潤(rùn)滑油添加劑摩擦學(xué)性能的試驗(yàn)研究

曹 珍，王 文，陶德華，王 晨

(上海大學(xué) 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

疲勞點(diǎn)蝕是滾動(dòng)軸承的主要失效形式之一，提高軸承的接觸疲勞壽命一直是國(guó)內(nèi)、外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。影響疲勞點(diǎn)蝕的因素除了軸承的材料和結(jié)構(gòu)外，潤(rùn)滑油的性能也起著重要作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)、外的研究主要集中在如何提高軸承的性能，而關(guān)于潤(rùn)滑油性能，特別是含不同類型添加劑的潤(rùn)滑油對(duì)接觸疲勞壽命的影響研究較少。文獻(xiàn)[1]用四滾子疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)比考察了3種合成航空潤(rùn)滑油對(duì)軸承材料接觸疲勞壽命的影響。文獻(xiàn)[2]用四球機(jī)改裝的接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)做了硼酸酯和極壓添加劑減摩抗磨協(xié)同作用對(duì)45鋼疲勞壽命影響的研究。文獻(xiàn)[3]利用自制的球-棒疲勞試驗(yàn)機(jī)研究了4種添加劑對(duì)GCr15鋼接觸疲勞性能的影響，并借助于掃描電鏡分析了不同添加劑對(duì)鋼球接觸疲勞的作用機(jī)理。文獻(xiàn)[4]用改裝的四球機(jī)考察了不同油性極壓添加劑對(duì)接觸疲勞的影響。文獻(xiàn)[5]通過(guò)研究十八胺對(duì)接觸疲勞的影響發(fā)現(xiàn)隨著十八胺含量的增加，潤(rùn)滑油的抗接觸疲勞能力得到提高。文獻(xiàn)[6]用四球疲勞試驗(yàn)機(jī)在很高的應(yīng)力下試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油分子中的芳環(huán)或環(huán)烷環(huán)數(shù)對(duì)金屬疲勞壽命有一定影響，潤(rùn)滑油中環(huán)狀結(jié)構(gòu)的存在有利于提高金屬接觸疲勞壽命。文獻(xiàn)[7]也用四球疲勞試驗(yàn)機(jī)在高應(yīng)力下研究了添加劑對(duì)金屬疲勞壽命的影響。文獻(xiàn)[8]用滾子試驗(yàn)機(jī)在不同潤(rùn)滑油添加劑作用下進(jìn)行了大量的疲勞壽命試驗(yàn)。很明顯，目前關(guān)于潤(rùn)滑油的性能對(duì)接觸疲勞壽命的影響研究不僅所用添加劑種類不同，而且研究的試驗(yàn)方法不同，提出的作用機(jī)理也各異。

現(xiàn)借助四球試驗(yàn)機(jī)，并結(jié)合SEM，XPS等先進(jìn)的分析手段，研究3種典型潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能及其對(duì)軸承材料接觸疲勞壽命影響的機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在MS-800型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。溫度在25 ℃左右，將4個(gè)鋼球分別固定在四球機(jī)上球座和油盒中。將試驗(yàn)油倒入油盒中，通過(guò)杠桿加載系統(tǒng)自上而下對(duì)鋼球施加載荷，然后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)保持上球在1 450 r/min下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)達(dá)到確定的測(cè)定時(shí)間后停機(jī)，卸下油盒，用顯微鏡測(cè)量下3球的磨斑直徑。

1.2 試件及材料

試驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)H級(jí)GCr15鋼球，其外徑為12.7 mm。試驗(yàn)結(jié)束后借助SEM和XPS對(duì)被試球表面進(jìn)行分析。

1.3 潤(rùn)滑油和添加劑

試驗(yàn)所用基礎(chǔ)油均為32#礦油，添加劑選用市場(chǎng)上常見(jiàn)的類型，分別為：T321(硫化異丁烯)、T202(二烷基二硫代磷酸鋅，ZDDP)和T406(苯三唑十八胺)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 添加劑摩擦學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果(表1)

表1 添加劑的摩擦學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知T202具有很小的磨斑直徑(0.3 mm)，且PB值比較高(862 N)，故抗磨性和減摩性都比較好，而294 N時(shí)T321的摩擦系數(shù)最小。

2.2 試件表面磨痕和化學(xué)成分的測(cè)定

為了更進(jìn)一步研究添加劑對(duì)表面接觸疲勞壽命的影響，分別對(duì)試件做了SEM和EDS測(cè)定，并且為了更深入研究T202的良好性能，對(duì)其做了XPS測(cè)定分析，以獲得磨斑處表面形貌特征和化學(xué)成分的詳細(xì)信息。并從微觀磨痕和化學(xué)反應(yīng)等方面來(lái)分析試驗(yàn)過(guò)程中添加劑和試件表面之間所發(fā)生的物理及化學(xué)變化，進(jìn)而從機(jī)理上分析各添加劑對(duì)表面接觸疲勞壽命的影響。

2.2.1 不同添加劑的SEM磨痕

圖1為載荷為294 N時(shí)的磨斑SEM照片。在抗磨試驗(yàn)中由于載荷較小(294 N)，添加劑提高了基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的抗磨作用。對(duì)照表1數(shù)據(jù)和圖1可以看出：32#礦油的磨痕最大，其次為添加T321的礦油，T202和T406礦油的磨痕較小。且T321的抗磨性較T202和T406差。

