特殊鋰基潤滑脂的安定性及流變性能研究

谷校英 王夕明 吳寶杰 楊洪濱 杜森森 李勇 張曉凱 王兆坤 肖財春

1 中國石化潤滑油有限公司天津分公司

2 中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所

選用不同稠化劑、添加劑、不同黏度和類型的基礎(chǔ)油制備了特殊鋰基潤滑脂HV-1、HV-2、HV-4、HV-6、HV-7，以進口鋰基潤滑脂L5作為參照，測試了不同試驗樣品的機械安定性、膠體安定性與流變性能，考察不同試驗條件對潤滑脂安定性與流變性能的影響；采用FE8軸承磨損試驗機臺架試驗驗證了各試驗樣品的潤滑性能。理化分析結(jié)果表明，HV-7的10萬次剪切試驗及滾筒試驗錐入度變化值均不高于20個單位，離心分油及鋼網(wǎng)分油效果均較優(yōu)于其余潤滑脂，機械安定性及膠體安定性良好；流變學(xué)分析結(jié)果表明，在80、100、120 ℃下，HV-7的流動轉(zhuǎn)變指數(shù)τf/τy為0.77、0.86、0.81，偏離1最遠(yuǎn)，皂纖維結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定；FE 8臺架分析結(jié)果表明，

HV-7的軸承溫升最低，軸承磨損量最小。

作為鐵路列車的關(guān)鍵部件，列車軸箱軸承的性能及可靠性隨著列車的高速化也受到了越來越多的關(guān)注[1]。列車軸箱軸承除了要支承列車重量及車輛載重所構(gòu)成的靜態(tài)和動態(tài)的徑向負(fù)荷外，還要承受車軸方向額外的非穩(wěn)定力，其可靠性對列車的安全運行具有重大影響。高鐵軸承潤滑脂作為軸箱軸承的重要組成部分，在中國的發(fā)展還幾乎為零，產(chǎn)品主要依賴進口。隨著國內(nèi)高鐵的快速發(fā)展，高鐵軸承潤滑脂用量也會日益增加，依賴進口的生產(chǎn)模式會導(dǎo)致成本會越來越高，因此未來高鐵軸承潤滑脂的設(shè)計開發(fā)將是一個大的趨勢，發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的高鐵軸承潤滑脂技術(shù)迫在眉睫。

不同潤滑脂具有其特有的流變特性[2]，對潤滑脂流變特性的研究，有助于了解潤滑脂的潤滑機理和潤滑過程中的狀態(tài)變化，對于潤滑脂的設(shè)計與應(yīng)用都有十分重要的意義[3～5]。徐俊等[6]在冰水浴和自然冷卻2種條件下制備鋰基潤滑脂，并研究其流變學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)冰水浴潤滑脂的膠體安定性要優(yōu)于自然冷卻潤滑脂，但其結(jié)構(gòu)更易遭到不可逆破壞，而后者的結(jié)構(gòu)破壞為可逆變化。沈鐵軍等[7]研究了靜態(tài)熱老化對鋰鈣基潤滑脂流變學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)潤滑脂的結(jié)構(gòu)在長時間老化后遭到嚴(yán)重破壞，潤滑性能失效。Delgado等[8～10]采用混合型流變測量技術(shù)，考察潤滑脂的流變性能與皂纖維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)稠化劑濃度、晶型轉(zhuǎn)變及冷卻條件對潤滑脂的流變性能和皂纖維結(jié)構(gòu)具有顯著影響。劉建秀等[11]對3種不同稠化劑的潤滑脂在不同工作階段的流變性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)潤滑脂的屈服應(yīng)力會受其流變性能影響，鋰基潤滑脂的抗剪切性要優(yōu)于鈣基潤滑脂和聚脲基潤滑脂。吳寶杰等[12]結(jié)合行車試驗結(jié)果，對5種輪轂潤滑脂的流變性能及其影響因素進行研究，發(fā)現(xiàn)通過提高稠化劑濃度與基礎(chǔ)油黏度、加入特種增粘劑可以提高輪轂軸承潤滑脂的高溫性能。

本文選用不同稠化劑、添加劑、不同黏度和類型的基礎(chǔ)油制備了一組特殊鋰基潤滑脂，并以進口鋰基潤滑脂作為參照，測試了不同試驗樣品的機械安定性、膠體安定性與流變性能，考察不同試驗條件對潤滑脂安定性與流變性能的影響，并結(jié)合FE8軸承磨損試驗機臺架試驗結(jié)果，對影響機理進行了探討。

