硫-磷型抗磨劑對齒輪油抗微點蝕性能的影響

姚元鵬，李小剛，周 康，王 鵬

(中國石油齒輪油重點實驗室，蘭州 730060)

齒輪傳動作為機械傳動中最為主要的傳動方式之一，它的運行狀態直接影響機械系統的工作狀態，因此現代工業齒輪油、手動變速箱油以及自動變速箱油都要求潤滑油具有優異的抗微點蝕性能，保護齒輪傳動系統，延長使用壽命[1]。微點蝕俗稱“灰斑”，是低速重載工作表面呈現發灰狀態的一種特征現象，其本質是一種表面接觸疲勞現象。微觀上它表現為表面出現微小疲勞裂紋、淺表凹坑，并伴隨材料的轉移和損失，是一個表面微小裂紋、凹坑產生并發生黏著磨損的一個綜合過程[2]，潤滑油在齒輪嚙合過程中，對齒輪齒面微點蝕的形成和擴展起到了加速作用。影響齒輪油抗微點蝕性能的因素主要有粗糙程度、硬度、滑動速度、載荷以及溫度。①增加油膜厚度或減小摩擦副表面的粗糙度，可以減少或防止微點蝕的發生；②增加滑滾比可降低微點蝕發生的概率，但不會顯著減少磨損的發生；③兩個摩擦副表面粗糙程度的差別可顯著影響微點蝕發生的概率，硬度相對低的一面更容易發生微點蝕；④滑動速度相對慢的一面更容易發生微點蝕；⑤一些添加劑可能會促進微點蝕的發生[3-5]。黏度大的潤滑油緩沖吸振性強，容易建立承載油膜，故潤滑油的黏度越高，抗微點蝕能力也越強[6]。硫-磷型抗磨劑是齒輪油中重要的功能添加劑成分，可起到降低摩擦、增大邊界油膜的強度及良好的抗磨損作用，但如果添加劑活性太高，容易與金屬表面發生化學反應，會增加微點蝕發生的概率，因此硫-磷型抗磨劑的結構對齒輪油的抗微點蝕性能有很大影響[7]。

合成油如聚α-烯烴PAO、聚醚或酯類油具有高的黏度指數和低的摩擦因數[8]，因此可以降低摩擦產生的熱量、降低系統溫度從而降低微點蝕發生的概率。本研究以PAO與合成酯為基礎油，對2種結構不同的硫-磷型抗磨劑進行抗微點蝕性能的研究，為齒輪油抗微點蝕性能的研究提供理論依據及技術支持。

1 實 驗

1.1 MPR試驗機

圖1為英國PCS公司生產的MPR(Micro Pitting Rig)試驗機及主要組成部分，該試驗機依靠加載電機帶動“滾珠絲杠”轉動，通過應變加載杠桿產生預緊力進行加載。試驗模塊后部有兩個電機，分別獨立驅動相互接觸的試驗件來獲得滑滾比，這與齒輪非節線嚙合處相對運動情況有對應性。

圖1 MPR試驗機及主要組成部分1—試驗腔； 2—加載步進電機； 3—加載力臂； 4—環件驅動軸； 5—輥子驅動軸； 6—扭矩傳感器； 7—驅動齒輪箱； 8—環件驅動電機； 9—輥子驅動電機

MPR試驗機的試驗件及接觸狀態如圖2所示。試驗件由3個餅狀的環件和1個輥子組成，其材質與FVA 54/I-IV方法用 FZG C-GF型直齒輪一致(16MnCr5)。當滑滾比為正，即環件圓周速度大于輥子圓周速度時，運動分析表明，輥子的滾動方向和相對滑動方向是相反的，這便和齒輪齒根某處的滾/滑狀態一致，而在齒輪齒根部位恰恰是微點蝕現象的易發區，而MPR試驗機的這種三位接觸設計結構會使輥子摩擦軌道表面在較短時間內出現微點蝕。

