聚脲潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能研究

陳芳蕾，劉建龍，韓鵬，吳寶杰，馮強(qiáng)

(中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司潤(rùn)滑脂分公司，天津 300480)

隨著國(guó)家對(duì)低碳、環(huán)保的重視程度越來(lái)越高，汽車設(shè)計(jì)制造技術(shù)也在逐步向高速、高扭矩、輕量化、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，對(duì)乘用車輪轂軸承用潤(rùn)滑脂的要求也在不斷提高。輪轂軸承、花鍵軸等汽車的緊配合部位受到小幅度振動(dòng)而引起的磨損現(xiàn)象稱作微動(dòng)磨損，微動(dòng)磨損會(huì)加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，使構(gòu)件的疲勞壽命大大降低。

國(guó)內(nèi)對(duì)潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能的研究較少：文獻(xiàn)[1]采用高精度的PLINT微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同類型潤(rùn)滑油和脲基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下的軸承鋼球和軸承鋼塊摩擦副的微動(dòng)特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[2]在開發(fā)聚脲型轎車輪轂軸承潤(rùn)滑脂的過(guò)程中使用SRV試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)了不同潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能。

截至目前，未檢索到對(duì)不同類型聚脲潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能研究的文獻(xiàn)，且在研究工作中發(fā)現(xiàn)，不同類型聚脲潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能有著明顯差異，因此本文以聚脲潤(rùn)滑脂為分析對(duì)象，采用FALEX微動(dòng)磨損測(cè)試儀測(cè)試潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能，并對(duì)其因稠化劑組成不同造成的抗微動(dòng)磨損性能差異及其原因進(jìn)行分析。

1 樣品制備及其理化性能分析

1.1 樣品制備

本文以聚脲潤(rùn)滑脂為分析對(duì)象，根據(jù)試驗(yàn)需求采用不同稠化劑配方的4種潤(rùn)滑脂樣品，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可對(duì)比性，試驗(yàn)樣品除稠化劑配方存在差異外，其他配方及生產(chǎn)工藝基本一致。樣品配方見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)潤(rùn)滑脂樣品配方Tab.1 Formula of tested grease samples

1.2 樣品理化性能分析

對(duì)以上4種潤(rùn)滑脂樣品進(jìn)行理化性能分析，結(jié)果見(jiàn)表2，其中潤(rùn)滑脂的工作錐入度和延長(zhǎng)工作錐入度按照GB/T 269—1991《潤(rùn)滑脂和石油脂錐入度測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)試，潤(rùn)滑脂滴點(diǎn)采用GB/T 3498—2008《潤(rùn)滑脂寬溫度范圍滴點(diǎn)測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)試，潤(rùn)滑脂分油性采用NB/SH/T 0324—2010《潤(rùn)滑脂分油的測(cè)定錐網(wǎng)法》進(jìn)行測(cè)試。

表2 試驗(yàn)潤(rùn)滑脂樣品基本理化性能Tab.2 Basic physical and chemical properties of tested grease samples

4種潤(rùn)滑脂樣品稠度NLGI等級(jí)均為2，基礎(chǔ)油40 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為82～86 mm2/s，而4種潤(rùn)滑脂樣品的滴點(diǎn)、分油量、延長(zhǎng)工作錐入度均有差別：滴點(diǎn)表征潤(rùn)滑脂的耐高溫性，滴點(diǎn)高的潤(rùn)滑脂耐高溫性更好，因此1#樣品的耐高溫性最好；分油量(錐網(wǎng)法)表征潤(rùn)滑脂分油傾向，1#樣品分油量最高，因此其在使用過(guò)程中具有更好的分油性能；延長(zhǎng)工作錐入度與工作錐入度差值表征潤(rùn)滑脂的機(jī)械安定性， 差值越小，表示潤(rùn)滑脂工作中具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此1#樣品的機(jī)械安定性最優(yōu)。

2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)

2.1 測(cè)試方法與儀器

為提高輪轂軸承潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能，防止在汽車運(yùn)輸過(guò)程中輪轂軸承發(fā)生微動(dòng)磨損，1989年，國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)、美國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)(ASTM)和國(guó)際潤(rùn)滑脂協(xié)會(huì)(NLGI)三方聯(lián)合制定了汽車用潤(rùn)滑脂標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4950[3]。根據(jù)性能把底盤潤(rùn)滑脂分為L(zhǎng)A，LB 兩類，把輪轂軸承(WB)潤(rùn)滑脂設(shè)計(jì)成GA，GB，GC 3個(gè)等級(jí)；符合LB-GC指標(biāo)要求的潤(rùn)滑脂是高性能、多效的汽車潤(rùn)滑脂，兼有底盤和輪轂軸承用潤(rùn)滑脂的功能；測(cè)試潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能需按照ASTM D4950要求的ASTM D4170方法進(jìn)行，軸承磨損量應(yīng)小于10 mg。

