更高極壓性能的L-CKD 工業(yè)齒輪油的研發(fā)

喬琦 周婷

中海油氣（泰州）石化有限公司

為滿(mǎn)足應(yīng)力過(guò)大的動(dòng)力傳動(dòng)齒輪的潤(rùn)滑需求，本文通過(guò)對(duì)硫/磷極壓抗磨劑的性能考察和復(fù)配篩選，并加入摩擦改進(jìn)劑，輔以其他類(lèi)型添加劑，開(kāi)發(fā)了具有優(yōu)異極壓抗磨性能的L-CKD220/320工業(yè)齒輪油。研發(fā)產(chǎn)品與市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品性能基本相當(dāng)，且梯姆肯OK 值更優(yōu)（達(dá)334 N），已應(yīng)用于水泥、鋼鐵行業(yè)的減速機(jī)等設(shè)備的潤(rùn)滑。

極壓劑、抗磨劑、摩擦改進(jìn)劑為齒輪油的主劑，近幾年，用戶(hù)對(duì)齒輪油的使用性能提出了更高的要求，主要是提高齒輪油的耐久性，即在不影響極壓劑、抗磨劑、摩擦改進(jìn)劑的極壓、抗磨和減摩性能的前提下，提高耐久性。極壓抗磨劑是為了防止磨損燒結(jié)而在潤(rùn)滑油中使用的一種添加劑，在齒輪油中發(fā)揮重要的作用[1～3]。主要包括含硫極壓抗磨劑、磷系極壓抗磨劑、氯系極壓抗磨劑以及金屬極壓抗磨劑。硫-磷型極壓抗磨劑在齒輪油中被廣泛使用，通常認(rèn)為硫-磷型齒輪油中的硫元素是提高油品極壓抗磨性的關(guān)鍵[4～6]。含硫極壓劑可以與摩擦副的金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化鐵或硫化亞鐵，從而不使金屬表面擦傷、膠合、燒結(jié)。含磷化合物則通過(guò)物理吸附或化學(xué)反應(yīng)生成磷酸鐵膜，起到抗磨作用[7～8]。含硫極壓抗磨劑包括硫化油脂、硫化烯烴、多硫化物等，其中使用最多的是硫化異丁烯（SIB），它是含硫極壓抗磨劑中最大的一類(lèi)產(chǎn)品。含磷極壓抗磨劑有亞磷酸酯、磷酸酯、酸性磷酸酯胺鹽（PN 劑）、硫代磷酸酯（SPN）等[9]。

極壓齒輪油通常需要達(dá)到美國(guó)鋼鐵公司224#規(guī)格，此規(guī)格要求的工業(yè)齒輪油梯姆肯OK 值不低于267 N(60 lb)。國(guó)內(nèi)外資料顯示，高負(fù)荷、超載狀態(tài)下運(yùn)行的齒輪箱對(duì)工業(yè)齒輪油的極壓承載能力提出了更高的要求，規(guī)定該類(lèi)油品的梯姆肯OK 值不低于334 N(75 lb)，普通工業(yè)閉式齒輪油L-CKD 系列產(chǎn)品無(wú)法滿(mǎn)足部分特高載荷下的設(shè)備用油需求。針對(duì)設(shè)備對(duì)潤(rùn)滑油高極壓承載能力的要求，提高工業(yè)齒輪油的梯姆肯OK 值可以更好的滿(mǎn)足高承載齒輪擦傷和膠合的問(wèn)題。

為滿(mǎn)足應(yīng)力過(guò)大的動(dòng)力傳動(dòng)齒輪的用油需求，本文考察了不同類(lèi)型極壓抗磨劑對(duì)工業(yè)齒輪油的抗磨和極壓性能的影響，通過(guò)不同類(lèi)型的極壓抗磨劑的篩選及復(fù)配，以梯姆肯OK 值、燒結(jié)負(fù)荷PD考察其極壓性能的差異，篩選出適宜的極壓補(bǔ)強(qiáng)配方，最終開(kāi)發(fā)出梯姆肯OK 值達(dá)到334 N[高于GB 5903—2011 要求的267 N，且高于市場(chǎng)某同類(lèi)產(chǎn)品的性能表現(xiàn)（312 N）]的極壓性能良好的齒輪油，同時(shí)產(chǎn)品的其他性能指標(biāo)均能符合GB 5903—2011 要求。

