薛穎 楊鶴 郝麗春 宋海清

中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院

參照美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)ASTM D7594方法研究建立了一種新的潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)模擬試驗(yàn)方法，即NB/SH/T 0920—2016《高赫茲接觸壓力下潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損能力的測(cè)定 高頻線性振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)法》。對(duì)不同潤(rùn)滑脂樣品的測(cè)試結(jié)果表明，該方法的區(qū)分性較好，可有效地用于潤(rùn)滑脂配方的初步篩選和對(duì)不同潤(rùn)滑脂產(chǎn)品抗微動(dòng)磨損性能的快速評(píng)價(jià)；驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有很好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

微動(dòng)磨損是一種復(fù)合型式的磨損，是指宏觀上無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固體接觸表面之間由于微小距離的往復(fù)切向或法向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的損傷和材料流失，容易造成設(shè)備帶傷運(yùn)行、老化、被迫停機(jī)等危害。為減小微動(dòng)磨損，常用的方法是在界面間加入非腐蝕性的潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能需要采用合適的測(cè)試方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前，我國(guó)已有的評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂這一性能的方法有石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0716《潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能測(cè)定法》。該方法建立于2002年，采用費(fèi)夫納摩擦氧化試驗(yàn)機(jī)或微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定軸承座圈的質(zhì)量損失來評(píng)價(jià)擺動(dòng)工況下潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損的特性，用時(shí)較長(zhǎng)，操作復(fù)雜。

本文參照美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)ASTM D7594方法研究建立了一種新的潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)模擬試驗(yàn)方法，即NB/SH/T 0920—2016《高赫茲接觸壓力下潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損能力的測(cè)定 高頻線性振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)法》。本方法采用新的摩擦型式和摩擦副運(yùn)動(dòng)方式，具有快速便捷、精密度高、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，是一種較為先進(jìn)的潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)手段。

方法簡(jiǎn)介

與同類現(xiàn)行試驗(yàn)方法的比較

高頻線性振動(dòng)（SRV）試驗(yàn)機(jī)是歐美國(guó)家在20世紀(jì)80年代開發(fā)的繼四球摩擦試驗(yàn)機(jī)等傳統(tǒng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)之后的新型試驗(yàn)機(jī)，它的摩擦副運(yùn)動(dòng)方式與其他試驗(yàn)機(jī)不同，采用的是線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式，摩擦副有多種型式，接觸方式分為點(diǎn)接觸、線接觸及面接觸等。SRV試驗(yàn)機(jī)的專業(yè)化程度較高，某些模擬條件與使用工況更為接近，在一定程度上彌補(bǔ)了其他類型摩擦試驗(yàn)機(jī)的不足。目前為止，國(guó)內(nèi)建立了多個(gè)采用該種試驗(yàn)機(jī)測(cè)定潤(rùn)滑劑極壓性能和磨損性能的試驗(yàn)方法，見表1。

由表1可見，與其他方法相比，NB/SH/T 0920—2016的沖程、負(fù)荷明顯較小，運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，模擬試驗(yàn)條件的設(shè)置在符合一般磨損試驗(yàn)條件的情況下，更為接近“微動(dòng)”的工況，即運(yùn)動(dòng)頻率高、沖程較小、初始為高赫茲接觸壓力下的點(diǎn)接觸和較長(zhǎng)時(shí)間的線性往復(fù)振動(dòng)。

方法原理

根據(jù)NB/SH/T 0920—2016，該模擬試驗(yàn)方法適用于在給定溫度和負(fù)荷條件下測(cè)定潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能和摩擦系數(shù)。符合方法要求的SRV試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)腔結(jié)構(gòu)見圖1。

