趙俊杰，余波，沈俊杰，歐前

（西華大學能源與動力工程學院，四川成都 610039）

近年來，為了提高汽輪機油潤滑性能，許多學者研究了磺酸鈣作為添加劑對潤滑作用的影響。益建國[1]分析了磺酸鈣組分對潤滑脂摩擦學性能和理化性能的影響。歐英[2]研究了復合磺酸鈣基潤滑脂的高溫性能、極壓抗磨性能，得出復合磺酸鈣潤滑脂具有優(yōu)異的極壓抗磨性。L. Cizaire[3]等人使用TOFSIMS方法對高堿值磺酸鈣在摩擦過程中的化學反應進行了研究，發(fā)現(xiàn)高堿值磺酸鈣的晶核會破碎掉重新結(jié)晶，新形成的摩擦表面膜有著良好的抗磨效果。通過實驗探究不同質(zhì)量分數(shù)高堿值合成磺酸鈣對汽輪機油摩擦性能的影響，從而確定最優(yōu)配比，以提高汽輪機油潤滑性能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

基礎油為L-TSA-46B汽輪機油，購自中國石油天然氣股份有限公司潤滑油分公司；SE1231石墨烯RGO-150，購自常州第六元素材料科技股份有限公司；分散助劑：高堿值合成磺酸鈣，購自盤錦晟億化工有限公司。

1.2 儀器

ESJ200-4B電子天平，沈陽龍騰電子有限公司；FSH-2A可調(diào)高速勻質(zhì)機，常州越新儀器制造有限公司；82-5數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，上海雙捷實驗設備有限公司；HYB-B潤滑油抗磨極壓試驗機，天津遠恒潔凈機械設備廠；MRS-10A微機控制四球摩擦磨損試驗機，濟南竟成測試技術(shù)有限公司；SEM電鏡，日本電子株式會社。

1.3 試驗方法

1.3.1 分散穩(wěn)定性測定

分別將0.1 g、0.5 g、1.0 g、1.5 g和2.0 g高堿值合成磺酸鈣加入基礎油中制成50 g潤滑油添加劑，高堿值磺酸鈣質(zhì)量分數(shù)分別為0.2%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%。置于恒溫磁力攪拌器，溫度30 ℃，磁力攪拌 10 min；加入RGO-150 0.15 g，磁力攪拌 20 min；置于可調(diào)高速勻質(zhì)機中，轉(zhuǎn)速12 000 r/min，高速剪切20 min[4-6]，制成潤滑油添加劑。將不同高堿值磺酸鈣質(zhì)量分數(shù)的石墨烯添加劑油樣裝在10 mL西林瓶中，放置在同一環(huán)境下，靜置沉淀，分別在1個月、3個月、6個月后對各樣品進行記錄并觀察。

1.3.2 極壓性測定

微機控制四球摩擦磨損試驗機，3個鋼球通過油盒緊密固定在一起，呈正三角形于下方，中心正上方通過液壓系統(tǒng)施加荷載在第4個鋼球，鋼球的接觸點需要完全浸沒在含不同質(zhì)量分數(shù)高堿值磺酸鈣的基礎油中，防止發(fā)生干摩現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速1 400 r/min，時間10 s，通過調(diào)整載荷，并測量鋼球磨斑直徑。反復試驗，直到測出滿足評定指標的最大無卡咬負荷（PB）。

1.3.3 潤滑性能測試

分別將適量含不同質(zhì)量分數(shù)的高堿值磺酸鈣基礎油、RGO-150加入油盒中，刮走從固定螺母壓出的多余試樣。載荷392 N，轉(zhuǎn)速1 200 r/min，摩擦時間30 min。采用四球摩擦磨損試驗機對改性基礎油進行長磨測試，通過摩擦系數(shù)對比進一步分析摩擦學性能[7]。

1.3.4 磨斑試驗

長磨實驗（30 min）結(jié)束后，鋼球采用石油醚超聲清洗5 min，用SEM電鏡觀察試樣磨損表面形貌，并根據(jù)磨斑直徑長度以及表面形貌，評價其減磨抗磨性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 分散穩(wěn)定性分析

實驗采用沉降法對改性基礎油進行分散穩(wěn)定性分析。沉降法可以真實地反應納米顆粒在液體介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性，且操作簡便，是目前最常用和最可靠的一種方法。分散穩(wěn)定性好的沉降速度慢，沒有明顯的沉積物。

