ZDDP與MoDTC在不同黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性能

王穩(wěn)，李國良，劉宏亮 ，潘峰

(1.西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123；2.陜西通用潤(rùn)滑科技有限公司，陜西 西安 710100)

在低磷、低灰分、低黏度發(fā)動(dòng)機(jī)油發(fā)展的要求下，二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)作為發(fā)動(dòng)機(jī)油的傳統(tǒng)抗磨添加劑的加量不斷降低，ZDDP在摩擦過程中分解出的元素在摩擦副表面生成FeS起到抗磨減磨作用[1-2].ZDDP加量的減少降低了潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑保護(hù)，需要其他低磷、低硫的添加劑配合使用.含鉬添加劑作為摩擦改進(jìn)劑在潤(rùn)滑油脂中與其他添加劑具有良好的協(xié)同效應(yīng)[3-4]，近年來在發(fā)動(dòng)機(jī)油中使用越來越多，特別是在低黏度條件下的減摩作用明顯[5-6].二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)摩擦改進(jìn)劑含有Mo、S和P功能元素，是1種能穩(wěn)定分散于潤(rùn)滑油中，兼具減摩抗磨、極壓、抗氧化性能的多效添加劑，可有效地降低油品的摩擦磨損，MoDTC在油品摩擦過程中形成金屬硫化物MoS2，起到減磨和修復(fù)表面的作用[7-11]，但是由于油品在摩擦表面形成的MoS2數(shù)量隨運(yùn)行時(shí)間不斷減少，并產(chǎn)生了大量的MoO3，使含有MoDTC的油品在使用一定時(shí)間后表現(xiàn)出較高摩擦和低磨損現(xiàn)象[12-14].MoDTC在礦物油中降低摩擦還取決于溫度和添加劑濃度，以及摩擦副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)類型和表面化學(xué)性質(zhì)等因素[15-16].在部分基礎(chǔ)油中，ZDDP和MoDTC添加劑的組合形成的低摩擦膜比僅由MoDTC形成的潤(rùn)滑膜更耐用，同時(shí)ZDDP的存在可增強(qiáng)MoDTC的分解，MoDTC與ZDDP有良好的協(xié)同增效作用，一般復(fù)配使用[17-18].由于發(fā)動(dòng)機(jī)油在高溫、高速、變負(fù)荷的條件下工作，ZDDP和MoDTC的復(fù)配體系在應(yīng)用過程中仍然存在一些問題，例如ZDDP和MoDTC與清凈劑復(fù)配不當(dāng)會(huì)造成沉淀，配方穩(wěn)定性下降[16]；MoDTC與ZDDP的復(fù)配比例也對(duì)減磨的持久性有較大影響，當(dāng)使用含MoDTC的油品潤(rùn)滑時(shí)，減小摩擦取決于接觸區(qū)形成的降低摩擦的MoS2與增加摩擦的MoO3的物質(zhì)比例，而該比例還取決于溫度和潤(rùn)滑劑中是否存在ZDDP[19]；在高邊界和低邊界摩擦條件下，含有MoDTC添加劑的低黏度5W-20油比5W-30和10W-40油具有更小的摩擦力.黏度作為潤(rùn)滑油的重要參數(shù)指標(biāo)，也是影響其摩擦磨損性能的重要因素[20-21].綜上所述，以ZDDP和MoDTC的復(fù)配體系在應(yīng)用過程中要考慮溫度、黏度、復(fù)配添加劑、基礎(chǔ)油類型、摩擦副運(yùn)行時(shí)間、摩擦副形式等影響因素，但潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油黏度對(duì)ZDDP與MoDTC體系抗磨性的影響研究較少，以ZDDP與MoDTC為抗磨主體的體系是否能夠在不同黏度等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)油中應(yīng)用需要進(jìn)一步探討.

