雷愛蓮，李小剛，金志良，翟國容，魏斌斌，金理力，李 濤

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國石油昆侖潤滑檢測評定中心)

SRV高頻線性振動摩擦磨損試驗機已成為國際摩擦學(xué)界重要的試驗分析儀器,廣泛應(yīng)用于摩擦學(xué)基礎(chǔ)研究、潤滑劑及潤滑材料的開發(fā)、機械材料的評定等方面。其試驗數(shù)據(jù)可信度較高,試驗費用低,周期短,已經(jīng)成為機械摩擦磨損研究的重要輔助工具,對研究潤滑劑、新型潤滑材料摩擦特性和新型潤滑產(chǎn)品的基礎(chǔ)性開發(fā)研究具有較大價值。

為滿足更加嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保排放法規(guī)要求,燃油直噴、渦輪增壓發(fā)動機技術(shù)的使用,以及航空渦輪燃?xì)獍l(fā)動機使用溫度的提升,加之工業(yè)設(shè)備向高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷方向發(fā)展,潤滑油的使用溫度逐步提升。在較高使用溫度下,潤滑油油膜在高溫、高速、高負(fù)荷等苛刻條件下會破裂而造成設(shè)備摩擦副出現(xiàn)擦傷失效[1]。另外,提高燃料經(jīng)濟性是汽油機油升級換代的動力之一,這一點已充分反映在ILSAC汽油機油規(guī)格中[2]。近幾年,原始設(shè)備制造商(OEM)對柴油機油的節(jié)能性也提出了要求,在柴油機油中也開始使用減摩劑,航空渦輪發(fā)動機油需要更高的使用溫度。因此,內(nèi)燃機油不僅需要較好的減摩抗磨效果,而且還要具有較好的熱穩(wěn)定性,在較高的使用溫度下,潤滑油及添加劑能夠保持良好的減摩抗磨性能,具有穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和較高的抗高溫擦傷性能,以避免在苛刻的極限工況下使用時由于溫度過高導(dǎo)致油膜破裂而使摩擦副出現(xiàn)擦傷。

基于此,開發(fā)了一種測定潤滑劑抗擦傷失效溫度的試驗方法?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)方法,如FZG齒輪試驗機[3]、四球機[4]、梯姆肯[5]等方法均可以用于評價潤滑劑隨負(fù)荷增加時的抗擦傷性能。本方法是摩擦學(xué)領(lǐng)域性能評價的一個新發(fā)展,主要用于評價潤滑劑隨溫度梯度增加時的抗擦傷性能,試驗溫度高達300 ℃,為在邊界潤滑狀態(tài)下潤滑劑摩擦因數(shù)隨溫度變化的情況以及抗擦傷失效的溫度測定提供相應(yīng)的測試方法,對于評價潤滑劑溫度對摩擦學(xué)性能的影響具有重要意義。

1 實 驗

1.1 方法概要

本方法采用SRVⅣ及Ⅴ型摩擦磨損試驗機,試驗柱在固定的試驗盤上,在有潤滑劑的情況下進行線性往復(fù)運動,往復(fù)運動方向與試驗柱軸線的方向垂直,在規(guī)定條件下逐級升溫,直至發(fā)生咬合或完成規(guī)定的試驗程序,通過試驗過程中的摩擦因數(shù)變化趨勢判斷發(fā)生咬合的最低溫度,此溫度為油品的抗擦傷失效溫度,并記錄試驗過程中的摩擦因數(shù)波動情況,有條件的實驗室還可以進一步測量試驗件的磨損情況,對摩擦過程中的典型情況可以進行進一步的機理研究。

1.2 試驗件和試驗條件

1.2.1試驗件的確定

本方法基于內(nèi)燃機油及相關(guān)的添加劑的摩擦學(xué)性能研究而建立,也可以評價其他在高溫工況下使用的油品摩擦學(xué)性能,目前僅提供了1個測試油品摩擦學(xué)性能隨溫度升高的變化情況的基礎(chǔ)測試方法,其測定結(jié)果與相應(yīng)實際使用性能之間的對應(yīng)性需要通過方法的應(yīng)用逐步建立。