圖2 MPR試驗機的試驗件及接觸狀態

1.2 微點蝕定量評價參數的建立

一般的金相顯微鏡即可對輥子周面上摩擦軌道上的微觀形態進行觀察，并且可利用隨機分析軟件對攝取的輥子摩擦軌道顯微照片進行定量測量和分析。

1.2.1輥子摩擦軌道寬度變化率輥子摩擦軌道寬度變化率是MPR試驗機評價油品抗微點蝕性能最重要的參數，是指微點蝕裂紋、凹坑造成材料表面出現塑性變形和材料轉移，使輥子摩擦軌道寬度的變化，表面產生微點蝕越多，相對于初始1 mm 軌道的形變率越大。

1.2.2CLA(CentralLineAverage)中心線平均值

MPR試驗機帶有試驗數據采集控制軟件，可采集試驗過程中的溫度、載荷、平均速度、滑滾比以及CLA中心線平均值。其中無量綱的 CLA 中心線平均值用來反映在輥子-環件三位接觸系統中，輥子旋轉1周過程中相對中心轉軸的振動大小，CLA曲線可作為評價微點蝕程度的輔助評價手段，曲線的振動幅度越大，說明油品的微點蝕程度越明顯。實驗中采集4～6 h 時間段的CLA數據進行分析。

1.2.3MPR試驗機參數MPR試驗機的參數主要有載荷、溫度、轉速、滑滾比，具體參數設置見表1。

表1 MPR試驗機參數

注：運轉速度為3.15 m/s，滑滾比為20%，溫度90 ℃。

1.3 基礎油

PAO4，Exxon Mobil或Ineos公司生產；酯類合成油，Exxon Mobil公司生產，基礎油的主要性能見表2。

表2 基礎油的主要性能

1.4 添加劑

選用的2種硫-磷抗磨添加劑(P1和P2)均為實驗室合成，其中P1為三烷基二硫代磷酸酯，P2為三烷基苯基硫代磷酸酯，P1和P2硫-磷抗磨劑的結構式見圖3，主要性能見表3。從圖3可以看出，P2的分子結構中具有化學穩定性較好的苯環結構，而且分子中的烷基鏈較長，因此P2的化學性能相對穩定。從表3可以看出：P1的硫質量分數為20.35%，磷質量分數為10.28%，熱重起始溫度為190.76 ℃；P2的硫質量分數為4.01%，磷質量分數為4.17%，熱重起始溫度為374.02 ℃。與P2相比，P1的硫、磷含量較高，熱重起始溫度低，說明P1的活性較高。

其它功能添加劑有：酚類抗氧劑、二苯胺類抗氧劑、脂肪酸酯減摩劑、苯三唑類金屬減活劑以及磺酸鹽類防銹劑等。

圖3 2種硫-磷抗磨劑的化學結構式

表3 P1和P2硫-磷抗磨劑的主要性能

2 結果與討論

2.1 齒輪油樣品的配制

在PAO4和酯類合成油中分別加入一定量的P1、P2以及其它功能添加劑，齒輪油樣品GO-1～ GO-8的組成見表4。

表4 齒輪油樣品的組成 w，%

注：基礎油由85% PAO4和15%酯類合成油組成。

2.2 軌道寬度變化率

試驗油品的軌道寬度變化率見表5。從表5可以看出：①含有硫-磷劑P1的GO-1樣品試驗時的軌道寬度變化率為10%，遠大于含P2的GO-2樣品試驗時的軌道寬度變化率，說明P2具有更好的抗微點蝕性能；②對于GO-3～GO-8樣品，隨著P1含量的增加、P2含量的減少，試驗時的軌道寬度變化率呈現逐漸增加的趨勢，說明隨著P2含量的降低，油品的抗微點蝕效果有所減弱。

