等速萬向節(jié)潤滑脂減摩添加劑

王志剛

(解放軍汽車管理學院，安徽 蚌埠 233011)

由于前輪驅(qū)動汽車具有能耗低和行使穩(wěn)定性好等優(yōu)點，家用轎車幾乎都采用了前輪驅(qū)動方式。前輪驅(qū)動的主要部件——等速萬向節(jié)(Constant Velocity Joint，CVJ)及相應潤滑脂的使用量越來越大。一個CVJ的用脂量大約為90 g，一輛轎車有4個CVJ，用潤滑脂共約360 g[1]。因而提高其潤滑脂的性能，具有非常大的實用意義和市場價值。

CVJ潤滑脂應具有良好的耐高溫、防水、防腐蝕、極壓抗磨以及橡膠相容性等性能，使用壽命要在8×104km以上[2]。國外研究者使用紅外光譜和掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，在測試過的CVJ表面同時存在基礎(chǔ)油、稠化劑、添加劑及其衍生沉積物，并且由于油膜中稠化劑和添加劑的存在，利用基礎(chǔ)油黏度估算出的潤滑油膜厚度與實際測量值有較大的出入[1]。由此可知，除基礎(chǔ)油外，稠化劑和添加劑也極大地影響著潤滑脂的潤滑效果，其中減摩添加劑對潤滑脂的性能影響顯著，現(xiàn)對其進行分析研究。

1 減摩添加劑的分類

1.1 摩擦改進劑

摩擦改進劑的減摩機理為：其中的極性基團對金屬有很強的親和力，可強有力地吸附在金屬表面，形成一種類似于緩沖墊的保護膜，避免金屬間直接接觸，從而減小摩擦和磨損。

常見的摩擦改進劑主要包括一些硫化礦物質(zhì)油、硫化植物油、含氮化合物和鉬化合物，如石墨、MoS2、硫化棉籽油、蓖麻油等。

1.2 極壓抗磨劑

極壓抗磨劑的減摩機理為：在高溫、高速和重載條件下，其可與金屬表面迅速反應生成厚的無機膜，保護金屬表面不發(fā)生粘著和熔焊。極壓抗磨劑主要有含硫化合物、含磷化合物、有機金屬化合物、硼酸鹽等。含硫化合物，特別是硫化異丁烯的硫含量很高，可達40%～48%，多半是硫-硫鍵結(jié)合，極壓性能很好。不少含磷化合物同時含有硫、磷元素，極壓性能和抗磨性能均良好。硼酸鹽類添加劑是性能優(yōu)異的極壓抗磨劑，有極高的油膜強度和良好的熱穩(wěn)定性。硫-磷型極壓抗磨劑的使用溫度界限為130℃；而硼酸鹽在此溫度下依然是安定的，即便在250 ℃仍能使用[3]。

2 幾種減摩添加劑的性能及對比

2.1 二硫化鉬

二硫化鉬(MoS2)屬于摩擦改進劑。實踐表明添加MoS2能提高脂的承載能力，減少磨損，延長軸承的使用壽命。MoS2的粒度對抗磨效果有影響，在軸承低速運轉(zhuǎn)時，添加大顆粒的MoS2，脂的使用壽命較長；而軸承高速運轉(zhuǎn)時，添加小顆粒MoS2，脂的承載能力較高[4]。因此，適當數(shù)量和粒度的MoS2還可以提高脂的極壓抗磨性能。原因可能是小顆粒易于形成完整的連續(xù)膜；而大顆粒則易于粘著和防止磨損。在CVJ潤滑脂添加劑中MoS2大多和其他減摩添加劑配合使用，以便達到更佳的減摩效果，并改善潤滑脂性能。但隨著新型高效有機鉬添加劑的研發(fā)，MoS2的使用量呈不斷下降趨勢。

2.2 二硫代磷酸鉬

二硫代磷酸鉬是深藍綠色黏稠液體，有令人不快的氣味，也是摩擦改進劑的一種。實際使用中，低濃度的二硫代磷酸鉬用于提高固定球節(jié)的機械效率；而較高濃度的二硫代磷酸鉬用于減小滑動型萬向節(jié)的軸向力。潤滑脂所用的二硫代磷酸鉬的添加量(質(zhì)量分數(shù))一般為2%～5%，與二硫代磷酸鋅一起使用時摩擦系數(shù)為0.03～0.06，減摩效果非常好[5]。

為了對比減摩添加劑的減摩效果，本研究采用某轎車等速萬向節(jié)用潤滑脂作為試驗用標準脂，參數(shù)見表1。試驗用標準脂摩擦改進劑是添加量為3%的MoS2，當添加劑改為添加量3%二烷基二硫代磷酸鉬(MoDTP)時進行性能對比試驗。

表1 某轎車用CVJ復合鋰基脂性能參數(shù)