在一定試驗(yàn)條件下，軸承滾動(dòng)件相對(duì)于軸承座圈做小幅度的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，接觸表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損、剝落進(jìn)而形成磨屑，氧化的磨屑不能立即排出，在軸承座圈形成了磨損損傷。以測(cè)試前后軸承座圈的質(zhì)量損失之和作為試驗(yàn)潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能的評(píng)定依據(jù)。近幾年，汽車行業(yè)內(nèi)認(rèn)為磨損量小于5 mg將能提供最優(yōu)的抗微動(dòng)磨損保護(hù)，一些高端車型的制造商甚至提出了更嚴(yán)苛的磨損量要求[4]。

潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能的測(cè)試方法采用ASTM D4170，測(cè)試設(shè)備為美國(guó)FALEX微動(dòng)磨損測(cè)試儀，如圖1所示，試驗(yàn)原理為電動(dòng)機(jī)軸-偏心輪帶動(dòng)測(cè)試單元中2套注脂后的推力球軸承以0.21 rad(12°)水平擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率為30 Hz，軸承軸向加載2 450 N，測(cè)試22 h后清洗軸承，測(cè)量推力軸承座圈測(cè)試前后的磨損量。

微動(dòng)磨損測(cè)試用推力球軸承如圖2所示，內(nèi)徑為(16±0.025)mm，外徑為(35.69±0.025)mm，裝配高為(15.75±0.25)mm，裝有9個(gè)直徑為7.142 mm的鋼球，保持架以外的所有表面均磨削[5]。以FALEX標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試軸承硬度約為83 HRA，表面粗糙度Ra值約為0.7 μm。

(a)實(shí)物圖片

圖2 微動(dòng)磨損測(cè)試用軸承Fig.2 Bearings for fretting wear test

2.2 測(cè)試結(jié)果

4種潤(rùn)滑脂樣品的抗微動(dòng)磨損性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，測(cè)試后的軸承外觀如圖3所示。4種潤(rùn)滑脂樣品的抗微動(dòng)磨損性能有明顯差異，1#樣品抗微動(dòng)磨損測(cè)試的磨損量最小，測(cè)試后的軸承磨痕最淺，磨損面積最??；2#樣品抗微動(dòng)磨損測(cè)試的磨損量最大，測(cè)試后的軸承磨痕最深，磨損面積大。這說(shuō)明聚脲潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能與稠化劑配方有很大關(guān)系，研究不同稠化劑配方制得的聚脲潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

表3 微動(dòng)磨損測(cè)試結(jié)果Tab.3 Results of fretting wear test

(a)1#樣品

3 稠化劑配方對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

不同稠化劑配方影響聚脲潤(rùn)滑脂的油膜形成能力、油膜穩(wěn)定性和流變性能，進(jìn)而影響潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能。

3.1 潤(rùn)滑脂的油膜厚度

對(duì)于脂潤(rùn)滑，初期油膜靠動(dòng)壓效應(yīng)形成，以充分供油狀態(tài)為主，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)接觸區(qū)變成貧油狀態(tài)，并且絕大多數(shù)情況下，脂潤(rùn)滑接觸區(qū)均處于貧油潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑脂中基礎(chǔ)油對(duì)滾道的適當(dāng)回流補(bǔ)充可以緩解貧油程度，并保證油膜厚度的穩(wěn)定性。潤(rùn)滑脂在接觸區(qū)表面能夠快速形成足夠厚的油膜，并且油膜具有良好的穩(wěn)定性，就可以使接觸區(qū)保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，對(duì)接觸區(qū)進(jìn)行抗微動(dòng)磨損的防護(hù)。

異氰酸酯和胺進(jìn)行加成反應(yīng)，生成含有脲基結(jié)構(gòu)(NH-CO-NH)的聚脲稠化劑，其依靠分子之間的氫鍵和范德華力結(jié)合形成稠化劑纖維，將基礎(chǔ)油吸附和束縛在稠化劑周圍，進(jìn)而形成半固體狀的潤(rùn)滑脂。不同稠化劑結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)油的束縛作用力不同，在接觸區(qū)油膜的形成能力與穩(wěn)定性也有差別[6]。

