抗磨添加劑在不同ATF基礎(chǔ)油中摩擦學(xué)性能研究*

王 穩(wěn)1 尹振寰2 李國良 王 昆

(1.西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710123;2.武警后勤學(xué)院研究生管理大隊(duì) 天津 300309；3.陜西通用石油化工有限公司 陜西西安 710100)

潤滑油基礎(chǔ)油可以分為礦物型、合成型、部分合成型，普通汽車自動(dòng)變速箱(Automatic transmission Fluid，簡稱ATF)基礎(chǔ)油一般選用2類或3類加氫礦物油調(diào)和。對于長壽命使用要求和特殊使用環(huán)境如低溫、頻繁換擋等，可采用部分合成和全合成基礎(chǔ)油，主要基礎(chǔ)油為2類加氫、3類加氫礦物油和聚α烯烴、酯類油相互調(diào)和。不同組分的基礎(chǔ)油性能相差較大，如加氫基礎(chǔ)油抗氧化性、低溫性能不及聚α烯烴，而聚α烯烴因?yàn)橛删€型異構(gòu)烷烴組成，相比于礦物油而言，其分子中缺少環(huán)烷烴以及芳烴，對于極性強(qiáng)的添加劑溶解能力差[1]。由于各種功能添加劑對不同的基礎(chǔ)油感受性不同，在不同的基礎(chǔ)油中發(fā)揮的效果也不同，夏青虹等[2]研究了不同組份基礎(chǔ)油的抗磨性能，指出隨基礎(chǔ)油中鏈烷烴與少環(huán)環(huán)烷烴含量增加，油品抗磨性能有變差的趨勢；李韶輝等[3]利用SAE No.2試驗(yàn)機(jī)研究了自動(dòng)傳動(dòng)液的摩擦特性，指出基礎(chǔ)油中的飽和烴含量決定基礎(chǔ)油的摩擦特性；MOON等[4]也指出基礎(chǔ)油性質(zhì)對ATF使用性能影響不用。但目前對同種添加劑在不同基礎(chǔ)油中的對比性研究較少。為了選擇ATF的基礎(chǔ)油和添加劑，達(dá)到對油品摩擦特性的要求，將T203、T307、T306三種抗磨添加劑分別加入加氫精制礦物基礎(chǔ)油、聚α烯烴合成油以及加氫精制礦物基礎(chǔ)油和聚α烯烴合成油的混合油中，進(jìn)行四球抗磨試驗(yàn)，分析添加劑對不同基礎(chǔ)油的感受性，探索ATF的可選基礎(chǔ)油和添加劑組合。

1 試驗(yàn)部分

1.1 基礎(chǔ)油及添加劑

試驗(yàn)用基礎(chǔ)油包括100N、250N、PAO6、PAO8四種，其指標(biāo)如表1所示。

表1 基礎(chǔ)油性能指標(biāo)

為了保證在各工況下穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和低S、低P添加劑的使用，ATF抗磨添加劑選擇了雙辛基二烷基二硫代磷酸鋅T203、硫代磷酸胺鹽T307、磷酸三甲酚酯T306。其中： T307的S含量為9.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，P含量為9.0%；T306游離甲酚小于等于0.1%，均由淄博惠華添加劑公司生產(chǎn)； T203的S含量為15.22% P含量為7.78%，Zn含量為9.05%，由錦州惠發(fā)天合集團(tuán)生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)儀器與方案

試驗(yàn)采用濟(jì)南試金集團(tuán)生產(chǎn)的MR-S110(G)杠桿式四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)鋼球?yàn)棰蚣墭?biāo)準(zhǔn)軸承鋼球，材料為GCr15，鋼球直徑為12.7 mm。試驗(yàn)以綜合磨斑直徑和最大無卡咬負(fù)荷pB值為指標(biāo)對抗磨性能進(jìn)行評定。磨斑直徑采用SH/T 0189-92試驗(yàn)方法，在196 N載荷，主軸轉(zhuǎn)速(1 200±60) r/min下，在室溫下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間30 min。以毫米為單位報(bào)告3個(gè)鋼球6次測量的磨斑直徑算術(shù)平均值；最大無卡咬負(fù)荷pB值采用GB/T 3142-82試驗(yàn)方法，以主軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min運(yùn)行10 s。