本試驗(yàn)為了獲得以ZDDP與MoDTC復(fù)配所適用的發(fā)動(dòng)機(jī)油黏度范圍，將ZDDP、MoDTC、ZDDP與MoDTC的復(fù)配劑分別加入不同黏度的礦物基礎(chǔ)油中，進(jìn)行四球機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)，分析2種添加劑及其混合物在不同黏度基礎(chǔ)油中的減磨性能和變化規(guī)律，對(duì)比2種添加劑和黏度對(duì)抗磨性能的影響程度.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

基礎(chǔ)油為SAE J300-2015中機(jī)油黏度等級(jí)中非W系列，包括8、12、16、20、30、40、50、60的8個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度區(qū)間依次為：4.0～6.1、6.1～8.2、6.9～9.3、9.3～12.5、12.5～16.3、16.3～21.9、21.9～26.1 mm2/s.參考以上黏度區(qū)間，選擇了150N、250N、500N、500N 與150BS混合物、150BS 5種基礎(chǔ)油，基礎(chǔ)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度依次為5.10、7.72、 10.56 mm2/s，500N與150BS調(diào)和出13.0 mm2/s，150BS為31.0 mm2/s，其中150N、250N、500N為韓國雙龍生產(chǎn)，150BS為中石油克拉瑪依生產(chǎn).

添加劑為ZDDP(新鄉(xiāng)瑞豐新材料有限公司生產(chǎn))和MoDTC(日本艾迪科上海貿(mào)易有限公司提供).

1.2 試驗(yàn)方法

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?jí)標(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WSD為指標(biāo)對(duì)減磨性能進(jìn)行評(píng)定.磨斑直徑WSD采用SH/T0189-2017試驗(yàn)方法，以392 N的載荷，在主軸轉(zhuǎn)速為(1 200±50)r/min的條件下，在室溫下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間30 min，以3個(gè)鋼球6次測(cè)量的磨斑直徑計(jì)算平均值.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ZDDP、MoDTC在不同黏度基礎(chǔ)油中摩擦學(xué)性能對(duì)比

圖1所示為ZDDP在不同黏度基礎(chǔ)油中抗磨性.當(dāng)含0.3%ZDDP時(shí)，在幾種基礎(chǔ)油中磨斑直徑最小的是500N與150BS的混合油，為0.43 mm，最高的是250N，為0.66 mm.從250N到500N與150BS的混合油，隨著黏度增大，磨斑直徑逐漸減??；含0.6%ZDDP的基礎(chǔ)油為150N時(shí)磨斑直徑較大，為0.59 mm，隨著基礎(chǔ)油變化及黏度的提高，磨斑直徑不斷減小，500N與150BS混合油中減小至0.40 mm，下降32.3%，在150BS中的磨斑直徑與500N與150BS的混合油相近，黏度的較大增加并未影響抗磨性.當(dāng)ZDDP加量達(dá)到0.9%時(shí)，油品磨斑直徑整體較ZDDP含量較低時(shí)更小，隨著黏度增大，磨斑直徑越小，在ZDDP較高加量下，較高的黏度抗磨作用更好，但是在黏度較高的150BS中，磨斑直徑較其他基礎(chǔ)油下降不明顯.當(dāng)ZDDP加量達(dá)到1.2%時(shí)，其變化趨勢(shì)與含0.9%ZDDP相近，磨斑直徑隨黏度增大而減小，黏度較高時(shí)磨斑直徑下降不大.ZDDP的4種加量時(shí)的抗磨性相比較，隨著加量的增大，同一黏度基礎(chǔ)油的磨斑直徑變化不明顯，添加劑加量變化較基礎(chǔ)油黏度變化對(duì)抗磨性的影響要小.

