离子液体作为摩擦改进剂对全配方型柴油机油的影响

离子液体作为摩擦改进剂对全配方型柴油机油的影响M.Ananda,b,n,M.Hadfielda,J.L.Viescab,a,B.Thomasa,A.HernándezBattezb,a,S.AustencaFacultyofScienceandTechnology,BournemouthUniversity,Poole,UKbDepartmentofConstructionandManufacturingEngineering,UniversityofOviedo,Asturias,SpaincRoyalNationalLifeboatInstitution,Headquarter,Poole,UK摘要：近年来，已经发表了多篇论文，探讨离子液体（ILs）作为润滑油添加剂的潜在用途。然而，离子液体对金属表面的腐蚀作用和在非极性油脂中的低相容性是维持最佳润滑性能水平的主要障碍。高相容性及无腐蚀行为的三己基（十四烷基）膦双环（2,4,4-三甲基戊基）膦和三己基（十四烷基）膦双环（2-乙基己基）膦酸盐，作为润滑油添加剂，在最近的文献中已被描述过。本文介绍了这些磷基离子液体作为添加剂在全配方型柴油机润滑油中使用的效果。这种方法能让废润滑油恢复摩擦学性能，在其使用寿命结束时还能进一步使用。机油使用寿命的延长可能产生显著的经济和环境效益。同时，它增加了我们急需的知识关于ILs和已磨损发动机的润滑油的相互作用对柴油机气缸衬垫摩擦系统的摩擦学性能的影响。结果表明，两种ILs的添加均能改进润滑油抗磨擦和磨损的性能。然而，需要被注意的是新鲜的和正在使用的润滑剂样品的摩擦反而增加了。在边界膜的形成过程中，我们观察到了现有的润滑油添加剂与加入的ILs之间的一个有趣的干扰。关键词：离子液体；抗磨；润滑添加剂；边界润滑；表面分析1介绍内燃机（IC）的高摩擦损耗发生在环套的接触在上止点（TDC）缸套顶部环反转点附近。两滑动面靠在发动机润滑油中的抗磨损添加剂在接触区形成保护边界膜。发动机环境中润滑油的延期使用，会导致添加剂消耗，从而影响发动机的燃油效率和使用寿命。而离子液体（IL）可以作为发动机润滑油老化所引起的添加剂损耗问题的解决方案。近年来，一些论文已发表，旨在调查离子液体作为润滑油添加剂的潜在用途。离子液体对金属表面的腐蚀作用和在非极性油液体的低相容性是保持最佳润滑性能水平的主要问题。尽管，一些发动机适用于非腐蚀性离子液体，并且能够克服相容性问题。但目前，若应用于发动机，使用小剂量的离子液体添加剂，对比散装润滑油，要考虑到经济的问题由于离子液体的价格昂贵。然而值得注意的是，使用后的离子液体可以多次回收，这减少了实际应用中离子液体的总成本。因此，这是润滑油行业调研的另一个经济效益的方面。Yu和Qu等人最近所描述了作为润滑油添加剂的两种膦基离子液体的无腐蚀性和高相容性行为。在当前的工作中，相同的磷基离子液体被用作发动机中的润滑油添加剂，这少不了文章作者的贡献。这可以让用过的机油恢复摩擦学性能，在使用寿命结束时还能继续使用。机油使用寿命的延长在燃油的经济性与发动机的可靠性方面可能会产生显著的效益，同时也会减少油耗和向环境中的废气排放。以前，大部分的膦基离子液体的研究，是把它作为单一润滑剂，或基础油和新机油的添加剂来进行的。因此，目前的工作急需关于ILs和润滑油中已有添加剂的相互作用对环缸套摩擦系统的摩擦学性能的影响的知识。摩擦磨损试验是一种筛选潜在候选材料和润滑油成本有效和快速的方法。他们的发展阶段之前，全面的发动机测试。因此，初步的实验进行评估的含6%体积的油介体共混物的摩擦磨损性能离子液体，对原发动机润滑油的老化测试。矿物基础油和新机油，都与没有ILS，也测试比较。调查还涉及一个电气接触电阻（ECR）了解摩擦膜的方法形成过程。X射线能谱分析（EDX）和X射线光电子能谱（XPS）磨损表面分析手段，提取有用的信息摩擦化学反应发生在滑动过程中。