試驗部分

試驗原料

◇基礎(chǔ)油：日本500SN，美孚PAO40。

◇脂肪酸：十六烷酸，淄博廣通化工有限公司；12-羥基硬脂酸，通遼市通華蓖麻化工有限責(zé)任公司。

◇堿：氫氧化鋰，新疆鋰鹽廠。

試驗儀器

Anton Paar公司的Physica MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀：振蕩模式最小扭矩為0.01 μN ? m；旋轉(zhuǎn)模式最小扭矩為0.05 μN ? m；最大扭矩為200 mN ? m；扭矩精度為 0.1 nN ? m；轉(zhuǎn)速范圍1×10-7～3 000 r/min；角速度范圍1×10-7～628 rad /s；錐度為1°； 錐板直徑為25 mm；間隙為0.048 mm。應(yīng)變幅度可控為0.1 μrad～∞；法向應(yīng)力范圍±0. 01～±50 N；溫度控制范圍為-40～200 ℃。

其他主要試驗儀器包括：FE8軸承磨損試驗機、潤滑脂錐入度測定儀、潤滑脂滾筒安定性測定儀、離心分油試驗機、潤滑脂鋼網(wǎng)分油測定器等。

試樣制備

目前鋰基潤滑脂的制備工藝分兩步法和一步法，據(jù)有關(guān)文獻介紹，一步法生產(chǎn)的潤滑脂滴點較兩步法偏低，且不穩(wěn)定。因此本研究中特殊鋰基潤滑脂的制備工藝選擇成脂性能更好的兩步法：將基礎(chǔ)油總量1/2的壓釜油和全部的12-羥基硬脂酸投入反應(yīng)器，攪拌升溫至90 ℃，加入1/2的氫氧化鋰水溶液，在90～100 ℃條件下反應(yīng)1 h；反應(yīng)完畢后，繼續(xù)加入剩余的氫氧化鋰水溶液，反應(yīng)1 h后，升溫排水，在2 h之內(nèi)將溫度升至200～220 ℃，加入總油量的1/5，急冷，溫度降至180～185 ℃恒溫0.5 h，剩余的3/10的基礎(chǔ)油作為后調(diào)油；降溫至80～100 ℃移入三輥研磨機，加入添加劑研磨三遍使產(chǎn)品均化，即為試驗用特殊鋰基潤滑脂。

試驗用特殊鋰基潤滑脂制備工藝流程見圖1。

圖1 特殊鋰基潤滑脂工藝流程示意

為了全面地進行潤滑脂的安定性、流變性和軸承磨損分析，本研究選用不同稠化劑、添加劑、不同黏度和類型的基礎(chǔ)油，共計制成5個樣品，代號分別為HV-1、HV-2、HV-4、HV-6、HV-7。 這5個樣品和1個進口脂樣L5的典型數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗潤滑脂樣品典型數(shù)據(jù)

性能測試

分別采用延長工作錐入度法（GB/T 269）、滾筒安定性法（SH/T 0122）測試潤滑脂的機械安定性。測試方法與參數(shù)均參照標(biāo)準(zhǔn)方法。滾筒試驗機中，裝脂量50.0 g；滾體重量5.0 kg、直徑60 mm、長度176 mm；滾筒直徑90 mm、長度180 mm、轉(zhuǎn)速155～180 r/min，試驗條件為溫度80 ℃、剪切時間50 h。

采用鋼網(wǎng)分油法（SH/T 0324）及離心分油法（ASTM D 4425）測試潤滑脂的膠體安定性。鋼網(wǎng)分油試驗中，通過稱量鋼網(wǎng)中10 g脂樣在100 ℃下保持24 h(或40 ℃下保持168 h)后的損失量來評定其膠體安定性能。離心分油試驗操作條件為：溫度60 ℃(或90 ℃)、轉(zhuǎn)速2 000 r/min、離心時間60 min。

采用Physica MCR302 旋轉(zhuǎn)流變儀測試潤滑脂流變特性。為了保證所研究的潤滑脂始終為非牛頓流體，試驗溫度設(shè)定為 80、100、120 ℃。角速度保持不變，振蕩幅度逐漸增大，測試6種潤滑脂在不同溫度下儲能模量和損耗模量隨剪切幅度改變而變化的過程。

