堿性復(fù)合磺酸鈣基脂的摩擦學(xué)性能及機(jī)理

聞?wù)裰?，夏延秋，，劉志?/p>

（1．華北電力大學(xué)（北京） 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206；2．中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州730000）

高堿值復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂是一種新型的高性能潤(rùn)滑脂。由于其在高溫性、膠體安定性、機(jī)械安定性、抗水性、防銹性和極壓抗磨性方面的優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山和航運(yùn)等行業(yè)［1］。該脂還由于不包含重金屬和對(duì)環(huán)境有害的添加劑，被稱為環(huán)保型潤(rùn)滑脂［2］。它的這些優(yōu)良性能和廣泛的使用范圍，決定了其必將是未來潤(rùn)滑脂重點(diǎn)應(yīng)用的產(chǎn)品之一。目前國(guó)內(nèi)外的研究認(rèn)為，復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)是球形的方解石碳酸鈣包裹著磺酸鈣和12－羥基脂的外殼［3－4］，而球形結(jié)構(gòu)可提高摩擦副的接觸面積，同時(shí)形成類似滾動(dòng)和滑動(dòng)相結(jié)合的摩擦形式，從而大大提高了抗磨減摩性能［5］。對(duì)復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)機(jī)理目前尚無統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，而且也無人用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)其進(jìn)行分析和討論。XPS可以用來分析摩擦表面的元素和化合物變化，推測(cè)摩擦過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，從而揭示摩擦學(xué)機(jī)理［6－7］。筆者制備了復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂，評(píng)價(jià)了其在100℃和25℃下的摩擦學(xué)性能，并通過XPS對(duì)其摩擦學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析討論。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的實(shí)驗(yàn)制備與基本性能測(cè)試

將一定量的礦物基礎(chǔ)油加入燒杯中，然后加入石油磺酸鈣，置于油浴鍋中加熱，并用電動(dòng)攪拌棒攪拌。當(dāng)溫度升至70℃時(shí)恒溫，加入適量乙酸。待其充分反應(yīng)后，依次加入氫氧化鈣、硼酸、12－羥基硬脂酸，升溫進(jìn)行皂化處理。待反應(yīng)完成并自然冷卻至常溫后，使用三輥研磨機(jī)研磨成脂。

分別按照 GB／T 269、GB／T3498、SH／T 0324、GB／T 7326和 SH／T 0109標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定和評(píng)價(jià)所制得的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的錐入度、滴點(diǎn)、分油、腐蝕以及抗水淋性能。

1．2 SRV摩擦試驗(yàn)和磨損量測(cè)定

采用德國(guó)Optimol公司SRV－Ⅰ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定脂樣的摩擦磨損性能。測(cè)試溫度分別為25℃和100℃，往復(fù)頻率25Hz，試驗(yàn)時(shí)間30min，載荷分別為200、300、400和500N。試驗(yàn)選用硬度為710HV的AISI 52100鋼球，直徑10mm；選用硬度為862HV的AISI 52100鋼盤作底盤，直徑24mm。

采用 Micro XAM 型（Yamato Company）3D 輪廓掃描儀對(duì)磨斑進(jìn)行觀察并測(cè)定試盤的磨損體積。

1．3 XPS表面分析

在試驗(yàn)前后對(duì)試件進(jìn)行清洗，采用Thermo Scientific Company K－ALPHA 型 X 射線光電子能譜儀，選用Al－Ka線、通過能量29．35eV，以C1s結(jié)合能284．60eV作為內(nèi)標(biāo)，對(duì)載荷500N時(shí)25℃和100℃下鋼盤磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2．1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的基本性能

所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣潤(rùn)滑脂的基本性能列于表1。從表1可以看出，所制潤(rùn)滑脂的基本性能達(dá)到或超過了市售復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂水平。

表1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的基本性能Table 1 The basic performances of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease

2．2 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的摩擦磨損性能

圖1為所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同溫度下不同載荷對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)。從圖1可以看出，同樣載荷時(shí)，該潤(rùn)滑脂高溫下的瞬時(shí)摩擦系數(shù)較之室溫的普遍偏低；100℃時(shí)試驗(yàn)初始階段的摩擦系數(shù)（圖1（b））與25℃時(shí)的（圖1（a））基本相同，但5min以后開始下降并趨于穩(wěn)定，而且在整個(gè)試驗(yàn)階段，摩擦系數(shù)變化較為平穩(wěn)，說明高溫下該堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能更加優(yōu)異。其次，同一溫度下，載荷變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響不大，說明該潤(rùn)滑脂具有很好的高載荷性能。高溫下摩擦表面形成的摩擦反應(yīng)膜優(yōu)于室溫條件下形成的摩擦反應(yīng)膜，高溫下更容易形成低剪切的摩擦反應(yīng)膜。

圖2示出了25℃和100℃時(shí)所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同載荷下摩擦系數(shù)的變化。從圖2可知，當(dāng)載荷變化時(shí)，該潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)變化不明顯，但相同載荷下高溫時(shí)的摩擦系數(shù)要比室溫時(shí)的小，說明復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在高溫下有較好的減摩性能。

圖3示出了所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同載荷下摩擦磨損試驗(yàn)后鋼盤磨損體積的變化。由圖3可見，隨著載荷增加，鋼盤磨損體積增大；而在相同載荷下，高溫時(shí)鋼盤的磨損體積更大些。

