鈣基潤滑脂替代鋰基潤滑脂可行性研究

摘 要：鋰基潤滑脂誕生于1946年[1]，早已發(fā)展成為一種普遍用于工業(yè)各領(lǐng)域的重要潤滑脂。但由于近兩年新能源汽車熱銷，自去年開始電池級碳酸鋰、氫氧化鋰價格持續(xù)上漲，鋰基潤滑脂成本日漸升高。尋找一種性價比高的潤滑脂替代鋰基潤滑脂成為當(dāng)下行業(yè)內(nèi)的急切需要。通過對鈣基潤滑脂和鋰基潤滑脂基礎(chǔ)質(zhì)量指標(biāo)、高低溫流變性能考察，研究鈣基潤滑脂替代鋰基潤滑脂可行性。

關(guān)鍵詞：潤滑脂；流變；流動壓力；屈服應(yīng)力

在我國，鈣基潤滑脂的生產(chǎn)已基本定型，工藝條件比較成熟，生產(chǎn)經(jīng)驗也比較豐富[2]。以往，由于鈣基潤滑脂滴點相對較低，在使用中一直不能與鋰基潤滑脂相提并論。

本文通過流變儀、流動壓力測定儀等測試設(shè)備，通過對鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂進(jìn)行基礎(chǔ)質(zhì)量指標(biāo)、流變學(xué)性能考察，研究鈣基潤滑脂替代鋰基潤滑脂的可行性。

1 試驗儀器和試樣

1.1 試驗儀器

（1）MCR-302旋轉(zhuǎn)流變儀：Anton Paar，轉(zhuǎn)矩分辨率0.1nNm，最大速度314rad/s，頻率范圍10-7-628rad/s，選用圓錐平行板，錐角0°，錐半徑25mm，試樣厚度1mm。

（2）潤滑脂流動壓力測定器（FFK）：瑞士，28-810-0187，溫度30- -60℃，壓力0-300KPa。

1.2 試樣

試樣均采用等比例石蠟基、環(huán)烷基混合基礎(chǔ)油分別皂化單金屬鈣、鋰稠化劑，制備成鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂，工作錐入度牌號分別為NGLI 00、1、2、3號，基礎(chǔ)質(zhì)量指標(biāo)見表1。

從表1可以看出，鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂對應(yīng)牌號的1號、2號、3號試樣除滴點外，其它基礎(chǔ)質(zhì)量指標(biāo)相近，且鈣基潤滑脂比鋰基潤滑脂表現(xiàn)出更好的抗水性。

2 方法與結(jié)果討論

2.1 鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂流變學(xué)特性研究

利用MCR-302流變儀，分別按溫度掃描法、觸變環(huán)法、振動應(yīng)力掃描法、靜態(tài)應(yīng)力掃描法對鋰基潤滑脂、鈣基潤滑脂NLGI 1、2、3號進(jìn)行流變學(xué)特性研究。

2.1.1 溫度掃描法研究鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂隨溫度變化趨勢

選用溫度控制方式，在-20℃-190℃，溫升7℃/min，1%剪切應(yīng)變，剪切頻率1Hz做振蕩實驗，繪制模量與溫度曲線，鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂1號、2號、3號儲能模量隨溫度變化見表2。

經(jīng)研究，試樣的儲能模量均隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。從表2可以看出，鈣基潤滑脂1號、3號在-20℃、-10℃儲能模量都比鋰基潤滑脂1號、3號小，說明鈣基潤滑脂在低溫下具有更好的流動性，這點在2.2流動壓力試驗中也得到證實；通過對比儲能模量、損耗模量交點的溫度，鈣基潤滑脂1號、2號、3號交點溫度都高于鋰基潤滑脂1號、2號、3號，說明在交點前，鈣基潤滑脂1號、2號、3號具有更好的骨架保持能力；通過對流失溫度點的對比，鈣基潤滑脂1號、2號、3號均在溫度達(dá)到140℃以后才發(fā)生流失，而且130℃時的儲能模量鈣基潤滑脂1號、2號、3號與鋰基潤滑脂相當(dāng)，2號、3號鈣基潤滑脂更優(yōu)秀；通過與00#鋰基潤滑脂25℃儲能模量588Pa對應(yīng)的模量溫度對比，鈣基潤滑脂1號、2號、3號分別發(fā)生在82.6℃、112.7℃、146.1℃。

總之，鈣基潤滑脂1號、3號在-20℃、-10℃比鋰基潤滑脂1號、3號具有更好的低溫流動性；在溫度逐漸升高的條件下，模量交點前鈣基潤滑脂比鋰基潤滑脂具有更好的骨架保持能力，鈣基潤滑脂可以使用于130℃，極限使用溫度可以達(dá)到140℃。

2.1.2 觸變環(huán)法研究鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂觸變性

設(shè)置剪切速率6s內(nèi)從0線性上升到500s-1，保持剪切速率500s-1持續(xù)剪切180s，然后剪切速率在6s內(nèi)從500s-1線性下降至0。研究鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂1號、2號、3號觸變性。圖1為鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂1號、2號、3號觸變環(huán)面積對比。

