齒輪油中銅元素來源分析

朱雅男，王茁，閆瑾，許揚，李凱

(中國第一汽車集團有限公司，吉林 長春 130011)

0 引言

發(fā)動機、變速器、驅動橋等總成在臺架試驗和道路試驗過程中，根據(jù)臺架試驗方法及道路試驗大綱等規(guī)定，對使用的潤滑油進行理化性能分析，判定潤滑油的變質程度，可以從側面了解各總成的工作狀態(tài)是否存在異?，F(xiàn)象，為總成工作狀態(tài)監(jiān)控和故障預測提供有力的判據(jù)，同時杜絕變質潤滑油對總成造成的潛在危害。

銅元素作為驅動橋主要磨損元素之一，定期分析試驗油中銅元素是監(jiān)控試驗油的抗磨損性能和在行駛過程中零部件的磨損情況，銅元素含量主要來源為齒輪傳動系統(tǒng)的齒輪摩擦副和軸承等主要磨損件。通過道路試驗發(fā)現(xiàn)齒輪油中銅元素含量嚴重超標，應查找齒輪油中銅元素的主要來源，并分析產(chǎn)生的原因。

1 實驗背景

為防止驅動橋運轉過程中關鍵零部件直接接觸而導致表面磨損，在相對運動的零部件之間往往依據(jù)滑動軸承原理設計墊片或襯套。如差速器齒輪與差速器殼之間設計有差速器齒輪墊片、主動圓柱齒輪與主動圓柱齒輪軸之間設計有主動圓柱齒輪襯套、后錐齒輪與主動圓柱齒輪軸之間設計有后錐齒輪襯套。墊片或襯套一方面具有減摩作用，另一方面可調整齒輪接觸區(qū)。

墊片或襯套的材質多使用鋼，因為鋼的硬度等物理特性，導致鋼墊片會對驅動橋關鍵零部件造成較嚴重的磨損，進而導致差速器齒輪接觸區(qū)嚙合印跡不符合產(chǎn)品設計要求，并具有油溫過高的風險。圖1所示為軸間差速器行星齒輪鋼墊片對差速器殼的嚴重磨損。

圖1 軸間差速器行星齒輪鋼材質墊片對差速器殼的嚴重磨損

某型商用車上的驅動橋差速器齒輪墊片及部分襯套的材質由鋼改為銅合金鍍層材料，在保證差速器齒輪墊片及襯套作用不變的前提下，降低差速器齒輪墊片及襯套對驅動橋差速器殼及主動圓柱齒輪軸等重要部件的磨損。使用銅合金鍍層零部件的驅動橋進行齒輪疲勞臺架試驗，試驗結束后對驅動橋進行拆解，考察銅合金鍍層襯套的磨損情況。臺架試驗當量5萬公里、9萬公里和10萬公里后錐齒輪襯套的磨損情況見圖2。由圖2可知，當量5萬公里的后錐齒輪襯套表面銅鍍層基本全部覆蓋襯套內表面，當量9萬公里、10萬公里的后錐齒輪襯套表面的銅鍍層部分覆蓋襯套內表面，且銅鍍層分布基本一致(由于光線等因素造成些許色差)，疲勞壽命結果符合產(chǎn)品設計要求。

5萬公里 9萬公里 10萬公里

使用銅合金鍍層零部件的驅動橋進行道路試驗，對試驗油性能進行檢驗分析，發(fā)現(xiàn)試驗油的100 ℃運動黏度變化率、水分及關鍵添加劑元素含量變化不大，說明試驗油狀態(tài)良好；齒輪油中銅元素含量達到900 mg/kg以上，銅元素含量嚴重超標，應查找齒輪油中銅元素的主要來源，并分析產(chǎn)生的原因。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器及材料

實驗儀器：石油產(chǎn)品運動黏度測定儀(大連特安技術有限公司，TSY-1109A型)、電子天平(瑞士METTLER TOLEDO有限公司，MS304S型)、電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀(美國PerkinElmer股份有限公司，OPTIMA 5300DV型)、常溫低速離心機(安徽嘉文儀器裝備有限公司，JW-1032型)、電熱鼓風干燥箱(上海實驗儀器廠有限公司，101A-2E型)、金相顯微鏡(德國ZEISS公司，Axio Imager A2m型)、能譜儀(美國EDAX有限公司，PV9830/10型)、石油產(chǎn)品銅片腐蝕試驗儀(湖南津市石油化工儀器有限公司，JSR2101型)、X射線衍射儀(日本理學公司，D/max-2500型)。

