潤滑油四球抗磨損性能研究

李小剛，蘇輝，丁芳玲，魏斌斌

(1.中國石油昆侖潤滑檢測(cè)評(píng)定中心，甘肅 蘭州 730030；2.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

摩擦是機(jī)械受損和能源損耗的重要原因，據(jù)估計(jì)，每年因摩擦而損耗的能源約占能源總消耗量的三分之一，有近80%的零件是因磨損而損壞或失效[1-3]。性能優(yōu)良的潤滑油可以使摩擦副得到充分的潤滑，從而降低摩擦、減少磨損、提高機(jī)械效率、減少能源損耗，而潤滑油添加劑是影響潤滑油性能的重要因素[4-7]。隨著潤滑油使用條件的日益嚴(yán)苛和環(huán)境法規(guī)的日益完善，人們對(duì)潤滑油添加劑提出了更高的要求，要求其具有高效多功能、清潔無污染、生物可降解等特性[8-9]。有機(jī)鉬化合物因其具有良好的潤滑性能，近年來受到了潤滑油脂添加劑行業(yè)的廣泛關(guān)注。含油溶性有機(jī)鉬的潤滑油在內(nèi)燃機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件中發(fā)揮了優(yōu)良的減摩抗磨作用，顯著提升了燃油經(jīng)濟(jì)性[10]。

本研究以杠桿式四球摩擦試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，研究齒輪油1、齒輪油2、齒輪油3以及內(nèi)燃機(jī)油1(不加減摩劑)和內(nèi)燃機(jī)油1(加減摩劑)的摩擦學(xué)性能，通過摩擦系數(shù)、磨斑形貌以及試驗(yàn)件表面電鏡分析等方式來研究其潤滑機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 參比油

本研究所用三種齒輪油的主要理化性能如表1所示；內(nèi)燃機(jī)油1的主要理化性能如表2所示。

表1 三種齒輪油主要理化性能

表1(續(xù))

表2 內(nèi)燃機(jī)油1理化性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 杠桿式四球摩擦試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)

采用MS-10A杠桿式四球摩擦試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)NB/SH/T 0189-2017《潤滑油抗磨損性能的測(cè)定 四球法》測(cè)定油品的抗磨損性能。

1.2.2 掃描電子顯微鏡分析

分別將齒輪油1、齒輪油2、齒輪油3、內(nèi)燃機(jī)油1(不加減摩劑)和內(nèi)燃機(jī)油1(加減摩劑)油品進(jìn)行四球抗磨損性能試驗(yàn)后的鋼球磨斑表面進(jìn)行磨痕形貌和元素沉積分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗磨性能

2.1.1 齒輪油抗磨性能

三種齒輪油(齒輪油1、齒輪油2、齒輪油3)中有工業(yè)齒輪油、手動(dòng)變速箱油和驅(qū)動(dòng)橋油，它們的抗磨損性能試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖1所示。

表3 三種齒輪油四球試驗(yàn)結(jié)果

圖1 三種齒輪油磨斑形貌對(duì)比

從表3、圖1中三種齒輪油抗磨性能結(jié)果可以看到：磨斑直徑及磨斑形貌從小到大依次是齒輪油1、齒輪油2、齒輪油3的油品，采用NB/SH/T 0189-2017測(cè)試三種齒輪油品的抗磨損性能顯示工業(yè)齒輪油的抗磨損性能最好，而車輛齒輪油的磨斑較大，主要原因是齒輪油1的黏度較齒輪油2和齒輪油3的大，能夠形成較厚的潤滑油膜，同時(shí)油品中含有一定量的S、P元素，可以與金屬表面反應(yīng)形成化學(xué)反應(yīng)膜阻止了金屬表面的干摩擦從而起到良好的潤滑效果，同時(shí)本文會(huì)在后面微觀表面分析中進(jìn)行更深層次的討論。雖然齒輪油2和齒輪油3中也含有一定量的S、P元素甚至其含量較齒輪油1的高，但有文獻(xiàn)報(bào)道：高含量的S、P會(huì)導(dǎo)致一定程度的金屬腐蝕，致使金屬表面磨斑較大甚至在75W-90(GL-5)試驗(yàn)后的鋼球磨斑中有明顯的劃痕[11-14]。

2.1.2 內(nèi)燃機(jī)油抗磨性能

選用內(nèi)燃機(jī)油1(SN 5W-30)對(duì)其加入減摩劑(鉬鹽)和不加減摩劑(鉬鹽)進(jìn)行抗磨損性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖2所示。