供圖/喬琦

配方研究

含硫添加劑考察

硫化烯烴極壓劑具有優(yōu)良極壓性能，在高速?zèng)_擊作用下能有效防止齒面損傷，在齒輪油中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調(diào)配，余量）中分別加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.4%～3.2%）的含硫功能劑硫化異丁烯S1、有機(jī)硫化物S2（低氣味），采用梯姆肯OK 值（GB/T 11144，下文皆同）和燒結(jié)負(fù)荷PD（GB/T 3142，下文皆同）評(píng)價(jià)其極壓性能。2 種劑的理化性質(zhì)見(jiàn)表1，測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2 所示。

表1 S1/S2基礎(chǔ)理化性質(zhì)

由圖1、圖2 可以看出，與未添加極壓抗磨劑的基礎(chǔ)油(梯姆肯OK 值123 N，燒結(jié)負(fù)荷PD1 580 N)相比，添加劑極壓抗磨劑后，油品的梯姆肯OK 值均大幅度增大。因此， S1 對(duì)油品極壓性能的改善優(yōu)于S2。

圖1 添加含硫添加劑后油品梯姆肯OK值對(duì)比

圖2 添加含硫添加劑后油品燒結(jié)負(fù)荷PD 對(duì)比

含硫磷氮抗磨劑考察

含硫磷氮抗磨劑具有良好抗磨和承載性能，在高扭矩苛刻運(yùn)轉(zhuǎn)條件下能防止齒面磨損、點(diǎn)蝕和剝落，在齒輪油中同樣得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)含硫磷氮抗磨劑的結(jié)構(gòu)類(lèi)型大體可分為亞磷酸酯、磷酸酯及其胺鹽、硫代磷酸酯及其胺鹽、硫磷酸復(fù)酯胺鹽等。本文在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調(diào)配，余量）中分別加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.10%～0.40%）的2 種含硫磷氮抗磨劑P1、P2，采用磨斑直徑（NB/SH/T 0189，下文皆同）評(píng)價(jià)抗磨性，采用梯姆肯OK 值（GB/T 11144，下文皆同）、燒結(jié)負(fù)荷PD、 綜 合 磨 損 指 數(shù)ZMZ（GB/T 3142，下文皆同）測(cè)試極壓性能。2 種劑的理化性質(zhì)見(jiàn)表2，測(cè)試結(jié)果如圖3～圖6 所示。

表2 P1/P2基礎(chǔ)理化性質(zhì)

由圖3 可以看出，添加含硫磷氮抗磨劑后，油品的抗磨性得到很好的改善。添加含硫磷氮抗磨劑后，隨著添加劑加劑量的增加，油品的磨斑直徑一直呈減小的趨勢(shì)，但加劑量大于0.30%以后，隨著含硫磷氮抗磨劑加劑量的增加，對(duì)油品的抗磨性能影響不大。單獨(dú)使用時(shí)，P1 對(duì)油品抗磨性能的改善稍?xún)?yōu)于P2。

圖3 添加含硫磷氮抗磨劑后油品磨斑直徑對(duì)比

由圖4 可以看出，添加含硫磷氮抗磨劑后，油品的梯姆肯OK 值均有所提高，但提高的幅度不大。單獨(dú)使用時(shí)， P1 對(duì)油品梯姆肯OK值的改善稍?xún)?yōu)于P2。

圖4 添加含硫磷氮抗磨劑后油品梯姆肯OK值對(duì)比

由圖5 和圖6 可以看出，添加含磷氮添加劑后，油品的PD值和綜合磨損指數(shù)均有所提高。添加0.4%P1 油品的PD達(dá)到1 401.4 N，綜合磨損指數(shù)達(dá)到529.2 N，而添加0.4%P2 油 品 的PD略 低 于P1，為1 185.8 N，綜合磨損指數(shù)為438 N。綜上，含P1 對(duì)油品極壓性能的改善優(yōu)于P2。