使用油膜厚度測(cè)試儀EHD2(圖4)通過(guò)雙光束干涉法測(cè)量潤(rùn)滑脂在點(diǎn)接觸下潤(rùn)滑脂的油膜厚度。設(shè)置法向載荷20 N，測(cè)試低速(1～5 m/s)啟動(dòng)和恒速(5 m/s)工況下上述4種潤(rùn)滑脂樣品的油膜厚度，以研究不同稠化劑配方對(duì)潤(rùn)滑脂的油膜形成能力和穩(wěn)定性的影響。

圖4 油膜厚度測(cè)試儀Fig.4 Oil film thickness tester

4種潤(rùn)滑脂樣品在低速(0～5 m/s)啟動(dòng)條件下的油膜厚度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。1#樣品在低速啟動(dòng)后能夠在接觸區(qū)快速形成較厚的油膜，啟動(dòng)階段潤(rùn)滑脂被帶入接觸區(qū)參與成膜，初始油膜厚度較大，隨著剪切作用油膜厚度逐漸減小并趨于穩(wěn)定[7]。2#，3#，4#樣品的油膜厚度均小于1#樣品，且2#樣品成膜能力較弱，在低速啟動(dòng)下的油膜厚度最小。上述結(jié)果表明，對(duì)有抗微動(dòng)磨損要求的工況，1#樣品能夠在接觸區(qū)快速參與形成油膜，避免了在初始階段因乏油造成微動(dòng)磨損的現(xiàn)象。

圖5 低速啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑脂樣品的油膜厚度Fig.5 Oil film thicknesses of grease samples at low speed start

4種潤(rùn)滑脂樣品在恒速(5 m/s)運(yùn)轉(zhuǎn)60 s條件下的油膜厚度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。1#樣品的油膜穩(wěn)定性好，能夠在接觸區(qū)保持較厚油膜，這是因?yàn)?#潤(rùn)滑脂稠化劑結(jié)構(gòu)均勻，經(jīng)過(guò)剪切后稠化劑結(jié)構(gòu)破壞程度小，稠化劑-基礎(chǔ)油體系間作用力適當(dāng)，有利于潤(rùn)滑脂適當(dāng)分油補(bǔ)充接觸區(qū)油膜，使接觸區(qū)油膜穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)接觸區(qū)進(jìn)行抗微動(dòng)磨損防護(hù)。2#，3#，4#樣品油膜厚度較小，且2#樣品的油膜厚度最小，不利于接觸區(qū)的潤(rùn)滑防護(hù)。

圖6 恒速5 m/s運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑脂樣品的油膜厚度Fig.6 Oil film thicknesses of grease samples at constant speed of 5 m/s

通過(guò)以上測(cè)試結(jié)果可以看出稠化劑配方對(duì)潤(rùn)滑脂油膜形成能力和穩(wěn)定性有顯著影響。結(jié)合樣品的理化數(shù)據(jù)分析，1#樣品具有優(yōu)秀的分油性能和機(jī)械安定性，經(jīng)剪切后能夠較快進(jìn)入微動(dòng)磨損接觸表面形成油膜，并且恢復(fù)結(jié)構(gòu)的能力較好，可以對(duì)接觸區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑防護(hù)，因此1#樣品的抗微動(dòng)磨損性能最優(yōu)。3#，4#樣品機(jī)械安定性差，稠化劑結(jié)構(gòu)經(jīng)剪切后恢復(fù)能力差，但分油性能較好，在微動(dòng)磨損發(fā)生的接觸區(qū)經(jīng)反復(fù)剪切后結(jié)構(gòu)變形，迅速分油補(bǔ)充至接觸區(qū)對(duì)接觸表面進(jìn)行防護(hù)。2#樣品稠化能力較1#樣品增加，稠化劑分子間的作用力增大，但分油性能較差，潤(rùn)滑脂微動(dòng)磨損接觸區(qū)形成油膜厚度最小，導(dǎo)致抗微動(dòng)磨損測(cè)試的結(jié)果較差。

3.2 潤(rùn)滑脂的流變性能

對(duì)上述4種潤(rùn)滑脂樣品進(jìn)行潤(rùn)滑脂流變性能測(cè)試，結(jié)合工況，采用錐板測(cè)試，測(cè)試間距為0.109 mm，設(shè)定測(cè)試溫度為25 ℃，保持角頻率為10 rad/s，應(yīng)變范圍0.01%～100%，隨著振蕩幅度不斷增加，測(cè)試4種潤(rùn)滑脂樣品的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨應(yīng)變?chǔ)玫淖兓闆r。

