潤滑油含水時添加劑對軸承性能的影響

李貞，方智敏，王文

(上海大學 機電工程及自動化學院，上海 200072)

工程實際應用表明潤滑劑中含水對軸承疲勞壽命的危害非常大，如何消除或減少水對軸承的負面影響是提高其疲勞壽命的關鍵。合理選用潤滑油是解決這一問題的有效途徑之一。而不同潤滑油添加劑的抗磨減摩和極壓性能及對軸承疲勞壽命的影響機理各不相同。

文獻[1-2]認為鋼球中的微裂紋起著毛細血管的作用，將水吸到裂紋底部，在底部形成氫脆和電化學腐蝕，從而加速裂紋的萌生和擴展，降低軸承的疲勞壽命。文獻[3]指出潤滑劑中的水達到飽和時樣本的疲勞壽命會顯著下降,并指出有些添加劑能夠阻止潤滑油中水的有害影響，如異戊醇和一種咪唑啉衍生物。文獻[4]的試驗表明，在乳化液壓油中添加0.1%的二異丙基氨基乙醇(IPAE)能夠消除潤滑劑中1%海水的大部分有害影響。文獻[5]通過疲勞試驗指出硼酸酯能緩和極壓添加劑的腐蝕性，有利于提高潤滑油的抗疲勞點蝕能力。文獻[6]通過研究十八胺對接觸疲勞的影響發現，隨著十八胺含量的增加，潤滑油的抗接觸疲勞能力得到提高。

下文針對2種典型的潤滑油添加劑：酸性添加劑T202(二烷基二硫代磷酸鋅)和堿性添加劑T406(苯三唑十八胺)，通過試驗研究在潤滑油含水時其對軸承摩擦磨損性能及疲勞壽命的影響。

1 摩擦磨損試驗

通過摩擦磨損試驗分別在潤滑油不含水和含水的工況下研究T202和T406的摩擦磨損特性。對鋼球的磨斑進行檢測分析，初步得出2種添加劑的摩擦磨損特性及水對其摩擦學特性的影響。

1.1 試驗設備、試件及材料

1.1.1 試驗設備及方法

試驗在MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，根據GB 3142—1982《潤滑劑承載能力測定法(四球法)》選擇試驗用摩擦副類型為四球式摩擦副，其結構如圖1所示。下3球固定不動，加載系統對上、下鋼球施加載荷，上球在指定速度下旋轉。試驗至設定的時間停機，卸下油盒，用顯微鏡檢測下3球的磨斑直徑。

1—四球油盒；2—壓環；3—鎖緊螺母；4—擋油環；5—彈簧夾頭；6—鋼球墊；7—鉑電阻套；8—鉑電阻

1.1.2 試驗條件

試驗使用材料為GCr15且公差等級為G3的鋼球,外徑為12.7 mm。試驗環境溫度為25 ℃左右。設定上球轉速為1 450 r/min，試驗時間為10 s；試驗用潤滑油組成見表1。

表1 試驗用潤滑油組成

1.2 試驗結果及討論

當載荷為294 N 時，添加劑摩擦學特性試驗結果見表2，D為實測的磨斑直徑，pm為接觸區平均油膜承載壓力。由表2可知，載荷為294 N時T202和T406都表現出一定的耐磨性，磨斑直徑及摩擦因數均比不含添加劑時要小。加入5%水對其摩擦性能均有一定的負面影響，磨斑直徑及摩擦因數均出現不同程度的增加，但含添加劑的油品性能依然優于不含添加劑的油品。

表2 添加劑的摩擦學特性試驗結果

依據GB 3142—1982，通過試驗可求得不同潤滑狀況下油膜強度FB及補償直徑D補。計算可得添加劑承載能力相關參數見表3。

表3 油膜強度 FB試驗結果對比

Dh為Hertz接觸直徑，即鋼球變形形成的凹面直徑

(1)

當垂直方向載荷為F時，每個球所受載荷為

F1=0.408F，

(2)

校正載荷為

(3)

接觸區的平均油膜承載壓力pm為

(4)

式中：S為磨損面積。

由表3可以看出，在前3組不含水的工況中，第2組油膜強度最高；第3組油膜強度相對第1組略高。在后3組含5%水的工況下，第5組油膜強度最高；第4組與第6組油膜強度相當。縱向比較水對添加劑性能的影響發現，水對油膜的承載能力有負面影響，加入5%水后油膜的強度均有所下降。結合表2可知，T202在含水的工況下仍有很好的摩擦學性能；T406在含水的工況下摩擦學性能良好，但油膜承載能力一般。

2 疲勞壽命試驗

為進一步研究含水工況下添加劑的效能，在滾子-鋼球壽命試驗機上進行了多組完全疲勞壽命試驗。研究水及含水工況下添加劑對軸承疲勞壽命的影響。

2.1 試驗條件

2.1.1 試驗設備

試驗在滾子-鋼球壽命試驗機(圖2)上進行。傳動桿與滾子通過鍵槽連接，傳動桿帶動滾子旋轉，3個鋼球在2個錐環形成的滾道內繞滾子做行星運動，通過杠桿加載裝置將載荷施加到加載蓋上，加載蓋壓在錐環上，使鋼球與滾子產生點接觸。

