潤滑油添加劑對活塞環(huán)-缸套摩擦副摩擦學(xué)性能的影響

阿合波塔·巴合提， 杜雪嶺， 鄂紅軍， 金佳佳

(中國石化潤滑油有限公司北京研究院， 北京 100085)

0 前 言

近年來，國內(nèi)汽車保有量急劇增加，注重汽車節(jié)能顯得尤為重要。 推動燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最高水平，已成為當(dāng)今中國汽車制造商面臨的最大挑戰(zhàn)之一[1，2]。 研究表明，在汽車發(fā)動機(jī)做功過程中，摩擦副的摩擦損失約占發(fā)動機(jī)做功的18%，活塞總成摩擦損失為整機(jī)摩擦損失的40%～55%，其中活塞環(huán)-缸套摩擦副摩擦損失為活塞總成摩擦損失的70%～80%[3-5]。 活塞環(huán)-缸套是汽車發(fā)動機(jī)中最重要的摩擦副之一，減少活塞環(huán)-缸套摩擦副的摩擦損失，有助于提高內(nèi)燃機(jī)的動力性、可靠性、耐久性和燃油經(jīng)濟(jì)性等，相關(guān)研究也越來越受到各國研究人員和工業(yè)界的高度關(guān)注[6-8]。

發(fā)動機(jī)潤滑油是改善汽車摩擦、磨損問題的另一個重要途徑，降低潤滑油的摩擦系數(shù)被認(rèn)為是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一個有效方法。 通過使用專門設(shè)計的潤滑油，能夠減少摩擦能量損失，明顯改善汽車發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性[9，10]。 目前，API SN/GF-5 0W-20 發(fā)動機(jī)油得到廣泛應(yīng)用，為發(fā)動機(jī)各摩擦部位提供了良好的潤滑，有效降低了摩擦磨損。 其中，二烷基二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)、二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)及磺酸鈣是發(fā)動機(jī)潤滑油添加劑中的典型代表[11-15]。 技術(shù)的進(jìn)步和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，對潤滑油添加劑配伍性能提出了更高的要求，卻又少見利用活塞環(huán)-缸套摩擦副的相關(guān)研究。 因此，深入探究活塞環(huán)-缸套摩擦副和潤滑油及潤滑油油添加劑之間的協(xié)同或?qū)棺饔镁哂兄匾饬x。

德國OPTIMAL 公司生產(chǎn)的SRV?4 型多功能摩擦磨損試驗機(jī)是一款具有優(yōu)異穩(wěn)定性和重復(fù)性的通用機(jī)型，在往復(fù)運動狀態(tài)下，可以模擬活塞環(huán)-缸套摩擦副的實際工作狀態(tài)[16]。 為了提高汽車發(fā)動機(jī)的使用性能，降低活塞環(huán)-缸套之間的摩擦損耗，延長其使用壽命，本工作采用與真實發(fā)動機(jī)材質(zhì)相同的活塞環(huán)-缸套，利用SRV?4 型多功能摩擦磨損試驗機(jī)研究了SN/GF-5 0W-20 潤滑油及添加劑MoDTC、ZDDP、磺酸鈣清凈劑對活塞環(huán)-缸套摩擦學(xué)性能的影響。

1 試 驗

1.1 試驗材料及油品

試驗所用活塞環(huán)-缸套(灰鑄鐵)為德國OPTIMAL公司SRV?4 型摩擦磨損試驗機(jī)標(biāo)準(zhǔn)試驗件，所用油品及其他添加劑的相關(guān)信息見表1。

表1 試驗油品及添加劑信息Table 1 Information of test oils and additives

1.2 試驗儀器

試驗中所用設(shè)備相關(guān)信息見表2。

表2 試驗儀器信息Table 2 Test equipment information

1.3 試驗方法

利用SRV?4 型摩擦磨損試驗機(jī)檢測試驗過程中活塞環(huán)-缸套摩擦副的摩擦系數(shù)變化情況，其工作示意圖如圖1 所示。 試驗在大氣環(huán)境中進(jìn)行，缸套為下試件，固定在專用油盒中，油盒中裝有相應(yīng)的試驗油品；活塞環(huán)為上試件，與缸套接觸，在100 N 接觸載荷下在缸套表面進(jìn)行行程為2 mm、往復(fù)頻率20 Hz 的往復(fù)運動，持續(xù)試驗1 h，實時監(jiān)測50 ℃實驗過程中摩擦系數(shù)的變化情況，相同條件下重復(fù)3 次，取平均值。 試驗結(jié)束后，用石油醚輕輕沖洗，以除去表面殘留的油品，避免破壞摩擦膜。 利用SEM 對磨損軌跡進(jìn)行表面分析，觀察摩擦膜的形成狀況，并用XPS 分析摩擦膜的化學(xué)組成。

