周 康，王玉玲，姚元鵬，李 旭，呂會(huì)英，湯仲平

(1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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

近幾年，磷系摩擦改進(jìn)劑在合成基礎(chǔ)油中的性能研究受到了諸多關(guān)注[4-5]，但針對(duì)150BS光亮油的摩擦學(xué)性能研究甚少。需要注意的是，由于不同基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)的差異對(duì)添加劑的感受性不同，合成油與礦物油在性質(zhì)上有差異，兩者界面性質(zhì)差異很大，與添加劑的相互作用機(jī)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(duì)含磷摩擦改進(jìn)劑在150BS基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。采用MRS-1J四球摩擦試驗(yàn)機(jī)、SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和三維輪廓形貌儀考察含磷摩擦改進(jìn)劑在150BS基礎(chǔ)油中的抗磨性能，采用MTM2型微牽引力試驗(yàn)機(jī)、VKA 110四球試驗(yàn)機(jī)考察含磷摩擦改進(jìn)劑在150BS基礎(chǔ)油中的減磨性能，為油品的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

所用150BS基礎(chǔ)油的主要理化性能見(jiàn)表1。

試驗(yàn)所用GO-1的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.49%，酸值為17.5 mgKOH/g；GO-2的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.02%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.43%；GO-3的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.52%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.54%。

表1 150BS基礎(chǔ)油的主要理化性質(zhì)

將GO-1，GO-2，GO-3 3種含磷摩擦改進(jìn)劑分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的量加入到150BS基礎(chǔ)油中調(diào)制成潤(rùn)滑油樣品，油樣編號(hào)分別為YGO-1，YGO-2，YGO-3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1四球機(jī)試驗(yàn)采用MRS-1J四球摩擦試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 3142標(biāo)準(zhǔn)方法《潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法(四球法)》測(cè)定油品的極壓性能，包括測(cè)定最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB)、燒結(jié)負(fù)荷(PD)和綜合磨損指數(shù)(ZMZ)；依據(jù)SH/T 0189標(biāo)準(zhǔn)方法《潤(rùn)滑油抗磨損性能測(cè)定法(四球機(jī)法)》測(cè)定油品的抗磨性能；采用MMW-1 型四球機(jī)依據(jù)SH/T 0762《潤(rùn)滑油摩擦因數(shù)測(cè)定法(四球法)》測(cè)定潤(rùn)滑試驗(yàn)的摩擦因數(shù)。

1.2.2SRV摩擦磨損試驗(yàn)采用德國(guó)OPTIMOL公司生產(chǎn)的高頻往復(fù)線(xiàn)性振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)(SRV4試驗(yàn)機(jī))測(cè)定潤(rùn)滑試驗(yàn)?zāi)Σ聊p和油品的極壓特性。依據(jù)NB/SH/T 0847標(biāo)準(zhǔn)方法《極壓潤(rùn)滑油摩擦磨損測(cè)定SRV試驗(yàn)機(jī)法》測(cè)定試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑，試驗(yàn)條件為負(fù)荷200 N、頻率50 Hz、時(shí)間2 h、溫度80 ℃、行程1 mm。

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

1.2.4微牽引力試驗(yàn)使用英國(guó)PCS公司生產(chǎn)的MTM-2微牽引力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定油品試驗(yàn)的牽引因數(shù)變化情況，評(píng)估油品的減摩性能。試驗(yàn)條件為溫度70 ℃、傳動(dòng)比50∶1、載荷30 N、時(shí)間30 min。

1.2.5溫升試驗(yàn)采用德國(guó)Hansa Press公司制造的VKA 110四球試驗(yàn)機(jī)測(cè)定油品的溫度變化情況。試驗(yàn)軸承在一個(gè)保溫材質(zhì)制成的保護(hù)罩中進(jìn)行，將軸承浸泡在38 mL被測(cè)油品中。試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速4 000 r/min、載荷5 000 N、時(shí)間120 min，記錄潤(rùn)滑油的溫度變化。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)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(jié)果與討論

2.1 抗磨性能

2.1.1四球和SRV摩擦磨損試驗(yàn)表2列出了3種摩擦改進(jìn)劑在150BS基礎(chǔ)油中的抗磨性能。

表2 不同摩擦改進(jìn)劑在150BS基礎(chǔ)油中的極壓抗磨性能對(duì)比

由表2可知：3種摩擦改進(jìn)劑的加入均不同程度提高了150BS基礎(chǔ)油的PB、PD和ZMZ值，同時(shí)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(shuō)明摩擦改進(jìn)劑的加入有利于提高150BS基礎(chǔ)油的抗磨性能，其中以加入GO-2時(shí)抗磨性能最好，在摩擦過(guò)程中可以有效保護(hù)摩擦表面，降低摩擦副表面的磨損；加入摩擦改進(jìn)劑后油品試驗(yàn)鋼球的水平磨斑直徑、垂直磨斑直徑和平均磨斑直徑都遠(yuǎn)小于150BS基礎(chǔ)油試驗(yàn)時(shí)，其中YGO-2油品試驗(yàn)鋼球的磨斑直徑最小，說(shuō)明酸性磷酸酯胺鹽相比其它摩擦改進(jìn)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(duì)四球試驗(yàn)后的鋼球磨斑表面進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 不同油品四球摩擦試驗(yàn)的鋼球三維形貌對(duì)比

由圖1可知：150BS基礎(chǔ)油試驗(yàn)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(shuō)明出現(xiàn)了連續(xù)的擦傷過(guò)程；YGO-1油品試驗(yàn)的鋼球磨斑表面有一定的梨溝現(xiàn)象，但與基礎(chǔ)油試驗(yàn)相比明顯減輕；YGO-2油品試驗(yàn)的鋼球磨斑表面最為光滑平整，略有磨痕；YGO-3油品試驗(yàn)的鋼球磨痕介于YGO-1和YGO-2油品試驗(yàn)鋼球磨痕之間。