在發(fā)動機各部件的摩擦損失中,活塞組件造成的摩擦損失所占比例最大,接近50%。 因此,有必要考察內(nèi)燃機油在缸套-活塞環(huán)模擬工況下的摩擦磨損性能。根據(jù)內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)摩擦副的工作原理,結(jié)合SRV試驗機測試腔內(nèi)工作平臺結(jié)構(gòu)、空間尺寸和試件夾具形狀等特點,以及試驗件的可標(biāo)準(zhǔn)化性,經(jīng)過研究選擇了柱-盤線接觸。試驗柱采用鋼材質(zhì),試驗盤采用灰鑄鐵,材質(zhì)模擬發(fā)動機的通用材質(zhì),其試件結(jié)構(gòu)和安裝示意見圖1,其技術(shù)參數(shù)見表1,典型灰鑄鐵試驗盤的主要組成及硬度見表2。

表1 試件參數(shù)

表2 灰鑄鐵盤的元素含量及硬度 w,%

圖1 試件結(jié)構(gòu)和安裝示意

1.2.2試驗條件的確定

根據(jù)發(fā)動機缸套-活塞環(huán)之間的平均接觸壓力為268 MPa、最大接觸壓力為341 MPa,對應(yīng)到SRV柱-盤初始赫茲接觸壓力,計算得到的試驗負(fù)荷為400～600 N,確定試驗負(fù)荷為500 N。

內(nèi)燃機油的工作溫度與其發(fā)動機設(shè)計及其使用工況相關(guān),一般發(fā)動機主油道的機油溫度在典型工況下一般為120 ℃,評價高檔內(nèi)燃機油高溫氧化性能的程序ⅢG臺架機濾處的機油溫度為150 ℃,渦輪航空發(fā)動機油工作溫度更高,未來有300 ℃以上需求的可能性,甚至可能達到350 ℃,發(fā)動機缸套-活塞環(huán)區(qū)域的機油溫度相較其他摩擦副更高一些。在40～300 ℃溫度范圍內(nèi),測定油品的摩擦因數(shù)隨溫度變化的情況,如果有具備SRV試驗設(shè)備、工作溫度高于300 ℃的實驗室,在300 ℃尚未失效的樣品可以按照第4階段的試驗周期及每10 ℃溫度梯度繼續(xù)試驗,直至摩擦因數(shù)急劇上升發(fā)生突變導(dǎo)致油膜破裂而失效;也可以根據(jù)實際需求選擇在較低的溫度結(jié)束試驗,通過摩擦因數(shù)隨溫度升高的變化趨勢分析判斷油品的摩擦磨損性能。

結(jié)合SRV試驗設(shè)備的功能參數(shù)以及實驗室的考察結(jié)果,試驗沖程選擇2 mm比較適合,最后確定試驗沖程為2 mm。

根據(jù)汽車廠家提供的信息得知,發(fā)動機速率范圍一般為2 000～3 000 r/min,結(jié)合SRV設(shè)備可控的參數(shù),確定往復(fù)運動振動頻率為50 Hz。

實驗室模擬試驗的優(yōu)勢在于試驗周期短,簡單快捷,經(jīng)過優(yōu)化油品的區(qū)分能力以及試驗條件的可重復(fù)性,確定在40～300 ℃溫度范圍內(nèi),每增加10 ℃,試驗運行7～15 min,優(yōu)化后最終的試驗條件見表3。