考慮到礦物油、半合成油、全合成油對添加劑的感受性不同，摩擦效果不同，用上述6種基礎(chǔ)油分別配制相同的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為6.5～6.6 mm2/s的混合基礎(chǔ)油A、B、C、D，該黏度是ATF調(diào)和的基礎(chǔ)油目標(biāo)黏度，基礎(chǔ)油構(gòu)成如表2所示。將T203、T307、T306分別以一定的比例加入A、B、C、D 4種不同基礎(chǔ)油中，配制試驗(yàn)油。

表2 4種不同調(diào)和基礎(chǔ)油的組分構(gòu)成

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單劑在基礎(chǔ)油中的抗磨性試驗(yàn)

2.1.1 T203在基礎(chǔ)油中摩擦學(xué)性能對比

如圖1所示，在不同的基礎(chǔ)油中添加T203后，磨斑直徑的值變化趨勢不同。在礦物油中，隨著T203加量增加，磨斑直徑逐漸減小，可見T203在礦物油中具有良好的抗磨作用，并有正比抗磨關(guān)系；在全合成油中，磨斑直徑基本維持在0.50 mm，變化不大，ZDDP中S、P元素在全合成基礎(chǔ)油中的作用發(fā)揮不太明顯；在部分合成油中，磨斑直徑變化也不明顯。說明T203對PAO的感受性較差，這可能和PAO對添加劑的溶解性有較大關(guān)系[5]。

圖1 4種基礎(chǔ)油添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)T203后的磨斑直徑

如圖2所示，隨著T203加量提高，礦物油和部分合成油的pB值均有所上升，但全合成油表現(xiàn)不明顯，基本維持在1 000 N；T203對合成油和礦物油的感受性有明顯的區(qū)別，極壓性較均衡，加量0.6%時(shí)，全合成油的pB值最高。

圖2 不同基礎(chǔ)油中添加T203后的pB值

T203的抗磨作用是由S、P元素共同作用，P吸附量越大，抗磨性越好；在P的吸附量相當(dāng)?shù)那闆r下，金屬表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)形成保護(hù)膜FeS增加抗磨作用[6-7]。

2.1.2 T307在基礎(chǔ)油中摩擦學(xué)性能對比

如圖3所示，T307在不同基礎(chǔ)油中的感受性明顯不同，在礦物油中的磨斑直徑在0.3～0.4 mm之間，明顯小于全合成油的0.6～0.7 mm，T307在礦物油中的感受性更佳；PAO8+100N的磨斑直徑在加量0.6%以上時(shí)與PAO6+250N的接近。如圖4所示，不同基礎(chǔ)油的pB值無太大差別，在全合成基礎(chǔ)油中，T307加量的增大并不能明顯提高pB值；在部分合成油中，pB值變化趨勢不同，在PAO6+250N中，pB值呈下降趨勢，在PAO8+100N中，pB值呈上升趨勢，趨勢相反，與混合基礎(chǔ)油中合成油比例不同導(dǎo)致油品油性相差較大有關(guān)。T307能在摩擦表面形成化學(xué)反應(yīng)膜，主要成分為鐵的氧化物、硫化物(FeS)、硫酸鹽(FeSO4)、磷酸鹽(FePO4)，起到保護(hù)摩擦表面的作用，降低了摩擦表面的磨損[8]。

圖3 4種基礎(chǔ)油添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)T307后的磨斑直徑

圖4 4種基礎(chǔ)油添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)T307后的pB值

2.1.3 T306在基礎(chǔ)油中摩擦學(xué)性能對比

如圖5所示，隨著T306加量的增大，礦物油的磨斑直徑有所上升，但上升幅度不大，保持在0.42～0.47 mm之間；在合成油中抗磨效果非常明顯，加量從0.4%增加至1.4%的過程中，磨斑直徑從0.63 mm下降至0.32 mm；在部分合成油中變化趨勢相似，磨斑直徑在0.40～0.55 mm之間。