圖1流變曲線均顯示出，在剪切速率上升階段的曲線中能夠觀察到明顯的屈服應(yīng)力和剪切稀化行為。試樣在3個階段得到的流變曲線分別形成了一個觸變環(huán)，觸變環(huán)面積越大表示其結(jié)構(gòu)被剪切破壞后越難恢復(fù)[3]，潤滑脂抗剪切能力越差。經(jīng)比較，鈣基潤滑脂2號觸變環(huán)面積小于鋰基潤滑脂2號，鈣基潤滑脂1號、3號觸變環(huán)面積與鋰基潤滑脂1號、3號相當(dāng)，說明鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂抗剪切能力相當(dāng)。

2.1.3 振動應(yīng)力掃描研究鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂動態(tài)屈服應(yīng)力

在振蕩模式下，25℃，振動剪切應(yīng)力0.1-1500Pa，繪制儲能模量、損耗模量與振動應(yīng)力的關(guān)系曲線，橫縱坐標(biāo)采用對數(shù)關(guān)系表達(dá)，結(jié)果見表3。

經(jīng)研究，振動應(yīng)力在0.1-200Pa之間變化時，曲線變化緩慢，幾乎為直線，但當(dāng)振動應(yīng)力超過200Pa時，模量變化較快，并形成一個交點，該交點對應(yīng)的振動應(yīng)力值即為振動狀態(tài)下的屈服應(yīng)力[4]。通過比較，鈣基潤滑脂2號、3號與鋰基潤滑脂2號、3號振動狀態(tài)下的屈服應(yīng)力相當(dāng)。

2.1.4 靜態(tài)屈服應(yīng)力掃描研究鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂靜態(tài)屈服應(yīng)力

屈服應(yīng)力是使?jié)櫥瑥撵o止到流動需要的最小應(yīng)力值，也稱為靜態(tài)屈服應(yīng)力。對試樣做控制剪切應(yīng)力1-1500Pa的穩(wěn)態(tài)試驗，采用對數(shù)坐標(biāo)軸繪制粘度與剪切應(yīng)力曲線，測試試樣屈服應(yīng)力值。若兩數(shù)據(jù)點之間粘度發(fā)生突變，說明樣品已經(jīng)從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)，粘度突變的平坦區(qū)域?qū)?yīng)的剪切應(yīng)力值即為靜態(tài)屈服應(yīng)力[5]。從圖2可以看出，6個試樣均發(fā)生粘度突變，其中鈣基潤滑脂2號、3號靜態(tài)屈服應(yīng)力分別為385Pa、977Pa，鋰基潤滑脂2號、3號靜態(tài)屈服應(yīng)力分別為422Pa、977Pa。鈣基潤滑脂2號、3號與鋰基潤滑脂2號、3號靜態(tài)屈服應(yīng)力相當(dāng)。

2.2 鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂低溫流動壓力隨溫度變化趨勢

按DIN51805方法要求，起始壓力0hpa，壓力每30s上升25hpa，保溫7500s，研究鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂-30℃-0℃流動壓力隨溫度變化趨勢，結(jié)果見圖3、4、5。

潤滑脂流動壓力，為潤滑脂的屈服剪應(yīng)力，其物理意義為潤滑脂在外力下從靜止到產(chǎn)品流動所形成的最大剪應(yīng)力，比較直觀的反映外界克服潤滑脂從靜止到開始流動時的能量輸出。從圖3、4、5可以看出，隨著溫度的降低，鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂的流動壓力均呈現(xiàn)明顯升高的趨勢。溫度的降低會使?jié)櫥某矶仍龃?，流動時分子之間的摩擦力增加，流動壓力相應(yīng)升高[6]。

從圖3看出，鈣基潤滑脂1號在-30℃、-10℃、0℃流動壓力小于鋰基潤滑脂1號；從圖5看出，鈣基脂在-30℃-0℃流動壓力均小于鋰基潤滑脂；即，在-30℃-0℃溫度下，1號、3號鈣基潤滑脂低溫流動性優(yōu)于鋰基潤滑脂。

3 結(jié)論

（1）鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂相比，具有良好抗水性、低溫流動性、抗剪切性以及高溫骨架保持能力，在-20℃-130℃，甚至極限140℃，鈣基潤滑脂可以替代鋰基潤滑脂使用。

（2）鈣基潤滑脂3號隨剪切速率增加剪切應(yīng)力急劇上升一段后又呈階梯式下降，分析原因可能是3#試樣皂量較高，細(xì)膩程度不如鋰基潤滑脂，經(jīng)剪切產(chǎn)生了增稠后又稀化的現(xiàn)象。若將鈣基潤滑脂3號做的更加細(xì)膩，鈣基潤滑脂的綜合性能將更好。

參考文獻(xiàn)

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2003：38-42.

作者簡介：孫輝（1982，2-），男，籍貫：遼寧省鞍山市，現(xiàn)職稱：中級工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：技術(shù)研發(fā)與售后服務(wù)。