采用FE8軸承磨損試驗機，測定試驗軸承滾子磨損減重和溫升，評定潤滑脂的潤滑能力。

結(jié)果與討論

潤滑脂安定性分析

機械安定性

潤滑脂在機械剪切的作用下，其骨架結(jié)構(gòu)抵抗從變形到流動的能力稱為機械安定性，也稱剪切安定性。潤滑脂中稠化劑纖維在機械剪切作用下會發(fā)生斷裂和脫開, 使纖維中包裹及固定的基礎(chǔ)油游離出來導(dǎo)致潤滑脂變稀變軟。中止剪切后,稠化劑纖維能夠在一定程度上重新連接恢復(fù)網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。通過測定剪切前后潤滑脂錐入度的差值，可以評定潤滑脂機械安定性的好壞。主要的評定方法有延長工作錐入度法和滾筒安定性法。

測定6個潤滑脂樣品的錐入度后，將6個潤滑脂樣品分別進行十萬次剪切與滾筒試驗。試驗結(jié)束后，將樣品取出測定其剪切后錐入度，計算其錐入度變化值，并對2種試驗方法的結(jié)果進行比較，具體見圖2。

由圖2可以看出，對于5種特殊鋰基潤滑脂，在2種試驗方法剪切后得到的錐入度變化值相差均在10單位以內(nèi)，相差較小，而L5脂樣的錐入度變化值相差較大，說明特殊鋰基潤滑脂在2種剪切方式下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要優(yōu)于L5。在5種特殊鋰基潤滑脂樣品中，HV-7脂樣剪切前后的錐入度變化值最小，說明該潤滑脂的機械安定性最優(yōu)。

膠體安定性

潤滑脂的膠體安定性，即潤滑脂保持膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抑制油皂分離的能力，對其潤滑性能具有很大影響。離心分油與鋼網(wǎng)分油等分油試驗被廣泛用于評定潤滑脂的膠體安定性。

對于應(yīng)用在受連續(xù)離心力、高速工況下的潤滑脂，適合采用離心分油法測定其在強離心力作用下的膠體安定性。而鋼網(wǎng)分油則用于測定靜態(tài)情況下潤滑脂的分油傾向，可用于評定潤滑脂儲存時的膠體安定性指標(biāo)。

不同測試溫度下不同潤滑脂樣品的離心分油結(jié)果對比見圖3。

由圖3可以看出，L5脂樣對溫度的敏感性較高，溫度對其膠體安定性影響較大，當(dāng)試驗溫度升高時，其分油量大大增加。5種特殊鋰基潤滑脂較為穩(wěn)定，溫度升高時分油量增加，但二者相差相對較小。這說明特殊鋰基潤滑脂的膠體安定性優(yōu)于L5鋰基潤滑脂。5種特殊鋰基潤滑脂中，在120 ℃時，HV-1的分油量最小，HV-7其次；而90 ℃時，HV-7分油量最小，HV-1及HV-4次之。綜合對比，HV-7及HV-1分油情況最佳，膠體安定性較為優(yōu)良。

圖2 2種試驗方法剪切后的潤滑脂錐入度變化值比較

圖3 不同溫度下潤滑脂離心分油結(jié)果對

不同試驗條件下不同潤滑脂樣品的的鋼網(wǎng)分油結(jié)果對比見圖4。

由圖4可以看出，L5脂樣在低溫長時間與高溫短時間2種試驗條件下分油量相近，說明其在靜態(tài)情況下膠體安定性較為穩(wěn)定。而5種特殊鋰基潤滑脂在靜態(tài)情況下，低溫長時間分油量均大于高溫短時間分油量，且二者差距較大。HV-7相比于其他樣品，在2種試驗條件下分油量都最小，說明其膠體安定性最優(yōu)。綜合離心分油和鋼網(wǎng)分油試驗的結(jié)果可看出，HV-7特殊鋰基潤滑脂的安定性最優(yōu)。

