潤滑油添加劑的低溫抗磨性能研究

鐘錦聲　孫文斌　王立華

摘要：用高頻往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)考察了二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP）、分散劑和清凈劑對潤滑油50℃下低溫抗磨性能的影響。結(jié)果表明，含仲醇ZDDP油品的低溫抗磨性能比含伯醇ZDDP油品的低溫抗磨性能好；對于不同類型分散劑，含高分子聚異丁烯丁二酰亞胺分散劑的油品低溫抗磨性能好于含其他類型丁二酰亞胺分散劑的油品；對于不同類型清凈劑，含低堿值合成磺酸鈣的油品低溫抗磨性能好于含其他類型金屬清凈劑的油品。

關(guān)鍵詞：低溫抗磨；ZDDP；分散劑；清凈劑

中圖分類號：TE624.82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1002-3119（2015）02-0017-05

0 引言

城市中經(jīng)常發(fā)生堵車，堵車時(shí)車輛處于停停開開狀態(tài)，此時(shí)潤滑油的油溫較低，一些抗磨劑未能充分發(fā)揮作用容易引起發(fā)動(dòng)機(jī)磨損。尤其是低溫冷啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)更容易產(chǎn)生磨損。為了使?jié)櫥湍軐Πl(fā)動(dòng)機(jī)提供更好的保護(hù)，防止發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫工況下產(chǎn)生磨損，汽油機(jī)油從SL/GF-3規(guī)格開始引入程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)，用于評定潤滑油在低溫下對發(fā)動(dòng)機(jī)閥系的保護(hù)能力。程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)是型號為Nissan KA24E的2.4L直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)。程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)長為100h，包括100個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包含2個(gè)階段。程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)條件如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)束后測量凸輪表面的平均磨損深度來評價(jià)潤滑油低溫抗磨性能。為了提高苛刻度，程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪軸采用無磷化、無表面硬化處理材質(zhì)鑄造。

本研究利用高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)來模擬程序ⅣA臺(tái)架的操作條件，進(jìn)而考察油品在低溫條件下的抗磨損性能。高頻往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)（HFRR）摩擦副由上試驗(yàn)件（鋼球）和下試驗(yàn)件（鋼盤）組成，試驗(yàn)時(shí)上試驗(yàn)件（鋼球）在下試驗(yàn)件（鋼盤）的表面上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中下試驗(yàn)件（鋼盤）的材質(zhì)比上試驗(yàn)件（鋼球）軟，同程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)中凸輪挺桿摩擦副的情況較為接近，可以用于模擬程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)中凸輪挺桿摩擦副。HFRR摩擦副結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)儀器

高頻往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)（HFRR）為英國PCS公司生產(chǎn)。其規(guī)格參數(shù)如表2所示。HFRR用于柴油抗磨性能的評定，也可用于潤滑油抗磨性能和摩擦系數(shù)測定。

1.2試驗(yàn)件

上試驗(yàn)件（鋼球）和下試驗(yàn)件（鋼盤）均為標(biāo)準(zhǔn)HFRR試驗(yàn)件，生產(chǎn)廠家均為英國PCS公司。上試驗(yàn)件（鋼球）直徑為6mm，表面粗糙度為Ra<0.05μm，維氏硬度（HV）為650～860；下試驗(yàn)件（鋼盤）的直徑為10mm，厚度為3mm，試驗(yàn)面的表面粗糙度Ra<0.02μm，維氏硬度（HV）為190～210。

1.3試驗(yàn)方法

根據(jù)程序ⅣA操作條件建立HFRR的潤滑油低溫抗磨性能試驗(yàn)方法。試驗(yàn)條件見表3。

通過HFRR測定試驗(yàn)油品的平均油膜厚度和平均摩擦系數(shù)。試驗(yàn)后用石油醚清洗試驗(yàn)件，并用光學(xué)顯微鏡測量上試驗(yàn)件（鋼球）x方向和y方向的磨斑直徑，取上試驗(yàn)件（鋼球）x方向和y方向的磨斑直徑的算術(shù)平均值，可以得出上試驗(yàn)件（鋼球）平均磨斑直徑（單位為：μm）。

