航空潤(rùn)滑油防銹性能研究

王思穎,陳磊,劉洪亮,陳靜

(孚迪斯石油化工科技(葫蘆島)股份有限公司,遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

金屬部件的銹蝕主要是指金屬部件在大氣環(huán)境中受到水分、氧氣和其他腐蝕性氣體的影響,在其表面形成局部微電池而導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕[1]。金屬為陽(yáng)極,金屬中的雜質(zhì)為陰極,因此可通過(guò)水膜構(gòu)成微電池,作為陽(yáng)極的金屬發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致金屬銹蝕。海洋大氣環(huán)境中,相對(duì)濕度較高,有利于水膜在金屬表面的形成和保持,并且海水中的大量鹽類(lèi)物質(zhì)溶解在水膜中,增加了電解質(zhì)溶液的濃度,加速了電化學(xué)反應(yīng),從而使銹蝕加劇。

海軍飛機(jī)在執(zhí)行海洋任務(wù)時(shí),航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于含鹽高的海洋大氣環(huán)境和海水濕氣濺射中,這種環(huán)境會(huì)加劇航空發(fā)動(dòng)機(jī)金屬部件的銹蝕。發(fā)動(dòng)機(jī)零部件被銹蝕后,會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)使用的安全隱患,嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[2]。在美國(guó),由于海軍飛機(jī)經(jīng)常處于海水環(huán)繞的工作環(huán)境,每年由于腐蝕而報(bào)廢的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的費(fèi)用高達(dá)300萬(wàn)美元[3]。因此,航空潤(rùn)滑油應(yīng)具備良好的防銹性能。本文從基礎(chǔ)油和添加劑的角度出發(fā),研究航空潤(rùn)滑油的防銹性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

基礎(chǔ)油:己二酸酯、三羥甲基丙烷酯、季戊四醇酯。

添加劑:防銹劑A(羧酸類(lèi))、防銹劑B(酯類(lèi))、防銹劑C(含氮化合物)、抗磨劑A(TCP)、抗磨劑B(TPPT)。

金屬材料:45號(hào)鋼、鋼棒(GB/T 11143規(guī)定材質(zhì))。

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試驗(yàn)方法:濕熱試驗(yàn)按照GB/T 2361要求的方法進(jìn)行,試驗(yàn)溫度(40±1) ℃,觀察并記錄試片出現(xiàn)銹蝕的時(shí)間;液相銹蝕試驗(yàn)按照GB/T 11143要求的方法進(jìn)行,考核在合成海水存在下的防銹性能。

試驗(yàn)設(shè)備:酸值滴定儀、濕熱試驗(yàn)箱、液相銹蝕測(cè)定儀。

2 結(jié)果及討論

2.1 基礎(chǔ)油對(duì)航空潤(rùn)滑油防銹性能的影響

航空潤(rùn)滑油中基礎(chǔ)油的比例一般達(dá)到90%以上[4],因此基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)產(chǎn)品的性能起到重要的作用。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)航空潤(rùn)滑油要求的不斷提高,酯類(lèi)航空潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油成為目前使用最為廣泛的合成基礎(chǔ)油[5]。因此,選擇三種常見(jiàn)酯類(lèi)基礎(chǔ)油(己二酸酯、三羥甲基丙烷酯和季戊四醇酯)進(jìn)行酸值測(cè)定、濕熱試驗(yàn)和液相銹蝕試驗(yàn),選取的基礎(chǔ)油的酸值、濕熱試驗(yàn)和液相銹蝕試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 基礎(chǔ)油的酸值、濕熱試驗(yàn)和液相銹蝕試驗(yàn)結(jié)果

酸性物質(zhì)會(huì)促使銹蝕的發(fā)生。有水存在的條件下,即使溫度不高,有機(jī)酸也能腐蝕金屬,這是由于在氧和水的作用下,使金屬首先生成金屬的氫氧化物,然后與高分子有機(jī)酸中和生成鹽和水[6]。由表1可知,三種基礎(chǔ)油的酸值均很小,說(shuō)明酸性物質(zhì)的含量很小,不會(huì)對(duì)油品的防銹性能產(chǎn)生明顯的消極影響。