圖5 添加含硫磷氮抗磨劑后油品燒結(jié)負(fù)荷PD 對(duì)比

圖6 添加含硫磷氮抗磨劑后油品綜合磨損指數(shù)對(duì)比

硫化異丁烯S1 與含硫磷氮抗磨劑P1、P2 的配伍

硫化異丁烯S1 分別與P1、P2單獨(dú)配伍試驗(yàn)

研究發(fā)現(xiàn)，不同類(lèi)型的極壓抗磨劑有不同的特點(diǎn)，兩種以上的極壓抗磨劑復(fù)合使用會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使油品性能更優(yōu)。在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調(diào)配，余量）中，選擇對(duì)油品極壓性能改善更好的硫化異丁烯S1，試驗(yàn)考察了當(dāng)S1加劑量分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%時(shí)分別與P1、P2 的配伍性。

S1 與P1 的配伍性試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8 所示。

由圖7 可知， S1 復(fù)配P1 后，隨著P1 加劑量的加大，油品的抗磨性能逐漸提高。P1 加劑量相同水平時(shí)，油品的磨斑直徑隨S1 加劑量的提高而逐漸減小，S1 加劑量為1.6 %時(shí)磨斑直徑相對(duì)最低。同時(shí)由于含硫磷氮抗磨劑會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生一定的腐蝕，且P1 加劑量0.2%時(shí)對(duì)油品磨斑直徑效果明顯，故本文選取P1加劑量0.2%， S1 加劑量1.6%油品的磨斑直徑為0.33 mm。

圖7 S1與P1配伍的磨斑直徑對(duì)比

由圖8 與圖1 對(duì)比可知， P1復(fù)配S1 后，隨著S1 加劑量的增加，梯姆肯OK 值有增大趨勢(shì)，油品具有更好的極壓性能。當(dāng)P1 加劑量為0.2%時(shí)，加入0.4% S1 油品的梯姆肯OK 值為155.75 N，而加入1.6%S1 油品的梯姆肯OK 值為267 N。

圖8 S1與P1配伍的梯姆肯OK值對(duì)比

S1 與P2 的配伍性試驗(yàn)結(jié)果如圖9、10 所示。

由圖9 可以看出，0.8%的S1復(fù)配0.2%的P2，磨斑直徑減小到0.40 mm。添加相同加劑量的P2，油品的磨斑直徑隨S1 加劑量的提高而逐漸減小。在P2 加劑量大于0.2%時(shí)，S1 的加入會(huì)使磨斑直徑比不加入S1 時(shí)大（對(duì)比圖3，不加入S1，P2 加劑量0.3%或0.4%，磨斑直徑在0.34 mm 左右），故選取P2 加劑量為0.2%，復(fù)配0.4%S1，油品的磨斑直徑為0.48 mm，而加入1.6% S1 油品的磨斑直徑為0.35 mm，相較于圖7（1.6%S1+0.2%P1，磨斑直徑0.33 mm），磨斑直徑略大。

圖9 S1與P2配伍的磨斑直徑對(duì)比

由圖10 與圖1 對(duì)比可知，S1復(fù)配P2 后，隨著P2 加劑量的增加，梯姆肯OK 值有增大趨勢(shì)，油品具有更好的極壓性能。0.8% S1 復(fù)配0.2% P2 后，與0.8% S1 復(fù)配0.1%P2 時(shí)相比，油品梯姆肯OK 值不變。添加相同加劑量的P2，油品的梯姆肯OK 值隨S1 添加量的提高有增大趨勢(shì)。當(dāng)P2 加劑量為0.2%時(shí)，加入1.6% S1 油品的梯姆肯OK 值為267 N。

