抗磨型車輛減震器油的研制

張冠軍，衣守志，肖早早，張晨曦

(天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457)

汽車減震器是車輛的關(guān)鍵部件之一，減震器工作的好壞直接影響汽車行駛的平穩(wěn)性和其他機件的壽命．隨著汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，汽車減震器通常與汽車同壽命設(shè)計，而減震器油性能的好壞直接影響減震器的工作效果和壽命．據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年我國減震器年總產(chǎn)量 13411.28萬支，年減震器油需求量在 20000t以上．目前減震器油在國內(nèi)潤滑油品研究領(lǐng)域一直未得到有效的重視，長期依賴國外品牌產(chǎn)品，成本相對偏高．因此，研制性能優(yōu)良的減震器油替代國外品牌產(chǎn)品，具有相當(dāng)廣闊的市場前景．減震器油屬于特殊潤滑劑，影響其性能的主要指標(biāo)包括運動黏度、黏度指數(shù)、閃點、傾點、最大無卡咬負(fù)荷(PB)等．性能良好的減震器油應(yīng)具有低黏度、高黏度指數(shù)、良好抗磨性能，同時兼顧合適的閃點和較低的傾點，以適應(yīng)極寒環(huán)境條件下的使用要求．

通常減震器油的研發(fā)由基礎(chǔ)油的選擇和添加劑的調(diào)配兩部分完成，以實現(xiàn)油品的低黏度、高黏度指數(shù)、高抗磨的性能以及抗氧化、防銹、防腐、抗泡等性能和低成本要求．崔海鷗[1]以合成基礎(chǔ)油聚 α–烯烴(PAO)作為基礎(chǔ)油，開發(fā)出可替代國外同類知名品牌的減震器油，各項指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求．但是相對于加氫精制的二、三類基礎(chǔ)油，PAO的成本過高，市場較難接受．李金莎等[2]以加氫基礎(chǔ)油為主、光亮油和溶劑油為輔調(diào)制的減震器油取得了良好的性能指標(biāo)，并降低了成本，但是通過大量添加黏度指數(shù)改進劑的方式來改善黏溫性能，在實際使用中存在較大的壽命風(fēng)險．綜合考慮性能和經(jīng)濟性因素，本研究選用的基礎(chǔ)油為深度加氫精制的二、三類基礎(chǔ)油．為滿足減震器活塞平穩(wěn)頻繁往復(fù)運動和適應(yīng)不同工作溫度要求，減震器油應(yīng)具備良好的剪切穩(wěn)定性，較好的黏溫性能.乙烯–丙烯共聚物(OCP)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚異丁烯(PIB)、氫化苯乙烯–異戊二烯共聚物(HSD)等低聚物都是常用黏度指數(shù)改進劑[3]．本研究選擇一種星型結(jié)構(gòu)的低相對分子質(zhì)量聚甲基丙烯酸酯型黏度指數(shù)改進劑(PMA-1)，它雖然增黏能力稍弱，但具有很強的剪切穩(wěn)定性，并兼具一定的降凝效果[4]．為避免減震器油單劑調(diào)和帶來的兼容和篩選問題[5]，本研究選用一種無灰型抗磨液壓油復(fù)合添加劑S-01來提升油品的抗氧化、防銹、防腐、抗泡性能，它具有添加和生產(chǎn)控制簡便的優(yōu)點．抗磨性能也是減震器油的一個重要指標(biāo)參數(shù)．傳統(tǒng)型潤滑油極壓抗磨性能改進劑主要是含硫、磷類有機極性化合物，通過與金屬表面發(fā)生反應(yīng)，生成金屬化合物膜，起到極壓抗磨作用，然而其耐熱性能差，易腐蝕金屬部件，且有一定的毒性．李久盛等[6]將腐蝕性較小、更為環(huán)保的磷氮類抗磨劑 RHY314應(yīng)用于減震器油中，發(fā)現(xiàn)可以較大幅度提高抗磨性能．本研究選用一款綠色環(huán)保的含氮硼酸酯極壓抗磨劑來改善減震器油抗磨性能[7-8]，系統(tǒng)考察含氮硼酸酯類極壓抗磨劑添加比例對減震器油極壓抗磨性能的影響．

