車用輪轂軸承復(fù)合鋰基潤滑脂的組成和制備工藝對其性能的影響

艾罡，萬書曉，程亮，楊巍

(1.廣研德孚科技發(fā)展(深圳)有限公司，廣東 深圳 518100；2.廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000)

0 引言

汽車工業(yè)是我國經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。過去十年中，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速且壯大，并取代日本和美國成為世界第一大汽車生產(chǎn)國。中國汽車市場體系的建設(shè)將進(jìn)一步加快，汽車需求量和保有量將繼續(xù)增長，汽車消費環(huán)境將不斷改善，全社會汽車化水平將不斷提高，新能源汽車加速發(fā)展[1-2]。

潤滑脂應(yīng)用于汽車潤滑的部位多達(dá)數(shù)百個，但使用量最大的是輪轂軸承和萬向節(jié)，占整車潤滑脂使用量的60%左右，并且由于輪轂軸承高溫、高剪切和重載的工況對潤滑脂的使用性能要求非常高。由于潤滑脂在輪轂軸承中所起到的重要作用——主要起抗磨、減摩和密封的作用，常被稱為輪轂軸承“第五組成部分”[3-5]，其性能的好壞直接影響著輪轂軸承的使用壽命。

復(fù)合鋰基潤滑脂具有良好的高溫多效性能，自發(fā)明以來持續(xù)受到廣泛研究和應(yīng)用。同時復(fù)合鋰皂的原料多樣性及良好的稠化能力，使其可以制備滿足各種工況要求的潤滑脂。本文主要從兩個方面：不同稠化體系制備的復(fù)合鋰基潤滑脂;不同工藝對復(fù)合鋰基潤滑脂在輪轂軸承上的應(yīng)用影響方面進(jìn)行探討。

1 車用輪轂復(fù)合鋰基脂使用性能與實驗室測定性能相關(guān)性分析

汽車輪轂脂具有較長的使用壽命和使用效果，這就要求潤滑脂必須滿足以下要求。

1.1 耐溫性能

滴點是指潤滑脂受熱溶化開始滴落的最低溫度，輪轂軸承的溫度主要是由于輪轂軸承的摩擦和制動器的摩擦所產(chǎn)生的熱量，潤滑脂耐高溫性能差，在高溫情況下流失非常嚴(yán)重不但會降低潤滑脂本身的壽命，對環(huán)境和安全也會形成不利的影響；潤滑脂的耐溫性能是車輛輪轂脂的至關(guān)重要的指標(biāo)之一；測試方法見表1。

1.2 機械安定性

機械安定性能又叫剪切安定性，指潤滑脂在工作條件下稠度變化的大小。潤滑脂在長期工作中，受到剪切，稠度會發(fā)生一定的變化，如果受剪切后稠度變化較大，則表示潤滑脂機械安定性差，反之則良好。在汽車運行時，潤滑脂受到輪轂軸承運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的剪切，機械安定性差的潤滑脂則會軟化流失，造成潤滑不良，從而導(dǎo)致軸承失效，釀成事故。由此可見，潤滑脂的機械安定性能的好壞尤為重要；測試方法見表1。

1.3 抗水性

潤滑脂的抗水性能：潤滑脂在使用過程中與水蒸氣或水接觸時抗水沖洗及抗乳化的強弱能力。汽車行駛過程中難免會遇到各種各樣的有水環(huán)境，潤滑脂抗水沖洗及抗乳化的強弱能力就變得十分重要；測試方法見表1。

1.4 低溫扭矩

潤滑脂的低溫扭矩：潤滑脂在低溫時，其阻滯低速滾珠軸承的程度。低溫扭矩的大小決定著所使用潤滑脂潤滑的軸承在低溫下啟動的難易程度，如果低溫扭矩過大將使啟動困難且功率損耗增多和成本增加。車輪轂軸承潤滑脂低溫扭矩也是一個非常重要的指標(biāo)；測試方法見表1。

1.5 極壓抗磨性能

極壓抗磨性是輪轂軸承潤滑脂極其重要的一項指標(biāo)，潤滑脂的極壓抗磨性是指在負(fù)荷、載荷的作用下潤滑脂降低金屬的摩擦磨損的能力，極壓抗磨越好潤滑脂的使用壽命越長；車用輪轂脂各項要求所對應(yīng)的測試項目及方法如表1所示。

表1 車用輪轂脂性能測試方法

2 不同復(fù)合劑的影響

2.1 復(fù)合劑的類型

稠化劑在潤滑脂中具有決定性作用，它可以吸附并固定基礎(chǔ)油構(gòu)成穩(wěn)定體系形成偽凝膠形式的潤滑脂。復(fù)合鋰基脂主要使用的是由大分子酸、小分子酸(復(fù)合劑)與氫氧化鋰共同作用生成的復(fù)合鋰皂[6-7]。