流變性能分析

潤滑脂是一種黏彈性非牛頓流體。黏彈性中的彈性部分用儲能模量G'表示，表明應(yīng)力能量在試驗時可暫時儲存與回收。黏性部分則用損耗模量G″代表，表示潤滑脂初始流動時會損耗能量，轉(zhuǎn)化為剪切熱，該損耗是不可逆的[13～16]。進行流變試驗時，剪切應(yīng)力不斷增大，通常把儲能模量G'開始減小的點定義為線性黏彈區(qū)(LVE) 的終點，稱為屈服點，此點的剪切應(yīng)力也稱屈服應(yīng)力τy。通過該點可以確定潤滑脂所能承受的最大彈性形變。剪切應(yīng)力和形變繼續(xù)增大，G'線和G″線相交，交點稱為流動點( Flow point) ，此點的剪切應(yīng)力稱為流動應(yīng)力τf，此時潤滑脂的稠化劑結(jié)構(gòu)受到較大破壞，潤滑脂開始流動。

圖4 不同試驗條件下潤滑脂鋼網(wǎng)分油結(jié)果對比

對6個鋰基潤滑脂樣品進行振蕩流變試驗，不同試驗溫度（80、100、120 ℃）下測定的儲能模量G'和損耗模量G″隨應(yīng)變γ的變化見圖5。

本研究測試的6種潤滑脂稠化劑12羥基硬脂酸濃度的排序是：c(L5)＞c(HV-6)＞c(HV-1)=c(HV-2)＞c(HV-4)＞c(HV-7)；稠化劑十六烷酸濃度的排序是：c(HV-7)＞c(HV-4)＞c(HV-1)=c(HV-2)＞c(HV-6)＞c(L5)；基礎(chǔ)油黏度排序是：c(L5)＞c(HV-4)＞c(HV-1)＞c(HV-6)＞c(HV-7)＞c(HV-2)；油性劑濃度排序是：c(HV-2)＞c(HV-4)＞c(HV-7)＞c(HV-6)＞c(L5)=c(HV-1)。由圖5可見，6種潤滑脂在3組不同溫度下儲能模量G'均隨應(yīng)變增大而逐漸減小。由于儲能模量G'越大，說明潤滑脂的流動性越差，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，因此，適當(dāng)?shù)靥岣邼櫥膬δ苣Ａ縂'與流動性能，對提高軸承的潤滑有利。在試驗溫度范圍內(nèi)，HV-7脂樣的儲能模量G'在所有測試溫度下均較小。同時，隨著剪切應(yīng)力的改變， HV-7脂樣的儲能模量G'變化較為平緩，說明其在剪切作用下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，纖維結(jié)構(gòu)保持較好，對軸承的支撐和潤滑作用較好，有利于降低軸承溫升。

計算了不同溫度下6種潤滑脂在屈服點、流動點的儲能模量G'和損耗模量值、剪切應(yīng)力以及對應(yīng)的應(yīng)變值，結(jié)果見表2。

圖5 不同溫度下6種潤滑脂的儲能模量/損耗模量隨應(yīng)變的變化

從表2可以看出，在流動點處，應(yīng)變γ排序是：80 ℃下，γ(HV-6)＞γ(HV-4)＞γ(HV-7)＞γ(L5)＞γ(HV-2)＞γ(HV-1)；100 ℃下，γ(HV-4)＞γ(HV-6)＞γ(HV-7) ＞γ(HV-2)＞γ(L5)＞γ(HV-1)；120 ℃ 下，γ(HV-4)＞γ(HV-6)＞γ(HV-7)＞γ(HV-2)＞γ(L5) ＞γ(HV-1)。流動點處γ數(shù)值越大，表明潤滑脂在剪切應(yīng)力作用下由半固體形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃有螒B(tài)所需的時間越長。潤滑脂基礎(chǔ)油極性的增強及稠化劑含量的增大，均會使膠團分子間作用力增強，γ的數(shù)值也相應(yīng)增大。本文測定的6種潤滑脂γ的變化趨勢基本符合該規(guī)律。

潤滑脂的流動轉(zhuǎn)變指數(shù)τf/τy與材料的脆性類似，代表潤滑脂結(jié)構(gòu)破壞的難易程度，其值越接近1，潤滑脂骨架被破壞所需的應(yīng)力越小，時間越短。從表2亦可以看出，在流動點處，流動轉(zhuǎn)變指數(shù)τf/τy排序是：80 ℃下，τf/τy(HV-2)＞τf/τy(L5) ＞τf/τy(HV-1) =1.00 ＞τf/τy(HV-6)＞τf/τy(HV-4) ＞τf/τy(HV-7)；100 ℃下，τf/τy(HV-2)＞τf/τy(HV-4)＞τf/τy(L5)＞τf/τy(HV-1)＞τf/τy(HV-6)＞τf/τy(HV-7)；120 ℃ 下，τf/τy(HV-2)＞τf/τy(HV-1)＞τf/τy(HV-6)＞τf/τy(L5)＞τf/τy(HV-4) ＞τf/τy(HV-7)。3個試驗溫度下，樣品HV-1 、HV-4和L5的τf/τy值分別最接近1.00，說明在對應(yīng)的溫度下，這3個脂樣的皂纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，皂纖維更容易斷裂或破碎。而樣品HV-7在3個試驗溫度下流動轉(zhuǎn)變指數(shù)均偏離1，說明其骨架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。流變試驗結(jié)果與十萬次錐入度變化、滾筒安定性、鋼網(wǎng)分油、離心分油的測試結(jié)果相一致。