1.4試驗(yàn)油品

油樣A、B、C、D為程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)油，油品黏度級別、質(zhì)量級別和程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

調(diào)配不同配方組成油樣E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q用于考察潤滑油添加劑對油品低溫抗磨性能的影響，所調(diào)油品的黏度級別為5W-40。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1HFRR試驗(yàn)結(jié)果同程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)的相關(guān)性

用HFRR考察了幾個(gè)已知程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的油品，將HFRR試驗(yàn)結(jié)果同程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如表5所示。

由表5可知，HFRR試驗(yàn)的平均磨斑直徑同ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)平均凸輪磨損值有一定的對應(yīng)性。程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)平均凸輪磨損值大、低溫抗磨性能差的油品，在HFRR試驗(yàn)中平均磨斑直徑也相對較大。程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)平均凸輪磨損值小、低溫抗磨性能好的油品，在HFRR試驗(yàn)中平均磨斑直徑則相對較小。如油品A的低溫抗磨性能較差，程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)平均凸輪磨損值為117μm，對應(yīng)的HFRR平均磨斑直徑為242μm。油品D的低溫抗磨性能較好，程序ⅣA臺(tái)架平均凸輪磨損值為19μm，對應(yīng)的HFRR平均磨斑直徑為204μm。

2.2ZDDP對油品低溫抗磨性能影響

ZDDP是潤滑油最主要的抗氧抗磨添加劑。在油樣E、F、C中，同定其他功能添加劑的比例和ZDDP總用量，用HFRR考察伯醇ZDDP和仲醇ZDDP不同配比下油品的低溫抗磨性能。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，隨著仲醇ZDDP比例的提高，油品的低溫抗磨性能變好。全添加伯醇ZDDP油品平均磨斑直徑為237μm，全添加仲醇ZDDP油品平均磨斑直徑為189μm。含仲醇ZDDP的油品低溫抗磨性能，優(yōu)于含伯醇ZDDP的油品低溫抗磨性能。

低溫時(shí)ZDDP吸附于發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬表面。隨著表面溫度的不斷升高，在氧氣的作用下，吸附在金屬表面的ZDDP分解為含硫化合物、磷酸鹽等分解產(chǎn)物。ZDDP分解過程如圖2所示。

分解產(chǎn)物吸附在金屬表面上。隨著表面溫度的進(jìn)一步升高，磷酸鹽和含硫化合物發(fā)生反應(yīng)，在金屬表面形成偏磷酸鹽非晶層，偏磷酸鹽非晶層具有抗磨功能。ZDDP分解是ZDDP起抗磨作用的關(guān)鍵一步。伯醇ZDDP和仲醇ZDDP在氧氣下的熱分解溫度如表7所示。

由表7可知，仲醇ZDDP在氧氣下的熱分解溫度比伯醇ZDDP低，在較低的溫度下仲醇ZDDP就能發(fā)生分解，產(chǎn)生抗磨作用，保護(hù)金屬表面。因此仲醇ZDDP比伯醇ZDDP有更好的低溫抗磨性能。

2.3分散劑對油品低溫抗磨性能影響

在油樣H、I、J中，固定其他功能添加劑的比例和分散劑的總量，用HFRR考察單丁二酰亞胺分散劑、高分子丁二酰亞胺分散劑和硼化丁二酰亞胺分散劑對油品低溫抗磨性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8可知，含高分子丁二酰亞胺分散劑的油品低溫抗磨性能最好，磨斑直徑為237μm；含單丁二酰亞胺分散劑的油品低溫抗磨性能次之，磨斑直徑為276μm；含硼化丁二酰亞胺分散劑的油品低溫抗磨性能最差，磨斑直徑為315μm。分散劑與ZDDP存在表面競爭吸附，分散劑極性越強(qiáng)，吸附量越大，相應(yīng)的ZDDP吸附量則會(huì)減少，油品抗磨性能變差。分散劑的極性與分散劑的氮含量有關(guān)，氮含量越高極性越強(qiáng)。三種分散劑的氮含量如表9所示。