從圖2對(duì)溝痕深度的測(cè)試結(jié)果可知，150BS基礎(chǔ)油的試驗(yàn)鋼球磨斑深度最大為7.49 μm，YGO-1，YGO-2，YGO-3油品的試驗(yàn)鋼球最大磨斑深度分別為3.95，1.28，1.75 μm。

結(jié)合表2、圖1和圖2可知，3種含磷摩擦改進(jìn)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(chǔ)油中的抗磨性能最好，GO-3次之，GO-1有一定效果，但沒(méi)有前兩者明顯。

圖2 不同油品四球試驗(yàn)的鋼球磨斑深度變化對(duì)比

2.2 減磨性能

2.2.1摩擦因數(shù)圖3為150BS基礎(chǔ)油及YGO-1，YGO-2，YGO-3油品的四球試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)隨試驗(yàn)負(fù)荷的變化。由圖3可以看出：隨著負(fù)荷的增大，摩擦因數(shù)整體呈增大的趨勢(shì)，摩擦改進(jìn)劑的加入使四球試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)出現(xiàn)不同程度的下降；在低負(fù)荷下(小于294 N)，YGO-2和YGO-3油品四球試驗(yàn)的摩擦因數(shù)接近，明顯低于150BS基礎(chǔ)油試驗(yàn)的摩擦因數(shù)，說(shuō)明低負(fù)荷條件下，YGO-2和YGO-3油品對(duì)應(yīng)的GO-2和GO-3均具有良好的減摩作用；在高負(fù)荷下(大于294 N)，YGO-2油品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)隨負(fù)荷的增大而略有增加，但增幅很小，四球試驗(yàn)的摩擦因數(shù)小于YGO-3油品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)；YGO-1油品與150BS基礎(chǔ)油的最大失效負(fù)荷都不大于785 N，添加劑GO-1對(duì)150BS試驗(yàn)的摩擦因數(shù)改善不明顯。

圖3 不同摩擦改進(jìn)劑作用下150BS油品的四球試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)隨負(fù)荷的變化◆—150BS； ■—YGO-1； ▲—YGO-2；

綜上，GO-2的加入對(duì)降低四球試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)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(rùn)滑膜[6]；GO-3次之；GO-1的加入對(duì)四球試驗(yàn)的摩擦因數(shù)有一定的降低效果，但最大失效負(fù)荷仍不大于785 N，說(shuō)明此添加劑在高負(fù)荷工況時(shí)對(duì)油品的潤(rùn)滑性改善不大。究其原因，不同含磷摩擦改進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)不同，對(duì)摩擦副表面的吸附作用不同。

2.2.2牽引因數(shù)油品的牽引因數(shù)是表征油品摩擦學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，較低的牽引因數(shù)有助于降低摩擦力，改善以滑動(dòng)摩擦為主的齒輪或軸承的傳動(dòng)效率，減小動(dòng)力消耗和降低穩(wěn)定狀態(tài)操作溫度，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。使用MTM-2微牽引力試驗(yàn)機(jī)考察了油品的牽引因數(shù)隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同摩擦改進(jìn)劑作用下150BS油品試驗(yàn)的牽引因數(shù)隨時(shí)間的變化◆—150BS；●—YGO-2； ▲—YGO-1

從圖4可以看出：4個(gè)測(cè)試油品中，150BS基礎(chǔ)油試驗(yàn)的牽引因數(shù)最大，YGO-2油品試驗(yàn)的牽引因數(shù)最小，YGO-3的次之，YGO-1介于YGO-2和YGO-3之間。這說(shuō)明GO-2和GO-3的加入對(duì)降低150BS基礎(chǔ)油試驗(yàn)的牽引因數(shù)效果比較明顯；GO-1對(duì)降低150BS光亮油試驗(yàn)的牽引因數(shù)也有一定效果，但沒(méi)有前兩者明顯。

2.2.3溫升變化潤(rùn)滑油使用過(guò)程中受到剪切和壓縮作用產(chǎn)生熱量，會(huì)引起溫度升高，從而導(dǎo)致油品黏度下降，進(jìn)而影響潤(rùn)滑油的承負(fù)能力，因此，需要對(duì)油品的溫升進(jìn)行考察。采用VKA 110四球試驗(yàn)機(jī)測(cè)定油品的溫度變化情況，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得油品的溫度變化值，稱(chēng)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(dòng)裝置內(nèi)的功率損耗。表3列出了油品的穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)試結(jié)果，圖5列出了3種含磷摩擦改進(jìn)劑作用下150BS基礎(chǔ)油的溫度隨時(shí)間的變化。

表3 不同摩擦改進(jìn)劑作用下油品的溫升試驗(yàn)結(jié)果

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

從表3可以看出，150BS基礎(chǔ)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(chǔ)油的低，分別為153.6，136.9，143.4 ℃。從圖5可以看出，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，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(chǔ)油，說(shuō)明摩擦改進(jìn)劑的加入能有效降低150BS基礎(chǔ)油的溫升。對(duì)應(yīng)實(shí)際工況，可以提高傳動(dòng)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(shù)的測(cè)試結(jié)果是一致的。

3 結(jié) 論

(1)3種含磷摩擦改進(jìn)劑對(duì)150BS基礎(chǔ)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(jìn)劑的加入均能不同程度地提高150BS基礎(chǔ)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(shù)、牽引因數(shù)和溫升方面對(duì)油品具有更大的改善；GO-3的減磨效果次之，在低負(fù)荷下對(duì)油品摩擦因數(shù)有較好效果；GO-1也有減磨作用，但效果較弱。