李小剛，蘇輝，丁芳玲，魏斌斌

(1.中國石油昆侖潤滑檢測評定中心，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

摩擦是機械受損和能源損耗的重要原因，據(jù)估計，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苛和環(huán)境法規(guī)的日益完善，人們對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)的廣泛關注。含油溶性有機鉬的潤滑油在內(nèi)燃機各運動部件中發(fā)揮了優(yōu)良的減摩抗磨作用，顯著提升了燃油經(jīng)濟性[10]。

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

1 試驗

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)燃機油1理化性能

1.2 試驗方法

1.2.1 杠桿式四球摩擦試驗機試驗

采用MS-10A杠桿式四球摩擦試驗機，依據(jù)NB/SH/T 0189-2017《潤滑油抗磨損性能的測定 四球法》測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)燃機油1(不加減摩劑)和內(nèi)燃機油1(加減摩劑)油品進行四球抗磨損性能試驗后的鋼球磨斑表面進行磨痕形貌和元素沉積分析。

2 結果與討論

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、手動變速箱油和驅(qū)動橋油，它們的抗磨損性能試驗結果如表3和圖1所示。

表3 三種齒輪油四球試驗結果

圖1 三種齒輪油磨斑形貌對比

從表3、圖1中三種齒輪油抗磨性能結果可以看到：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，同時油品中含有一定量的S、P元素，可以與金屬表面反應形成化學反應膜阻止了金屬表面的干摩擦從而起到良好的潤滑效果，同時本文會在后面微觀表面分析中進行更深層次的討論。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，但有文獻報道：高含量的S、P會導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)試驗后的鋼球磨斑中有明顯的劃痕[11-14]。

2.1.2 內(nèi)燃機油抗磨性能

選用內(nèi)燃機油1(SN 5W-30)對其加入減摩劑(鉬鹽)和不加減摩劑(鉬鹽)進行抗磨損性能試驗，試驗結果如表4和圖2所示。

表4 內(nèi)燃機油1四球試驗結果

圖2 SN 5W-30加減摩劑和不加減摩劑磨斑形貌對比

從表3、圖2中可以看到內(nèi)燃機油1(不加減摩劑)較內(nèi)燃機油1(加減摩劑)的磨斑直徑大，同時內(nèi)燃機油1(加減摩劑)的磨斑形貌要比不加減摩劑的形貌好，主要是因為內(nèi)燃機油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)對以上5種油品四球抗磨損性能試驗后鋼球表面磨損微觀形貌進行觀察，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)量分數(shù)。

2.2.1 三種齒輪油試驗后鋼球磨斑微觀分析

下圖3為利用EDS對鋼球磨斑表面進行元素分布檢測，各元素的質(zhì)量分數(shù)測定結果如表5所示。

圖3 三種齒輪油試驗后鋼球磨斑的EDS圖譜對比

表5 三種齒輪油磨斑表面元素質(zhì)量分數(shù) %

由圖3及表5中三種齒輪油磨斑分析結果可知：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過程中P元素參與摩擦化學反應形成具有抗磨效果的化學反應膜沉積到鋼球表面。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劑參與到摩擦化學反應中，形成了摩擦保護膜。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反應中表現(xiàn)出優(yōu)良的抗磨損性能。

2.2.2 內(nèi)燃機油試驗后鋼球磨斑微觀分析

下圖4為為利用EDS對鋼球磨斑表面進行元素分布檢測，各元素的質(zhì)量分數(shù)測定結果如表6所示。

圖4 內(nèi)燃機油1不加減摩劑和加減摩劑試驗后鋼球磨斑的EDS圖譜對比

表6 內(nèi)燃機油1磨斑表面元素質(zhì)量分數(shù) %

由圖4及表6可以看出：內(nèi)燃機油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鹽參與到摩擦化學反應中，生成由含Mo、S、P組成的化學反應膜，表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗磨性能。

3 結論

(1)三種齒輪油四球磨斑試驗結果顯示：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在四球磨斑試驗中的試驗條件下油品中的添加劑P元素較好的參與到摩擦化學反應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反應中，具體原因可能和試驗條件有關，但仍需后續(xù)更深入的研究。

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