由表1還可知,三種基礎(chǔ)油的濕熱試驗(yàn)和液相銹蝕試驗(yàn)效果都很差,濕熱試驗(yàn)試片生銹時(shí)間均不超過(guò)10 min,液相銹蝕試驗(yàn)鋼棒在24 h后均出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕。這說(shuō)明三種酯類(lèi)基礎(chǔ)油本身并不具備良好的防銹性能,在高濕環(huán)境和海水環(huán)境中對(duì)金屬的防銹保護(hù)能力較差,這可能是由于酯類(lèi)基礎(chǔ)油在金屬表面吸附力較弱,容易被水置換,使油很難發(fā)揮防銹性;并且酯類(lèi)油易吸水[7]的特性也增大了油品對(duì)金屬的腐蝕性。

2.2 防銹劑對(duì)航空潤(rùn)滑油防銹性能的影響

目前防銹劑種類(lèi)繁多,按極性基團(tuán)劃分,大致可分為磺酸鹽及其他含硫化合物、羧酸及其金屬皂類(lèi)、酯類(lèi)、胺類(lèi)及其他含氮化合物和磷酸酯及其他含磷化合物五類(lèi)[8]。航空潤(rùn)滑油一般要求使用無(wú)灰類(lèi)添加劑,因此選用羧酸類(lèi)、酯類(lèi)和含氮化合物三種無(wú)灰防銹劑進(jìn)行試驗(yàn)。表2為將三種防銹劑以不同添加量加入季戊四醇酯類(lèi)基礎(chǔ)油中進(jìn)行濕熱試驗(yàn)的結(jié)果,表3為將三種防銹劑以不同添加量加入季戊四醇酯類(lèi)基礎(chǔ)油中進(jìn)行液相銹蝕試驗(yàn)的結(jié)果。

表2 不同防銹劑的濕熱試驗(yàn)結(jié)果

表3 不同防銹劑的液相銹蝕試驗(yàn)結(jié)果

由表2和表3可知,三種防銹劑的加入均能改善基礎(chǔ)油的防銹性能,不同種類(lèi)的防銹劑所表現(xiàn)出的防銹效果差異很大,在相同添加量的情況下,防銹劑C的耐濕熱性能和液相銹蝕性能最好,防銹劑A次之,防銹劑B最差。防銹劑是由極性基團(tuán)與非極性基團(tuán)組成,當(dāng)含有防銹劑的油品與金屬接觸時(shí),防銹劑分子中的極性基團(tuán)定向吸附在金屬的表面,阻擋水分子和氧分子的前進(jìn),大大減緩銹蝕過(guò)程;防銹劑分子的非極性部分在金屬表面形成一層疏水性保護(hù)膜,阻擋了參加腐蝕反應(yīng)的有關(guān)電荷或物質(zhì)的移動(dòng),從而大大降低銹蝕機(jī)率和速率[9]。因此,航空潤(rùn)滑油防銹性能的好壞取決于防銹劑的極性基團(tuán)的極性大小,極性越強(qiáng)就越容易吸附,而且吸附得越牢固[10]。表2和表3中三種防銹劑防銹效果的差異主要是由其極性基團(tuán)的極性大小所導(dǎo)致的,含氮基團(tuán)和羧基的極性要明顯大于酯基的極性,因此,酯類(lèi)防銹劑吸附能力較差,防銹效果不理想。

由表2和表3還可知,隨著防銹劑添加量的增多,不同防銹劑的防銹性能變化規(guī)律也存在差異。隨著防銹劑B和防銹劑C添加量的增多,防銹性能明顯提升,而隨著防銹劑A添加量的增多,防銹性能無(wú)明顯變化。防銹劑是通過(guò)極性基團(tuán)吸附在金屬表面而發(fā)揮作用,隨著在潤(rùn)滑油中含量的增加,防銹劑在金屬表面的吸附量會(huì)逐漸增加,形成的保護(hù)膜也越來(lái)越致密,從而能夠更有效的阻擋水分和腐蝕性物質(zhì),使得防銹性能逐漸提高。當(dāng)其添加量提高到一定程度時(shí),防銹劑在金屬表面的吸附量將趨向于飽和,如果此時(shí)仍繼續(xù)加入防銹劑,過(guò)多的防銹劑將無(wú)法吸附在金屬表面發(fā)揮作用,因此,防銹效果將趨于穩(wěn)定,不會(huì)繼續(xù)提高。根據(jù)表2和表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出,防銹劑A在0.05%加入量時(shí)在金屬表面已經(jīng)趨向于飽和吸附。