圖1 SRV? 4 型摩擦磨損試驗活塞環(huán)-缸套工作示意圖Fig. 1 Working diagram of piston ring-cylinder liner of SRV? 4 Frictional Wear Test Machine

2 結(jié)果與討論

2.1 SN/GF-5 0W-20 潤滑油的摩擦學(xué)特性

將不同含量的MoDTC 外加至SN/GF-5 0W-20 潤滑油成品油中，形成5 組Mo 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:0、0.30%、0.50%、0.70%、1.00%的試驗油樣，試驗過程中的摩擦系數(shù)及磨損率如圖2 所示。

圖2 不同Mo 元素含量SN/GF-5 0W-20 試驗過程中的平均摩擦系數(shù)和磨損率Fig. 2 Average friction coefficient and wear rate of SN/GF-50W-20 test oils different Mo content

由圖2 可以看出，MoDTC 含量會影響體系摩擦系數(shù)和磨損率。 對于摩擦系數(shù)而言，當(dāng)體系中無Mo 元素時，油樣摩擦系數(shù)明顯偏高，高達(dá)0.177；隨著Mo 元素含量的增多，體系摩擦系數(shù)出現(xiàn)不同程度的降低。 當(dāng)Mo 元素含量為0.50%的油樣摩擦系數(shù)約0.079，為最低。 對于磨損率而言，Mo 元素含量為0.30%的試驗油樣磨損率最低，Mo 含量0.50%的試驗油樣磨損率與之相近，而Mo 元素含量為0 時油樣的磨損率最大。 由試驗結(jié)果可見，對于標(biāo)準(zhǔn)的活塞環(huán)-缸套摩擦副，潤滑油Mo 元素在0.50%左右時，摩擦磨損綜合性能最優(yōu)。

2.2 MoDTC、ZDDP、磺酸鈣清凈劑的摩擦學(xué)特性

2.2.1 摩擦學(xué)性能

SN/GF-5 0W-20 潤滑油中含有ZDDP、磺酸鈣等添加劑。 研究表明，MoDTC、ZDDP、磺酸鈣3 種添加劑在摩擦油膜中具有協(xié)同、對抗作用，會對摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響[17]。 為進(jìn)一步研究SN/GF-5 0W-20 潤滑油添加劑對活塞環(huán)-缸套摩擦副的減摩機(jī)理，在Yu4+基礎(chǔ)油中引入了MoDTC、ZDDP 和磺酸鈣3 種潤滑油添加劑，形成:(1)Mo 元素(0.50%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、(2)Mo 元素(0.50%)+Zn 元素(0.95%)、(3)Mo 元素(0.50%)+Zn 元素(0.95%)+Ca 元素(1.54%)的3 組潤滑體系，利用SRV?4 型摩擦磨損試驗機(jī)檢測摩擦系數(shù)，其摩擦系數(shù)變化情況如圖3 所示。 從圖3 可以看出，Yu4+ -MoDTC 潤滑體系摩擦系數(shù)最高，在試驗結(jié)束時，約為0.225左右；當(dāng)ZDDP 與MoDTC 復(fù)配后， 體系摩擦系數(shù)大幅降低，試驗開始10 min 后降至0.080，與MoDTC 相比，摩擦系數(shù)減少約64%。 這可能是因為ZDDP 吸附于摩擦表面，形成墊狀磷酸鹽摩擦膜，并與MoDTC 形成良好的協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)MoDTC 的分解，加速MoS2的形成，而MoS2具有層晶格結(jié)構(gòu)，剪切強(qiáng)度低，從而降低了摩擦系數(shù)。 Yu4+ -MoDTC-ZDDP-磺酸鈣潤滑體系的摩擦系數(shù)在試驗開始約6 min 后逐漸降低，直至實驗結(jié)束降至0.130 左右，較Yu4+ -MoDTC 潤滑體系減少約42%。