目前國內(nèi)生產(chǎn)高溫復(fù)合鋰基脂主要采用12-羥基硬脂酸-癸二酸稠化體系、12-羥基硬脂酸-癸二酸-硼酸稠化體系及12-羥基硬脂酸-癸二酸及氫氧化鋰-氫氧化鈣體系，也有少部分采用12-羥基硬脂酸-己二酸稠化體系，具體可參考表2。

表2 輪轂用復(fù)合鋰基潤滑脂稠化體系

表2(續(xù))

隨著環(huán)保和減排的壓力加大，國內(nèi)癸二酸工廠生產(chǎn)受到很大限制，加上癸二酸的原料蓖麻油主要原料來源國印度受天氣影響大量減產(chǎn)，導(dǎo)致癸二酸在國內(nèi)的市場價格不斷攀升，價格幾乎翻倍，且波動較大[8]。國內(nèi)壬二酸由于其制備工藝(臭氧裂解油酸或工業(yè)蓖麻油)，原材料及生產(chǎn)工藝裝置的原因：產(chǎn)量及純度均偏低，因此高純度的壬二酸(純度>94%)價格偏高，未能實現(xiàn)在潤滑脂中的大批量應(yīng)用；國外近幾年由于美國、英國和意大利等國家的壬二酸制備裝置和工藝的相繼升級擴產(chǎn)及投產(chǎn)，尤其是意大利Matrica公司(由意大利ENI Versalis和Novamont兩大化學(xué)公司合資)選用穩(wěn)定的原材料葵花籽油為原料，采用專有生物制劑技術(shù)生產(chǎn)出的高品質(zhì)、高純度的價格及供應(yīng)穩(wěn)定的壬二酸，國內(nèi)的銷售價格與目前癸二酸價格接近，為壬二酸在復(fù)合鋰基潤滑脂中的大批量的應(yīng)用提供了前期條件。

上述的幾種稠化體系在應(yīng)用中各有優(yōu)缺點[9-11]：

(1)12-羥基硬脂酸-己二酸稠化體系總體成本較低，但是其制備的復(fù)合鋰基潤滑脂滴點僅260 ℃左右，其他機械安定性及極壓抗磨性能等綜合性能均較差；

(2)12-羥基硬脂酸-癸二酸-硼酸稠化體系其制備的復(fù)合鋰基潤滑脂滴點能達(dá)到300 ℃以上，同時由于硼酸鹽的存在，能有效改善潤滑脂的極壓抗磨性能，其缺點是生產(chǎn)工藝過程相對復(fù)雜，工藝控制難度加大，同時生產(chǎn)過程中由于含有硼酸，生產(chǎn)及使用過程中可能會有含硼廢水及污染物的產(chǎn)生，對環(huán)境造成一定的影響；

(3)12-羥基硬脂酸-癸二酸及氫氧化鋰-氫氧化鈣體系，由于引進(jìn)了鈣皂，所以復(fù)合鋰-鈣基潤滑脂的抗水性能和極壓抗磨性能要優(yōu)于復(fù)合鋰基潤滑脂，但是鈣皂的引入會降低稠化劑的稠化能力[12-13]；

(4)12-羥基硬脂酸-壬二酸稠化體系，由于壬二酸的引入，所制備的復(fù)合鋰基脂形成的皂纖維結(jié)構(gòu)相對長且細(xì)，因而形成的碳鏈骨架結(jié)構(gòu)更致密，纏繞更緊湊，能夠在摩擦表面形成更致密的油膜，潤滑脂能夠獲得更強的稠化能力(潤滑脂的稠度提高)，更好的機械安定性能和更高的極壓抗磨性能；但是目前來說，采用壬二酸制備復(fù)合鋰基潤滑脂對工藝設(shè)備條件有一定的要求：采用壓力釜一步法工藝(壓力≥0.4 MPa，復(fù)合時間不低于1 h，復(fù)合溫度≥130 ℃)，后期可通過對工藝提升及設(shè)備的改進(jìn)進(jìn)行彌補。

2.2 不同稠化劑體系制備的復(fù)合鋰基潤滑脂性能對比分析

2.2.1 具體實施配方比例

本文測試均采用相同的基礎(chǔ)油及皂含量，具體配比如表3所示。

表3 車用輪轂用復(fù)合鋰基潤滑脂配比 %

表3(續(xù))

2.2.2 具體制備工藝

本文測試均采用相同的壓力釜一步法制備工藝，具體工藝流程如下：

(1)部分基礎(chǔ)油(大約40%～50%)投入壓力反應(yīng)釜中，開始升溫；

(2)升溫至(80±5) ℃，投入全部的12-羥基硬脂酸和二元酸(癸二酸，己二酸，壬二酸，硼酸中的一種或多種)，及堿(一水氫氧化鋰，氫氧化鈣中的一種或兩種混合)的水溶液，攪拌升溫；

