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        一種低揮發(fā)潤滑脂的應(yīng)用評價

        2018-06-29 07:26:46劉顯秋李茂森陳曉偉梁宇翔段慶華
        石油煉制與化工 2018年7期
        關(guān)鍵詞:極壓熱循環(huán)蒸氣

        劉顯秋,李茂森,陳曉偉,梁宇翔,段慶華

        (中國石化石油化工科學(xué)研究院,北京 100083)

        使用潤滑脂、潤滑油或固體潤滑膜可減小兩個相對運動表面之間的摩擦和磨損,但在某些情況下,必須使用潤滑脂潤滑,如運轉(zhuǎn)設(shè)備要求潤滑劑具有密封作用,以阻止雜質(zhì)進(jìn)入;要求潤滑劑能夠保持在潤滑部位,維持設(shè)備的持續(xù)潤滑。隨著科技的發(fā)展,人類探索領(lǐng)域的加深加寬,機(jī)械設(shè)備所處的環(huán)境出現(xiàn)一些特殊、苛刻的情況,相應(yīng)地,普通的潤滑脂已經(jīng)不能適應(yīng)特殊條件,于是不斷涌現(xiàn)出特種潤滑脂,如高滴點潤滑脂、高負(fù)荷潤滑脂、抗磨潤滑脂、防護(hù)密封脂、抗水潤滑脂、抗輻射潤滑脂、低揮發(fā)潤滑脂等,其中,低揮發(fā)潤滑脂適用于真空環(huán)境,如空間設(shè)備的潤滑。過去我國研制的空間設(shè)備工作時間短,采用固體潤滑膜即能滿足要求。與潤滑脂相比,固體潤滑劑摩擦因數(shù)較大、熱傳導(dǎo)性能差、易產(chǎn)生磨屑、自修復(fù)性能差,因此在長壽命、高可靠空間任務(wù)應(yīng)用上受到一定的局限。國外長期在軌的空間設(shè)備是采用具有低揮發(fā)性、高耐輻射性和化學(xué)惰性的抗磨潤滑脂[1-3]。

        低揮發(fā)潤滑脂除了要具備潤滑脂通常的性能如良好的高低溫性能、潤滑性、膠體安定性、氧化安定性和防腐蝕性外,還必須具有較低的飽和蒸氣壓和揮發(fā)性,在空間輻射環(huán)境下還需要具有較強(qiáng)的耐輻射性。對于低揮發(fā)潤滑脂而言,基礎(chǔ)油的性能至關(guān)重要,空間潤滑脂基礎(chǔ)油的發(fā)展經(jīng)歷了礦物油、硅油、合成酯、全氟聚醚(PFPE)[4]以及合成烴等。礦物油在真空中揮發(fā)性大、黏溫特性差;硅油潤滑性差且存在交聯(lián)問題;酯類油化學(xué)穩(wěn)定性差。這3類油作為空間潤滑用油使用局限性大。PFPE具有良好的低溫流動性、低揮發(fā)性和高黏度指數(shù),結(jié)構(gòu)中不含氫元素,具有高耐輻射性和化學(xué)惰性,極壓性好,但抗磨性差,而且與常規(guī)的抗磨添加劑和抗氧劑不互溶。另外,PFPE在高于260 ℃時發(fā)生熱降解,放出COF2,有可能污染空間設(shè)備。合成烴類基礎(chǔ)油主要指低揮發(fā)性合成烴油,包括聚α-烯烴(PAO)和多烷基環(huán)戊烷(MAC),目前正逐步取代傳統(tǒng)的空間液體潤滑劑。PAO基礎(chǔ)油由于具有良好的高低溫性能、氧化安定性、潤滑性以及與添加劑的相容性,在真空機(jī)械潤滑領(lǐng)域常被用作潤滑脂的基礎(chǔ)油,但在揮發(fā)性方面不如MAC和PFPE。MAC是目前國際上常用的最先進(jìn)的一種低揮發(fā)潤滑油,具有良好的潤滑性、低揮發(fā)性和飽和蒸氣壓、較好的耐輻射性和化學(xué)惰性,而且與常規(guī)添加劑互溶[5]。根據(jù)不同的使用溫度、不同飽和蒸氣壓和承載能力,國外已經(jīng)開發(fā)出系列產(chǎn)品。本研究選用中國石化石油化工科學(xué)研究院自制的MAC為基礎(chǔ)油,以復(fù)合鈉皂為稠化劑[6],并添加抗氧劑、極壓抗磨劑和防銹劑等復(fù)合添加劑制備一種低揮發(fā)潤滑脂,對低揮發(fā)潤滑脂的飽和蒸氣壓、真空質(zhì)損、耐輻射、相容性等應(yīng)用試驗性能以及真空熱循環(huán)臺架試驗進(jìn)行評價。

        1 實 驗

        1.1 實驗材料和設(shè)備

        基礎(chǔ)油為MAC,實驗室自制。

        采用下列設(shè)備進(jìn)行研究:NICOLET AVATAR360紅外光譜儀,美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品;四球試驗機(jī),MRS-10型,濟(jì)南舜茂公司產(chǎn)品;潤滑脂針入度計,TSY-6004型,大連特安技術(shù)公司制造;蒸發(fā)損失測定儀,TSY-2012A型,大連特安技術(shù)公司制造;潤滑脂低溫轉(zhuǎn)矩測定儀,K18855型,美國Koehler公司制造。

