熱老化對(duì)一種鋰基潤滑脂性能的影響

張洪濱 劉志穎 高艷青 吳寶杰

（中國石化潤滑油有限公司天津分公司天津300480）

熱老化對(duì)一種鋰基潤滑脂性能的影響

張洪濱 劉志穎 高艷青 吳寶杰

（中國石化潤滑油有限公司天津分公司天津300480）

利用常壓制脂釜制備了一種鋰基潤滑脂，并測定了所制備潤滑脂的性能。同時(shí)在不同溫度及時(shí)間條件下對(duì)潤滑脂進(jìn)行熱老化處理，考察熱老化后潤滑脂的性能。結(jié)果表明所制備的鋰基潤滑脂性能較為穩(wěn)定，熱老化對(duì)該潤滑脂性能的影響較小，潤滑脂在熱老化過程中能夠較好的保持自身性能。熱老化可以作為一種快速評(píng)價(jià)潤滑脂性能的有效方法，從而為潤滑脂的合理選用提供參考。

熱老化 潤滑脂 熱穩(wěn)定性

潤滑脂作為一種重要的潤滑材料,由于其特殊性質(zhì)和用途,在生產(chǎn)和生活中具有廣泛的應(yīng)用[1]。潤滑脂是稠化劑分散于基礎(chǔ)油中形成的多相分散體系,可以根據(jù)實(shí)際工況要求添加功能添加劑,賦予其特殊特性。潤滑脂的性能由稠化劑、基礎(chǔ)油、添加劑的制造工藝所決定[2]。潤滑脂主要用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的摩擦部位,在摩擦副表面形成具有承載能力的油膜,避免摩擦副直接接觸,從而減小摩擦,降低磨損,對(duì)相互運(yùn)動(dòng)的接觸表面起到潤滑與防護(hù)作用。目前,利用脂進(jìn)行潤滑依然是降低摩擦、減小磨損最簡單卻行之有效的潤滑方式,大約有20%的滑動(dòng)軸承和80%的滾動(dòng)軸承的潤滑介質(zhì)為潤滑脂[3]。機(jī)械設(shè)備失效主要是由于摩擦導(dǎo)致的磨損引起的,良好的潤滑,可以有效降低摩擦,減少磨損,有利于延長設(shè)備壽命,同時(shí)還可以節(jié)省能源。潤滑脂的性能對(duì)機(jī)械設(shè)備,尤其是軸承的壽命及可靠性具有重要的影響。由于鋰基潤滑脂的通用性及多功能性,無論在產(chǎn)量還是用量方面,鋰基潤滑脂依然占有重要地位。潤滑脂的選擇依據(jù)設(shè)備類型、使用工況、工作環(huán)境等條件而異。隨著機(jī)械工業(yè)的飛速發(fā)展,機(jī)械設(shè)備越來越精細(xì)化和多樣化,對(duì)潤滑脂也提出了越來越多的要求。通用化、精細(xì)化、專業(yè)化代表著潤滑脂的不同發(fā)展途徑,要保證潤滑脂的通用化、精細(xì)化、專業(yè)化,潤滑脂必須具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能。潤滑脂具有一定的使用壽命,隨著使用周期的延長,潤滑脂逐漸老化,潤滑脂的性能會(huì)逐漸降低,最終失去潤滑與防護(hù)功能。在影響潤滑脂老化的諸多因素中,尤其以溫度對(duì)潤滑脂性能的影響最大。熱老化對(duì)潤滑脂的膠體性能、流變性能、紅外光譜和酸值的影響有學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究[4,5],而對(duì)熱老化之后潤滑脂的綜合性能則缺少相應(yīng)的研究。本文考察熱老化對(duì)潤滑脂性能的影響,從而為合理選用潤滑脂提供依據(jù)。

一、試驗(yàn)部分

（一）儀器和試驗(yàn)材料

試驗(yàn)儀器：

5L反應(yīng)釜、剪切試驗(yàn)機(jī)、四球試驗(yàn)機(jī)、烘箱、相似粘度測定儀、壓力差示掃描量熱儀（PDSC）、熱重分析測試儀（TGA）

試驗(yàn)材料：

氫氧化鋰、十二羥基硬脂酸、抗氧劑、功能添加劑、基礎(chǔ)油

（二）潤滑脂的制備

向5L的反應(yīng)釜中依次加入基礎(chǔ)油和脂肪酸,然后升溫,脂肪酸全部融化之后按摩爾比加入氫氧化鋰水溶液,于80～130oC進(jìn)行皂化反應(yīng)。皂化反應(yīng)結(jié)束之后升溫排水,排水完畢繼續(xù)升溫至最高煉制溫度210～220oC,然后加入急冷油進(jìn)行冷卻,降溫至160oC以下加入抗氧劑,然后繼續(xù)降溫至80oC以下加入其他功能添加劑,三輥機(jī)軋油。

