一種復(fù)合鋰基潤滑脂的機(jī)械性能評價

劉顯秋 李茂森 楊海寧 姚立丹 何懿峰

中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院

全面評價了一種復(fù)合鋰基潤滑脂的機(jī)械性能，包括剪切安定性、低溫轉(zhuǎn)矩、高溫軸承壽命、極壓抗磨性能、承載能力（Timken法）、微動磨損、高頻線性振蕩（SRV）摩擦磨損性能。試驗結(jié)果表明，所評價潤滑脂的機(jī)械性能非常優(yōu)異：105次剪斷錐入度變化率<15%；121 ℃高溫軸承壽命超過1 000 h，-73 ℃下，啟動轉(zhuǎn)矩<0.5（N·m），運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩<0.06（N·m）；最大無卡咬負(fù)荷PB＞1 100 N，燒結(jié)負(fù)荷PD=7 848 N，Timken OK值＞310 N，磨斑直徑≈0.46 mm；具有微小的微動磨損（0.1~0.3 mg）和摩擦系數(shù)（0.094），明顯優(yōu)于市售/進(jìn)口同類產(chǎn)品。

潤滑脂是由稠化劑分散在基礎(chǔ)油中所形成的膠體體系，是介于液體和固體之間的潤滑材料，其性能評價是潤滑脂在研究、生產(chǎn)和使用過程中的重要依據(jù)。截至目前，中國現(xiàn)有潤滑脂分析評價方法標(biāo)準(zhǔn)55個，其中國家標(biāo)準(zhǔn)10個，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)45個[1]。潤滑脂的性能評價可以大致分為3個方面：

◇物理性能，包括外觀、氣味、滴點、稠度、分油率、貯存安定性等；

◇機(jī)械性能，包括剪切安定性、低溫轉(zhuǎn)矩、極壓抗磨性能、微動磨損、軸承壽命等；

◇環(huán)境性能（environmental performance），包括氧化安定性、抗水性、蒸發(fā)率、防腐蝕性、防銹性、材料相容性等。

任何機(jī)械或機(jī)器設(shè)備的工作都是依賴其運(yùn)動部件的相對運(yùn)動來實現(xiàn)的，這些運(yùn)動部件間的相對運(yùn)動在其接觸表面間必然產(chǎn)生摩擦，加注在各種摩擦副相對運(yùn)動表面間的潤滑脂的最主要作用是潤滑，即減少摩擦磨損。因此，潤滑脂機(jī)械性能的優(yōu)劣直接影響到潤滑脂在使用過程中的潤滑效果，是潤滑脂的重要使用性能，是影響潤滑脂使用壽命的重要因素。

本文對一種復(fù)合鋰基潤滑脂的機(jī)械性能做了全面的評價。評價項目既包括實驗室常規(guī)的分析項目[剪切安定性、低溫轉(zhuǎn)矩、極壓抗磨性能、承載能力（Timken法）]，也包括潤滑脂評價較少涉及的項目[微動磨損、高溫軸承壽命、高頻線性振蕩（SRV）試驗機(jī)法]。

試驗部分

試驗用潤滑脂

試驗用潤滑脂是采用低黏度聚α烯烴和酯類油混合作為基礎(chǔ)油，稠化12羥基硬脂酸和癸二酸復(fù)合鋰皂，并添加抗氧劑、極壓抗磨劑和防銹劑等復(fù)合添加劑制備而成。