圖1 不同添加劑的SEM磨斑

2.2.2 試件表面成分的EDS分析

為了深入分析各添加劑的作用機(jī)理，對(duì)幾種添加劑做了EDS分析，以確定試件表面所形成的反應(yīng)膜成分。分析結(jié)果表明：T321和T202中有S，P等元素存在；32#基礎(chǔ)油和T406表面成分測(cè)試結(jié)果均為Fe和Cr，且兩元素含量非常相近。由此可推知T321和T202的化學(xué)反應(yīng)膜中生成了抗磨減摩性較好的磷化物和硫化物。

2.2.3 T202試件表面化學(xué)成分的XPS分析

為了進(jìn)一步分析T202反應(yīng)膜的化學(xué)成分及作用機(jī)理，對(duì)試件做了XPS分析。結(jié)果見(jiàn)表2和圖2。

表2 T202樣品XPS能譜儀原子含量表 %

圖2 T202樣品的XPS譜圖

由圖2和表2可知，磨斑處Fe和O元素的含量最高，同時(shí)還含有P，Zn，Ca和C等元素。而且由XPS能譜圖特征峰可判知T202的磨斑表面含有磷化物(FePO4)、鋅化物(ZnO)和高價(jià)鐵氧化物(Fe3O4)。

2.3 結(jié)果分析

抗磨和極壓添加劑對(duì)摩擦表面潤(rùn)滑性能及接觸疲勞壽命的影響很復(fù)雜，在此結(jié)合已經(jīng)獲得的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果對(duì)其進(jìn)行分析。

2.3.1 T202

T202是多效添加劑，其抗氧、防腐、防銹、抗磨性均較好，其分子式為：

(1)抗磨性。由表1可知T202具有很小的磨斑直徑，且其抗磨性最好。因?yàn)門(mén)202在100 ℃時(shí)就會(huì)開(kāi)始分解，在邊界摩擦產(chǎn)生的高溫(1 000 ℃左右)下分解并迅速在鐵表面生成有機(jī)硫磷酸鐵和無(wú)機(jī)硫磷酸鐵膜層反應(yīng)膜，其在邊界潤(rùn)滑條件下具有良好的潤(rùn)滑作用。

(2)極壓性。由于T202在較高的載荷下可以完全分解形成無(wú)機(jī)FeS和FePO4保護(hù)膜，故有較好的極壓性。其中FeS是由分解產(chǎn)生的烷基多硫化物與Fe2O3反應(yīng)產(chǎn)生的。表面存在較軟可以起到減摩作用的有機(jī)(或無(wú)機(jī))磷酸鐵，疏松結(jié)構(gòu)的高價(jià)氧化鐵可以儲(chǔ)存部分潤(rùn)滑油，同樣起到減摩的作用，較軟的納米氧化鋅(ZnO)可以起到減摩的作用，故具有復(fù)合的保護(hù)膜，使其具有優(yōu)良的減摩抗磨性能(與32#礦油相比其磨痕比較光潔)。

但由于T202含有酸性基因，對(duì)疲勞壽命有負(fù)效應(yīng)。

2.3.2 T321

T321含有44%的硫，是很好的極壓添加劑,其分子式為：

在中等載荷條件下，表面滑動(dòng)產(chǎn)生的局部摩擦高溫，使有機(jī)硫化物和鐵反應(yīng)生成硫醇鐵膜，可起抗磨作用。在邊界潤(rùn)滑條件下，進(jìn)入極壓工況條件時(shí)，T321受高溫分解導(dǎo)致C-S鍵斷裂，可形成無(wú)機(jī)反應(yīng)保護(hù)膜FeS。FeS膜不是層狀結(jié)構(gòu)，摩擦系數(shù)比其他極壓膜大。無(wú)機(jī)硫化鐵熔點(diǎn)高，到1 100 ℃還不熔化，故其極壓承載能力很大，在700 ℃時(shí)仍然具有潤(rùn)滑作用。

T321的極壓性好(PB=755 N)，可在較高的摩擦溫度下保持正常運(yùn)行。但抗磨性不如T202,通常其可以和T202復(fù)合使用，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的目的。T321在摩擦表面形成的保護(hù)膜較厚，這種保護(hù)膜應(yīng)該是由硫醇鐵和無(wú)機(jī)硫化鐵組成的。由于T321成膜時(shí)不具有酸性基因，單獨(dú)作為抗磨極壓劑使用時(shí)，不會(huì)對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生負(fù)影響。

2.3.3 T406

T406是優(yōu)良的防銹劑,也是油性抗磨劑，其分子式為：

在摩擦過(guò)程中由于N原子電負(fù)性高，原子半徑小，在吸附分子間容易形成氫鍵，使橫向引力增大，從而增強(qiáng)保護(hù)膜強(qiáng)度；另外，氮原子與金屬可以形成配位鍵，或在摩擦過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有機(jī)氮化合物及聚合物等，形成較為穩(wěn)定的保護(hù)膜，因此其具有較好的抗磨性能。當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)該吸附膜被破壞，故其極壓性不是很明顯(PB=470 N)。但是由于其具有弱堿性可以中和油中一些酸性物質(zhì)(H+離子)，在金屬表面聚積而減弱極性物質(zhì)對(duì)金屬的作用，延緩疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展，從而提高疲勞壽命。

3 結(jié)論

(1)T202的摩擦性能最好，其還具有良好的抗磨和極壓性；T321的極壓性能較好；T406在較低載荷時(shí)可以生成吸附性較強(qiáng)的保護(hù)膜，故其抗磨性較好。

(2)添加劑對(duì)接觸疲勞壽命的影響與其摩擦學(xué)性能不是完全相關(guān)的：如T202的摩擦學(xué)性能很好，但是由于其含有酸性基因，對(duì)金屬疲勞壽命有負(fù)效應(yīng)；含有堿性基因的T406則對(duì)金屬疲勞壽命有正效應(yīng)。