（三）潤滑脂的熱老化處理

潤滑脂分別置于94oC、100oC、110oC、120oC的溫度條件下進(jìn)行為期31.83天、20天、10天、5天的熱老化處理。

二、結(jié)果與討論

（一）熱老化對(duì)潤滑脂塑性的影響

表1 熱老化對(duì)潤滑脂工作錐入度的影響

潤滑脂是具有塑性的非牛頓流體,稠度和相似粘度是其兩個(gè)重要的塑性特征。稠度表示潤滑脂在力的作用下,阻止變形的程度,主要用工作錐入度進(jìn)行表示。表1為在不同條件下熱老化前后樣品的工作錐入度,從表1中可以看出,不同熱老化條件下樣品的錐入度與原始樣品的工作錐入度相比,變化較小。這表明,所制備的潤滑脂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好,有限的熱老化不能夠破壞其纖維結(jié)構(gòu)。潤滑脂是非牛頓流體,其相似粘度隨溫度和剪切率的變化而變化。表2為熱老化前后潤滑脂的相似粘度,從表中可以看出不同熱老化條件之后潤滑脂的相似粘度都有所下降,31.83d、94oC的溫度條件老化處理之后下降得較多,其他溫度條件下相似粘度數(shù)值相差不大。熱老化之后,潤滑脂的相似粘度變小,塑性特征下降,流動(dòng)性加強(qiáng),這是由于熱老化之后潤滑脂在低溫條件下潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)單元之間的相互阻力變小,潤滑脂的低溫流動(dòng)性發(fā)生了改善。潤滑脂具有較好的低溫性能,熱老化不會(huì)使?jié)櫥牡蜏匦阅茏儾睢?/p>

表2 熱老化對(duì)潤滑脂相似粘度的影響

（二）熱老化對(duì)潤滑脂高溫性能的影響

表3 熱老化對(duì)潤滑脂氧化誘導(dǎo)期（OIT）的影響

潤滑脂在使用過程受到熱、輻射、光照的影響,會(huì)發(fā)生不同程度的氧化,氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)會(huì)使?jié)櫥l(fā)生變質(zhì),從而影響潤滑脂的性能。潤滑脂在氧化過程潤滑脂的主要成分為基礎(chǔ)油,滲油、蒸發(fā)和氧化會(huì)引起潤滑脂中基礎(chǔ)油的損失,當(dāng)潤滑脂中含油量損失超過50%時(shí),潤滑脂將失去作用,不能對(duì)軸承起到潤滑保護(hù)作用。通常情況下,溫度每升高10oC,氧化反應(yīng)的速率將大約增加1倍。氧化誘導(dǎo)期是表征潤滑脂氧化安定性的有力手段,壓力差示掃描氧化誘導(dǎo)期能夠快速評(píng)價(jià)潤滑脂的抗氧化性能,可以為產(chǎn)品的研發(fā)、質(zhì)量控制提供依據(jù)和參考。從表3可以看出,在35MPa, 210oC的條件下,熱老化之后樣品的氧化誘導(dǎo)期稍微有所降低,氧化誘導(dǎo)期下降的程度受老化溫度和老化時(shí)間的綜合影響。在潤滑脂的氧化過程中,發(fā)生氧化的物質(zhì)主要是基礎(chǔ)油和稠化劑。潤滑脂中的基礎(chǔ)油主要以游離油、膨化油和吸附油的形式存在,潤滑脂的氧化過程主要是潤滑脂中各種形式的基礎(chǔ)油發(fā)生自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),同時(shí)可能伴隨著稠化劑的氧化。在氧化過程中產(chǎn)生自由基和氫過氧化物,抗氧劑通過清除自由基或分解氫過氧化物從而達(dá)到抗氧化的目的。隨著熱老化的進(jìn)行,為了阻止?jié)櫥趸?抗氧劑被不斷消耗,潤滑脂的氧化誘導(dǎo)期也逐變短。

表4 熱老化對(duì)潤滑脂TGA的影響

熱重分析（TGA）是表征熱處理過程中物質(zhì)的質(zhì)量損失,潤滑脂在熱處理過程中的質(zhì)量損失主要是其結(jié)構(gòu)中的揮發(fā)性成分的失去。皂基潤滑脂具有纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),稠化劑和基礎(chǔ)油通過不同形式的分子間作用力緊密結(jié)合在一起。在180oC,1h熱處理過程,分子熱運(yùn)動(dòng)的程度不足以使大部分基礎(chǔ)油脫離稠化劑纖維的束縛。潤滑脂的皂纖維結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,不易受到破壞,質(zhì)量損失主要是其結(jié)構(gòu)中的游離油、吸附油,以及其他揮發(fā)性成分。由于潤滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,所以在考察的溫度范圍內(nèi)潤滑脂的熱重?fù)p失沒有特別明顯的差別。

