混合物在水中的摩擦磨损性能。对比表格2 和表格1，可以看出，当氯化镧添加到含有硼酸钠或硼酸钾的水中时，PB和PD明显增加，WSD和摩擦系数明显下降，说明添加氯化镧可以增强硼酸钠和硼酸钾的抗磨减摩性能。表格2 的结果同样表明，在增强极压性能方面，氯化镧与硼酸钾的混合作用更强。表2硼酸盐和氯化镧的混合物在水中的摩擦磨损性能2.3 抗磨减摩原理2.3.1 表明形貌和元素分布图1分别显示，含有硼酸钠，硼酸钾，硼酸钾和氯化镧混合物，硼酸钠和氯化镧混合物，四种不同添加剂的水相润滑剂的扫描电镜图像。在图1中，从图a和图b可以看出含硼酸钠和硼酸钾为添加剂的水相润滑的表面有严重的磨损，而含有硼酸钾和氯化镧混合物，硼酸钠和氯化镧混合物为添加剂的表面润滑试验中，磨损要轻而且表面更加的光滑，特别是硼酸钾和氯化镧混合物为添加剂的水相润滑剂抗磨减摩的能力显著提高。图1 各疲劳表面的扫描电镜影像图2显示以硼酸钾和氯化镧为添加剂的水相润滑剂润滑的疲劳表面上硼、氧、镧和铁的元素分布情况。从图2可以看出，硼、氧、镧和铁的元素在表面的分布情况较好，但是他们的含量却不相同。硼和镧元素在表面上的存在证明硼酸钾和氯化镧作为添加剂在水中是有助于减少摩擦磨损的。图2 疲劳表面上元素分布情况 (a)B;(b)O;(c)La;(d) Fe2.3.2 生物化学特性疲劳表面上硼、氧、镧和铁的元素的生物化学特征是借助XPS分析出的。图3显示的分别是在以硼酸钾和氯化镧为添加剂的水相润滑剂润滑的疲劳表面上的硼、氧、镧和铁元素的XPS光谱分析。从图3可以看出，光谱图（a）上,硼元素的结合能为192.0eV,对应着三氧化二硼的标准谱峰位置。图（b）中，镧元素的结合能为835.1eV,对应着三氧化二镧的标准谱峰位置。图（c）中，铁元素的结合能为710.8eV,证明铁氧化成为了四氧化三铁和三氧化二铁。图（d）中，结合能为532.7eV、533.0eV、530.0eV的氧元素分别与三氧化二镧、三氧化二硼、四氧化三铁或三氧化二铁的标准谱峰位置一致。从光谱分析的结果可以看出，以硼酸钾和氯化镧为添加剂在水中的抗磨减摩能力归功于摩擦表面上形成的一种复合生物化学反应薄膜。这种薄膜主要由具有良好抗磨减摩性能的三氧化二镧、三氧化二硼、四氧化三铁或三氧化二铁组成。图3疲劳表面上各元素的XPS光谱分析 (a)B;(b)La;(c)Fe;(d)O3 结论1.硼酸钠，硼酸钾和氯化镧在一定程度上分别具有增强水的极压，抗磨和减摩能力，其能力大小顺序为硼酸钾硼酸钠氯化镧。2.硼酸钠和硼酸钾的极压，抗磨和减摩能力可以通过添加氯化镧得到加强，尤其是硼酸