當(dāng)潤(rùn)滑脂被微小幅度的載荷作用時(shí)，由于受到的剪切應(yīng)力τ小于屈服應(yīng)力，稠化劑結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞，彈性模量和黏性模量是一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值，并且G′總是大于G″，說(shuō)明潤(rùn)滑脂在靜止或受到很小剪切應(yīng)力時(shí)彈性占主導(dǎo)地位，潤(rùn)滑脂以固體性質(zhì)為主；隨著應(yīng)變?cè)黾拥揭欢ǔ潭?，G′和G″開始減小，其中G′減小速度比G″快，G′和G″這2條曲線相交時(shí)(即G′=G″)的點(diǎn)稱為交叉流動(dòng)點(diǎn)，在該點(diǎn)之前，潤(rùn)滑脂處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)G′

聚脲潤(rùn)滑脂分子間主要通過(guò)氫鍵和范德華力結(jié)合構(gòu)成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，不同配方的稠化劑分子結(jié)構(gòu)不同，形成的分子之間作用力的強(qiáng)度也不同。在流動(dòng)點(diǎn)處的剪切應(yīng)力值表征潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，臨界點(diǎn)的剪切應(yīng)力越小說(shuō)明潤(rùn)滑脂更容易進(jìn)入接觸區(qū)進(jìn)行剪切，參與微動(dòng)磨損的接觸區(qū)表面潤(rùn)滑，避免發(fā)生摩擦磨損。

4種潤(rùn)滑脂樣品在25 ℃下的彈性模量和黏性模量測(cè)試結(jié)果如圖7所示。隨著剪切形變量增加，4種潤(rùn)滑脂樣品的剪切應(yīng)力均呈線性增大后緩慢遞增，而彈性模量和黏性模量先穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)后呈下降趨勢(shì)，且二者存在交點(diǎn)；另外，4種潤(rùn)滑脂樣品的剪切應(yīng)力、G′和G″曲線不同，說(shuō)明不同潤(rùn)滑脂具有不同的黏彈性，所表現(xiàn)的流動(dòng)性也不同。25℃下各樣品在交叉流動(dòng)點(diǎn)的剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變和黏彈性模量值見(jiàn)表4。

圖7 潤(rùn)滑脂黏彈性流變測(cè)試曲線(25 ℃)Fig.7 Viscoelastic rheological test curves of greases(25 ℃)

表4 潤(rùn)滑脂樣品在交叉流動(dòng)點(diǎn)的流變測(cè)試結(jié)果Tab.4 Rheological test results of grease samples at cross flow points

根據(jù)流變測(cè)試曲線與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)不同稠化劑配方造成潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果差異進(jìn)行分析：1#樣品在交叉流動(dòng)點(diǎn)的黏彈性模量值最大，γ和τ值最小，說(shuō)明其易發(fā)生形變呈流動(dòng)狀態(tài)，更易進(jìn)入接觸區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑，具有更好的抗微動(dòng)磨損性能；2#樣品在γ為41.200%時(shí)才出現(xiàn)交叉流動(dòng)點(diǎn)，潤(rùn)滑脂流動(dòng)性能較差，稠化劑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，分子之間作用力較大，抗微動(dòng)磨損性能最差；3#樣品交叉流動(dòng)點(diǎn)處γ和τ值較4#樣品小，潤(rùn)滑脂更易發(fā)生黏彈性變形，能夠較快的進(jìn)入接觸區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑，因此3#樣品的抗微動(dòng)磨損性能優(yōu)于4#樣品。

4 結(jié)論

采用FALEX微動(dòng)磨損測(cè)試儀測(cè)試聚脲潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能，并對(duì)其因稠化劑配方不同造成的抗微動(dòng)性能差異及其原因進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)不同稠化劑配方的聚脲潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損測(cè)試結(jié)果有明顯差異。

2)不同稠化劑配方的聚脲潤(rùn)滑脂在接觸區(qū)形成油膜的厚度不同，能夠快速在接觸區(qū)形成較厚油膜并具有油膜保持能力的潤(rùn)滑脂具有更好抗微動(dòng)磨損性能。

3)不同稠化劑配方的聚脲潤(rùn)滑脂因稠化劑結(jié)構(gòu)的差異造成潤(rùn)滑脂流動(dòng)性能的區(qū)別，稠化劑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，可恢復(fù)能力較強(qiáng)，更容易流動(dòng)的潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能更優(yōu)。