圖10 S1與P2配伍的梯姆肯OK值對(duì)比

硫烯功能劑S1 同時(shí)與含硫磷氮抗磨劑P1、P2 的復(fù)配

文獻(xiàn)報(bào)道[10]，硫烯功能劑與兩種以上的抗磨劑復(fù)合使用協(xié)同效應(yīng)更大，使油品的極壓性能更優(yōu)。根據(jù)P1 抗磨劑與硫烯功能劑S1 復(fù)配磨斑直徑0.33 mm、梯姆肯OK值267 N，P2 抗磨劑與硫烯功能劑S1 復(fù)配磨斑直徑0.35 mm、梯姆肯OK 值267 N，2 種含硫磷氮抗磨劑與硫烯功能劑S1 的復(fù)配結(jié)果可知，含硫磷氮抗磨劑P1 的效果稍稍?xún)?yōu)于含硫磷氮抗磨劑P2。P1、P2 分別在與S1 單獨(dú)復(fù)配時(shí)，相同加劑量水平下，P2 抗磨效果改善不如P1（但0.1%時(shí)好于P1），其極壓性能相當(dāng)，且P2 的加劑量大于0.1%效果不大，綜合考慮性?xún)r(jià)比因素，實(shí)驗(yàn)室在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N和API Ⅰ150BS 調(diào)配，余量）中，以添加S1（加劑量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%）和0.1%P2 為基準(zhǔn)，再?gòu)?fù)配P1（加劑量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%），測(cè)定油品的磨斑直徑和梯姆肯OK 值，試驗(yàn)結(jié)果如圖11、12 所示。

圖11 與圖7、圖9 對(duì)比可知，S1 同時(shí)復(fù)配P1、P2 后，油品的磨斑直徑呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，油品的抗磨性能得到改善。1.6% S1 與0.1%P2、0.2% P1 復(fù)配后，油品的磨斑直徑0.30 mm，較只復(fù)配0.1%P2 油品的磨斑直徑0.35 mm 減小0.05 mm。

圖11 S1同時(shí)與P1、P2配伍的磨斑直徑

圖12 與圖8、圖10 對(duì)比可知，S1 與P1、P2 同時(shí)復(fù)合后，梯姆肯OK 值有所提高，油品的極壓性能得到改善。0.8% S1 與0.1% P2、0.2%P1 復(fù)配后，油品的梯姆肯OK 值為267 N。在保證磨斑直徑和梯姆肯OK 值合格的同時(shí)盡量減少含硫磷氮抗磨劑的加劑量及成本，且綜合考慮齒輪油標(biāo)準(zhǔn)（GB 5903—2011）要求的前提下，本研究齒輪油極壓抗磨劑組合選用0.8%S1 復(fù)配0.1%P2 以及0.2% P1。

圖12 S1同時(shí)與P1、P2配伍的梯姆肯OK值

摩擦改進(jìn)劑考察

由上文可知，當(dāng)0.8%S1與0.1%P2 以及0.2% P1 組合使用時(shí)，油品的梯姆肯OK 值為267 N，雖然滿(mǎn)足了GB 5903—2011 的要求，但尚未達(dá)到目標(biāo)梯姆肯OK 值334 N 的目標(biāo)。文獻(xiàn)[7]中提到，含硫劑與含磷劑復(fù)合作為極壓抗磨主劑使用時(shí)，補(bǔ)加摩擦改進(jìn)劑可以增強(qiáng)油品的抗磨性。本文在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調(diào)配，余量）中，組合使用0.8%S1、0.1% P2、0.2% P1，分別選用苯三唑胺鹽類(lèi)摩擦改進(jìn)劑F1、有機(jī)鉬類(lèi)摩擦改進(jìn)劑F2 進(jìn)行配伍試驗(yàn)（F1、F2 加劑量0.05%、0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%），考察配伍后油品的磨斑直徑、摩擦系數(shù)（SH/T 0762—2005 ）與梯姆肯OK 值，結(jié)果如圖13～圖15 所示。

圖13 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的磨斑直徑

圖14 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的摩擦系數(shù)

