金屬對(duì)酯類航空潤(rùn)滑油高溫氧化作用影響研究

費(fèi)逸偉，郭忠烈，姜旭峰，彭顯才

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空軍需與燃料系，江蘇 徐州 221000；2.95788部隊(duì)，四川 成都 610041)

0 引言

良好的潤(rùn)滑條件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提。航空潤(rùn)滑油不僅是航空發(fā)動(dòng)機(jī)降低磨損、減小摩擦的主要手段，還具有保護(hù)機(jī)械不受腐蝕、吸收機(jī)械沖擊力、冷卻摩擦表面等作用[1-2]，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的一部分?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑部位溫度越來越高[3]，要求航空潤(rùn)滑油具有良好的高溫氧化安定性[4-5]，同時(shí)，航空潤(rùn)滑油在使用時(shí)與潤(rùn)滑系統(tǒng)中含F(xiàn)e、Cu、Al、Cr、Mo等金屬部件接觸，研究表明[6-8]金屬Cu、Fe等在高溫下對(duì)航空潤(rùn)滑油氧化具有顯著的催化作用。

酯類油是廣泛應(yīng)用的合成航空潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，其具有極性的酯鍵結(jié)構(gòu)使得酯類油具有良好的熱氧化安定性、極佳的潤(rùn)滑性能、對(duì)極性物質(zhì)良好的溶解性和較低的揮發(fā)性，優(yōu)良的綜合性能使得酯類油已經(jīng)成為航空潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的主要種類之一[9]。俄羅斯BHИИHΠ50-l-4Ф(以下簡(jiǎn)稱50-1-4Ф)航空潤(rùn)滑油是酯類航空潤(rùn)滑油的代表，以癸二酸二異辛酯(DIOS)作為基礎(chǔ)油，同抗氧劑(N-苯基-1-萘胺)、抗磨劑(磷酸三(鄰)甲酚酯)調(diào)合而成，具有優(yōu)良的綜合性能，是我國(guó)大量進(jìn)口的航空潤(rùn)滑油品種之一。

本次研究以50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油為試驗(yàn)對(duì)象，利用高溫反應(yīng)釜模擬航空潤(rùn)滑油的高溫氧化過程，以銅片和鐵片作為催化劑，通過分析油樣氧化前后黏度、酸值、傾點(diǎn)的變化，研究金屬片數(shù)量和種類對(duì)酯類航空潤(rùn)滑油高溫氧化作用的影響，為航空潤(rùn)滑油的使用和改進(jìn)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品與儀器

試驗(yàn)用油為50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油，主要理化指標(biāo)如表1所示；試驗(yàn)銅、鐵片規(guī)格為25 mm×25 mm×3 mm(參考相關(guān)腐蝕性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))；試驗(yàn)儀器有煙臺(tái)松林化工有限公司KCFD05-30型高溫高壓反應(yīng)釜，容積500 mL，加熱功率2 kW，磁力攪拌轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速1200 r/min，釜內(nèi)最高溫度450 ℃，最大承壓45 MPa；大連凱博儀器有限公司DKY-301B型石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀；北京晟欣成科技有限公司SQ-600型全自動(dòng)電位滴定儀；大連凱博儀器有限公司DKY-103A型傾點(diǎn)測(cè)定儀。

表1 試驗(yàn)油主要理化指標(biāo)

1.2 高溫氧化試驗(yàn)方法

結(jié)合50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油的實(shí)際使用情況，同時(shí)為了便于研究，設(shè)置5個(gè)系列試驗(yàn)，分別為不含金屬、含1片銅(用Cu1表示)、含2片銅(用Cu2表示)、含1片鐵(用Fe1表示)、含2片鐵(用Fe2表示)和同時(shí)含有1片銅和鐵(用Cu1+Fe1表示)系列，每個(gè)系列進(jìn)行5次高溫氧化模擬試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)溫度分別為180 ℃、200 ℃、230 ℃、250 ℃、300 ℃。每次試驗(yàn)將200 mL油樣放入反應(yīng)釜中，放入打磨處理的試驗(yàn)金屬片，迅速升溫至對(duì)應(yīng)的氧化溫度，在800 r/min攪拌轉(zhuǎn)速下氧化反應(yīng)2 h，試驗(yàn)結(jié)束后冷卻油樣，取出待用。

1.3 黏度測(cè)試方法

按照GB/T 265-1998(2004)石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法測(cè)定各油樣40 ℃和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度。

1.4 酸值測(cè)定方法

按照GB/T 7304-2014石油產(chǎn)品和潤(rùn)滑劑酸值測(cè)定法(電位滴定法)測(cè)定各試驗(yàn)油樣的酸值。

1.5 傾點(diǎn)測(cè)定方法

按照GB/T 3535- 2006石油產(chǎn)品傾點(diǎn)測(cè)定法測(cè)定各試驗(yàn)油樣的傾點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度變化分析

潤(rùn)滑油的黏度對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、潤(rùn)滑效果、運(yùn)行效率都直接相關(guān)[10]，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，測(cè)得50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油原油樣和各試驗(yàn)油樣40 ℃黏度和100 ℃黏度，其中原油樣40 ℃黏度為11.47 mm2/s，100 ℃黏度為3.1 mm2/s，各系列試驗(yàn)油樣黏度及其隨氧化溫度變化趨勢(shì)如圖1、圖2所示。高溫氧化作用使得試驗(yàn)油樣黏度相比原油樣有所降低，各油樣40 ℃黏度和100 ℃黏度相比原油樣黏度的降低百分比見表2。

