陳芳蕾，劉建龍，韓鵬，吳寶杰，馮強(qiáng)

(中國石化潤滑油有限公司潤滑脂分公司，天津 300480)

隨著國家對低碳、環(huán)保的重視程度越來越高，汽車設(shè)計(jì)制造技術(shù)也在逐步向高速、高扭矩、輕量化、長壽命方向發(fā)展，對乘用車輪轂軸承用潤滑脂的要求也在不斷提高。輪轂軸承、花鍵軸等汽車的緊配合部位受到小幅度振動(dòng)而引起的磨損現(xiàn)象稱作微動(dòng)磨損，微動(dòng)磨損會(huì)加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，使構(gòu)件的疲勞壽命大大降低。

國內(nèi)對潤滑脂抗微動(dòng)磨損性能的研究較少：文獻(xiàn)[1]采用高精度的PLINT微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對不同類型潤滑油和脲基潤滑脂潤滑下的軸承鋼球和軸承鋼塊摩擦副的微動(dòng)特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[2]在開發(fā)聚脲型轎車輪轂軸承潤滑脂的過程中使用SRV試驗(yàn)機(jī)評價(jià)了不同潤滑脂的抗微動(dòng)磨損性能。

截至目前，未檢索到對不同類型聚脲潤滑脂抗微動(dòng)磨損性能研究的文獻(xiàn)，且在研究工作中發(fā)現(xiàn)，不同類型聚脲潤滑脂的抗微動(dòng)磨損性能有著明顯差異，因此本文以聚脲潤滑脂為分析對象，采用FALEX微動(dòng)磨損測試儀測試潤滑脂抗微動(dòng)磨損性能，并對其因稠化劑組成不同造成的抗微動(dòng)磨損性能差異及其原因進(jìn)行分析。

1 樣品制備及其理化性能分析

1.1 樣品制備

本文以聚脲潤滑脂為分析對象，根據(jù)試驗(yàn)需求采用不同稠化劑配方的4種潤滑脂樣品，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可對比性，試驗(yàn)樣品除稠化劑配方存在差異外，其他配方及生產(chǎn)工藝基本一致。樣品配方見表1。

表1 試驗(yàn)潤滑脂樣品配方Tab.1 Formula of tested grease samples

1.2 樣品理化性能分析

對以上4種潤滑脂樣品進(jìn)行理化性能分析，結(jié)果見表2，其中潤滑脂的工作錐入度和延長工作錐入度按照GB/T 269—1991《潤滑脂和石油脂錐入度測定法》進(jìn)行測試，潤滑脂滴點(diǎn)采用GB/T 3498—2008《潤滑脂寬溫度范圍滴點(diǎn)測定法》進(jìn)行測試，潤滑脂分油性采用NB/SH/T 0324—2010《潤滑脂分油的測定錐網(wǎng)法》進(jìn)行測試。

表2 試驗(yàn)潤滑脂樣品基本理化性能Tab.2 Basic physical and chemical properties of tested grease samples

4種潤滑脂樣品稠度NLGI等級(jí)均為2，基礎(chǔ)油40 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為82～86 mm2/s，而4種潤滑脂樣品的滴點(diǎn)、分油量、延長工作錐入度均有差別：滴點(diǎn)表征潤滑脂的耐高溫性，滴點(diǎn)高的潤滑脂耐高溫性更好，因此1#樣品的耐高溫性最好；分油量(錐網(wǎng)法)表征潤滑脂分油傾向，1#樣品分油量最高，因此其在使用過程中具有更好的分油性能；延長工作錐入度與工作錐入度差值表征潤滑脂的機(jī)械安定性， 差值越小，表示潤滑脂工作中具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此1#樣品的機(jī)械安定性最優(yōu)。

2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)

2.1 測試方法與儀器

為提高輪轂軸承潤滑脂的抗微動(dòng)磨損性能，防止在汽車運(yùn)輸過程中輪轂軸承發(fā)生微動(dòng)磨損，1989年，國際汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)、美國試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)(ASTM)和國際潤滑脂協(xié)會(huì)(NLGI)三方聯(lián)合制定了汽車用潤滑脂標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4950[3]。根據(jù)性能把底盤潤滑脂分為LA，LB 兩類，把輪轂軸承(WB)潤滑脂設(shè)計(jì)成GA，GB，GC 3個(gè)等級(jí)；符合LB-GC指標(biāo)要求的潤滑脂是高性能、多效的汽車潤滑脂，兼有底盤和輪轂軸承用潤滑脂的功能；測試潤滑脂抗微動(dòng)磨損性能需按照ASTM D4950要求的ASTM D4170方法進(jìn)行，軸承磨損量應(yīng)小于10 mg。