表3 抗擦傷失效溫度試驗條件

2 典型樣品的評定結(jié)果

根據(jù)確定的摩擦副和試驗條件,選取4個代表性油品進行了測定,油品性能見表4,試驗過程中的摩擦因數(shù)見圖2。

表4 4個代表性油品的性能

圖2 油品的摩擦因數(shù)曲線

圖2的結(jié)果表明,所建試驗方法對不同油品具有良好的區(qū)分性。樣品1在270 ℃時摩擦因數(shù)急劇上升而失效,樣品2在250 ℃時摩擦因數(shù)急劇上升而失效,樣品3在150 ℃時摩擦因數(shù)急劇上升而失效,樣品4在300 ℃時摩擦因數(shù)尚未增加,油品未失效。

3 典型樣品的摩擦學(xué)機理探討

通過建立的試驗方法,探討了溫度對油品及添加劑摩擦因數(shù)影響的機理,這些機理可以指導(dǎo)和幫助潤滑油及添加劑研發(fā)人員掌握其熱氧化穩(wěn)定性,開展進一步的研究工作。對試驗盤上的磨痕區(qū)域進行掃描電鏡和能譜(EDS)分析。樣品的摩擦因數(shù)曲線見圖3,試驗盤磨痕表面掃描電鏡照片見圖4及圖5,2個典型溫度下對應(yīng)的試驗盤上磨痕區(qū)域能譜分析結(jié)果見表5。

表5 試驗盤摩擦表面的能譜分析結(jié)果 w,%

圖3 典型汽油機油樣品的摩擦因數(shù)曲線

圖4 試驗盤摩擦表面掃描電鏡照片(×103)

圖5 試驗盤摩擦表面掃描電鏡照片(×104)

由圖3可知:該樣品在40～190 ℃之間有較低的摩擦因數(shù),為0.045～0.06;溫度增加到200 ℃,摩擦因數(shù)增加到0.15～0.17,一直保持到260 ℃;在270 ℃時摩擦因數(shù)急劇上升而導(dǎo)致設(shè)備自動停機,說明油膜破裂導(dǎo)致潤滑失效。因此,判斷該樣品的抗擦傷失效溫度為270 ℃。根據(jù)摩擦因數(shù)隨溫度變化趨勢推測該樣品應(yīng)該加有減摩劑,使得40～190 ℃之間有較低的摩擦因數(shù),而200 ℃時減摩劑失效,失去減摩作用,但油品仍然具有潤滑效果,但270 ℃時油品失去潤滑能力,導(dǎo)致摩擦因數(shù)急劇增加,發(fā)生摩擦副的直接接觸。

由圖4、圖5可知:在150 ℃下摩擦副表面有明顯的化學(xué)反應(yīng)膜,摩擦系數(shù)較低;在270 ℃下磨痕較明顯。表5為磨損軌跡表層中的元素分析結(jié)果。由表5可知,樣品中含有Mo基添加劑,Mo鹽是一種減摩劑,二烷基二硫代氨基甲酸鉬是一種減摩效果很好的減摩劑,但氧化安定性比較差[6]。由于形成具有減摩性能的反應(yīng)膜,樣品在40～190 ℃有較低的摩擦因數(shù)。然而,摩擦因數(shù)在200 ℃時升高,并在270 ℃之前保持在0.15～0.17的水平。在270 ℃時,樣品的摩擦因數(shù)開始急劇增加,導(dǎo)致設(shè)備自動停機,說明發(fā)生了摩擦副的直接接觸,油品完全失去了潤滑性能。因此,該樣品的抗擦傷失效溫度判斷為270 ℃,但減摩劑在200 ℃就已經(jīng)失效。

4 結(jié) 論

利用SRV摩擦磨損試驗機,自行研究建立的測定潤滑劑抗擦傷失效溫度的的試驗方法具有良好的區(qū)分性,能夠評價不同油品摩擦學(xué)性能隨溫度變化的情況,能夠為潤滑劑研發(fā)人員提供一種新的測試方法,對高溫條件下潤滑油及添加劑摩擦學(xué)性能研究具有實用意義,可用于研究溫度對油品及添加劑摩擦學(xué)性能的影響,為高性能熱穩(wěn)定性添加劑的研究提供指導(dǎo)。