選取按照相同配方和工藝制備的3個不同批次的試驗樣品作為評價試驗樣。

試驗設(shè)備

◇潤滑脂剪切試驗器，SYP4106-1型，上海博立制造；

◇潤滑脂錐入度計，TSY-6004型，大連特安技術(shù)公司制造；

◇四球試驗機(jī)，MRS-10型，濟(jì)南舜茂公司產(chǎn)品；

◇環(huán)塊磨損試驗機(jī)，MRH-5A型，濟(jì)南舜茂公司產(chǎn)品；

◇潤滑脂低溫轉(zhuǎn)矩測定儀，K18855型，美國Koehler公司制造；

◇微動磨損試驗機(jī)，F(xiàn)1581A型，美國FALEX公司制造；

◇軸承壽命試驗儀，ROF+型，奧地利SKF公司制造。

結(jié)果與討論

剪切安定性

剪切安定性指潤滑脂在受到機(jī)械性剪切力作用下抵抗稠度變化的能力。潤滑脂受到剪切時，皂纖維被切斷，潤滑脂因游離油含量增大而軟化，但剪切停止后，皂纖維可重新連接起來形成網(wǎng)狀骨架，但不能恢復(fù)到原來的程度，即剪切后的潤滑脂稠度變稀，如果變稀嚴(yán)重從潤滑部位流失就會導(dǎo)致摩擦部位很快磨損破壞甚至燒結(jié)[2]。剪切安定性測試，就是將潤滑脂以60次/min的往返速度剪切105次后測定其軟化的程度。所評價潤滑脂的剪切安定性評價結(jié)果見表1。

一般來說，復(fù)合鋰皂對礦物潤滑油的稠化能力優(yōu)于合成油，不同烴基和族組成的礦物油中，對環(huán)烷基潤滑油的稠化能力較強(qiáng)，但是環(huán)烷基油制備的潤滑脂的機(jī)械安定性較差[3]，稠化中間基和聚α烯烴基礎(chǔ)油制備的潤滑脂的機(jī)械安定性良好。

由表1可見，所評價潤滑脂的錐入度為290～300個單位，接近NLGI 1號脂，105次剪切后，錐入度變化率＜15%。

低溫轉(zhuǎn)矩和高溫軸承抗磨性

許多工況的溫度變化幅度大，這就要求使用的潤滑脂具有良好的高低溫使用性能，即潤滑脂同時具有耐高溫性能和低溫性能。而潤滑脂的低溫性能在很大程度上受基礎(chǔ)油的低溫黏度和黏溫性能的影響。所評價潤滑脂采用的2種基礎(chǔ)油，即聚α烯烴和酯類油，其本身都具有優(yōu)良的低溫性能和黏溫性能。

評價潤滑脂高低溫性能的2個關(guān)鍵指標(biāo)是低溫轉(zhuǎn)矩和高溫軸承抗磨性：

◇低溫轉(zhuǎn)矩可以反映潤滑脂在低溫環(huán)境下，能否有效潤滑機(jī)械設(shè)備，使之易于啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)，或者被泵送至潤滑部位（針對集中潤滑系統(tǒng)）。

◇高溫軸承抗磨性試驗可以評價潤滑脂在高溫、高轉(zhuǎn)速、輕負(fù)荷抗磨軸承中的使用壽命。潤滑脂的使用壽命直接影響機(jī)械設(shè)備的維修保養(yǎng)期和補(bǔ)脂周期。常規(guī)通用的分析評價方法是SH/T 0428《高溫下潤滑脂在球軸承中的壽命測定法》。溫度越高，潤滑脂使用壽命越短；軸承運(yùn)轉(zhuǎn)越快，潤滑脂所承受的剪切應(yīng)力越大，潤滑脂結(jié)構(gòu)遭受到的破壞作用也越大，使用壽命相應(yīng)縮短。

所評價潤滑脂的低溫轉(zhuǎn)矩和高溫軸承抗磨性評價結(jié)果見表2。

由表2可見，對于所評價潤滑脂，3個試樣的高溫軸承壽命都超過1 000 h，達(dá)到了高溫軸承抗磨性試驗要求的最大時間。同時，試樣的低溫性能也非常優(yōu)秀，在標(biāo)準(zhǔn)要求的最低溫度-73 ℃下，啟動轉(zhuǎn)矩僅為0.2～0.5（N·m），運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩僅為0.01～0.06 （N·m）。

極壓抗磨性和承載能力（Timken法）

潤滑脂的極壓抗磨性是指潤滑脂在經(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[3]。所評價潤滑脂的極壓抗磨性評價結(jié)果見表3，潤滑脂試驗后鋼球磨斑表面電鏡照片見圖1。

由表3可見，3個潤滑脂試樣的PB值很大，均超過1 100 N，PD值達(dá)到SH/T 0202標(biāo)準(zhǔn)要求的測試極限7 848 N，Timken OK值平均值為327 N，磨斑直徑為0.46～0.47 mm，較小。這說明所評價潤滑脂能夠很好地保證點接觸和線接觸的運(yùn)動部件的潤滑，抵抗重負(fù)荷和沖擊負(fù)荷的壓力和沖力。