圖1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同溫度下不同載荷所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)Fig．1 Friction coefficient of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease under different loads and different temperatures

圖2 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同載荷下的摩擦系數(shù)Fig．2 Friction coefficient of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease vs load

圖3 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在不同載荷下試驗(yàn)后鋼盤磨損體積的變化Fig．3 Worn volume of steel disc after test of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease vs testing load

圖4為摩擦磨損試驗(yàn)后鋼盤磨斑的3D照片。由圖4可以直觀地看出不同載荷和溫度下磨斑的形狀和深度。初步分析可知，高溫、高載荷條件下，快速的摩擦化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡是形成摩擦保護(hù)的原因，保證了在高溫下有更好的減摩抗磨效果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此推測(cè)，用XPS對(duì)鋼盤磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。

2．3 鋼球磨斑表面的元素分析結(jié)果（XPS）

圖4 不同載荷和溫度下摩擦磨損試驗(yàn)后磨盤磨斑的3D照片F(xiàn)ig．4 3DPhotos of worn surfaces of steel disc after test under different loads and temperatures

圖6 復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑摩擦副的示意圖Fig．6 The schematic of the steel－steel contact lubricating by calcium sulfonate grease

圖6為復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑摩擦副的示意圖。筆者認(rèn)為復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的抗磨減摩機(jī)理是，碳酸鈣顆粒是主要的減磨介質(zhì)，同時(shí)通過一系列的化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面生成有減摩抗磨作用的覆蓋膜。

3 結(jié) 論

（1）堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂在高溫下具有更好的減摩效果，但是其抗磨效果較之室溫卻略有下降。

（2）在堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下，高溫時(shí)摩擦表面生成了硼酸鈣和硫化亞鐵。兩者共同作用，在摩擦表面生成覆蓋膜，從而使?jié)櫥诟邷叵戮哂懈玫臏p摩和抗磨性能。

（3）堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂以碳酸鈣顆粒為主要減磨介質(zhì)，同時(shí)通過一系列的化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面生成有減摩抗磨作用的覆蓋膜，從而起到抗磨減摩的作用。

圖5 鋼盤磨斑表面典型元素的XPS譜Fig．5 XPS spectra of some typical elements of the worn surface of steel disc tested under different temperatures

［1］歐瑛．高性能復(fù)合磺酸鈣潤(rùn)滑脂［J］．合成潤(rùn)滑材料，2006，33（2）：34－37．（OU Ying．High performance complex calcium sulfonate grease ［J］． Synthetic Lubricants，2006，33（2）：34－37．）

［2］劉顯秋．高堿性復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂［J］．合成潤(rùn)滑材料，2004，31（1）：24－26．（LIU Xianqiu．Overbased calcium sulfonate complex grease ［J］． Synthetic Lubricants，2004，31（1）：24－26．）

［3］張林雅．磺酸鈣基脂晶型轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理探討［J］．潤(rùn)滑與 密 封，2006， （1）：111－113．（ZHANG Linya．Discussing the reaction mechanism of calcium sulfonate grease’s crystal transform［J］．Lubrication Engineering，2006，（1）：111－113．）

［4］KOBYLYANSKII E V， KRAVCHUK G G，MAKEDONSKII O A，et al．Structure of ultrabasic sulfonate greases［J］．Chemistry and Technology of Fuels and Oils，2002，38（2）：110－114．

［5］崔健，陳國(guó)需，李華峰．空心微珠作為潤(rùn)滑添加劑對(duì)鋰基脂性能的影響［J］．石油學(xué)報(bào)（石油加工），2011，27（2）：286－290．（CUI Jian，CHEN Guoxu，LI Huafeng．Effect of cenosphere as lubricious additives on performance of lithium grease［J］．Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2011，27（2）：286－290．）

［6］方建華，陳波水，董凌，等．含硫、硼的改性菜籽油潤(rùn)滑添加劑的制備及摩擦學(xué)性能［J］．石油學(xué)報(bào)（石油加工），2004，20（4）：93－96．（FANG Jianhua，CHEN Boshui，DONG Ling，et al．Synthesis and tribological behaviors of sulfur－boron incorporated modified rapeseed oil lube additives［J］．Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2004，20（4）：93－96．）

［7］郭小川，蔣明俊，何灼成，等．潤(rùn)滑脂摩擦磨損自修復(fù)特性［J］．石油學(xué)報(bào)（石油加工），2010，26（4）：564－570．（GUO Xiaochuan， JIANG Mingjun， HE Zhuocheng，et al．Self－repairing function of lubricating grease［J］．Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2010，26（4）：564－570．）

［8］史永剛，董浚修，馮新瀘．硼酸鈣金屬清凈劑的研究［J］． 潤(rùn) 滑 與 密 封，1998， （6）：33－35．（SHI Yonggang，DONG Junxiu，F(xiàn)ENG Xinlu．Research on calcium borate detergents［J］．Lubrication Engineering，1998，（6）：33－35．）

［9］王海斗，徐濱士，劉家浚，等．硫化亞鐵固體潤(rùn)滑層的減摩機(jī)理模型［J］．金屬熱處理，2005，30（1）：61－64．（WANG Haidou，XU Binshi，LIU Jiajun，et al．Model on anti－friction mechanism of solid lubrication FeS layer［J］．Heat Treatment of Metals．2005，30（1）：61－64．）