實驗材料：該型商用車驅動橋使用的齒輪油(下文稱試驗油)、粒徑尺寸約為38 μm的CuPb10Sn10(下文稱銅合金顆粒)。

2.2 實驗方法

參照GB/T 5096進行齒輪油銅片腐蝕實驗：把一塊已磨光好的銅片浸沒在一定量的試驗油中，分別加熱到(121±1) ℃、(150±1) ℃的溫度，保持3 h±5 min的時間，待實驗周期結束時，取出銅片。銅片經(jīng)洗滌后與腐蝕標準色板進行比較，確定腐蝕級別；試驗油進行能譜、元素含量等性能分析。

3 實驗過程及實驗結果分析

該型商用車驅動橋中含銅元素的零部件包括后錐齒輪襯套，如圖2所示；中橋軸間差速器、中后橋輪間差速器的半軸齒輪墊片和行星齒輪墊片等，如圖3、圖4所示。以上零部件表面均覆蓋一層CuPb10Sn10鍍層(下文稱銅合金鍍層)。

圖3 半軸齒輪墊片

圖4 行星齒輪墊片

具有銅合金鍍層的墊片及襯套的驅動橋，銅合金鍍層零部件因為磨損作用使銅合金顆粒進入齒輪油中；銅合金鍍層零部件長期浸泡在試驗油中，需確認試驗油對銅合金鍍層材料是否存在腐蝕作用。磨損作用或腐蝕作用導致銅元素進入試驗油后，是否可以被電感耦合等離子體發(fā)射光譜檢測到，也有待考察。

3.1 磨損作用是否導致銅元素進入齒輪油

將行駛里程7萬公里的中橋齒輪油過濾得到一些雜質，使用金相顯微鏡測量雜質大小，如圖5所示，雜質的粒徑尺寸約為5～100 μm。使用能譜測定雜質成分，如圖6所示，雜質成分含有C、O、S、Fe、Cu等元素。金相顯微鏡及能譜的檢驗結果說明：驅動橋中材質含有Fe和Cu的零部件在嚙合和正常行駛的過程中，含有Fe和Cu的金屬顆粒存在于試驗油中，金屬顆粒的粒徑尺寸約為5～100 μm。

圖5 金相顯微鏡檢驗結果

圖6 能譜檢驗結果

將質量分數(shù)0.1%的粒徑尺寸約為38 μm銅合金顆粒均勻分散到試驗油中，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(未將樣品硝化處理)進行元素含量的測定，檢驗結果如表1所示。從表1可以看出，試驗油與加入銅合金顆粒的試驗油的銅元素含量相同。檢驗結果說明磨損作用不會導致銅元素進入試驗油中而被電感耦合等離子發(fā)射光譜檢測到。標準方法GB/T 17476-1998(2004)規(guī)定的范圍為：本標準適用于測定油溶性金屬，而不意味著可定量測定或檢出不溶性的金屬粒子，其分析結果取決于顆粒度的大小，當金屬顆粒大于幾個微米時，就會使測量結果偏低[1]。檢驗結果與標準方法規(guī)定的范圍相符合。