由圖1可見，潤滑脂試驗后磨斑表面的磨痕細(xì)小、均勻。

表1 剪切安定性評價結(jié)果

表2 低溫轉(zhuǎn)矩和高溫軸承抗磨性的評價結(jié)果

表3 極壓抗磨性評價結(jié)果

圖1 潤滑脂試驗后鋼球磨斑表面電鏡照片(放大2 000倍)

微動磨損

微動磨損指的是伴隨接觸的兩個固體之間受到外部振動，振幅一般在100 μm以下，由微小的往返滑動引起的表面磨損，如：火車運(yùn)輸汽車時，汽車輪轂軸承滾道面會發(fā)生微動磨損；小型電機(jī)產(chǎn)品運(yùn)輸時鋼球與內(nèi)外圈滾道面的接觸部分會發(fā)生微動磨損。滾動軸承的滾道部分發(fā)生微動磨損，噪聲、振動增大、早期剝離等現(xiàn)象會造成軸承性能下降[3]。除了從軸承的內(nèi)部設(shè)計、材料、熱處理、安裝條件等方面要采取措施，也可以通過注入到軸承的潤滑脂來減少和防止微動磨損[4]。

通常極壓抗磨潤滑脂的微動磨損值 ＞10 mg， ASTM D 4950《汽車用潤滑脂技術(shù)規(guī)范》中，最嚴(yán)格的NLGI GC-LB類汽車通用潤滑脂的技術(shù)指標(biāo)對微動磨損的要求是≤10 mg[5]。

所評價潤滑脂的3個試樣和市售極壓抗磨脂的微動磨損評價結(jié)果見表4。

由表4可見，所評價潤滑脂的微動磨損值在0.1～0.3 mg，非常微小。

SRV試驗機(jī)法

用SRV試驗機(jī)測試了潤滑脂在高頻線性振動下的摩擦系數(shù)。試驗方法采用SH/T 0721《潤滑脂摩擦磨損性能測定法（SRV試驗機(jī)法）》。試驗樣1與1種進(jìn)口對比脂的摩擦系數(shù)隨試驗時間的變化見圖2。

由圖2可以看出，在整個測試過程中，進(jìn)口對比脂的摩擦系數(shù)一直大于試驗樣1的摩擦系數(shù)。計算了它們的摩擦系數(shù)平均值，進(jìn)口對比脂是0.121，試驗樣1是0.094，這說明所評價潤滑脂的性能明顯更優(yōu)。

表4 微動磨損評價結(jié)果

圖2 試驗樣1與1種進(jìn)口同類潤滑脂的摩擦系數(shù)隨試驗時間的變化

結(jié)論

試驗結(jié)果表明，所評價的復(fù)合鋰基潤滑脂是一種機(jī)械性能優(yōu)異的潤滑脂：

☆具有良好的剪切安定性，105次剪切后錐入度變化率＜15%；

☆具有優(yōu)異的高低溫使用性能，121 ℃高溫軸承壽命超過1 000 h，-73 ℃下，啟動轉(zhuǎn)矩＜0.5（N·m），運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩＜0.06（N·m）；

☆極強(qiáng)的極壓抗磨性和Timken承載能力，PB＞1 100 N，PD=7 848 N，Timken OK值＞310 N，磨斑直徑≈0.46 mm；

☆具有微小的微動磨損（0.1～0.3 mg），摩擦系數(shù)僅為0.094。

[1]劉中其，姚立丹，楊海寧.我國潤滑脂標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀及其進(jìn)展[C]//全國第19屆潤滑脂技術(shù)交流會論文集.北京：中國石化出版社，2017：324-325.

[2]謝鳳，劉熔，胡建強(qiáng).潤滑脂的安定性[J].合成潤滑材料，2006，33（3）：33-37.

[3]朱廷彬. 潤滑脂技術(shù)大全[M]. 3版.北京：中國石化出版社，2015： 645-647.

[3]日本摩擦學(xué)會潤滑脂研究會編.潤滑脂基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2017：92.

[4]趙江，王平.潤滑油脂行業(yè)應(yīng)用指導(dǎo)手冊[M].北京：中國石化出版社，2010： 6-10.

[5]劉顯秋，李茂森.汽車輪轂軸承潤滑脂綜述[J].石油商技，2006，24（4）：42-47.