圖1 油樣40 ℃黏度變化趨勢(shì)

表2 試驗(yàn)油樣黏度衰減百分比

各油樣在高溫氧化反應(yīng)之后出現(xiàn)黏度衰變，從圖1、圖2可以看出，各系列油樣黏度隨氧化溫度變化趨勢(shì)相似，氧化溫度越高，油樣黏度衰變?cè)矫黠@，且各油樣黏度在230～250 ℃之間變化最為劇烈，考慮50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油開始劇烈氧化溫度在230～250 ℃之間。總體上看，經(jīng)過高溫氧化各系列油樣黏度關(guān)系為Cu1+Fe1

酯類航空潤(rùn)滑油在氧化過程中長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)斷裂[11-12]，生成較多的小分子單酯、雙酯、酮、醚、酸等物質(zhì)[13]，這可能是潤(rùn)滑油黏度降低的原因。

2.2 酸值變化分析

潤(rùn)滑油酸值與其腐蝕性息息相關(guān)，各油樣酸值測(cè)定結(jié)果及其隨氧化溫度變化關(guān)系如圖3所示，原50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油酸值測(cè)定結(jié)果為0.04 mgKOH/g，各試驗(yàn)油樣酸值與原油樣酸值比值如表3所示。

圖3 油樣酸值變化趨勢(shì)

表3 各油樣酸值與原油樣酸值比值

經(jīng)過高溫氧化反應(yīng)，油樣酸值有明顯變化，且在氧化溫度230℃以后油樣酸值變化尤為劇烈。在同一氧化溫度下，各組油樣的酸值關(guān)系為Cu1+Fe1>Fe2>Fe1>Cu2>Cu1>不含金屬，但同時(shí)也看到，F(xiàn)e2與Fe1之間，Cu2與Cu1之間差異不明顯，說明在該試驗(yàn)范圍內(nèi)，金屬片數(shù)量對(duì)酸值幾乎沒有影響。從表3也可看出高溫氧化作用對(duì)油樣酸值影響劇烈，在180 ℃下氧化2 h，不含金屬油樣酸值已經(jīng)變?yōu)樵瓉淼乃嶂档?.3倍，Cu1和Cu2油樣酸值分別變?yōu)樵瓉淼?.5倍和7.8倍，F(xiàn)e1和Fe2油樣酸值分別為原來的21.8倍和22.3倍，而Cu1+Fe1油樣酸值達(dá)到原來酸值的30.3倍，氧化溫度越高，酸值變化越大，當(dāng)氧化溫度達(dá)到300 ℃，不含金屬油樣酸值達(dá)到了原來酸值的112.0倍，而Cu1、Cu2、Fe1、Fe2和Cu1+Fe1組油樣酸值分別達(dá)到了原來酸值的150.8倍、152.0倍、201.3倍、204.3倍和227.0倍，其腐蝕性顯著增加。酯類油在氧化過程中產(chǎn)生的含氧酸性化合物導(dǎo)致了油樣酸值急劇增加[14]。

2.3 傾點(diǎn)變化分析

傾點(diǎn)是潤(rùn)滑油低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油原油樣傾點(diǎn)測(cè)定值為-77 ℃，各試驗(yàn)油樣的傾點(diǎn)值如表4所示。

表4 各油樣傾點(diǎn)

當(dāng)氧化溫度不高于200 ℃，各組油樣傾點(diǎn)無明顯變化，氧化溫度升高，傾點(diǎn)逐漸上升，氧化溫度上升到300 ℃時(shí)，無金屬油樣傾點(diǎn)上升4 ℃，Cu1、Cu2、Fe1、Fe2油樣傾點(diǎn)都上升了5 ℃，而Cu1+Fe1油樣傾點(diǎn)上升8 ℃，也說明了Fe和Cu有協(xié)同催化作用。對(duì)比Cu1和Cu2系列、Fe1和Fe2系列油樣傾點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，說明在該試驗(yàn)條件下，金屬數(shù)量對(duì)傾點(diǎn)沒有影響。潤(rùn)滑油分子支鏈過多會(huì)使油品傾點(diǎn)升高[15]，氧化過程分子支鏈化可能是造成油樣傾點(diǎn)升高的原因。

3 結(jié)論

(1)高溫氧化作用使得航空潤(rùn)滑油黏度下降，酸值增大，傾點(diǎn)升高。氧化溫度230～250 ℃之間黏度變化最劇烈，且低溫黏度變化大于高溫黏度變化；酸值變化最為明顯，可達(dá)到原來酸值的數(shù)百倍；氧化溫度不高于200 ℃時(shí)，傾點(diǎn)影響較小。

(2)金屬Fe和Cu具有明顯的催化作用，使得各項(xiàng)指標(biāo)變化更加劇烈。鐵片對(duì)該酯類航空潤(rùn)滑油的催化作用強(qiáng)于銅片，鐵片、銅片共存時(shí)催化效果更加明顯，具有協(xié)同催化作用。在該試驗(yàn)條件下，增加金屬片的數(shù)量，對(duì)試驗(yàn)油樣的黏度有一定影響，對(duì)酸值、傾點(diǎn)幾乎沒有影響。