磷硼化無灰分散劑的性能研究

黃 卿 張 荷 劉智峰 李小剛 周 康

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心 甘肅蘭州 730060)

隨著油品規(guī)格提升，油品對金屬含量的要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的抗磨型添加劑二烷基二硫代磷酸鋅的使用受到了越來越嚴(yán)格的限制[1]。不含金屬的無灰型抗磨添加劑受到了越來越多的關(guān)注和研究[2-5]。在無灰分散劑分子結(jié)構(gòu)中接入磷、硼、硫等元素，可以提高其抗磨性能，并保持無灰分散劑的油泥分散性能，成為無灰分散劑一個(gè)重要的研究方向[6-9]。

潤滑油常用的無灰分散劑為T151、T161等聚異丁烯丁二酰亞胺類產(chǎn)品，這些無灰分散劑雖然具有較好的油泥分散性，但用于調(diào)和自動(dòng)傳動(dòng)液時(shí)，表現(xiàn)出摩擦特性持久性不強(qiáng)的問題。汽車在換擋過程中，離合器片的速度從零逐漸增大，為了能夠平穩(wěn)地操作，傳動(dòng)液需要有穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，以保證離合器能夠平穩(wěn)傳遞動(dòng)力。這要求油品的靜摩擦因數(shù)相對較低，動(dòng)摩擦因數(shù)能夠穩(wěn)定。動(dòng)摩擦因數(shù)過大會(huì)增加磨損，過低將影響動(dòng)力的傳遞。傳動(dòng)液在工作時(shí)壓力較大，磨合時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，長時(shí)間工作后會(huì)產(chǎn)生酸性氧化物質(zhì)，因此自動(dòng)傳動(dòng)液也需要較好的清凈分散性能、極壓性能和抗磨減摩性能[10-11]。

本文作者以低分子聚異丁烯馬來酸酐、多烯多胺、硼酸和磷化物為原料，研制出一種磷硼化無灰分散劑。通過模擬評價(jià)和SAE No.2試驗(yàn)評定，表明該劑不僅具有良好的低溫油泥分散性，還具有較好的高溫清凈性、極壓性能、抗磨損性能、減摩性能和防抖動(dòng)性能，能有效改善油品的動(dòng)靜摩擦特性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 磷硼化無灰分散劑的制備

在反應(yīng)釜中加入基礎(chǔ)油和低分子聚異丁烯馬來酸酐，開泵攪拌，升溫到100 ℃，加入多烯多胺，反應(yīng)0.5 h后，升溫到150 ℃，反應(yīng)2 h，得到聚異丁烯丁二酰亞胺；再加入硼酸和磷化物，升溫到160 ℃反應(yīng)5 h，過濾后得到磷硼化無灰分散劑。磷硼化無灰分散的代號為RHY151PB，其主要性能見表1。表1中同時(shí)給出了對比無灰分散劑T151和T161的主要性能。

表1 分散劑的主要性質(zhì)

1.2 無灰分散劑性能評定

1.2.1 低溫油泥分散性能評定

分散劑的油泥分散能力通常用油泥斑點(diǎn)分散值SDT表征[12]。具體試驗(yàn)方法如下：將1 g無灰分散劑、9 g油泥和10 g基礎(chǔ)油一起放入50 mL燒杯中，在150 ℃恒溫加熱攪拌1.5 h；趁熱取一滴上述試驗(yàn)油滴于濾紙上，放入烘箱恒溫80 ℃下保持2 h，測量擴(kuò)散圈與油圈的比值(SDT)。

1.2.2 高溫清凈性評定

使用L-1型板式成焦傾向試驗(yàn)儀評價(jià)試驗(yàn)油高溫清凈性[13]。具體試驗(yàn)方法：將試驗(yàn)油加熱到100 ℃，通過高速轉(zhuǎn)動(dòng)的濺油器把油濺到300 ℃的試驗(yàn)鋁板上，運(yùn)行2 h后，稱量試驗(yàn)油樣在鋁板上的成焦量來評價(jià)高溫清凈性。成焦量越小，高溫清凈性越好。

1.2.3 極壓性能評定

采用GB/T 3142—2019《潤滑劑承載能力測定法 四球法》評價(jià)試驗(yàn)油極壓性能。試驗(yàn)可以評定出最大無卡咬負(fù)荷pB值，該值為在試驗(yàn)條件下不發(fā)生卡咬的最高負(fù)荷，它代表油膜強(qiáng)度；也可以評定出燒結(jié)負(fù)荷pD值，該值為在試驗(yàn)條件下使鋼球發(fā)生燒結(jié)的最低負(fù)荷，它代表潤滑劑的極限工作能力。

1.2.4 抗磨損性能評定

采用NB/SH/T 0189—2017《潤滑油抗磨損性能測定法 四球法》評價(jià)試驗(yàn)油抗磨損性能。試驗(yàn)可以得到試驗(yàn)油潤滑下的鋼球磨痕直徑，磨痕直徑越小表示試驗(yàn)油抗磨損性能越好。

1.2.5 減摩性能評定

使用SRV試驗(yàn)機(jī)考察不同頻率下試驗(yàn)油的減摩性能。試驗(yàn)方法：在試驗(yàn)盤上注入待測的試驗(yàn)油，在100 N的負(fù)荷，50 ℃的條件下，使試驗(yàn)柱在一個(gè)固定的試驗(yàn)盤上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測量不同頻率下的摩擦因數(shù)[14]。