1—支承軸；2—保持架；3—滾子；4—傳動桿；5—加載蓋；6—加載桿；7—上錐環；8—鋼球；9—下錐環；10—載荷

試驗機主要通過測試圓柱滾子的磨損情況和疲勞壽命來評價添加劑對疲勞壽命的影響。采用光學顯微鏡觀察點蝕坑形貌;應用掃描電鏡(SEM)觀察滾子磨損表面;采用能量色散X射線光譜儀(EDS)分析滾子接觸表面磨痕的化學成分。

該試驗機的滾子最高轉速可達4 100 r/min，滾子和鋼球處的最大應力為5.3 GPa。給潤滑油中加入不同的添加劑，采用油瓶循環滴油潤滑方式將油滴到滾子與鋼球的接觸部位上，通過振動信號的最大振動幅值自動控制試驗機的停機。

2.1.2 試件

試驗機中的滾子、鋼球和錐環均選用標準件。其中鋼球是上海鋼球廠生產的直徑20 mm的軸承鋼鋼球，錐環為31305圓錐滾子軸承外圈，滾子是SKF生產的Φ18 mm×26 mm的圓柱滾子。

2.1.3 潤滑油添加劑

試驗用潤滑油為32#礦物油，添加劑選用T202和T406。試驗分4組，每組測試5次。第1組為32#礦物油；第2組為32#礦物油+5%水；第3組為32#礦物油+5%水+2%T202；第4組為32#礦物油+5%水+1%T406。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 疲勞壽命及其Weibull分布

表4給出了試驗測試滾子的完全疲勞壽命時間，其疲勞壽命Weibull分布圖如圖3所示。

表4 試驗滾子完全疲勞壽命時間 h

圖3 疲勞壽命試驗Weibull分布圖

求解得出Weibull分布統計參數見表5。從疲勞壽命試驗結果看，水的加入會明顯降低滾子的疲勞壽命，降幅約為52%。T202的加入不能提高含水工況下滾子的疲勞壽命；相反，加入T202后滾子的疲勞壽命降低了約19%。而T406的加入則可以使滾子的疲勞壽命有明顯的提高，其壽命基本與加水之前相當。

表5 疲勞壽命試驗Weibull統計參數

2.2.2 試樣表面及成分分析

對滾子的磨痕表面進行SEM分析，試驗后滾子表面形貌如圖4所示。由圖4可以看出，含水時滾子表面的磨損情況比不含水時嚴重。

圖4 滾子表面形貌(SEM照片)

對滾子表面進行EDS成分分析時發現，第1，2，4組只發現Fe，Cr和C等試件本身所含元素，并未發現O元素，也就是說并沒有發現由水引起的氧化反應。對第3組試樣磨痕表面進行EDS分析時發現了T202的特征元素P，S和Zn(表6)，說明在試驗過程中T202在滾子的表面形成了較為穩定的化學反應膜；對第4組試樣磨痕表面進行EDS分析時沒有發現T406的特征元素N(表7)，說明潤滑油中的添加劑沒有在滾子表面生成穩定的化學反應膜。

表6 第3組滾子磨痕處EDS分析

表7 第4組滾子磨痕處EDS分析

2.2.3 添加劑對滾子壽命影響機理分析

T406是含氮添加劑，其中的氮原子與金屬可以形成配位鍵，或在摩擦過程中發生化學反應生成有機氮化合物及聚合物等，形成較為穩定的保護膜，這種吸附膜十分牢固，其失效溫度較高，因此其具有較好的抗磨性能。但在采用能量色散X射線光譜儀分析(EDS)滾子接觸表面磨痕的化學成分時，并沒有發現N元素，說明滾子表面沒有生成化學反應膜。因此，T406的作用機理是由于其具有弱堿性，可以中和油中H+，從而減小水對金屬的腐蝕作用，起到延緩疲勞裂紋形成和擴展的作用，從而提高滾子的疲勞壽命。

試驗結果顯示，在潤滑油含水的工況下T202降低了滾子的疲勞壽命，降幅為19%。這可能是由于T202在摩擦產生的高溫下會分解出羧酸基(RCOOH)，其含有的腐蝕性因子可促使微裂紋擴展，進而降低軸承的疲勞壽命。

由于T406顯堿性可以中和一部分H+，而T202顯酸性增加了H+含量，從潤滑油含水工況下2種添加劑對滾子疲勞壽命影響的試驗結果來看,T406提高了潤滑油含水工況下滾子的疲勞壽命，而T202卻降低了含水工況下滾子的疲勞壽命,由文獻[7-8]知，H+是影響滾子疲勞壽命的一個重要因素。原因是在含水工況下，水分先于比它大很多的油分子通過毛細作用力被吸附到微小的疲勞裂紋表面，水中的H+通過微裂紋進入滾子表層產生氫脆直接導致滾子疲勞失效。

3 結論

(1) 水對32#礦物油、32#礦物油+2%T202及32#礦物油+1%T406的摩擦學性能均有一定的負面影響，可降低軸承的疲勞壽命。

(2) T202的摩擦學性能優越，有很好的抗磨性及極壓性能，并且在含水的工況下依然表現出良好的摩擦學性能。但是T202對含水工況下軸承的疲勞壽命有負效應，可能是由于T202呈酸性，增加了潤滑油中的H+離子,而H+有一定的腐蝕性。

(3) T406摩擦學性能良好，可以在一定程度上改善潤滑環境。在含水工況下T406的極壓性能一般，與不含添加劑時油膜的承載能力相當。但在含水工況下T406能夠顯著地提高軸承的疲勞壽命，這可能是因其含有堿性基團，對H+起到一定的中和作用，降低了H+對軸承壽命的負面影響，從而可提高軸承的疲勞壽命。