幾種含磷摩擦改進劑在150BS光亮油中的摩擦學性能研究

周 康，王玉玲，姚元鵬，李 旭，呂會英，湯仲平

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室)

150BS光亮油是一種重要的高黏度潤滑油基礎油，是生產高檔內燃機油和齒輪油不可缺少的基礎原料。摩擦改進劑的作用是在摩擦面上形成物理或化學吸附膜，減少摩擦和磨損，從而起到潤滑和節(jié)能的作用[1]。其中，含磷摩擦改進劑由于具有優(yōu)異的抗磨減摩性能、良好的潤滑性能、較高的承載能力及簡單的制備工藝，已成功應用于齒輪油、液壓油、潤滑脂等多種油品中[2-3]。

近幾年，磷系摩擦改進劑在合成基礎油中的性能研究受到了諸多關注[4-5]，但針對150BS光亮油的摩擦學性能研究甚少。需要注意的是，由于不同基礎油結構的差異對添加劑的感受性不同，合成油與礦物油在性質上有差異，兩者界面性質差異很大，與添加劑的相互作用機理也不同。本課題選取亞磷酸烷基酯GO-1、酸性磷酸酯胺鹽GO-2和硫代磷酸酯GO-3，對含磷摩擦改進劑在150BS基礎油中的摩擦學性能進行系統(tǒng)研究。采用MRS-1J四球摩擦試驗機、SRV摩擦磨損試驗機和三維輪廓形貌儀考察含磷摩擦改進劑在150BS基礎油中的抗磨性能，采用MTM2型微牽引力試驗機、VKA 110四球試驗機考察含磷摩擦改進劑在150BS基礎油中的減磨性能，為油品的開發(fā)提供參考。

1 實 驗

1.1 原 料

所用150BS基礎油的主要理化性能見表1。

試驗所用GO-1的磷質量分數為6.49%，酸值為17.5 mgKOH/g；GO-2的磷質量分數為7.02%，氮質量分數為2.43%；GO-3的磷質量分數為10.52%，硫質量分數為20.54%。

表1 150BS基礎油的主要理化性質

將GO-1，GO-2，GO-3 3種含磷摩擦改進劑分別以質量分數為0.5%的量加入到150BS基礎油中調制成潤滑油樣品，油樣編號分別為YGO-1，YGO-2，YGO-3。

1.2 實驗方法

1.2.1四球機試驗采用MRS-1J四球摩擦試驗機，依據GB/T 3142標準方法《潤滑劑承載能力測定法(四球法)》測定油品的極壓性能，包括測定最大無卡咬負荷(PB)、燒結負荷(PD)和綜合磨損指數(ZMZ)；依據SH/T 0189標準方法《潤滑油抗磨損性能測定法(四球機法)》測定油品的抗磨性能；采用MMW-1 型四球機依據SH/T 0762《潤滑油摩擦因數測定法(四球法)》測定潤滑試驗的摩擦因數。

1.2.2SRV摩擦磨損試驗采用德國OPTIMOL公司生產的高頻往復線性振動試驗機(SRV4試驗機)測定潤滑試驗摩擦磨損和油品的極壓特性。依據NB/SH/T 0847標準方法《極壓潤滑油摩擦磨損測定SRV試驗機法》測定試驗鋼球的磨斑直徑，試驗條件為負荷200 N、頻率50 Hz、時間2 h、溫度80 ℃、行程1 mm。

1.2.3三維形貌測試分別將150BS基礎油和油品YGO-1,YGO-2,YGO-3經四球磨損試驗后的鋼球用石油醚清洗，采用AEP Technology公司生產的NanoMap-D 雙模式三維表面形貌儀測試鋼球磨痕的表面形貌和溝痕深度。

1.2.4微牽引力試驗使用英國PCS公司生產的MTM-2微牽引力試驗機測定油品試驗的牽引因數變化情況，評估油品的減摩性能。試驗條件為溫度70 ℃、傳動比50∶1、載荷30 N、時間30 min。