1.2.6 防抖動(dòng)性能評定

參考日本JASO M349方法，將離合器摩擦試驗(yàn)機(jī)(TE92M)的摩擦片浸沒在試驗(yàn)油中(30±5)min，然后將摩擦片安裝在主軸上；將鋼片安裝在試驗(yàn)油容器里，向試驗(yàn)油容器中加150 mL試驗(yàn)油，安裝鋼片的試驗(yàn)油容器壓在摩擦片上。完成磨合操作后，將試驗(yàn)油維持在120 ℃，試驗(yàn)載荷在2 060 N，連續(xù)地以0～1.5 m/s的速度加速旋轉(zhuǎn)摩擦片并采集數(shù)據(jù)，得到摩擦因數(shù)。試驗(yàn)油的摩擦因數(shù)越穩(wěn)定，表明其防抖動(dòng)性能越好[15]。

1.2.7 摩擦特性評定

采用SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)，使用DEXRON?Ⅳ片式試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)[10]。試驗(yàn)時(shí)間為200 h。停止時(shí)間、中點(diǎn)扭矩、最大扭矩、最大扭矩與中點(diǎn)扭矩的差值及嚙合能量均在規(guī)定范圍內(nèi)為通過。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫油泥分散性能和高溫清凈性評定

分散劑要求能有效地分散油品中的漆膜、積碳和油泥，油泥分散性是衡量無灰分散劑分散能力主要指標(biāo)，SDT值越大，表明分散劑的分散性越好。將不同的分散劑進(jìn)行低溫油泥分散性能和高溫清凈性評定，結(jié)果見表2。

表2 低溫油泥分散性能和高溫清凈性評定結(jié)果

從表2可見，RHY151PB的低溫油泥分散性與T151相當(dāng)，優(yōu)于T161；RHY151B的成焦量明顯低于T151和T161的成焦量，高溫清凈性優(yōu)異。

2.2 抗磨損性能和極壓性能評定

機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生磨損，油品需要較好的抗磨損性能，以延長機(jī)械的使用壽命。油品在苛刻工況下會(huì)出現(xiàn)油膜破裂甚至燒結(jié)，也需要較好的極壓性能。將不同的分散劑以質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%加入到基礎(chǔ)油Yubase6中，進(jìn)行抗磨損和極壓性能評定，結(jié)果見表3。

表3 抗磨損性能和極壓性能評定結(jié)果

從表3可見，RHY151B的磨斑直徑與T151和T161相比最小，即其抗磨損性能最好；RHY151B具有更高的pB值和pD值，即其極壓性能最好。

2.3 減摩性能評定

降低油品的摩擦因數(shù)有利于節(jié)能，將不同的分散劑以質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%加入到基礎(chǔ)油Yubase6中，考察摩擦因數(shù)隨頻率的變化，結(jié)果見圖1?？梢姡琑HY151B的摩擦因數(shù)相對較小，減摩性能相對較好。

圖1 不同添加劑摩擦因數(shù)隨頻率的變化

2.4 防抖動(dòng)性能評定

近年來自動(dòng)傳動(dòng)液的技術(shù)開發(fā)主要是提高液力變矩器滑動(dòng)閉鎖狀態(tài)下的摩擦抖動(dòng)控制性能，提高自動(dòng)傳動(dòng)液使用壽命及保持金屬間摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性[15]。將不同的分散劑以質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%加入到基礎(chǔ)油Yubase6中，進(jìn)行防抖動(dòng)性能評定，結(jié)果見圖2?？梢姡S轉(zhuǎn)速增加，T151和T161的摩擦因數(shù)下降速度較快，而RHY151PB的摩擦因數(shù)相對比較穩(wěn)定。

圖 2 不同添加劑摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化

2.5 摩擦特性評定

摩擦特性是自動(dòng)傳動(dòng)液最為重要的性能，是換擋感覺、動(dòng)力矩負(fù)荷和摩擦耐久性的綜合平衡特性。目前評價(jià)潤滑油摩擦特性的設(shè)備為SAE NO.2試驗(yàn)機(jī)。使用磷硼化無灰分散劑調(diào)和成自動(dòng)傳動(dòng)液，按照通用公司DEXRON?VI 片式試驗(yàn)方法進(jìn)行評定。方法要求，停止時(shí)間：0.85 s≤ts≤1.05 s，中點(diǎn)扭矩：80 N·m≤Tmid≤105 N·m，最大扭矩Tmax>90 N·m，最大扭矩與中點(diǎn)扭矩的差值ΔT<30 N·m，嚙合能量：15.4 kJ≤Es≤16.0 kJ。試驗(yàn)結(jié)果見圖3—7，圖中的水平實(shí)線為限值。

從圖3—7可見，使用磷硼化無灰分散劑調(diào)和的自動(dòng)傳動(dòng)液通過了SAE NO.2試驗(yàn)，并表現(xiàn)出良好的運(yùn)行趨勢。

圖 6 最大扭矩與中點(diǎn)扭矩差值ΔT隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

圖 7 嚙合能量隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

3 結(jié)論

以低分子聚異丁烯馬來酸酐、多烯多胺、硼酸和磷化物為原料，合成一種磷硼化無灰分散劑。模擬評定和SAE No.2試驗(yàn)結(jié)果表明，磷硼化無灰分散劑不僅具有良好的低溫油泥分散性，還具有較好的高溫清凈性、極壓性能、抗磨損性能、減摩性能、防抖動(dòng)性能和良好摩擦特性，能有效地解決自動(dòng)傳動(dòng)液摩擦耐久性的問題，對于高級別自動(dòng)傳動(dòng)液配方研究具有積極意義。