2实验细节三己基（十四烷基）膦双环（2,4,4-三甲基戊基）膦，这里称为IL1，购自Sigma-Aldrich。三己基（十四烷基）膦双环（2-乙基己基）膦酸盐，简称IL2，购自Iolitec。两种离子液体中以6%体积的比例与从重载四冲程柴油机中采集到的润滑油样品混合（ManD2840LE401，输出功率~850hp）该柴油机安装在英国皇家救生艇协会的特伦特级救生艇上（RNLI）。根据不同的使用间隔采集油品，如135和196小时，被称为In-serviceOil，而在使用了315小时后收集的样品被称为UsedOil，因为标准油分析表明，它不适合作继续使用。RNLI用的机油是一个基于SAE15W40的商用全配方型矿物。矿物基础油和新鲜的15W40机油，加或未加ILs的，为比较均进行了测试。ILSACGF-5限制了发动机润滑油的磷含量在600和800ppm之间，防止污染提供最佳磨损保护的排放控制系统。基于对离子液体作为添加剂加入到润滑油中的分子量的计算，可以得到结果，ILs净增加4337ppm的油磷含量（IL1）和4163ppm（IL2）。然而，本次研究的目的是评估ILs和现有的添加剂之间的相互作用，因此使用更高含量的ILs。先前JunQu等人研究了，使用磷浓度较低（1%wt）的ILs作为添加剂，但PAO基础油总磷含量达到了1000ppm。他们的研究证明活塞环缸套的摩擦学性能接触。因此，未来关于低浓度离子液体的工作将有助于理解离子液体和机油中已有添加剂之间的相互作用，同时保持磷含量在GF-5标准的限制之内。表1展示了润滑油的运动粘度和铁磁性磨粒的铁元素含量，可以分别通过ASTMD445和D4951/D5185实验测量得到的。柴油中这些黑色的碎片主要来源于机油气缸套，其表面受到了滑动磨损。超声探头（SonicSystemP100）处理5分钟后，实现ILs和油的混合。视觉判断油和ILs之间无相分离，由于两者密度略有不同，即使存储在密封瓶中也要等到一个月后。由于发动机油的暗黑色，所以采用TurbiscanLabExpert分析（Formulaction）含有IL1和IL2的油样。对每一个样品进行11天的稳定性分析，混合物才能被认为是稳定的。简化的非共形结构活塞环-缸套接触代替形交配表面。活塞环试样制备的机械加工实际不用的顶部压缩活塞环（通常用于Mand2840le401引擎）分成几个小片段。平试件代替实际的切段缸套（通常用在ManD2840le401引擎）；然而，类似的材料组成保持。这个非共形的配置是用来实现正确的试验台两个样品的校准。否则，如果弯曲从实际的衬垫试样切割使用，然后曲率未经压缩的活塞环会大于班轮标本。因此要避免这一困难的机械对准，平板试样作为代表的真正的班轮使用。一个带有铬涂层的活塞环段运转面（段长度24毫米，涂层硬度990HV，约0.372μmRRMS）是初始表面粗糙安装在试样支架上以保持所适用的正常垂直于平面试样的载荷（10毫米33毫米）灰铸铁（bs1452，210–230HV，硬度约0.647μM初始表面粗糙度Rrms）。活塞环和平标本中丙酮超声清洗10分钟前摩擦学测试，如图1所示。滑动试验是利用高频往复摩擦磨损试验机进行（固定te77）。一个恒定的正常负载为50适用于产生的接触压力为285兆帕的在每一个测试开始时，在平坦的接口上。在变化滑动接触面接触压力界面，由于磨损过程发生在测试持续时间，被认为是可以忽略不计。使用赫兹理论的非共形接触压力计算联系如在。此外，平均往复滑动频率为4.4赫兹，行程长度为5毫米，完全淹没加热油浴1001C恒定均匀油温保持3h，ECR测试时间测量电绝缘边界的形成使用LunnFurey接触电阻电路薄膜。每个测试被复制三次，摩擦系数和磨损量取平均值。所用载荷、高温和活塞环段与平板样品之间的点接触在模拟的边界润滑制度在集成电路发动机的顶部环反转区域附近看到模拟由其他研究人员在过去。