表2 不同溫度下6種潤滑脂在屈服點/流動點的儲能模量、損耗模量值及對應(yīng)的應(yīng)變值

臺架試驗數(shù)據(jù)分析

采用FE8軸承磨損試驗機，通過測定試驗軸承滾子磨損減重和溫升，評價潤滑脂潤滑性能。分別將6種試驗潤滑脂均勻涂抹于試驗軸承上，之后將試驗軸承固定安裝在測試頭上，設(shè)定試驗機的各種試驗參數(shù)，包括載荷、轉(zhuǎn)速、試驗溫度等，之后進行臺架試驗并記錄數(shù)據(jù)。具體測試技術(shù)參數(shù)見表3。

在臺架試驗周期內(nèi)，如果潤滑脂潤滑性能不良引起潤滑效果變差，將會導(dǎo)致試驗軸承零部件出現(xiàn)程度不等的摩擦磨損，軸承零部件質(zhì)量將會出現(xiàn)一定變化。通過測定軸承零部件的質(zhì)量變化，可以考察軸承磨損的程度。滾動體與金屬保持架的質(zhì)量損失以及軸承溫升曲線則可用于評價潤滑脂的抗磨與潤滑性能。試驗測得的6種潤滑脂樣品的軸承溫度變化曲線見圖6， 6個樣品的最高溫度與平衡溫度見表4（HV-6及HV-7潤滑脂在試驗過程中軸承溫度一直未能達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，因此未予列出），F(xiàn)E8軸承拆解分析數(shù)據(jù)見表5。

表3 FE8軸承磨損試驗機的測試技術(shù)參數(shù)

從表4可以直觀看出，樣品HV-7整體溫升最低，說明該潤滑脂在軸承運行時結(jié)構(gòu)保持較為穩(wěn)定，能夠更好地黏附在軸承上，持續(xù)對軸承提供良好的支撐和潤滑作用，降低軸承磨損，符合流變分析結(jié)果。結(jié)合表5 FE8軸承拆解分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，裝入樣品HV-4的軸承運行溫升較高，軸承磨損量較大，而裝入樣品HV-7的軸承磨損量（外圈、內(nèi)圈、保持架和滾珠）相對最小，軸承溫升最低。這表明HV-7的潤滑性能較其他樣品更為優(yōu)異。造成該結(jié)果的原因可能為HV-7在使用過程中錐入度變化較小，且在軸承中分布均勻，能在摩擦副表面形成良好的潤滑油膜。

結(jié)論

☆本研究中，HV-7的10萬次剪切試驗及滾筒試驗錐入度變化值均不高于20個單位，離心分油及鋼網(wǎng)分油效果亦處于6種潤滑脂前列，機械安定性及膠體安定性優(yōu)于其余潤滑脂。通過流變試驗，對6種潤滑脂的屈服點、流動點及流動轉(zhuǎn)變指數(shù)指標(biāo)進行了計算分析，發(fā)現(xiàn)樣品HV-1 、HV-4和L5的皂纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，而HV-7的皂纖維結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。

☆使用FE8軸承磨損和溫升試驗發(fā)現(xiàn)，選用特殊鋰基潤滑脂稠化劑配方、提高稠化劑濃度、提高基礎(chǔ)油黏度以及加入油性劑制備而成的HV-7潤滑脂軸承磨損量最小，溫升最低，臺架試驗效果最優(yōu)，提高了高鐵軸箱軸承潤滑脂在高溫下的潤滑性能。

圖6 6種潤滑脂樣品的軸承溫度變化曲線

表4 6種潤滑脂樣品的軸承最高溫度與平穩(wěn)期溫度

表5 6種潤滑脂F(xiàn)E8軸承拆解分析數(shù)據(jù)