1 材料與方法

1.1 基礎(chǔ)原料與試劑

基礎(chǔ)油采用深度加氫精制的二、三類基礎(chǔ)油，具體性能指標(biāo)見表 1．復(fù)合添加劑選用無灰型抗磨液壓油復(fù)合添加劑S-01，黏度指數(shù)改進劑選用PMA-1，降凝劑選用甲基丙烯酸酯聚合物油溶液，消泡劑選用 2號復(fù)合消泡劑．以上原材料全部由天津舜能潤滑科技股份有限公司提供．極壓抗磨劑選用含氮硼酸酯(T362A)，實驗室自行制備，首先以二正辛胺、二硫化碳和環(huán)氧乙烷為原料合成含 S、N 長鏈醇，再與硼酸反應(yīng)合成含氮硼酸酯．

表1 基礎(chǔ)油典型指標(biāo)Tab. 1 Typical index of base oil

1.2 實驗方法

1.2.1 減震器油的調(diào)制方法

按照計算配比(所有原料均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算)，準(zhǔn)確稱量一定比例的基礎(chǔ)油注入燒杯中，采用電加熱磁力攪拌器控制溫度在 55～60℃，進行攪拌．再分別準(zhǔn)確稱量復(fù)合添加劑、黏度指數(shù)改進劑、抗磨劑、降凝劑和消泡劑，依次加入燒杯中，并持續(xù)攪拌30min，靜置冷卻后，測試其性能指標(biāo)．

1.2.2 抗磨性能測試

按照 GB/T 3142—1982《潤滑劑承載能力測定法(四球法)》測定油品的最大無卡咬負(fù)荷(PB值)，考察極壓性能．按照SH/T 0189—1992《潤滑油抗磨損性能測定法(四球機法)》進行長磨實驗，測量鋼球的磨斑直徑(WSD)，考察抗磨性能．

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)配方調(diào)制結(jié)果

根據(jù)研發(fā)指標(biāo)要求，通過計算和小樣調(diào)制測試，設(shè)計減震器油的基礎(chǔ)配方見表 2．按此配方調(diào)制出減震器油的樣品，其基本性能指標(biāo)見表 3．由表 3可知：運動黏度在研發(fā)指標(biāo)要求范圍內(nèi)，黏度指數(shù)達到167，滿足高低溫性能的要求；傾點-55℃，可滿足極寒地區(qū)的使用；閃點和銅片腐蝕也都滿足要求．但是極壓性能和抗磨性能的結(jié)果低于指標(biāo)要求．

表2 減震器油基礎(chǔ)配比Tab. 2 The formula of shock absorber oil

表3 減震器油基礎(chǔ)配方指標(biāo)Tab. 3 Typical index of shock absorber oil

2.2 抗磨型減震器油調(diào)制

根據(jù)表 2調(diào)制的減震器油基本指標(biāo)顯示，其 PB值為 490N，磨斑直徑為 0.55mm，極壓抗磨性能偏低，考慮到國內(nèi)車輛的實際使用工況，應(yīng)提高極壓抗磨性能指標(biāo)．因此，本研究在制定研發(fā)目標(biāo)時，也將極壓抗磨性能作為減震器油的一項重要指標(biāo)考慮．

結(jié)合減震器油對極壓抗磨性的要求，本研究采用實驗室制備的含氮硼酸酯極壓抗磨劑 T362A進行測試．含氮硼酸酯類添加劑通常添加比例在1%～5%時能表現(xiàn)出顯著的極壓抗磨性能[9]．

2.2.1 極壓性能

T362A添加量上限為 2.5%，間隔為 0.5%，調(diào)制后的減震器油的PB結(jié)果如圖1所示．隨著T362A添加量的增加，PB呈上升趨勢，當(dāng)添加量為1.5%時，PB為 784N；繼續(xù)增加到 2%時，PB沒有變化；增加到2.5%時，PB為833N，又有所增加．

圖1 不同T362A添加量時PB的變化Fig. 1 PB with different proportion of T362A

2.2.2 抗磨性能

T362A添加量上限為 2.5%，間隔為 0.5%，調(diào)制后的減震器油的磨斑直徑測試結(jié)果如圖2所示．

圖2 不同T362A添加量時磨斑直徑的變化Fig. 2 WSD with different proportion of T362A

從圖2可以看出：隨著T362A的加入，減震器油的磨斑直徑逐漸下降，說明 T362A表現(xiàn)出了良好的抗磨性能．當(dāng)添加量達到 1.5%時，磨斑直徑從不添加抗磨劑時的0.55mm下降到0.37mm；繼續(xù)增加添加量到 2%時，磨斑直徑為 0.36mm；而添加量到2.5%時，磨斑直徑為 0.38mm，反倒有所上升．以上數(shù)據(jù)表明，T362A在減震器油中的極壓性能和抗磨性能隨添加劑加入比例的趨勢基本一致．