2.3 極壓抗磨劑對(duì)航空潤(rùn)滑油防銹性能的影響

極壓抗磨劑的一般作用機(jī)理是添加劑分子首先吸附在金屬表面,然后在高溫與高負(fù)荷條件下,活性元素(如S、P、Cl)與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成一層可用來(lái)消耗或犧牲并具有低剪切強(qiáng)度的保護(hù)層,從而減小摩擦副表面的摩擦和磨損[11]。極壓抗磨劑與防銹劑同為吸附于金屬表面的添加劑[12],需要考察極壓抗磨劑是否會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油防銹性能產(chǎn)生影響。

航空潤(rùn)滑油對(duì)極壓抗磨劑的一般要求為腐蝕性小、無(wú)灰和溶解性好。用于航空潤(rùn)滑油的極壓抗磨劑主要為含硫、磷、氮的化合物,具有代表性的主要有磷酸三甲酚酯(TCP)、硫代磷酸三苯酯(TPPT)和α-巰基苯并噻唑(MBT)等[13]。因此,選擇其中應(yīng)用最廣泛的TCP和TPPT極壓抗磨劑進(jìn)行試驗(yàn)。表4和表5分別為防銹劑添加量0.1%時(shí),加入抗磨劑A的航空潤(rùn)滑油濕熱試驗(yàn)和液相銹蝕試驗(yàn)結(jié)果。表6和表7為防銹劑添加量0.1%時(shí),加入抗磨劑B的航空潤(rùn)滑油濕熱試驗(yàn)和液相銹蝕試驗(yàn)結(jié)果。

表4 抗磨劑A對(duì)航空潤(rùn)滑油防銹性能的影響(濕熱試驗(yàn))

表5 抗磨劑A對(duì)航空潤(rùn)滑油防銹性能的影響(液相銹蝕試驗(yàn))

表6 抗磨劑B對(duì)航空潤(rùn)滑油防銹性能的影響(濕熱試驗(yàn))

表7 抗磨劑B對(duì)航空潤(rùn)滑油防銹性能的影響(液相銹蝕試驗(yàn))

由表4和表5可知,抗磨劑A對(duì)含不同防銹劑的航空潤(rùn)滑油的防銹性能均起到了消極影響,降低了油品的防銹性能,并且隨著抗磨劑A添加量的增多,油品的防銹性能越來(lái)越差。抗磨劑和防銹劑均為吸附性添加劑,在金屬表面會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附。一般情況下極壓抗磨劑的極性要大于防銹劑的極性,因此吸附性也更強(qiáng),在金屬表面總是優(yōu)先吸附,這就大大影響了防銹劑對(duì)金屬的防銹性能[14]。抗磨劑含量的增大,導(dǎo)致防銹劑在金屬表面吸附量逐漸減小,油品的防銹性能也隨之變差。

由表6和表7可知,抗磨劑B對(duì)航空潤(rùn)滑油防銹性能的影響規(guī)律與表4和表5中抗磨劑A一致,這也進(jìn)一步驗(yàn)證了抗磨劑與防銹劑的競(jìng)爭(zhēng)吸附關(guān)系。表4和表5與表6和表7對(duì)比發(fā)現(xiàn),抗磨劑B對(duì)防銹性能的影響比抗磨劑A更嚴(yán)重,這是由于抗磨劑B中S元素的引入增大了對(duì)金屬的吸附活性[15],使得TPPT比TCP更易吸附在金屬上,形成的保護(hù)膜強(qiáng)度也更大,因此對(duì)防銹性能的抑制作用也更明顯。由以上可知,為了提高航空潤(rùn)滑油的防銹性能,選擇抗磨劑時(shí),在保證極壓抗磨性能符合要求的基礎(chǔ)上,盡量選擇吸附活性小的抗磨劑種類(lèi)。

3 結(jié)論

(1)己二酸酯、三羥甲基丙烷酯和季戊四醇酯類(lèi)基礎(chǔ)油均不具備良好的防銹性能。

(2)防銹劑的加入能改善基礎(chǔ)油的防銹性能,不同種類(lèi)的防銹劑所表現(xiàn)出的防銹效果差異很大,含氮化合物和羧酸類(lèi)防銹劑防銹效果遠(yuǎn)大于酯類(lèi)防銹劑,這是由防銹劑極性基團(tuán)的極性大小導(dǎo)致的。

(3)極壓抗磨劑的加入降低了航空潤(rùn)滑油的防銹性能,隨著抗磨劑含量增多,防銹性能隨之變差,TPPT抗磨劑比TCP抗磨劑對(duì)防銹性能的抑制作用更明顯。