表1 齒輪油中混入銅合金顆粒元素含量檢驗結果

3.2 腐蝕作用是否導致銅元素進入齒輪油

對試驗油進行銅片腐蝕實驗，將半軸齒輪墊片加工成標準Cu2銅片尺寸的試驗片進行實驗，監(jiān)控實驗前后試驗片的質量變化并測定實驗后試驗油澄清部分中的銅元素含量。參照評定車輛齒輪油的CRC臺架試驗(L-33-1銹蝕性臺架試驗，L-37承載能力臺架試驗，L-42抗擦傷臺架試驗，L-60-1熱氧化安定性臺架試驗)規(guī)定的齒輪油的試驗溫度，在標準實驗條件121 ℃的基礎上，加嚴實驗條件150 ℃，檢驗結果如表2所示。從表2檢驗結果可以看出，在121 ℃、3 h試驗條件下，試驗油對銅合金鍍層材料存在較輕的腐蝕作用，實驗后試驗油中含有一定量的銅元素；在150 ℃、3 h試驗條件下，試驗油對銅合金鍍層材料的腐蝕作用加劇，實驗后試驗油中銅元素含量明顯升高。銅片腐蝕實驗檢驗結果說明齒輪油中的銅元素增長是由于試驗油對銅合金鍍層材料腐蝕，使銅元素進入試驗油中；在一定的試驗溫度范圍內，相同試驗時間，試驗油溫度越高，對銅合金鍍層材料腐蝕越嚴重，試驗油中銅元素含量越多。

表2 銅片腐蝕實驗檢驗結果

試驗油在進行150 ℃、3 h加嚴實驗條件后，試管狀態(tài)如圖7所示，試驗油中有黑色懸浮物，黑色懸浮物與試驗油互溶；試驗片表面覆蓋一層黑色片狀物質，經(jīng)機械攪拌可從銅片表面剝落，黑色片狀物質與試驗油不互溶。分別測定澄清的1#試驗油、含黑色懸浮物的2#試驗油、含黑色懸浮物及黑色片狀物質的3#試驗油的銅元素含量，檢驗結果如表3所示。從表3檢驗結果可以看出，黑色懸浮物和黑色片狀物質均為齒輪油對銅合金鍍層材料腐蝕作用的產(chǎn)物，電感耦合等離子發(fā)射光譜能夠檢測到腐蝕產(chǎn)物，腐蝕作用會導致銅元素進入齒輪油中。

圖7 加嚴銅片腐蝕實驗試管狀態(tài)

表3 加嚴銅片腐蝕實驗檢驗結果

使用X射線衍射儀測定黑色片狀物質成分，X射線衍射檢驗結果如圖8所示，主要成分是Cu7S4、Cu2S和CuS，這說明齒輪油的銅腐蝕產(chǎn)生的黑色片狀物質主要是由齒輪油中的活性硫或使用過程中產(chǎn)生的活性硫與銅合金鍍層反應生成的物質，銅的主要價態(tài)為正一價及正二價。

圖8 黑色片狀物質的X射線衍射檢驗結果

試驗油對銅合金鍍層材料的腐蝕作用主要來自以下幾個方面：潤滑油添加劑中的銅緩蝕劑與銅表面的介質發(fā)生置換反應吸附在銅表面，Cu被氧化成一價銅，使少量一價銅進入油中[2]；潤滑油添加劑中的含硫添加劑都可能成為活性硫的來源，活性硫與銅反應，生成CuxSy，常見的含硫添加劑包括：ZDDP等的含硫抗氧劑、硫化烷基酚鹽等的含硫清凈劑、硫代磷酸胺鹽等的含硫極壓抗磨劑等[3]；潤滑油基礎油的氧化產(chǎn)物主要是酸類產(chǎn)物，酸類產(chǎn)物腐蝕銅部件[4]。

商用車使用銅合金鍍層的墊片及襯套的驅動橋所用的重負荷車輛齒輪油在使用過程中，銅元素含量是否對試驗油的其他理化性能產(chǎn)生負面影響，是后續(xù)工作的重點。

4 結論

(1)該型商用車驅動橋使用銅合金鍍層的墊片及襯套，在嚙合過程中，磨損作用使銅合金顆粒進入試驗油中，但是電感耦合等離子發(fā)射光譜不能夠檢測到銅合金顆粒，銅合金顆粒僅是增加了銅合金鍍層在試驗油中的表面積。

(2)試驗油對銅合金鍍層材料存在腐蝕作用，腐蝕作用會導致銅元素進入試驗油中，可以被電感耦合等離子發(fā)射光譜檢測到。在一定的試驗溫度范圍內，相同試驗時間，試驗油溫度越高，對銅合金鍍層材料腐蝕越嚴重，試驗油中銅元素含量越多。

(3)銅合金鍍層材料通過與試驗油中的銅緩蝕劑、含硫添加劑、酸類氧化產(chǎn)物等物質作用，使銅元素進入試驗油中。