圖1 ZDDP在不同黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性Figure 1 Wear resistance of ZDDP in different viscosity base oils

圖2所示為MoDTC在不同黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性.當(dāng)MoDTC加量為0.1%時(shí)，MoDTC在幾種基礎(chǔ)油中的磨斑直徑變化無明顯的規(guī)律性，500N與150BS混合油中對(duì)應(yīng)的磨斑直徑最大，為0.77 mm，在150BS中的磨斑直徑最小，為0.54 mm；當(dāng)MoDTC加量為0.3%時(shí)，從150N到500N，磨斑直徑逐漸減小，500N與150BS混合油中又增大，趨勢(shì)不明顯；當(dāng)MoDTC加量為0.5%時(shí)，MoDTC在150N基礎(chǔ)油中的磨斑直徑最大，達(dá)到0.97 mm，從250N基礎(chǔ)油開始隨著黏度增大，磨斑直徑也不斷增加；當(dāng)MoDTC加量為0.7%時(shí)，磨斑直徑整體下降，在500N基礎(chǔ)油中的磨斑直徑下降至0.41 mm，隨后隨基礎(chǔ)油黏度增大，模板直徑有所上升.不同加量的MoDTC相比較，在250N、500N、500N與150BS混合油3種基礎(chǔ)油中，隨著MoDTC加量增大，磨斑直徑減小，而在較低黏度150N和較高黏度150BS中，MoDTC加量越大，磨斑直徑越大，在2種黏度下MoDTC在摩擦表面的的成膜能力受到影響.

圖2 MoDTC在不同黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性Figure 2 Wear resistance of MoDTC in different viscosity base oils

與ZDDP相比，MoDTC相應(yīng)的抗磨性能較差，油品磨斑直徑整體較大，ZDDP在基礎(chǔ)油黏度增加時(shí)磨斑直徑減小，但MoDTC在基礎(chǔ)油黏度增加時(shí)磨斑直徑大小變化趨勢(shì)不明顯，黏度對(duì)MoDTC的減磨性影響不顯著，但含有MoDTC的基礎(chǔ)油如150N雖然磨斑直徑較大，但在四球試驗(yàn)中未發(fā)生卡咬，說明含有MoDTC的基礎(chǔ)油潤(rùn)滑的鋼球表面平滑，摩擦副仍能在該條件下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng).

2.2 ZDDP與MoDTC復(fù)配在不同黏度基礎(chǔ)油中摩擦學(xué)性能對(duì)比

圖3所示為ZDDP與MoDTC復(fù)配在不同黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性.當(dāng)2種添加劑復(fù)配后的總加量為1.0%，ZDDP與MoDTC按照3種比例復(fù)配，比例分別為3∶1，1∶1和1∶3.結(jié)果表明，3種比例復(fù)配劑的四球試驗(yàn)結(jié)果變化不明顯，復(fù)配劑在不同黏度基礎(chǔ)油中減磨效果區(qū)分性不大，較為相似；隨著黏度增大，含復(fù)配劑基礎(chǔ)油的磨斑直徑變化也不明顯，但兩劑復(fù)配后的磨斑直徑大小與ZDDP單劑相比，有所減小，特別是在150N、250N低黏度基礎(chǔ)油中磨斑直徑減小明顯，在150BS中也有所減小；復(fù)配劑與MoDTC單劑相比，磨斑直徑減小明顯，說明兩劑配合較單劑具有更佳的減磨效果，兩劑有一定的協(xié)同增效作用，黏度的變化和復(fù)配劑的配合比例對(duì)基礎(chǔ)油的抗磨性影響不明顯.

2.3 ZDDP、MoDTC和油品黏度對(duì)抗磨性的影響

為了分析ZDDP、MoDTC、油品黏度3個(gè)因素對(duì)磨斑直徑的影響程度大小，將ZDDP、MoDTC、油品黏度作為3個(gè)因素，按照L9(33)正交表設(shè)計(jì)了正交表頭(表1)和試驗(yàn)方案(表2)，用四球機(jī)在同樣條件下測(cè)定磨斑直徑的變化.

圖3 ZDDP與MoDTC在不同黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性Figure 3 Wear resistance of ZDDP and MoDTC in different viscosity base oils

表1 正交試驗(yàn)表頭

由表2可知，3種因素的影響顯著程度依次為不同黏度基礎(chǔ)油> MoDTC > ZDDP，但從極差大小來看，與水平均值相比，極差值均比較小.在3因素中，MoDTC與ZDDP共同存在時(shí)兩劑對(duì)于磨斑直徑的影響區(qū)分不大.