        1.2 試驗方法

        (1)采用四球機(jī)法測定潤滑脂的極壓抗磨性,四球機(jī)主軸轉(zhuǎn)數(shù)(1 200±50) rmin,實驗溫度(75±2) ℃,測得最大無卡咬負(fù)荷(PB)、燒結(jié)負(fù)荷(PD),計算綜合磨損指數(shù)(ZMZ)。

        (2)采用顯微鏡法測定潤滑脂中的外來粒子的尺寸和數(shù)量,計算潤滑脂雜質(zhì)含量。測定時,將潤滑脂涂在血球計數(shù)板上固定尺寸的方形凹槽內(nèi),用100倍的顯微鏡觀察記錄25~75 μm和大于75 μm的不透明外來粒子和半透明纖維狀外來粒子的數(shù)量。潤滑脂內(nèi)如果混入機(jī)械雜質(zhì),在使用時就會帶入機(jī)械摩擦部位,降低潤滑脂的減磨作用,并造成摩擦面擦傷。

        (3)飽和蒸氣壓試驗是考察空間用潤滑脂的重要試驗,飽和蒸氣壓值是關(guān)系到潤滑脂真空應(yīng)用性能的一個重要參量,是衡量其長效性的重要指標(biāo)之一。測試按照航天工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ 2667—1994真空用油脂飽和蒸氣壓測試方法,采用蒸發(fā)速率法測定潤滑油脂的飽和蒸氣壓。在真空測試室內(nèi),將放在蒸發(fā)鍋內(nèi)的試樣加熱,逸出的蒸汽凝聚在天平盤上,由真空微量天平測出凝聚物質(zhì)量,根據(jù)相關(guān)參數(shù)通過微機(jī)處理繪制曲線,用外推法得出飽和蒸氣壓。

        (4)真空質(zhì)損試驗是空間用非金屬材料必須通過的試驗。材料在真空環(huán)境中會蒸發(fā)、升華或放氣,并隨著溫度升高而加速,這個過程導(dǎo)致質(zhì)量損失,減少的物質(zhì)有可能在較冷的表面上重新凝結(jié),這些重新凝結(jié)的物質(zhì)稱為“可凝揮發(fā)物”。潤滑脂中的主要成分潤滑油在使用過程中會逸出,這不但會直接影響潤滑脂的潤滑性能,而且可凝揮發(fā)物如果凝結(jié)在航天器的敏感表面(如光學(xué)鏡頭、熱控涂層、繼電器觸電等)則可能造成污染,使其功能降低甚至失效。本試驗采用航天工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)QJ 1558—1988真空中材料揮發(fā)性性能測試方法,試驗條件為:溫度125 ℃,時間24 h,真空飽和度7×10-3Pa。將恒溫恒濕箱中存放后的試樣在真空環(huán)境中均勻加熱,通過稱量此過程前后試樣和收集板質(zhì)量的變化,得到總質(zhì)量損失和收集到的可凝揮發(fā)物,再將測試后的試樣重新恒溫恒濕存放后稱試樣質(zhì)量,得到水蒸氣回收量。

        (5)空間設(shè)備用低揮發(fā)潤滑脂要求具有一定的耐輻射性,耐輻射試驗的輻射源是鈷60,能釋放穿透能力強(qiáng)的γ射線,輻射強(qiáng)度3×105Ci(居里),輻射劑量選擇2個量級:1×104Gy和1×105Gy。

        (7)模擬空間環(huán)境進(jìn)行真空熱循環(huán)臺架試驗,考察潤滑脂在高真空、冷熱交變等環(huán)境下的潤滑情況。試驗前,將待評價的低揮發(fā)潤滑脂涂抹于某諧波齒輪上,在模擬空間真空環(huán)境的真空罐中進(jìn)行熱循環(huán)試驗,試驗溫度為-35~70 ℃,壓力不高于1.3×10-3Pa,溫變速率約為0.5 ℃min,極限高低溫停留時間為4 h,循環(huán)次數(shù)共12次。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 潤滑脂理化性能

        低揮發(fā)潤滑脂的理化性能見表1。從表1可以看出:低揮發(fā)潤滑脂的滴點大于200 ℃,屬高溫潤滑脂,低溫轉(zhuǎn)矩性能無論是啟動轉(zhuǎn)矩還是運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩都在0.1(N·m)左右,蒸發(fā)損失率只有0.06%,接近0,鋼網(wǎng)分油率小到0,極壓抗磨綜合磨損值達(dá)到461,屬極壓潤滑脂;雜質(zhì)數(shù)量也較??;四球試驗鋼球磨斑直徑為0.47 mm,說明該潤滑脂的抗磨性能優(yōu)良。綜合理化性能評價數(shù)據(jù):該種低揮發(fā)潤滑脂具有良好的高低溫性、膠體安定性、氧化安定性、防銹性和極壓抗磨性。