在一定試驗(yàn)條件下，軸承滾動(dòng)件相對于軸承座圈做小幅度的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，接觸表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損、剝落進(jìn)而形成磨屑，氧化的磨屑不能立即排出，在軸承座圈形成了磨損損傷。以測試前后軸承座圈的質(zhì)量損失之和作為試驗(yàn)潤滑脂抗微動(dòng)磨損性能的評定依據(jù)。近幾年，汽車行業(yè)內(nèi)認(rèn)為磨損量小于5 mg將能提供最優(yōu)的抗微動(dòng)磨損保護(hù)，一些高端車型的制造商甚至提出了更嚴(yán)苛的磨損量要求[4]。

潤滑脂抗微動(dòng)磨損性能的測試方法采用ASTM D4170，測試設(shè)備為美國FALEX微動(dòng)磨損測試儀，如圖1所示，試驗(yàn)原理為電動(dòng)機(jī)軸-偏心輪帶動(dòng)測試單元中2套注脂后的推力球軸承以0.21 rad(12°)水平擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率為30 Hz，軸承軸向加載2 450 N，測試22 h后清洗軸承，測量推力軸承座圈測試前后的磨損量。

微動(dòng)磨損測試用推力球軸承如圖2所示，內(nèi)徑為(16±0.025)mm，外徑為(35.69±0.025)mm，裝配高為(15.75±0.25)mm，裝有9個(gè)直徑為7.142 mm的鋼球，保持架以外的所有表面均磨削[5]。以FALEX標(biāo)準(zhǔn)測試軸承硬度約為83 HRA，表面粗糙度Ra值約為0.7 μm。

(a)實(shí)物圖片

圖2 微動(dòng)磨損測試用軸承Fig.2 Bearings for fretting wear test

2.2 測試結(jié)果

4種潤滑脂樣品的抗微動(dòng)磨損性能測試結(jié)果見表3，測試后的軸承外觀如圖3所示。4種潤滑脂樣品的抗微動(dòng)磨損性能有明顯差異，1#樣品抗微動(dòng)磨損測試的磨損量最小，測試后的軸承磨痕最淺，磨損面積最小；2#樣品抗微動(dòng)磨損測試的磨損量最大，測試后的軸承磨痕最深，磨損面積大。這說明聚脲潤滑脂的抗微動(dòng)磨損性能與稠化劑配方有很大關(guān)系，研究不同稠化劑配方制得的聚脲潤滑脂的抗微動(dòng)磨損性能對實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

表3 微動(dòng)磨損測試結(jié)果Tab.3 Results of fretting wear test

(a)1#樣品

3 稠化劑配方對潤滑性能的影響

不同稠化劑配方影響聚脲潤滑脂的油膜形成能力、油膜穩(wěn)定性和流變性能，進(jìn)而影響潤滑脂的潤滑性能。

3.1 潤滑脂的油膜厚度

對于脂潤滑，初期油膜靠動(dòng)壓效應(yīng)形成，以充分供油狀態(tài)為主，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長接觸區(qū)變成貧油狀態(tài)，并且絕大多數(shù)情況下，脂潤滑接觸區(qū)均處于貧油潤滑狀態(tài)，潤滑脂中基礎(chǔ)油對滾道的適當(dāng)回流補(bǔ)充可以緩解貧油程度，并保證油膜厚度的穩(wěn)定性。潤滑脂在接觸區(qū)表面能夠快速形成足夠厚的油膜，并且油膜具有良好的穩(wěn)定性，就可以使接觸區(qū)保持良好的潤滑狀態(tài)，對接觸區(qū)進(jìn)行抗微動(dòng)磨損的防護(hù)。

異氰酸酯和胺進(jìn)行加成反應(yīng)，生成含有脲基結(jié)構(gòu)(NH-CO-NH)的聚脲稠化劑，其依靠分子之間的氫鍵和范德華力結(jié)合形成稠化劑纖維，將基礎(chǔ)油吸附和束縛在稠化劑周圍，進(jìn)而形成半固體狀的潤滑脂。不同稠化劑結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)油的束縛作用力不同，在接觸區(qū)油膜的形成能力與穩(wěn)定性也有差別[6]。