表4 內(nèi)燃機(jī)油1四球試驗(yàn)結(jié)果

圖2 SN 5W-30加減摩劑和不加減摩劑磨斑形貌對(duì)比

從表3、圖2中可以看到內(nèi)燃機(jī)油1(不加減摩劑)較內(nèi)燃機(jī)油1(加減摩劑)的磨斑直徑大，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)油1(加減摩劑)的磨斑形貌要比不加減摩劑的形貌好，主要是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)油1中加入減摩劑鉬鹽后油品表現(xiàn)出了較好的減摩抗磨性能。

2.2 微觀表面分析

利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)以上5種油品四球抗磨損性能試驗(yàn)后鋼球表面磨損微觀形貌進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)分別為400倍；采用能量射線x射線分析儀(EDS)分析鋼球磨斑表面元素組成和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2.1 三種齒輪油試驗(yàn)后鋼球磨斑微觀分析

下圖3為利用EDS對(duì)鋼球磨斑表面進(jìn)行元素分布檢測(cè)，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果如表5所示。

圖3 三種齒輪油試驗(yàn)后鋼球磨斑的EDS圖譜對(duì)比

表5 三種齒輪油磨斑表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

由圖3及表5中三種齒輪油磨斑分析結(jié)果可知：齒輪油1的磨斑表面有微小孔洞，整體較平滑，未出現(xiàn)明顯擦傷，而磨斑表面有S、P元素沉積尤其是P元素沉積較多，P元素的大量沉積說明在試驗(yàn)過程中P元素參與摩擦化學(xué)反應(yīng)形成具有抗磨效果的化學(xué)反應(yīng)膜沉積到鋼球表面。因此上述表面微孔可能是由于S、P活性元素與摩擦表面發(fā)生作用而生成的。齒輪油2的磨斑較大，但形貌整體比較平滑且表面有少量的S、P元素沉積說明油品中的含P劑和含S劑參與到摩擦化學(xué)反應(yīng)中，形成了摩擦保護(hù)膜。齒輪油3的磨斑最大且形貌有明顯的擦痕，通過磨斑表面元素質(zhì)量分布看到其磨斑表面沉積的S、P較少，而齒輪油3中含有一定量的S、P元素，因此從鋼球磨斑形貌照片和元素沉積顯示，油品中的S、P元素并未較好的參與到摩擦化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)良的抗磨損性能。

2.2.2 內(nèi)燃機(jī)油試驗(yàn)后鋼球磨斑微觀分析

下圖4為為利用EDS對(duì)鋼球磨斑表面進(jìn)行元素分布檢測(cè)，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果如表6所示。

圖4 內(nèi)燃機(jī)油1不加減摩劑和加減摩劑試驗(yàn)后鋼球磨斑的EDS圖譜對(duì)比

表6 內(nèi)燃機(jī)油1磨斑表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

由圖4及表6可以看出：內(nèi)燃機(jī)油1中加入減摩劑鉬鹽后，磨斑形貌有明顯的改善，減摩劑中含有鉬鹽，而鉬鹽在摩擦過程中發(fā)生分解，生成MoSxOy和MoO3，進(jìn)一步在高活化能的摩擦表面生成MoS2、MoO3等具有潤滑作用的物質(zhì)，從而提高油品的抗磨損性能[15]。在內(nèi)燃機(jī)油1中加入減摩劑鉬鹽后鋼球磨斑表面沉積元素Mo，說明減摩劑Mo鹽參與到摩擦化學(xué)反應(yīng)中，生成由含Mo、S、P組成的化學(xué)反應(yīng)膜，表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗磨性能。

3 結(jié)論

(1)三種齒輪油四球磨斑試驗(yàn)結(jié)果顯示：齒輪油1的四球磨斑最小、形貌最好，相比齒輪油2和齒輪油3具有較好的抗磨性能，通過對(duì)比三種油品的理化數(shù)據(jù)以及鋼球表面形貌及元素沉積分析顯示：齒輪油1在四球磨斑試驗(yàn)中的試驗(yàn)條件下油品中的添加劑P元素較好的參與到摩擦化學(xué)反應(yīng)中起到較好的抗磨損效果，而齒輪油2和齒輪油3油品中的添加劑P元素并未較好的參與到摩擦化學(xué)反應(yīng)中，具體原因可能和試驗(yàn)條件有關(guān)，但仍需后續(xù)更深入的研究。

(2)四球磨斑試驗(yàn)結(jié)果顯示：內(nèi)燃機(jī)油1中加入減摩劑(鉬鹽)后，在四球摩擦試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩效果，四球磨斑形貌較好、磨斑直徑較小。