NB/SH/T 0920—2016中， 摩擦副采用的是試驗(yàn)球和試驗(yàn)盤。試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)球置于試驗(yàn)盤上，中間為待測(cè)潤(rùn)滑脂樣品，試驗(yàn)球和試驗(yàn)盤分別用試驗(yàn)球夾具和試驗(yàn)盤夾具固定。試驗(yàn)初始，試驗(yàn)球和試驗(yàn)盤為點(diǎn)接觸，由于接觸面積小，施加的負(fù)荷較大，所以具有初始高赫茲點(diǎn)接觸壓力。試驗(yàn)開始后，試驗(yàn)盤固定于底座上不動(dòng)，往復(fù)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)試驗(yàn)球夾具及試驗(yàn)球進(jìn)行左右線性往復(fù)振動(dòng)，試驗(yàn)球在試驗(yàn)盤上經(jīng)過的沖程為0.3 mm，振動(dòng)頻率為50 Hz，通過溫度控制系統(tǒng)將試驗(yàn)溫度控制在50 ℃，加載系統(tǒng)通過加載桿從上往下增加負(fù)荷50 N維持30 s，然后增加到100 N，試驗(yàn)運(yùn)行240 min，運(yùn)行中電腦軟件可記錄瞬時(shí)摩擦系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)即可得到整個(gè)試驗(yàn)過程的摩擦系數(shù)曲線以及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻（即240 min時(shí)）的摩擦系數(shù)。

表1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的采用SRV試驗(yàn)機(jī)測(cè)定潤(rùn)滑劑極壓性能和磨損性能的試驗(yàn)方法

試驗(yàn)后，用顯微鏡測(cè)定試驗(yàn)球滑動(dòng)方向和與滑動(dòng)方向垂直方向的磨斑直徑，兩者取平均值得到試驗(yàn)球的平均磨斑直徑（WSD）。若采用數(shù)字式顯微鏡對(duì)磨斑表面形貌進(jìn)行分析，可得到更多的磨斑表面信息。若進(jìn)一步采用三維形貌儀或表面輪廓儀，還能得到試驗(yàn)球磨斑和試驗(yàn)盤表面磨痕的磨損信息，同時(shí)測(cè)算出其磨損體積[1]，從而更直觀地得到其磨損情況。綜合所有信息，便可判斷和評(píng)價(jià)磨損程度。

潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)磨損性能可直接通過試驗(yàn)后得到的平均磨斑直徑和磨損程度來評(píng)價(jià)。試驗(yàn)后平均磨斑直徑越小，磨斑表面的磨損程度越小，試驗(yàn)樣品的抗微動(dòng)磨損性能就越好，反之則越差。摩擦系數(shù)直接表征潤(rùn)滑脂的抗摩擦性能，摩擦系數(shù)越小表明樣品的抗摩擦性能越好；摩擦系數(shù)曲線可反映在微動(dòng)摩擦過程中的摩擦情況，若試驗(yàn)運(yùn)行過程中摩擦系數(shù)變大，表明摩擦過程中有擦傷，則磨損程度也會(huì)相應(yīng)增大，所以摩擦系數(shù)還可間接反映磨損情況。使用該試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂之前，可按照SH/T 0784進(jìn)行額外的非強(qiáng)制性的極壓試驗(yàn)，以得到樣品的抗極壓性能。因此，通過該模擬試驗(yàn)方法，可以得到潤(rùn)滑脂樣品在微動(dòng)摩擦條件下的抗極壓性能、抗摩擦性能和抗磨損性能等完整的摩擦學(xué)信息（參見NB/SH/T 0920—2016附錄A中示例），即樣品在微動(dòng)摩擦條件下綜合的摩擦磨損性能。所以，所有指標(biāo)越好，則綜合的摩擦磨損性能越好，即如果試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的摩擦系數(shù)和試驗(yàn)后平均磨斑直徑越小，磨斑表面的磨損程度越小，試驗(yàn)樣品抗微動(dòng)的摩擦磨損性能就越好；反之則越差。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)設(shè)備

高頻線性振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)（III型、IV型，德國(guó)Optimol公司）、微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為F-1581，美國(guó)Falex公司）、數(shù)字式顯微鏡（KH-7700）、顯微鏡（上海光學(xué)廠）、分析天平（精度為0.1 mg）等。

試驗(yàn)用潤(rùn)滑脂

復(fù)合鋰基脂樣品（Com-Li-1、Com-Li-2、Com-Li-3、Com-Li-4、Com-Li-5）、 鋰 基 PAO油脂（Li-PAO）、膨潤(rùn)土聚醚油脂（B-pet）、復(fù)合鋰礦物油脂（Com-Li-M）、復(fù)合鋰鈣礦物油 脂（Com-Li-Ca-M）、 鋰 基酯 類 油 脂（ 含MoS2，Li-MoS2-pes）、鋰基礦物油脂（含石墨，Li-G-M）、復(fù)合鋁基脂（Com-Al）和聚脲基脂（PU）。