使用油膜厚度測試儀EHD2(圖4)通過雙光束干涉法測量潤滑脂在點(diǎn)接觸下潤滑脂的油膜厚度。設(shè)置法向載荷20 N，測試低速(1～5 m/s)啟動(dòng)和恒速(5 m/s)工況下上述4種潤滑脂樣品的油膜厚度，以研究不同稠化劑配方對潤滑脂的油膜形成能力和穩(wěn)定性的影響。

圖4 油膜厚度測試儀Fig.4 Oil film thickness tester

4種潤滑脂樣品在低速(0～5 m/s)啟動(dòng)條件下的油膜厚度測試結(jié)果如圖5所示。1#樣品在低速啟動(dòng)后能夠在接觸區(qū)快速形成較厚的油膜，啟動(dòng)階段潤滑脂被帶入接觸區(qū)參與成膜，初始油膜厚度較大，隨著剪切作用油膜厚度逐漸減小并趨于穩(wěn)定[7]。2#，3#，4#樣品的油膜厚度均小于1#樣品，且2#樣品成膜能力較弱，在低速啟動(dòng)下的油膜厚度最小。上述結(jié)果表明，對有抗微動(dòng)磨損要求的工況，1#樣品能夠在接觸區(qū)快速參與形成油膜，避免了在初始階段因乏油造成微動(dòng)磨損的現(xiàn)象。

圖5 低速啟動(dòng)時(shí)潤滑脂樣品的油膜厚度Fig.5 Oil film thicknesses of grease samples at low speed start

4種潤滑脂樣品在恒速(5 m/s)運(yùn)轉(zhuǎn)60 s條件下的油膜厚度測試結(jié)果如圖6所示。1#樣品的油膜穩(wěn)定性好，能夠在接觸區(qū)保持較厚油膜，這是因?yàn)?#潤滑脂稠化劑結(jié)構(gòu)均勻，經(jīng)過剪切后稠化劑結(jié)構(gòu)破壞程度小，稠化劑-基礎(chǔ)油體系間作用力適當(dāng)，有利于潤滑脂適當(dāng)分油補(bǔ)充接觸區(qū)油膜，使接觸區(qū)油膜穩(wěn)定，進(jìn)而對接觸區(qū)進(jìn)行抗微動(dòng)磨損防護(hù)。2#，3#，4#樣品油膜厚度較小，且2#樣品的油膜厚度最小，不利于接觸區(qū)的潤滑防護(hù)。

圖6 恒速5 m/s運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤滑脂樣品的油膜厚度Fig.6 Oil film thicknesses of grease samples at constant speed of 5 m/s

通過以上測試結(jié)果可以看出稠化劑配方對潤滑脂油膜形成能力和穩(wěn)定性有顯著影響。結(jié)合樣品的理化數(shù)據(jù)分析，1#樣品具有優(yōu)秀的分油性能和機(jī)械安定性，經(jīng)剪切后能夠較快進(jìn)入微動(dòng)磨損接觸表面形成油膜，并且恢復(fù)結(jié)構(gòu)的能力較好，可以對接觸區(qū)進(jìn)行潤滑防護(hù)，因此1#樣品的抗微動(dòng)磨損性能最優(yōu)。3#，4#樣品機(jī)械安定性差，稠化劑結(jié)構(gòu)經(jīng)剪切后恢復(fù)能力差，但分油性能較好，在微動(dòng)磨損發(fā)生的接觸區(qū)經(jīng)反復(fù)剪切后結(jié)構(gòu)變形，迅速分油補(bǔ)充至接觸區(qū)對接觸表面進(jìn)行防護(hù)。2#樣品稠化能力較1#樣品增加，稠化劑分子間的作用力增大，但分油性能較差，潤滑脂微動(dòng)磨損接觸區(qū)形成油膜厚度最小，導(dǎo)致抗微動(dòng)磨損測試的結(jié)果較差。

3.2 潤滑脂的流變性能

對上述4種潤滑脂樣品進(jìn)行潤滑脂流變性能測試，結(jié)合工況，采用錐板測試，測試間距為0.109 mm，設(shè)定測試溫度為25 ℃，保持角頻率為10 rad/s，應(yīng)變范圍0.01%～100%，隨著振蕩幅度不斷增加，測試4種潤滑脂樣品的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨應(yīng)變?chǔ)玫淖兓闆r。