表5 試驗油品的軌道寬度變化率

2.3 輥子表面形貌

圖4 試驗油品試驗后輥子表面顯微照片

試驗油品試驗后輥子表面顯微照片見圖4。從圖4可以看出：①GO-1和GO-2樣品試驗后，含有P1的GO-1試驗件表面微點蝕凹坑和裂紋很密集，說明P2具有更好的抗微點蝕性能；②GO-3～GO-6樣品試驗后，GO-3試驗件表面微點蝕凹坑最淺，GO-4試驗件表面凹坑最少，但是凹坑深度較GO-3試驗件表面的要深，GO-5試驗件表面微點蝕凹坑最密集，GO-6試驗件表面微點蝕凹坑雖然相對GO-5要少，但是凹坑深度較深，因此，GO-5和GO-6試驗件表面微點蝕程度相當，均較GO-3和GO-4試驗件表面微點蝕嚴重；③GO-7和GO-8試驗件表面均出現了較為致密的微點蝕凹坑，而且有部分較深的凹坑，說明油品的抗微點蝕性能已不明顯。因此，加入齒輪油其它功能添加劑后，隨著P1含量的增加、P2含量的減少，試驗件表面形貌逐漸變差。

2.4 CLA曲線

圖6 GO-3～GO-6 CLA曲線 —GO-3； —GO-4； —GO-5； —GO-6

GO-1～GO-8的CLA曲線見圖5～圖8。從圖5可以看出，GO-1試驗后的CLA曲線波動幅度較大，而GO-2試驗后的CLA曲線幅度較小而且平穩，說明硫-磷劑P2具有更好的抗微點蝕性能。從圖6可以看出，GO-3的曲線波動幅度最小而且最為平穩；GO-6試驗后的CLA曲線波動幅度最大，說明隨著P2含量的降低，油品的抗微點蝕效果有所減弱，這與軌道寬度變化率所反映的趨勢一致。從圖7可以看出，P2在較低含量下的抗微點蝕性能，與GO-7相比，GO-8試驗后的CLA曲線波動幅度稍大，且從綜合軌道寬度變化率、輥子形貌可以看出GO-7與GO-8的微點蝕程度相當，說明硫-磷劑P2在較低含量下的抗微點蝕能力不明顯。

圖7 GO-7和GO-8CLA曲線 —GO-7； —GO-8

3 結 論

(1)MPR試驗機作為模擬微點蝕設備，通過軌道寬度變化率、試驗件表面形貌分析以及CLA曲線對齒輪油的抗微點蝕性能具有較好的區分性。

(2)硫-磷劑作為齒輪油常用的抗磨添加劑，其結構對油品的抗微點蝕性能有很大影響，活性高的硫-磷劑不利于油品的抗微點蝕性能；結構穩定性好、分子中含有較長烷基鏈的三烷基苯基硫代磷酸酯(P2)能夠降低發生微點蝕的概率。

[1] 鄒晨生，崔海濤，孫國強. 基于FZG齒輪試驗機的潤滑油抗點蝕性能評價[J]潤滑油，2013，28(1)：42-46

[2] 王鵬，張寬德，丁芳玲，等.潤滑油抗微點蝕性能試驗研究[J].潤滑油，2013，28(4)：42-47

[3] Lainé E,Olver A V,Beverdge T A. Effect of lubricants on micropitting and wear[J].Tribology International，2008，41(11)：1049-1055

[4] Cardoso N F R，Martins R C，Seabra J H O，et al. Micropitting performance of nitrided steel gears lubricated with mineral and ester oils[J].Tribology International，2009，42(1)：77-87

[5] Guerra E O，Echávarri J O，Chacón E T，et al. Analysis of the effect of different types of additives added to a low viscosity polyalphaolefin base on micropitting[J].Wear，2015，322/323：238-250

[6] 濮良貴，紀明剛.機械設計[M].6版.北京：高等教育出版社，1996：46-58

[7] 黃華梁，王國憲，韋明英.潤滑油添加劑提高齒輪抗點蝕疲勞的性能和機理研究[J].機械傳動，1992，16(3)：48-56

[8] Martins R C,Seabra J H O,Moron L F. Influence of PAO+ester oil formulations on gear micropitting and efficiency[J].International Journal of Surface Science and Engineering，2011，5(4)：312-329