結(jié)果與討論

模擬試驗(yàn)用于配方篩選的研究

對(duì)一系列配方的5個(gè)復(fù)合鋰基脂樣品進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，5個(gè)樣品的摩擦系數(shù)變化曲線見圖2，試驗(yàn)球平均磨斑直徑WSD和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的摩擦系數(shù)見表2，用數(shù)字式顯微鏡測(cè)得的試驗(yàn)后試驗(yàn)球磨斑的表面形貌圖像見圖3。

表2 復(fù)合鋰基脂樣品的試驗(yàn)球磨斑直徑和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的摩擦系數(shù)

由圖2可見，Com-Li-2的摩擦系數(shù)在試驗(yàn)過程中明顯小于其他樣品，其摩擦系數(shù)曲線走勢(shì)在運(yùn)行開始后逐漸下降，中期保持平穩(wěn)，后期緩慢增大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的摩擦系數(shù)僅0.093，說明其抗摩擦性能最好。所有樣品中只有Com-Li-1在運(yùn)行初期出現(xiàn)了摩擦系數(shù)急劇增加的情況，瞬時(shí)摩擦系數(shù)高于0.25，有發(fā)生卡咬導(dǎo)致停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，說明其在初始高赫茲接觸壓力下的抗極壓能力比較差，同時(shí)摩擦系數(shù)突然增大說明表面可能產(chǎn)生了擦傷，最終的磨損會(huì)比較大；之后摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，表明樣品具有一定抗摩擦性能。Com-Li-3、Com-Li-4、Com-Li-5的摩擦系數(shù)曲線都較平穩(wěn)，其中Com-Li-4摩擦系數(shù)稍大，Com-Li-3和Com-Li-5摩擦系數(shù)稍小，說明Com-Li-4抗摩擦性能比Com-Li-3和Com-Li-5稍好一些。因此，通過模擬試驗(yàn)測(cè)定摩擦系數(shù)可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)不同配方樣品微動(dòng)條件下抗摩擦性能的篩選。

由 表2可 見，Com-Li-1和Com-Li-4的WSD最 大，Com-Li-2、Com-Li-3、Com-Li-5 較小。由于5個(gè)樣品的數(shù)值相差較小，接近重復(fù)性的范圍（參見下文的“重復(fù)性試驗(yàn)”部分），因此無法直接判定潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能的優(yōu)劣，還需要結(jié)合所測(cè)的磨斑表面形貌結(jié)果進(jìn)行分析。

由圖3可見：

◇Com-Li-2的磨痕較淺且比較均勻，表面被氧化的面積最小，說明其抗微動(dòng)磨損性能明顯優(yōu)于其他樣品，結(jié)合圖2中Com-Li-2摩擦系數(shù)明顯小于其他樣品，認(rèn)為其抗微動(dòng)的摩擦磨損性能最佳；

◇Com-Li-1的磨痕較深且磨損很不均勻，Com-Li-4表面出現(xiàn)了明顯的犁溝，故它們的磨損都是比較嚴(yán)重的，抗微動(dòng)磨損性能最差；

◇Com-Li-3和Com-Li-5磨損程度介于最優(yōu)和最差之間，抗微動(dòng)磨損性能屬于中等水平。

綜合以上分析結(jié)果，可以得出2號(hào)樣品的摩擦磨損性能是最優(yōu)的，1號(hào)和4號(hào)最差，3號(hào)和5號(hào)為中等水平。由此可見，在潤(rùn)滑脂的篩選上，本模擬試驗(yàn)方法方便快捷而且有效，能夠掌握每個(gè)配方潤(rùn)滑脂的大致性能，從而作為對(duì)潤(rùn)滑脂配方的快速評(píng)價(jià)手段。

對(duì)不同類型潤(rùn)滑脂產(chǎn)品的評(píng)價(jià)

為了研究對(duì)不同類型潤(rùn)滑脂產(chǎn)品的評(píng)價(jià)效果，選擇了多種潤(rùn)滑脂樣品進(jìn)行抗微動(dòng)模擬試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