1.2.5溫升試驗采用德國Hansa Press公司制造的VKA 110四球試驗機測定油品的溫度變化情況。試驗軸承在一個保溫材質制成的保護罩中進行，將軸承浸泡在38 mL被測油品中。試驗條件為轉速4 000 r/min、載荷5 000 N、時間120 min，記錄潤滑油的溫度變化。試驗結束后測試得到油品的溫度變化值，反映出油品的功率損耗和減摩性。

2 結果與討論

2.1 抗磨性能

2.1.1四球和SRV摩擦磨損試驗表2列出了3種摩擦改進劑在150BS基礎油中的抗磨性能。

表2 不同摩擦改進劑在150BS基礎油中的極壓抗磨性能對比

由表2可知：3種摩擦改進劑的加入均不同程度提高了150BS基礎油的PB、PD和ZMZ值，同時顯著降低了油品的磨斑直徑；YGO-2的PB、PD和ZMZ值提升幅度最大，YGO-3次之，YGO-1最低；3種添加劑加入后的油品鋼球磨斑直徑由0.68 mm分別降至0.51，0.34，0.42 mm；說明摩擦改進劑的加入有利于提高150BS基礎油的抗磨性能，其中以加入GO-2時抗磨性能最好，在摩擦過程中可以有效保護摩擦表面，降低摩擦副表面的磨損；加入摩擦改進劑后油品試驗鋼球的水平磨斑直徑、垂直磨斑直徑和平均磨斑直徑都遠小于150BS基礎油試驗時，其中YGO-2油品試驗鋼球的磨斑直徑最小，說明酸性磷酸酯胺鹽相比其它摩擦改進劑可更有效防止油膜破裂造成的齒面磨損。

2.1.2鋼球磨斑表面形貌磨斑形貌和磨痕深淺可在一定程度上反映不同油品抗磨性能的優(yōu)劣，使用三維形貌儀對四球試驗后的鋼球磨斑表面進行測試，結果見圖1～圖2。

圖1 不同油品四球摩擦試驗的鋼球三維形貌對比

由圖1可知：150BS基礎油試驗的鋼球磨斑形貌不規(guī)則，磨痕較深，面積較大，表面有大量粗的梨溝和劃痕，磨損非常明顯，說明出現了連續(xù)的擦傷過程；YGO-1油品試驗的鋼球磨斑表面有一定的梨溝現象，但與基礎油試驗相比明顯減輕；YGO-2油品試驗的鋼球磨斑表面最為光滑平整，略有磨痕；YGO-3油品試驗的鋼球磨痕介于YGO-1和YGO-2油品試驗鋼球磨痕之間。

從圖2對溝痕深度的測試結果可知，150BS基礎油的試驗鋼球磨斑深度最大為7.49 μm，YGO-1，YGO-2，YGO-3油品的試驗鋼球最大磨斑深度分別為3.95，1.28，1.75 μm。

結合表2、圖1和圖2可知，3種含磷摩擦改進劑的加入均能不同程度地提高油品的極壓抗磨性能，其中GO-2在150BS基礎油中的抗磨性能最好，GO-3次之，GO-1有一定效果，但沒有前兩者明顯。

圖2 不同油品四球試驗的鋼球磨斑深度變化對比

2.2 減磨性能

2.2.1摩擦因數圖3為150BS基礎油及YGO-1，YGO-2，YGO-3油品的四球試驗摩擦因數隨試驗負荷的變化。由圖3可以看出：隨著負荷的增大，摩擦因數整體呈增大的趨勢，摩擦改進劑的加入使四球試驗摩擦因數出現不同程度的下降；在低負荷下(小于294 N)，YGO-2和YGO-3油品四球試驗的摩擦因數接近，明顯低于150BS基礎油試驗的摩擦因數，說明低負荷條件下，YGO-2和YGO-3油品對應的GO-2和GO-3均具有良好的減摩作用；在高負荷下(大于294 N)，YGO-2油品試驗的摩擦因數隨負荷的增大而略有增加，但增幅很小，四球試驗的摩擦因數小于YGO-3油品試驗的摩擦因數；YGO-1油品與150BS基礎油的最大失效負荷都不大于785 N，添加劑GO-1對150BS試驗的摩擦因數改善不明顯。