表2 L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3 討論

油品配方中添加劑的篩選與相應(yīng)的基礎(chǔ)油要相互匹配，ZDDP與MoDTC雙劑配合是目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油配方發(fā)展的重要選擇，選擇好合適黏度的基礎(chǔ)油是發(fā)揮ZDDP與MoDTC復(fù)配作用的重要影響因素.本研究將ZDDP、MoDTC、ZDDP與MoDTC的復(fù)配作為3種情況，分別加入不同黏度基礎(chǔ)油中，確定了單劑、雙劑在不同黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性的變化，并用正交法探討了添加劑加量和基礎(chǔ)油黏度對(duì)抗磨性的影響程度.單獨(dú)加入ZDDP時(shí)，其中的硫、磷元素在鋼球表面生成減摩層起到抗磨作用，較低加量的ZDDP就可以起到較好的作用，所以ZDDP加量增加并未明顯提高基礎(chǔ)油抗磨性；而MoDTC主要在表面生成MoS2起到表面修復(fù)并降低摩擦系數(shù)的作用，并且MoDTC加量越大，表面生成MoS2含量越多，其抗磨性整體有所提高，但其抗磨作用要低于ZDDP；ZDDP與MoDTC復(fù)配后有抗磨增效作用，兩劑在表面形成的耐磨層要比單劑的更耐用；雙劑在較低黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性較單劑明顯提高，因?yàn)榈宛ざ认碌挠湍ず穸燃坝湍さ奈侥芰档?，添加劑起主?dǎo)抗磨作用，而黏度增大時(shí)，油膜厚度增加及吸附能力提高，潤(rùn)滑油黏度對(duì)抗磨性影響提高；添加比例對(duì)抗磨性影響不大，一般認(rèn)為所選的含量下ZDDP與MoDTC配合能夠生成足夠的抗磨、減摩物質(zhì)，增加添加劑并不能在表面獲得競(jìng)爭(zhēng)吸附優(yōu)勢(shì).由于兩劑比例變化對(duì)抗磨性影響不大，添加劑加量變化對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果影響也不明顯.本研究?jī)H討論了添加劑在不同黏度基礎(chǔ)油中的抗磨性，若要在發(fā)動(dòng)機(jī)油配方中使用該劑，還應(yīng)研究其他基礎(chǔ)油、添加劑、工況條件對(duì)兩劑的影響，以獲得更佳的配方和應(yīng)用條件.

4 結(jié)論

1) ZDDP加量一定時(shí)，隨著基礎(chǔ)油黏度增大，磨斑直徑總體減小，較高的黏度能夠提供更好的減磨作用，但ZDDP在150BS中的磨斑直徑較其他基礎(chǔ)油下降不明顯；隨著ZDDP加量的增大，同一黏度基礎(chǔ)油的磨斑直徑變化不明顯，但在150BS中，ZDDP加量增加可明顯提高減磨性，可見ZDDP對(duì)150BS感受性較好.

2) MoDTC加量一定時(shí)，抗磨性隨黏度變化不明顯；隨著MoDTC加量增大，MoDTC在250N、500N、500N與150BS混合油幾種基礎(chǔ)油中的磨斑直徑減小，而在較低黏度150N和較高黏度150BS中，MoDTC加量越大，磨斑直徑越大，在2種黏度下MoDTC在摩擦表面的的成膜能力受到影響.

3) ZDDP與MoDTC在定比例復(fù)配下，隨著黏度增大，復(fù)配劑對(duì)應(yīng)的磨斑直徑變化也不明顯，抗磨性區(qū)分性不大，但兩劑復(fù)配后具有一定的協(xié)同增效作用.

4) 正交試驗(yàn)表明在所選因素及水平下，MoDTC、ZDDP、基礎(chǔ)油3種因素的變化對(duì)磨斑直徑的影響較小，其中影響較為顯著的是基礎(chǔ)油.