由表3可見，與其他樣品相比，Com-Li-Ca-M和PU的平均磨斑直徑較小，摩擦系數(shù)較小，所以這兩個(gè)樣品的抗微動(dòng)摩擦磨損性能較好。Li-G-M的磨斑直徑和摩擦系數(shù)均明顯較大，所以其性能最差。Li-MoS2-pes應(yīng)處于中等水平。在摩擦系數(shù)相同的Li-PAO、B-pet、Com-Li-M、Com-Al四個(gè)樣品中，B-pet的平均磨斑直徑最大，所以其抗微動(dòng)磨損性能在這四個(gè)樣品中是最差的。由此可見，本模擬方法對(duì)不同類型潤(rùn)滑脂有較好的區(qū)分性。

表3 不同類型潤(rùn)滑脂的抗微動(dòng)模擬試驗(yàn)結(jié)果

潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

重復(fù)性和再現(xiàn)性試驗(yàn)

對(duì)各潤(rùn)滑脂樣品的抗微動(dòng)模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了重復(fù)性、再現(xiàn)性分析，結(jié)果分別見表4～表6。再現(xiàn)性試驗(yàn)是由不同操作者采用4臺(tái)不同的儀器完成的。

由表4～表6可見，除個(gè)別數(shù)據(jù)外，測(cè)試結(jié)果均符合方法的重復(fù)性、再現(xiàn)性要求。表6中，Com-Li-Ca-M和 Com-Al的極差數(shù)據(jù)超出了再現(xiàn)性不大于0.023 4的要求，這2個(gè)超差仍在精密度要求的95%置信水平允許范圍之內(nèi)。

表4 重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

表5 平均磨斑直徑再現(xiàn)性試驗(yàn)結(jié)果

表6 摩擦系數(shù)再現(xiàn)性試驗(yàn)結(jié)果

與SH/T 0716方法的比較

SH/T 0716《潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能測(cè)定法》用于評(píng)定軸承擺動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損的特性，其測(cè)試原理是將2套裝有試驗(yàn)脂的推力球軸承在弧度為0.21（12°）、擺動(dòng)頻率30 Hz、負(fù)荷為2 450 N以及室溫條件下做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)間為22 h，以2套軸承座圈的質(zhì)量損失之和的平均值（單位為mg）作為試驗(yàn)潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能的評(píng)定。

NB/SH/T 0920—2016與 SH/T 0716雖然都是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能的模擬方法，但2者存在如下區(qū)別：

◇摩擦形式不同，前者是線性往復(fù)式振動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式（沖程0.3 mm），而后者是擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式（弧度0.21）；

◇摩擦副不同，前者是球盤模式，后者是推力球軸承模式；

◇評(píng)定方式不同，前者測(cè)定磨斑直徑和摩擦系數(shù)大小，精度高，后者測(cè)定質(zhì)量損失，精度較差；前者操作簡(jiǎn)單快速，用時(shí)少（4 h），后者操作復(fù)雜，試驗(yàn)中需要多次清洗，用時(shí)較長(zhǎng)（22 h）。

分別采用2種方法考察了5種復(fù)合鋰基脂的抗微動(dòng)磨損性能，結(jié)果見表7。

由表7可見，采用SH/T 0716方法得到的5個(gè)樣品的結(jié)果，Com-Li-2的抗微動(dòng)磨損性能最好，Com-Li-3其 次，Com-Li-1和Com-Li-4較差，Com-Li-5最差。與SRV法的結(jié)果相比，Com-Li-5的2種方法的分析結(jié)果差別相對(duì)較大。由此說明，因?yàn)槟Σ列问讲煌仍颍?種方法測(cè)得的結(jié)果并不是線性相關(guān)的。

表7 NB/SH/T 0920—2016與SH/T 0716的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

結(jié)論

在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)中存在微動(dòng)工況時(shí)，抗微動(dòng)磨損性能是潤(rùn)滑脂的一項(xiàng)重要特性。本文研究建立了一種快速便捷的測(cè)定潤(rùn)滑脂抗微動(dòng)磨損性能的模擬試驗(yàn)方法。采用SRV試驗(yàn)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑脂配方的篩選和對(duì)不同類型潤(rùn)滑脂產(chǎn)品性能的有效評(píng)價(jià)，同時(shí)具有較高的精密度。在評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合其他的測(cè)定磨損表面磨損程度的試驗(yàn)方法和儀器手段，該模擬方法將能得到更為有效的應(yīng)用。