當(dāng)潤滑脂被微小幅度的載荷作用時(shí)，由于受到的剪切應(yīng)力τ小于屈服應(yīng)力，稠化劑結(jié)構(gòu)沒有被破壞，彈性模量和黏性模量是一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值，并且G′總是大于G″，說明潤滑脂在靜止或受到很小剪切應(yīng)力時(shí)彈性占主導(dǎo)地位，潤滑脂以固體性質(zhì)為主；隨著應(yīng)變增加到一定程度，G′和G″開始減小，其中G′減小速度比G″快，G′和G″這2條曲線相交時(shí)(即G′=G″)的點(diǎn)稱為交叉流動(dòng)點(diǎn)，在該點(diǎn)之前，潤滑脂處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)G′

聚脲潤滑脂分子間主要通過氫鍵和范德華力結(jié)合構(gòu)成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，不同配方的稠化劑分子結(jié)構(gòu)不同，形成的分子之間作用力的強(qiáng)度也不同。在流動(dòng)點(diǎn)處的剪切應(yīng)力值表征潤滑脂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，臨界點(diǎn)的剪切應(yīng)力越小說明潤滑脂更容易進(jìn)入接觸區(qū)進(jìn)行剪切，參與微動(dòng)磨損的接觸區(qū)表面潤滑，避免發(fā)生摩擦磨損。

4種潤滑脂樣品在25 ℃下的彈性模量和黏性模量測試結(jié)果如圖7所示。隨著剪切形變量增加，4種潤滑脂樣品的剪切應(yīng)力均呈線性增大后緩慢遞增，而彈性模量和黏性模量先穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)后呈下降趨勢，且二者存在交點(diǎn)；另外，4種潤滑脂樣品的剪切應(yīng)力、G′和G″曲線不同，說明不同潤滑脂具有不同的黏彈性，所表現(xiàn)的流動(dòng)性也不同。25℃下各樣品在交叉流動(dòng)點(diǎn)的剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變和黏彈性模量值見表4。

圖7 潤滑脂黏彈性流變測試曲線(25 ℃)Fig.7 Viscoelastic rheological test curves of greases(25 ℃)

表4 潤滑脂樣品在交叉流動(dòng)點(diǎn)的流變測試結(jié)果Tab.4 Rheological test results of grease samples at cross flow points

根據(jù)流變測試曲線與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對不同稠化劑配方造成潤滑脂抗微動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果差異進(jìn)行分析：1#樣品在交叉流動(dòng)點(diǎn)的黏彈性模量值最大，γ和τ值最小，說明其易發(fā)生形變呈流動(dòng)狀態(tài)，更易進(jìn)入接觸區(qū)進(jìn)行潤滑，具有更好的抗微動(dòng)磨損性能；2#樣品在γ為41.200%時(shí)才出現(xiàn)交叉流動(dòng)點(diǎn)，潤滑脂流動(dòng)性能較差，稠化劑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，分子之間作用力較大，抗微動(dòng)磨損性能最差；3#樣品交叉流動(dòng)點(diǎn)處γ和τ值較4#樣品小，潤滑脂更易發(fā)生黏彈性變形，能夠較快的進(jìn)入接觸區(qū)進(jìn)行潤滑，因此3#樣品的抗微動(dòng)磨損性能優(yōu)于4#樣品。

4 結(jié)論

采用FALEX微動(dòng)磨損測試儀測試聚脲潤滑脂抗微動(dòng)磨損性能，并對其因稠化劑配方不同造成的抗微動(dòng)性能差異及其原因進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)不同稠化劑配方的聚脲潤滑脂的抗微動(dòng)磨損測試結(jié)果有明顯差異。

2)不同稠化劑配方的聚脲潤滑脂在接觸區(qū)形成油膜的厚度不同，能夠快速在接觸區(qū)形成較厚油膜并具有油膜保持能力的潤滑脂具有更好抗微動(dòng)磨損性能。

3)不同稠化劑配方的聚脲潤滑脂因稠化劑結(jié)構(gòu)的差異造成潤滑脂流動(dòng)性能的區(qū)別，稠化劑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，可恢復(fù)能力較強(qiáng)，更容易流動(dòng)的潤滑脂的抗微動(dòng)磨損性能更優(yōu)。