理论通过计算润滑制度的确认油膜厚度比（或λ比）采用了最小油膜厚度（下）并结合RMS粗糙未磨损表面活塞环段和平板样品下使用Hamrock和道森公式，计算结合上述材料和测试参数，这样，λ比值约0.01保证边界润滑状态的摩擦测试开始。3结果和讨论3.1摩擦和ECR分析此外，离子液体作为添加剂被发现后的矿物基础油和不同的全配方发动机油的摩擦行为类似（图2A–E）。表2显示了平均摩擦系数和标准图2所示的偏差值。有趣的是离子液体成为在降低ringliner摩擦学系统的摩擦反应时已经存在的润滑油添加剂主要是有效的由于发动机的服务耗尽和效果明显明显使用油情况（图2e）。平均摩擦的净减少由IL1、IL2废机油加系数0.4%和9.9%，在摩擦试验，开始，29.2%10.3%，在摩擦试验结束，分别，在fullyformulated废油没有IL比较。ECR的结果（图2F–J）描绘有趣的边界膜不同润滑油的形成现象，虽然只有定性比较，可以使用这种技术。fullyformulated新油（IL）表现出优异的边界膜形成能力，由于其有效的成膜添加剂（图2）。成膜助剂的损耗对ECR的结果是显而易见的在役和用过的油例（没有ILS）。液体油的加入可以提高金属–金属接触表面之间的下降，反映接触电阻在所有情况下，除了使用石油。混合物用石油和液体超过边界膜的形成使用油的能力。在使用过油的混合物的情况下和IL1，6000秒后，抵抗频繁的逆转可能由于存在较高的磨损碎片已经目前使用的油（主要是铁磨屑，见表1）。穿碎片也可以氧化磨损过程和行为过程绝缘层导致不稳定的电阻金属表面。3.2磨损分析从铸铁样品中材料的相对损耗磨损量（图3）定义了不同润滑油的有效性和润滑剂的混合物。新的石油，其中包含一个精心设计在边界提供最大保护的附加包磨损状况，产生了最少磨损。由于这些添加剂是在矿物基润滑油的磨损是最高的。的趋势增加磨损量的摩擦试验结果由于润滑油失去了其有效性他们的工作周期在实际发动机中的作用小时数，即135，196和315h全配方发动机油的使用中，油约315h后收集实际发动机之前摩擦测试产生显着较高的磨损量却低于矿物基础油。这可以解释了由于在该与矿物油相比，使用过油，无。IL1、IL2的不同机油的添加效果图3中可以看出。磨损量的情况下，使用的油是由IL1除了降低58%和34%IL2，分别。然而，在所有其他情况下，增加磨损全配方发动机油的ILS之外还注意。有趣的是，帮助减少磨损时，加入离子液体添加剂的矿物油为基础油的抗磨性能但没有充分地制定新的石油。以往的研究已经提到，由于离子液体独特的偶极结构，其带负电荷的部分往往吸附在带正电荷的金属表面，从而形成一个表面保护膜。同样也是真实的ZDDP抗磨添加剂通常出现在发动机润滑油。上述磨损结果从目前的研究表明，拮抗充分制定本添加剂之间的相互作用发动机润滑油和后来添加的离子液体。这种互动可以归因对薄膜形成的润滑添加剂的亲和力强金属表面导致与ILS竞争攻击，这具有相似倾向。它已被提到的摩擦化学在表面发生的反应也可能是有害的化学（腐蚀）和机械（例如，磨损）的协同作用和附着力）强调加速材料去除[26]。因此这种现象可能发生的竞争所有添加剂的反应，最终形成表面边界膜导致产生的应力引起较高的膜去除率比成膜速率。因此，它提供了更多的本地网站在较高的配合面之间的接触从软铸铁表面去除材料。这些调查结果也与它们对应的ECR曲线线（图2）。由于类似的稳态摩擦行为的全配方型机油与不添加的液体，同样也假设磨损率响应摩擦系统新配方的润滑剂。相反，戴结果表明没有对称性与他们的摩擦（图2）。这一观察可以被认为是合理的摩擦和磨损.图4。SEM图像（1500）和三维白光干涉图像的铸铁平板样品后3h与新油润滑滑动在1001c（A，E）；油（B，F）；使用油þ6%IL1（C，G）；用石油þ6%IL2（D，H）。颜色再现。阿南德等人。磨损334-335（2015）677471–没有直接的关系，如布劳解释。过程导致摩擦和磨损可能来自不同的材料和系统性能和通常不达到稳定状态时间。因此，相同的摩擦行为的石油和没有ILS并不一定意味着观察到的磨损是一个类似的效果以及。这是