如圖1所示，5組樣品靜置沉淀1個月后，樣品均無明顯沉淀；樣品靜置沉淀3個月后，高堿值合成磺酸鈣質(zhì)量分數(shù)為0.2%和1.0%實驗組均出現(xiàn)明顯沉淀，其他3組樣品無明顯沉淀；樣品靜置沉淀6個月后，質(zhì)量分數(shù)為4.0%的樣品也出現(xiàn)明顯沉淀。高堿值合成磺酸鈣的含量對RGO在油樣中分散穩(wěn)定性影響作用明顯，當其質(zhì)量分數(shù)較低時，RGO較短時間內(nèi)出現(xiàn)明顯沉淀，這是因為磺酸鈣含量不足抑制了RGO表面上含有親油基分散助劑的分散效果；當其質(zhì)量分數(shù)過高時，RGO分散穩(wěn)定性也受到了一定的影響[6]。

圖1 高堿值合成磺酸鈣作添加劑的改性基礎油靜置分散情況

2.2 極壓性能分析

由圖2可知，磺酸鈣含量對改性基礎油最大無卡咬負荷影響作用十分明顯，當質(zhì)量分數(shù)為2.0%時，PB值達到最大607.2 N，較基礎油PB值提高了47.52%?；A油本身具有一定的承載能力，高堿值合成磺酸鈣作為添加劑加入時，油樣的最大無卡咬負荷明顯升高，說明高堿值合成磺酸鈣的添加能夠有效提升改性基礎油的極壓性能。當其質(zhì)量分數(shù)小于2.0%時，隨著質(zhì)量分數(shù)的增大，改性基礎油最大無卡咬負荷也不斷增加，在質(zhì)量分數(shù)為2.0%時達到最高；當其質(zhì)量分數(shù)大于2.0%時，隨著質(zhì)量分數(shù)的增大，改性基礎油油樣最大無卡咬負荷在不斷減小，當質(zhì)量分數(shù)為4.0%時，油樣的PB值降至568.4 N。

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)改性基礎油PB值

2.3 潤滑性能分析

由于質(zhì)量分數(shù)為0.2 %的實驗組在測試最大無卡咬負荷時，數(shù)據(jù)不理想，故不進行長磨實驗。表1為ROG-150改性基礎油中添加高堿值合成磺酸鈣的摩擦系數(shù)。由表1可知，當高堿值合成磺酸鈣質(zhì)量分數(shù)為2.0%時，摩擦系數(shù)明顯降低；當質(zhì)量分數(shù)達到4.0%時，摩擦系數(shù)上升超過質(zhì)量分數(shù)為1.0%的試驗組，說明當高堿值合成磺酸鈣質(zhì)量分數(shù)超過一定量時，對于長時間的摩擦行為，減摩抗磨效果明顯變差。

表1 高堿值合成磺酸鈣含量對ROG-150改性基礎油摩擦系數(shù)的影響

2.4 磨斑表面分析

如表2所示，長磨實驗結(jié)束后，觀察樣品的磨斑直徑，可以發(fā)現(xiàn)適當質(zhì)量分數(shù)的高堿值合成磺酸鈣能在一定程度上減小磨斑直徑，但不同質(zhì)量分數(shù)對磨斑直徑影響不大，在顯微鏡下，磨斑形貌也沒有明顯的差異。說明在長磨實驗中，其含量不是影響磨斑形貌的主要因素。

表2 長磨實驗后磨斑直徑

因為高堿值合成磺酸鈣和RGO具有同樣的特點，在減摩抗磨作用中與RGO所起作用相似，因此在RGO充分發(fā)揮減摩抗磨的作用下，改變合成磺酸鈣含量不能夠明顯改變減摩抗磨效果。高堿值合成磺酸鈣在潤滑油中的質(zhì)量分數(shù)過高，在載荷和高溫的作用下，會與石墨烯混合顆粒在摩擦副表面燒結(jié)成塊，使納米顆粒成為雜質(zhì)顆粒，增加摩擦副表面間的磨損，最終導致摩擦性能下降。當質(zhì)量分數(shù)超過2%后，摩擦系數(shù)不降反增。最終確定最佳質(zhì)量分數(shù)為2%。

3 結(jié)論

高堿值合成磺酸鈣的含量變化，對RGO改性基礎油的PB值有著明顯的影響，經(jīng)實驗得出其最佳添加量為2.0%，該質(zhì)量分數(shù)下的高堿值合成磺酸鈣可提高改性基礎油的PB值，且對摩擦系數(shù)及磨斑形貌影響并不明顯。