(3)升溫至130～150 ℃之間，開始保溫保壓(0.4 MPa)進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)1 h以上；

(4)開始邊泄壓，同時邊升溫邊排水，始終保持升溫泄壓脫水的過程，至泄壓為零；

(5)加入升溫油(余油的30%～50%)；

(6)升溫至204～210 ℃，保溫5～10 min；

(7)加入剩余的10%～20%左右的急冷油，攪拌降溫，冷卻至100 ℃左右，加入添加劑，攪拌均勻；

(8)均質(zhì)機均質(zhì)；

(9)脫氣，過濾，裝桶。

2.3 測試結(jié)果及分析

不同稠化劑體系制備的復(fù)合鋰基潤滑脂性能測試結(jié)果，如表4所示。

表4 測試結(jié)果

從表4測試結(jié)果中可以得出：

(1)采用癸二酸，硼酸-氫氧化鋰稠化體系制備復(fù)合鋰，具有好的耐高溫性能和極壓抗磨性能：延長潤滑脂的使用壽命。

(2)采用癸二酸-氫氧化鋰，氫氧化鈣稠化體系制備的復(fù)合鋰，具有好的抗水淋性能：可以提高潤滑脂的防水性能，潤滑脂在潤滑部位的存續(xù)時間變長，延長潤滑脂的使用壽命。

(3)采用壬二酸-氫氧化鋰稠化體系制備的復(fù)合鋰，具有良好的稠化能力：可以降低稠化劑的用量，降低成本。

(4)采用壬二酸-氫氧化鋰稠化體系制備的復(fù)合鋰，具有良好的機械安定性能，極壓抗磨性能和低溫性能的同時具有較好的抗水淋和耐高溫性能；復(fù)合鋰基潤滑脂具有更好的綜合性能。

3 不同調(diào)合工藝的影響

3.1 制備工藝的影響

復(fù)合鋰基潤滑脂的制備方法可分為常壓釜法、壓力釜法和接觸器法三種制備工藝。國內(nèi)大部分廠家采用的是常壓法及壓力釜法生產(chǎn)復(fù)合鋰基脂，其中常壓釜法工藝較為復(fù)雜，耗時長，能耗大；壓力釜法能夠使得物料反應(yīng)更充分，提高復(fù)合效率，縮短總體的反應(yīng)時間，降低能耗，達(dá)到節(jié)約成本的目的[14-15]。

3.2 冷卻工藝的影響

通常情況下生產(chǎn)復(fù)合鋰時采取急冷工藝對癸二酸稠化體系的復(fù)合鋰基潤滑脂影響較大：不僅滴點降低且分油量增大，主要原因是：癸二酸鋰與12-羥基硬脂酸鋰共結(jié)晶形成的皂纖維較粗，急冷工藝條件會使得皂纖維結(jié)構(gòu)變得更粗，空間結(jié)構(gòu)孔隙增大，導(dǎo)致潤滑脂的鎖油能力降低。

急冷工藝對壬二酸稠化體系的復(fù)合鋰基潤滑脂的性能影響反而是有益：滴點有所提升，抗剪切性能有一定的提高，分析原因是：壬二酸鋰與12-羥基硬脂酸鋰共結(jié)晶形成的皂纖維較細(xì)長，急冷工藝條件使得皂纖維結(jié)構(gòu)變得更粗，潤滑脂的晶體結(jié)構(gòu)更完善，提高復(fù)合鋰基脂的耐高溫性能和抗剪切性能。

4 結(jié)論與展望

汽車的制造水平近幾年有了飛速的發(fā)展，因此汽車軸承日益向高速、高可靠性和長壽命方向發(fā)展，同時要求用于輪轂軸承等部件的潤滑脂具有較高可靠性和長壽命，即要求潤滑脂具有良好的耐高溫性能同時要具有良好的機械安定性能，良好的微動磨損性能及具有一定的抗水沖淋性能；因此以前使用的產(chǎn)品已逐漸不能滿足性能的需要[7]；這就要求廣大的潤滑脂生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)高性能的復(fù)合鋰基潤滑脂，以滿足更特殊或苛刻的應(yīng)用要求。

本文共介紹了四種不同的稠化劑體系對復(fù)合鋰基潤滑脂的性能影響，通過性能測試結(jié)果對比可以得出：采用12-羥基硬脂酸-壬二酸稠化體系制備的復(fù)合鋰基潤滑脂性能最好，具有更好的機械安定性能及稠化能力；而采用12-羥基硬脂酸-癸二酸-硼酸稠化體系其制備的復(fù)合鋰基潤滑脂較好，但是對水環(huán)境有一定的影響；采用12-羥基硬脂酸-癸二酸及氫氧化鋰-氫氧化鈣體系制備的復(fù)合鋰基潤滑脂其抗水性能較好，但是其機械安定能較差；采用12-羥基硬脂酸-己二酸稠化體系制備的復(fù)合鋰基潤滑脂性能較差。