在運動型多功能車(SUV)高速(3 000 r/min)大角度驅(qū)動軸的三軸銷式等速萬向節(jié)(圖1)上，進行標準脂和摩擦改進劑為二烷基二硫代磷酸鉬(MoDTP)脂的對比試驗。試驗對比了等速萬向節(jié)的受力和溫升情況。由圖2和圖3可知：減摩添加劑由MoS2改為MoDTP后，等速萬向節(jié)的軸向力和溫升都相應減小。

1—滾道；2—三銷主軸；3—防塵罩；4—球面滾子；5—樞軸；6—滾針軸承；7—外筒圖1 三軸銷式萬向節(jié)剖面示意圖

圖2 三銷式CVJ軸向力比較

圖3 三銷式CVJ溫升的比較

2.3 硼酸鹽

硼酸鹽(Borate)是一種具有優(yōu)異穩(wěn)定性和載荷性的極壓抗磨劑。常用的硼酸鹽有偏硼酸鈉、偏硼酸鉀、三硼酸鉀等，通常用乳化脫水法和化學反應法制取這種膠體溶液。硼酸鹽廣泛應用于潤滑脂、發(fā)動機油、金屬成形潤滑劑等潤滑材料，一般添加量(質(zhì)量分數(shù))在2%～5%。硼酸鹽的極壓抗磨性能好，有很高的油膜強度，尤其能承受沖擊載荷，這非常適合汽車等速萬向節(jié)的工況。由于硼酸鹽是“惰性”極壓抗磨劑，熱穩(wěn)定性好，使用中消耗較少，因而使用壽命較長[6]。另外，硼酸鹽不腐蝕銅，無毒無味，對橡膠密封件的適應性好。但硼酸鹽微溶于水，因此其用于汽車等速萬向節(jié)時，需要良好的密封性。

硼酸鉀和MoS2在復合鋁基脂和復合鋰基脂中的應用效果見表2?？梢钥闯觯瑑烧邚团涫褂煤蟮臏p摩效果和極壓抗磨性能均得以提高，尤其在復合鋰基脂中的極壓抗磨性能更好。

表2 硼酸鉀和MoS2復配在復合鋁基脂與復合鋰基脂中的應用效果

2.4 不含硫磷的有機鉬化合物

有機鉬化合物在保持原有形態(tài)時，潤滑效果并不明顯；只有在摩擦熱的作用下，該添加劑分解并轉(zhuǎn)化為潤滑性物質(zhì)，才有明顯的潤滑效果。當其與有機鋅化合物一起使用時，由于鋅在其分解時的催化作用，會使減摩效果更好。

為了減少尾氣對催化劑的危害，發(fā)動機潤滑油已禁止使用高硫磷含量的添加劑，從而推動了不含硫磷有機鉬減摩劑的發(fā)展。不含硫磷的酰胺/胺有機鉬化合物添加劑Mo(Am)也是多功能添加劑，目前主要用作摩擦改進劑，其具有傳統(tǒng)減摩劑的所有優(yōu)點(摩擦系數(shù)小、磨損率低且使用壽命長)，其減摩性與二硫代磷酸鉬和二硫代氨基甲酸鉬相當，但腐蝕性要小得多。研究表明，由于此類添加劑不含硫磷，其與典型橡膠保護罩材料的相容性比二硫代磷酸鉬和二硫代氨基甲酸鉬好。在Falex摩擦與磨損試驗機上，按ASTM D 5706-95試驗方法，以2號聚脲脂為標準脂，分別加入二烷基二硫代磷酸鉬(MoDTP)、二烷基二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)和不含硫磷的酰胺/胺有機鉬化合物Mo(Am)減摩添加劑進行對比試驗，結(jié)果如圖4所示。圖4表明，加有酰胺/胺有機鉬復合物添加劑的潤滑脂摩擦系數(shù)最低，而且這種添加劑的生產(chǎn)與使用對環(huán)境的不利影響也明顯減小[8]。

圖4 幾種添加劑摩擦系數(shù)比較

3 結(jié)束語

(1)含鉬添加劑包括二硫化鉬、二硫代磷酸鉬和二硫代氨基甲酸鉬等，減摩性能優(yōu)異，尤其是二硫代磷酸鉬和二硫代氨基甲酸鉬減摩效果更理想，已經(jīng)成為等速萬向節(jié)潤滑脂的主要添加劑，通過不斷地研究和改進，其各項性能還會進一步提高。

(2)硼酸鹽的優(yōu)異極壓抗磨性能使其在CVJ的應用前景非?？春谩２缓蛄椎孽０?胺有機鉬復合物添加劑具有傳統(tǒng)減摩劑的所有優(yōu)點，并與橡膠的相容性好，特別是脂中沒有危害環(huán)境的物質(zhì)。通過不斷改進，其將成為性能優(yōu)異的新一代等速萬向節(jié)潤滑脂添加劑。