圖15 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的梯姆肯OK值

由圖11 和圖13 可以看出，當(dāng)F1 加劑量大于等于0.12%時(shí)，對(duì)油品的抗磨性有改善。添加0.12%F1，油品的磨斑直徑由0.30 mm 減小到0.28 mm；此后隨著F1 加劑量的提高，油品的磨斑直徑基本不變。隨著F2 加劑量增大，沒(méi)有起到提高油品抗磨性的作用。

由圖14 可見(jiàn)，添加F1 油品較添加F2 油品的摩擦系數(shù)更優(yōu)。

由圖12 可見(jiàn)，加入一定量的摩擦改進(jìn)劑后，油品的梯姆肯OK 值明顯提高，說(shuō)明摩擦改進(jìn)劑也可以提高油品的極壓性能。兩種摩擦改進(jìn)劑的加入對(duì)油品梯姆肯OK 值的影響基本一致，但當(dāng)加劑量為0.14%時(shí)，添加F1 的油品的梯姆肯OK 值更好。

綜上所述，硫-磷型功能劑中輔加少量摩擦改進(jìn)劑后，既可以改善油品的抗磨性能，也可以提高油品的極壓性能。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，苯三唑胺鹽類(lèi)摩擦改進(jìn)劑F1 對(duì)油品極壓抗磨性能的改善優(yōu)于有機(jī)鉬類(lèi)摩擦改進(jìn)劑F2。此外，從經(jīng)濟(jì)因素考慮，有機(jī)鉬類(lèi)摩擦改進(jìn)劑F2 成本較苯三唑胺鹽類(lèi)摩擦改進(jìn)劑F1 高。因此，本研究采用苯三唑胺鹽類(lèi)摩擦改進(jìn)劑F1，加劑量為0.14%。

防銹防腐性能考察

硫磷極壓劑在高溫、高壓下會(huì)產(chǎn)生活性硫，對(duì)黃銅產(chǎn)生一定的腐蝕。本文在VG220 基礎(chǔ)油（由APIⅡ500N和APIⅠ150BS調(diào)配，余量）中，組合使用0.8%S1、0.1% P2、0.2% P1、0.14%F1（加防銹劑和銅腐劑之前），復(fù)配0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）防銹劑烷基琥珀酸衍生物與0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）銅腐抑制劑苯三唑，考察油品的防銹性能，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3 可知，復(fù)配防銹劑、銅腐抑制劑后，油品的防銹性與銅片腐蝕均合格。

表3 防銹性能考察

與市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品性能對(duì)比

以篩選出的硫烯功能劑S1（加劑量0.8%），復(fù)配含硫磷氮抗磨劑P1（加劑量0.2%）、P2（加劑量0.1%）、苯三唑胺鹽類(lèi)摩擦改進(jìn)劑F1（加劑量0.14%）、防銹劑烷基琥珀酸衍生物（0.1%）、金屬減活劑苯三唑（0.05%）、破乳劑胺與環(huán)氧乙烷縮合物（0.05%）、抗泡劑T 922（30 mg/kg）及其他輔劑調(diào)制后的產(chǎn)品與市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行性質(zhì)對(duì)比，以工業(yè)閉式齒輪油L-CKD220/320 為示例，產(chǎn)品典型數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表4。

由表4 數(shù)據(jù)對(duì)比可知，本文所開(kāi)發(fā)的工業(yè)齒輪油產(chǎn)品性能比市場(chǎng)上知名品牌同類(lèi)產(chǎn)品具有更優(yōu)的梯姆肯OK 值。本文所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品目前已成功應(yīng)用于水泥、鋼鐵行業(yè)、冶金、礦山、海上鉆井平臺(tái)、石油煉化等行業(yè)潤(rùn)滑。

表4 工業(yè)閉式齒輪油與市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品性能對(duì)比

結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型極壓抗磨劑的篩選，并添加摩擦改進(jìn)劑、防銹劑和其他添加劑，研制了具有比市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品更突出的極壓承載能力的L-CKD 工業(yè)齒輪油，可滿(mǎn)足高負(fù)荷、超載狀態(tài)下齒輪箱的潤(rùn)滑要求。