圖5 4種基礎(chǔ)油添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)T306后的磨斑直徑

如圖6所示，T306加量從0.4%增加至1.4%的過程中，全合成油的pB值有明顯的提高，從610 N上升至880 N，在礦物油中僅能達(dá)到440 N，在部分合成油中達(dá)到約580 N。整體來看，混合基礎(chǔ)油中含有部分合成油有利于T306對基礎(chǔ)油極壓性能的提高，這是因?yàn)門306中的P元素分解生成的有機(jī)膦酸聚合物，能較快地與鋼球表面發(fā)生反應(yīng)，在摩擦副處生成化學(xué)反應(yīng)膜，在邊界潤滑中起到很好的潤滑作用，減少了摩擦磨損[9]。

綜合評價(jià)，各添加劑對不同基礎(chǔ)油的感受性總體來看如表3所示。

表3 3種添加劑的抗磨效果

從表3可以看出，3種添加劑在不同基礎(chǔ)油中表現(xiàn)了不同的摩擦特性，T203、T307對礦物油的抗磨性能最優(yōu)，T306加量在大于0.6%時(shí)在全合成油中對抗磨性能的感受性最優(yōu)；在極壓性能方面，T203、T306在全合成油中的極壓性感受性最優(yōu)；T307在3種基礎(chǔ)油中表現(xiàn)差別不大；在部分合成油中，合成油的比例對摩擦性能的影響也有不同程度差異。

2.2 添加劑復(fù)合后的四球試驗(yàn)結(jié)果

ATF配方組成要求低磷、低硫，所以試驗(yàn)選取了0.6% T203、0.4% T307和0.4% T306三種添加劑，兩兩配合加入上述4種基礎(chǔ)油中(0.6% T203+0.4% T307、0.6% T203+0.4% T306、0.4% T307+0.4% T306)，考察添加劑復(fù)配后對基礎(chǔ)油的感受性。

如圖7所示，3種添加劑組合中，含有T203添加劑的組合較單獨(dú)使用T203的磨斑直徑大；T306和T307復(fù)配后的磨斑直徑較大，抗磨效果較差。這主要是因?yàn)門203發(fā)揮了主要的抗磨作用，與其他添加劑復(fù)配后添加劑抗磨效果降低。如圖8所示，3種添加劑組合的pB值較為接近；T203和T307組合在4種基礎(chǔ)油中pB值接近，極壓性接近；T307和T203分別與T306配合后，pB值增大，表明T307和T203發(fā)揮了更大的極壓作用。謝鳳等人[10]指出：在較低的負(fù)荷下，T306和T203復(fù)配沒有明顯的減摩協(xié)同作用。復(fù)配后抗磨效果與添加劑相互競爭有較大關(guān)系，二者之間誰能更先與摩擦表面發(fā)生反應(yīng)形成保護(hù)膜，誰的抗磨方式和效果將更會(huì)體現(xiàn)出來。

圖7 4種基礎(chǔ)油添加不同添加劑后的磨斑直徑

圖8 4種基礎(chǔ)油添加不同添加劑后的pB值

3 結(jié)論

(1)考察3種添加劑單劑在4種不同組合基礎(chǔ)油中的性能，結(jié)果表明：T203、T307對礦物油的抗磨性能最優(yōu)，T306在不同基礎(chǔ)油中抗磨性能較相近；在極壓性能方面，T203、T306在全合成油中的極壓性感受性最優(yōu)，T307在4種基礎(chǔ)油中表現(xiàn)差別不大；在部分合成油中，合成油的比例對摩擦性能的影響有不同程度差異。

(2)3種添加劑雙劑配合時(shí)，與單劑相比，沒有明顯優(yōu)勢，雙劑對4種基礎(chǔ)油的抗磨性能改善不明顯。由于自動(dòng)變速器油的換油周期較長，在選定好合適的基礎(chǔ)油組合后，進(jìn)行添加劑與基礎(chǔ)油配伍的摩擦穩(wěn)定性試驗(yàn)是后期的研究重點(diǎn)，同時(shí)繼續(xù)降低添加劑加量，特別是S、P元素含量越低越好。