圖3 不同摩擦改進劑作用下150BS油品的四球試驗摩擦因數隨負荷的變化◆—150BS； ■—YGO-1； ▲—YGO-2；

綜上，GO-2的加入對降低四球試驗摩擦因數的效果最為明顯，表明該添加劑在摩擦副表面能形成致密、穩(wěn)定的吸附潤滑膜[6]；GO-3次之；GO-1的加入對四球試驗的摩擦因數有一定的降低效果，但最大失效負荷仍不大于785 N，說明此添加劑在高負荷工況時對油品的潤滑性改善不大。究其原因，不同含磷摩擦改進劑的結構不同，對摩擦副表面的吸附作用不同。

2.2.2牽引因數油品的牽引因數是表征油品摩擦學性能的重要指標之一，較低的牽引因數有助于降低摩擦力，改善以滑動摩擦為主的齒輪或軸承的傳動效率，減小動力消耗和降低穩(wěn)定狀態(tài)操作溫度，從而延長設備的使用壽命。使用MTM-2微牽引力試驗機考察了油品的牽引因數隨時間的變化情況，結果見圖4。

圖4 不同摩擦改進劑作用下150BS油品試驗的牽引因數隨時間的變化◆—150BS；●—YGO-2； ▲—YGO-1

從圖4可以看出：4個測試油品中，150BS基礎油試驗的牽引因數最大，YGO-2油品試驗的牽引因數最小，YGO-3的次之，YGO-1介于YGO-2和YGO-3之間。這說明GO-2和GO-3的加入對降低150BS基礎油試驗的牽引因數效果比較明顯；GO-1對降低150BS光亮油試驗的牽引因數也有一定效果，但沒有前兩者明顯。

2.2.3溫升變化潤滑油使用過程中受到剪切和壓縮作用產生熱量，會引起溫度升高，從而導致油品黏度下降，進而影響潤滑油的承負能力，因此，需要對油品的溫升進行考察。采用VKA 110四球試驗機測定油品的溫度變化情況，試驗結束后測得油品的溫度變化值，稱之為油品的穩(wěn)態(tài)溫度。穩(wěn)態(tài)溫度變化量可以反映油品在特定傳動裝置內的功率損耗。表3列出了油品的穩(wěn)態(tài)溫度測試結果，圖5列出了3種含磷摩擦改進劑作用下150BS基礎油的溫度隨時間的變化。

表3 不同摩擦改進劑作用下油品的溫升試驗結果

圖5 不同摩擦改進劑作用下油品的溫度隨時間的變化—YGO-1；—YGO-2；—YGO-3；—150BS

從表3可以看出，150BS基礎油的穩(wěn)態(tài)溫度為156.5 ℃，YGO-1，YGO-2，YGO-3的穩(wěn)態(tài)溫度都比150BS基礎油的低，分別為153.6，136.9，143.4 ℃。從圖5可以看出，在試驗時間內，YGO-2油品的溫度增幅最小，YGO-3次之，YGO-1的溫度增幅較大，僅次于150BS基礎油，說明摩擦改進劑的加入能有效降低150BS基礎油的溫升。對應實際工況，可以提高傳動效率，降低工作溫度，并減少功率輸出和能源消耗[6]。GO-2加入后溫升下降效果最明顯，GO-3次之，GO-1也有一定作用，這與之前的牽引因數的測試結果是一致的。

3 結 論

(1)3種含磷摩擦改進劑對150BS基礎油的抗磨性能均有不同程度的提高，其中GO-2的抗磨性能最好，鋼球磨斑表面最為平整，GO-3的抗磨效果次之，GO-1的加入也有一定作用。

(2)3種含磷摩擦改進劑的加入均能不同程度地提高150BS基礎油的減磨性能，其中GO-2具有更為優(yōu)異的減摩性能，在摩擦因數、牽引因數和溫升方面對油品具有更大的改善；GO-3的減磨效果次之，在低負荷下對油品摩擦因數有較好效果；GO-1也有減磨作用，但效果較弱。