用XPS评价耐磨涂层的元素和化学成分

添加剂在润滑油中的作用是至关重要的，因为它可以在金属表面形成摩擦改性层。采用高基磺酸钙添加剂在钢表面沉积耐磨层。

使用二烷基二膦酸锌(ZDDP)，在承受摩擦载荷的表面形成保护性的玻璃状膦酸盐涂层。在摩擦载荷作用下，试样表面的层分布是不均匀的。

图1为磨损表面的光学图像，在进行摩擦学测试时，由于过程不均匀，磨损表面的痕迹呈现出较暗或较亮的痕迹(50-100µm宽)。

图1所示。由被分析表面的仪器所拍摄的光学图像

在摩擦学测试中分析的样品的表面积可能比典型的、高质量的x射线光斑(30-400µm)大得多。

因此，对于磨损轨迹的表征，有必要有一个包括微观和宏观分析的实验方案。

小点x射线分析可以检测和区分狭窄有趣特征中的各种化学键态，而它们在表面上的分布可以使用大面积制图。

仪表

热科学K-Alpha(图2)具有优越的成像能力、化学选择性和表面灵敏度，是分析耐磨涂层元素和化学成分的理想分析仪器。

K-Alpha设计用于执行高灵敏度的直接分析，甚至用于具有可磁化衬底(如钢)或电绝缘的抗磨涂层的小点分析。

本文介绍了该集成XPS工具的应用，以关联元素和化学成分的耐磨涂层的行为。

图2。Thermo Scientific的K-Alpha

实验和结果

本实验分析了三种钢样的摩擦稳定性，即GOOD_老,很好_新和坏的_新．良好的_老试样在其整个使用寿命中已经承受恒定的摩擦载荷，而GOOD_新和坏的_新样品在分析前没有磨损。良好的_老对试样进行分析，以确定其摩擦稳定性行为是否因荷载作用下的老化而受到负面影响。

良好的_新在摩擦学试验中，试样表现出良好的摩擦性能。相反,坏的_新样品表现出异常的摩擦性能。在本实验中，使用K-Alpha XPS将样品的这些不同的摩擦学特性与它们的表面成分和化学成分进行关联。

每个样品表面的元素都是通过在大范围内获取测量光谱来确定和量化的(图3)。尽管在油中存在高水平的ZDDP添加剂，但在摩擦测试后，样品中的锌含量非常低(表1)。

相反，GOOD的钙含量很高_老和良好的_新样本。以不同比例与ZDDP一起加入的高碱性洗涤剂是钙的来源。

图3。钢表面元素的元素识别

表1。样品元素表面定量

原子浓度
元素	好老	坏新	好新
P	0.29	0.28	0.21
年代	0.29	0.59	- - - - - -
Cl	0.22	0.80	0.83
C	15.96	39.86	40.10
Ca	14.12	3.79	8.31
O	57.73	45.12	44.71
F	1.50	- - - - - -	0.28
菲	6.74	7.67	4.28
锌	3.03	1.63	1.28
Na	- - - - - -	0.26	- - - - - -
毫克	0.12	(tr)	- - - - - -

好的表面的钙水平_老样本的含量远高于BAD_新和良好的_新样本。然而，GOOD表面的总碳含量很低_老样本。因此，对每个样品的碳化学成分进行了全面分析。

如图4所示，我们获取了高能分辨碳光谱，分析了样品各表面碳的化学键态。发现了有机衍生C-C、C-O和C=O和无机碳酸盐四种化学状态。

图4。碳的化学计量分析

得到的数据用一系列合成的洛伦兹-高斯峰形进行拟合，以进行全面的碳化学分析。因此，样品表面的化学状态被完全量化。表层碳酸盐和有机碳含量较高_老样本。

峰拟合证实了GOOD表面存在碳酸盐和C=O的混合物_新样品，而在坏的情况下几乎没有碳酸盐_新样本。

图5为GOOD的XPS成像_老样品，显示清晰的磨损痕迹，低碳酸盐和高碳酸盐交替区域。这些区域与钙浓度高低相关，揭示了轨道中碳酸钙的形成。

地图上每个点的碳酸盐薄膜厚度与成分同时测量。碳酸盐轨道上的薄膜厚度可高达87Å。在GOOD的XPS成像中观察到厚厚的碳酸钙轨道_新样品，其厚度略高于GOOD_老样本。

图5。碳酸盐岩薄膜厚度和表面组成的XPS成像测量

结论

结果清楚地表明了三种涂层钢样品的综合表征热科学K-Alpha．其中两个样品的摩擦稳定性良好，标记为Good_老和良好的_新．

他们的XPS成像显示，在它们的表面存在碳酸钙痕迹。坏_新表现出较差的摩擦稳定性，其表面几乎没有观察到碳酸钙。

通过K-Alpha XPS分析可知，当ZDDP与钙洗涤剂的比例合适时，在摩擦载荷作用下会产生碳酸钙，碳酸钙对表面具有良好的摩擦稳定性。

BAD表面缺乏碳酸钙_新样品表明，油配方中ZDDP与洗涤剂的比例不合适。

这些信息来源于赛默费雪科学公司提供的x射线光电子能谱(XPS)。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问Thermo Fisher Scientific - x射线光电子能谱(XPS)．