        表1 低揮發(fā)潤滑脂的主要理化性能

        2.2 應(yīng)用試驗

        2.2.1飽和蒸氣壓試驗分別測試基礎(chǔ)油和低揮發(fā)潤滑脂的飽和蒸氣壓,結(jié)果見表2。從表2可以看出,基礎(chǔ)油制備成潤滑脂后飽和蒸氣壓由8.7×10-7Pa變?yōu)?.4×10-6Pa。

        表2 飽和蒸氣壓試驗結(jié)果

        2.2.2真空質(zhì)損試驗潤滑脂的真空質(zhì)損試驗結(jié)果見表3。從表3可以看出,低揮發(fā)潤滑脂真空質(zhì)損試驗的總損失率為0.95%,可凝揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.088%,水蒸氣回收率為0.39%。滿足真空質(zhì)損試驗要求材料的質(zhì)量總損失率不大于1.0%、可凝揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.1%、同時具有盡可能低的水蒸氣回收率的質(zhì)量指標(biāo)要求[7]。

        表3 潤滑脂的真空質(zhì)損試驗結(jié)果

        2.2.3耐輻射試驗在選取的2種輻射劑量照射前后,分別測試潤滑脂的14錐入度、滴點和腐蝕性能,結(jié)果見表4。從表4可以看出,研制的低揮發(fā)潤滑脂產(chǎn)品經(jīng)受1×104Gy和1×105Gy輻照后,14錐入度、滴點和腐蝕性能基本保持不變,可以初步判斷潤滑脂的結(jié)構(gòu)和性能沒有發(fā)生改變,不受該強(qiáng)度輻射的影響。

        表4 低揮發(fā)潤滑脂耐輻射試驗結(jié)果

        2.2.4相容性試驗真空設(shè)備用材質(zhì)品種較多,包括金屬材料和非金屬材料,需測定潤滑脂對可能接觸材質(zhì)的腐蝕性,以確保潤滑脂不會破壞設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。為此,將這些材質(zhì)制成試片進(jìn)行相容性試驗。試驗試片材質(zhì)有10種,分別為40CrNiMoA、2Cr13、9Cr18、ZGCr15、1Cr18Ni9Ti、聚酰亞胺、45號鋼、氟橡膠、鋁合金和銀片。試驗后清洗試片。發(fā)現(xiàn)試片沒有斑點和不均勻的顏色變化,潤滑脂也沒有變色,試驗結(jié)果合格。說明所評價潤滑脂與上述材質(zhì)相容。

        2.3 真空熱循環(huán)臺架試驗

        在低揮發(fā)潤滑脂的真空熱縮環(huán)臺架試驗過程中,對2套諧波齒輪進(jìn)行了詳細(xì)記錄分析,該潤滑條件下,諧波傳動效率在高溫段(70 ℃)最高能夠達(dá)到89%,在低溫段(-35 ℃)仍能達(dá)到45%以上,整個試驗過程中,諧波傳動運行穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)異常情況。試驗后,對諧波齒輪進(jìn)行拆解,試驗后部件、鋼輪、柔輪、波發(fā)生器外觀照片見圖1~圖4。試驗后潤滑脂沒有出現(xiàn)干涸、分油現(xiàn)象,摩擦副表面光滑,沒有腐蝕和嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。

        圖1 試驗后部件照片

        圖2 試驗后鋼輪照片

        圖3 試驗后柔輪照片

        圖4 試驗后波發(fā)生器照片

        真空熱循環(huán)臺架試驗前后潤滑脂的紅外光譜見圖5。從圖5可以看出,試驗前后潤滑脂的所有特征峰保持不變,說明潤滑脂的組成沒有發(fā)生變化。

        圖5 真空熱循環(huán)臺架試驗前后潤滑脂紅外光譜

        低揮發(fā)潤滑脂真空熱循環(huán)臺架試驗前后元素分析結(jié)果見表5。從表5可以看出,所測元素含量都沒有發(fā)生變化,說明潤滑脂組成沒有變化。綜合以上臺架試驗分析結(jié)果,所評價的低揮發(fā)潤滑脂通過了該諧波齒輪真空熱循環(huán)臺架試驗。

        表5 低揮發(fā)潤滑脂試驗前后元素分析結(jié)果 w,%

        3 結(jié) 論

        選用中國石化石油化工科學(xué)研究院自制的MAC為基礎(chǔ)油,以復(fù)合鈉皂為稠化劑并添加抗氧劑、極壓抗磨劑和防銹劑等復(fù)合添加劑制備出一種低揮發(fā)潤滑脂。該潤滑脂不僅具有良好的高低溫性、膠體安定性、氧化安定性、防腐蝕性、極壓抗磨性,同時具有較低的飽和蒸氣壓(3.4×10-6Pa)和揮發(fā)性(總損失率0.95%,可凝揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.088%);極強(qiáng)的耐輻射性能(可耐受1×105Gy劑量)以及與真空設(shè)備材質(zhì)良好的相容性,并且通過了真空熱循環(huán)臺架試驗。

        參考文獻(xiàn)

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