表5 熱老化對(duì)潤滑脂滴點(diǎn)的影響

滴點(diǎn)是表征潤滑脂熱穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù),在使用過程中如果潤滑脂的滴點(diǎn)降低較多,那么潤滑脂的膠體結(jié)構(gòu)可能受到破壞,潤滑脂的性能將會(huì)下降。表5為熱老化對(duì)潤滑脂滴點(diǎn)的影響,熱老化前后潤滑脂的滴點(diǎn)變化很小。這表明在一定時(shí)期內(nèi),潤滑脂處于120oC溫度范圍之內(nèi),潤滑脂的皂纖維結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定,膠體結(jié)構(gòu)不會(huì)受到溫度的明顯破壞,潤滑脂能夠保持較好的熱穩(wěn)定性。

（三）熱老化對(duì)潤滑脂極壓抗磨性能的影響

表6 熱老化對(duì)潤滑脂PB值的影響

表7 熱老化對(duì)潤滑脂磨斑直徑的影響

潤滑脂的極壓抗磨性是潤滑脂在經(jīng)受重負(fù)荷和沖擊負(fù)荷的工作條件下抵抗結(jié)構(gòu)破壞并保持設(shè)備潤滑的能力,潤滑脂的極壓抗磨性良好是保證重負(fù)荷和沖擊負(fù)荷機(jī)械設(shè)備能正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作的重要條件[6]。表6、表7分別為熱老化前后樣品的PB值和磨斑直徑。在相對(duì)較低的溫度條件下老化時(shí),如94oC、100oC,潤滑脂的極壓抗磨性能沒有發(fā)生改變,磨斑直徑和最大無卡咬負(fù)荷都沒有發(fā)生變化。而隨著溫度升高,在較高的溫度條件下,即使熱老化的時(shí)間較短,潤滑脂的極壓抗磨性能也降低,磨斑直徑增大,最大無卡咬負(fù)荷降低。這表明,配方中極壓抗磨劑對(duì)溫度較為敏感,溫度升高,極壓抗磨性能受到影響,對(duì)金屬表面的保護(hù)能力降低,溫度越高, PB值降低得越多。這是由于在較高溫度條件下,極壓抗磨劑的活性降低,極壓抗磨劑發(fā)生變質(zhì)或者與潤滑脂中的其他組分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),性能下降。在較高溫度,摩擦副表面承受較大負(fù)荷時(shí),極壓抗磨劑與金屬表面發(fā)生物理化學(xué)表面反應(yīng)的能力下降,有效保護(hù)摩擦表面的能力降低,金屬表面的摩擦系數(shù)增大,磨斑直徑增大[7]。

三、結(jié)論

所制備的鋰基潤滑脂具有較好的熱穩(wěn)定,熱老化之后潤滑脂的錐入度、滴點(diǎn)幾乎沒有發(fā)生變化,潤滑脂的極壓抗磨性隨熱老化的溫度升高逐漸變差,抗氧劑能夠起到較好的抗氧化作用,熱老化過程中抗氧劑逐漸消耗,氧化誘導(dǎo)期稍微有所下降,熱老化之后樣品的相似粘度降低,低溫性能有所改善。所制備的潤滑脂具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,在120oC溫度范圍之內(nèi),潤滑脂體系發(fā)生的變化較小,潤滑脂的性質(zhì)發(fā)生明顯的變化,潤滑脂的效能沒有明顯地降低。在一定的工況條件下,潤滑脂能夠滿足高低溫性和長壽命性。熱老化可以作為一種評(píng)價(jià)潤滑脂性能變化的有效方法,從而為潤滑脂的合理使用提供有力參考。

[1]葉小娟、趙鎖奇，劉慶廉等.基礎(chǔ)油組成對(duì)潤滑脂抗磨性能的影響[J].潤滑與密封，2007，32（9）：122-124.

[2]何懿峰，孫洪偉，段慶華.潤滑脂合成機(jī)理探索[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），2009，25（9）：98-102.

[3]米紅英，郭小川，楊廷棟.滾動(dòng)軸承潤滑脂的噪聲特性及低噪聲脂的合成[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（9）：233-238.

[4]胡明華，劉艷升，沈鐵軍等.靜態(tài)熱老化對(duì)鋰-鈣基潤滑脂膠體性能的影響[J].潤滑與密封，2008，33（10）：55-57，60.

[5]沈鐵軍，胡明華，劉瑞剛等.靜態(tài)熱老化對(duì)鋰-鈣基潤滑脂微觀結(jié)構(gòu)和流變性能的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（6）：581-586.

[6]朱廷彬.潤滑脂技術(shù)大全[M].北京：中國石化出版社，2005：262.

[7]沈鐵軍，盧春喜，單影.極壓抗磨劑對(duì)鋰基潤滑脂抗磨減磨性能的影響[J].石油學(xué)報(bào)，2009，25（增刊）：15-21.

TE626.4

A

1009-8534（2014）04-0081-03

2014-05-04

張洪濱（1984-）,男,河南登封人,中國石油化工股份有限公司潤滑油天津分公司工程師,碩士研究生。研究方向：潤滑脂研發(fā)。