由表9可知，單丁二酰亞胺分散劑的氮含量是高分子丁二酰亞胺的2倍。單丁二酰亞胺分散劑極性相對較強(qiáng)，金屬表面的吸附量大，造成ZDDP吸附量減少，油品低溫抗磨性能變差。另外，單丁二酰亞胺分散劑可同ZDDP發(fā)生反應(yīng)生成絡(luò)合物，使油品中有效ZDDP含量降低，使油品低溫抗磨性能變差。硼化丁二酰亞胺分散劑與ZDDP作用生成了某種絡(luò)合物，導(dǎo)致其與ZDDP混合后不能形成有效的表面復(fù)合膜，同樣使油品低溫抗磨性能變差。

2.4清凈劑對油品低溫抗磨性能影響

在油樣K、L、E、M中，固定其他功能添加劑的比例，油品中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高堿值合成磺酸鈣，用HFRR考察高堿值合成磺酸鈣添加量對油品低溫抗磨性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10可知，高堿值合成磺酸鈣添加量越大，油品低溫抗磨性能越差。高堿值合成磺酸鈣含量越高油品的低溫抗磨性能越差，可能是由于高堿值合成磺酸鈣同ZDDP存在表面競爭吸附，造成金屬表面ZDDP分子減少，使油品抗磨性能越差。

在油樣N、O、P、Q中，同定其他功能添加劑的比例，分別往油樣中加入等量的高堿值硫化烷基酚鈣、高堿值合成磺酸鈣、磺酸鎂和低堿值合成磺酸鈣，用HFRR考察不同類型的清凈劑對油品低溫抗磨性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

由表11可知，含低堿值合成磺酸鈣油品低溫抗磨性能最好，平均磨斑直徑為224μm；含高堿值硫化烷基酚鈣油品低溫抗磨性能最差，平均磨斑直徑為276μm；含高堿值合成磺酸鈣和高堿值磺酸鎂的油品低溫抗磨性能相近，平均磨斑直徑分別為251μm和249μm。不同類型清凈劑調(diào)合的油品低溫抗磨性能不同，可能是由于不同類型清凈劑表面競爭吸附能力不同造成的。

3 結(jié)論

在本研究的試驗(yàn)條件下，可以得出以下結(jié)論：

（1）HFRR試驗(yàn)的平均磨斑直徑同程序ⅣA臺(tái)架試驗(yàn)凸輪磨損值有一定的對應(yīng)性。

（2）含仲醇ZDDP的油品低溫抗磨性能比含伯醇ZDDP的油品低溫抗磨性能好。

（3）對于不同類型的分散劑，含高分子丁二酰亞胺分散劑的油品低溫抗磨性能最好，含單丁二酰亞胺分散劑的油品低溫抗磨性能次之，含硼化丁二酰亞胺分散劑的油品低溫抗磨性能最差。

（4）清凈劑含量越高油品低溫抗磨性能越差。對于不同類型的清凈劑，含低堿值合成磺酸鈣油品低溫抗磨性能最好，含高堿值合成磺酸鈣和高堿值磺酸鎂的油品低溫抗磨性能次之，含高堿值硫化烷基酚鈣的油品低溫抗磨性能最差。

建議在汽油機(jī)油配方研發(fā)中，在滿足油品磷含量要求的情況下，盡量增加油品中仲醇ZDDP的含量，盡量選用高分子丁二酰亞胺做分散劑，適當(dāng)降低油品清凈劑用量，盡量選用低堿值合成磺酸鈣作為清凈劑，可以提高油品的低溫抗磨性能。