2.2.3 摩擦面分析

對不加入T362A的減震器油四球試驗測試磨斑直徑后的鋼球和 T362A加入量為 1.5%時測試磨斑直徑后的鋼球摩擦面進行SEM分析，結(jié)果如圖3所示．從斷面摩擦形貌可以看出，不加入 T362A的鋼球摩擦面有較為嚴(yán)重的擦傷，并伴有燒結(jié)痕跡，干摩擦現(xiàn)象明顯．加入 T362A的鋼球摩擦面相對比較平整，有較淺的摩擦痕跡，犁溝和擦傷不明顯，摩擦面上分布的斑點為抗磨劑吸附沉積形成的保護層．

圖3 減震器油加入T362A前后摩擦面對比Fig. 3 Wear surface morphology by shock absorber oil with or without T362A

2.3 分析與比較

美國克萊斯勒汽車制造商、英國石油公司(BP)及中國石油天然氣集團公司(中石油)對減震器油典型指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)要求[10-11]見表 4．對比幾家的指標(biāo)要求，克萊斯勒對減震器油的黏度要求最低，閃點的要求也不高，說明其減震器的加工精度高，更注重油品的流動性，反而對抗磨性能沒有特別要求．BP公司對減震器油黏度的要求較高，而且要求較高的黏度指數(shù)，說明其既要保持良好的高低溫性能，同時也要保持較高的油膜厚度，因此對油品的極壓性提出了要求，要求 PB值不小于 470N．與兩家國外公司的對比，中石油對減震器油的要求更加苛刻，除要求較高的黏度外，對極壓性和抗磨性能都有要求，要求 PB值不小于 686N，并要求向客戶提供磨斑直徑測試結(jié)果．由此可以看出，中石油的標(biāo)準(zhǔn)制定是考慮到國內(nèi)減震器加工的精度偏低和車輛在中國應(yīng)用的實際工況不理想，故提高了減震器油的極壓抗磨性能指標(biāo)．本研究的重點也是在滿足減震器油基礎(chǔ)指標(biāo)的情況下提高其極壓抗磨性能．

表4 國內(nèi)外部分減震器油的性能指標(biāo)Tab. 4 Performance index of partial shock absorber oil at home and abroad

從2.1節(jié)數(shù)據(jù)可以看出，所選擇的基礎(chǔ)配方其基本指標(biāo)已滿足要求，但是極壓性指標(biāo)、抗磨性指標(biāo)未達到要求．對比 BP公司和中石油的標(biāo)準(zhǔn)，其極壓性能滿足 BP公司指標(biāo)，但低于中石油指標(biāo)要求．加入含氮硼酸酯T362A的測試結(jié)果表明，添加比例1.5%時，PB值為 784N，磨斑直徑為 0.37mm，均滿足指標(biāo)的要求．當(dāng) T362A比例繼續(xù)增加時，PB值和磨斑直徑變化不明顯．因此，綜合考慮取抗磨劑含氮硼酸酯T362A的添加比例為1.5%．

3 結(jié) 論

(1)采用深度加氫精制的二、三類基礎(chǔ)油和無灰型液壓油類復(fù)合劑，配合 PMA型黏度指數(shù)改進劑，添加一定比例降凝劑和消泡劑，進行減震器油的調(diào)制，產(chǎn)品基本性能指標(biāo)滿足當(dāng)前主流 OEM 制造商控制指標(biāo)要求．

(2)減震器油基礎(chǔ)配方：二類基礎(chǔ)油 72.00%、三類基礎(chǔ)油 24.49%、S-01 1.20%、PMA-1 1.80%、降凝劑 0.50%、消泡劑 0.01%．向基礎(chǔ)配方中添加 1.5%的含氮硼酸酯極壓抗磨劑 T362A，可調(diào)制出抗磨型車輛減震器油，此時 PB可達到 784N，磨斑直徑為0.36mm，極壓性能和抗磨性能顯著提升，綜合性能指標(biāo)滿足設(shè)定的指標(biāo)要求．