圖3 試驗油樣摩擦系數(shù)的變化情況Fig. 3 Change of friction coefficient of test oils

2.2.2 磨損表面形貌

采用SEM 觀察缸套的磨損軌跡，以確定摩擦膜的形成情況，結(jié)果如圖4 所示。 可以看出，Yu4+ -MoDTCZDDP 體系摩擦表面的摩擦膜成膜面積最大，分布最為均勻；而Yu4+ -MoDTC 的體系摩擦表面摩擦膜覆蓋率較低，已出現(xiàn)明顯塊狀磨痕及局部剝落。

圖4 3 組試驗體系缸套表面磨損軌跡SEM 形貌Fig. 4 SEM diagram of wear track of cylinder liner surface

2.2.3 摩擦膜化學(xué)結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步研究潤滑油摩擦學(xué)性能，確定活塞環(huán)-缸套摩擦副形成的摩擦膜的化學(xué)組成，采用XPS 對磨損軌跡進(jìn)行分析，確定了Mo 元素和S 元素的化學(xué)結(jié)構(gòu)。XPS 譜分析結(jié)果分別如圖5、圖6 所示。

研究表明，MoDTC 會吸附于摩擦表面，并在摩擦過程中發(fā)生分解，生成MoS2(Mo4+)和MoO3(Mo6+)，其中酸鈣體系:2.85。 這與Yu+ -MoDTC 體系摩擦系數(shù)最高，Yu+ -MoDTC-ZDDP-磺酸鈣次之，Yu+ -MoDTCMoS2摩擦膜的形成有利于降低摩擦系數(shù)[18]。 根據(jù)XPS 譜對3 組體系摩擦膜中Mo 元素及S 元素進(jìn)行了定性及定量的分析。 由圖5 可知，3 組潤滑體系形成的摩擦膜中均有MoS2(Mo4+)和MoO3(Mo6+)生成，但所占比例大小不同，可得MoS2(Mo4+)/MoO3(Mo6+)的比值分別為(a) Yu4+ -MoDTC 體系:1.69；(b) Yu4+ -MoDTC-ZDDP 體系:6.59；(c) Yu4+ -MoDTC-ZDDP-磺ZDDP 體系摩擦系數(shù)最低的試驗結(jié)果完全對應(yīng)。 結(jié)合圖6 中S 元素的價態(tài)及對應(yīng)峰強(qiáng)，可以證明體系中ZDDP 的引入會促進(jìn)MoDTC 分解生成MoS2，抑制MoO3的產(chǎn)生，從而使體系摩擦系數(shù)降低。 加入磺酸鈣后，與Yu4+-MoDTC-ZDDP 體系相比，其MoS2(Mo4+)的含量占比降低至70.08%，這是由于清凈劑與MoDTC、ZDDP在摩擦副表面發(fā)生競爭吸附，清洗掉了部分吸附在摩擦副表面的含MoS2摩擦膜，因而使體系摩擦系數(shù)升高。

圖5 3 組試驗體系摩擦膜中不同價態(tài)Mo 元素XPS 譜Fig. 5 XPS diagram of Mo elements with different valences in friction film

圖6 3 組試驗體系摩擦膜中不同價態(tài)S 元素XPS 譜Fig. 6 XPS diagram of S elements with different valences in friction film

3 結(jié) 論

(1)采用與真實發(fā)動機(jī)材質(zhì)相同的活塞環(huán)-缸套，利用SRV?4 型多功能摩擦磨損試驗機(jī)研究了不同含量MoDTC 對SN/GF-5 0W-20 潤滑油摩擦學(xué)性能的影響。 研究結(jié)果表明，MoDTC 的含量會影響其摩擦學(xué)性能，當(dāng)Mo 元素含量為0.50%時，摩擦學(xué)性能最優(yōu)。

(2)ZDDP 與MoDTC 復(fù)配具有良好的協(xié)同效應(yīng)，能明顯降低摩擦系數(shù)；在ZDDP、MoDTC、磺酸鈣配伍，會明顯減少摩擦膜中的MoS2生成，使體系摩擦系數(shù)升高。