氮元素對(duì)變速箱油性能影響的試驗(yàn)研究

張涵 胡杰

上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 廣西柳州市 545007

1 引言

從元素角度上來(lái)看，潤(rùn)滑油中大部分都是C、H元素，少量是N、S、P、Ca、Zn等微量元素。其中，N元素作為潤(rùn)滑油中必不可少的一種重要元素，其含量多少對(duì)潤(rùn)滑油性質(zhì)有著一定的影響。研究表明N元素在摩擦過(guò)程中能夠有助于形成具有高效抗磨減摩性能的保護(hù)膜，也是影響潤(rùn)滑油氧化安定性的重要因素，可以有效減緩活性元素硫?qū)饘俦砻娴母g，同時(shí)有些含氮化合物又是很好的油品抗氧化劑。夏延秋等認(rèn)為含氮化合物作為潤(rùn)滑油添加劑能有效改善潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能[1]；馮新瀘等通過(guò)研究不同功能元素對(duì)潤(rùn)滑油高溫清凈性能的影響，得出氮和磷對(duì)油品的高溫清凈性能的影響較小的結(jié)論[2]；鄧文安認(rèn)為含氮化合物對(duì)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的光安定性的影響十分顯著[3]；Chibber V.K等認(rèn)為含有活性元素（如N，S等）的雜環(huán)化合物及其衍生物具有優(yōu)異的抗磨性、減摩性、極壓性、抗氧化性及抗腐蝕性[4]。從這些學(xué)者的研究里面，我們可以看到，潤(rùn)滑油中氮元素對(duì)潤(rùn)滑油的性質(zhì)影響涵蓋了各個(gè)方面，影響效果也不盡相同。

本文通過(guò)測(cè)量5款變速箱油N元素含量，并結(jié)合SRV摩擦系數(shù)試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)，分析N元素對(duì)變速箱油摩擦磨損性質(zhì)的影響。

2 變速箱油中氮含量測(cè)定

2.1 試驗(yàn)原理

儀器采用化學(xué)發(fā)光檢測(cè)原理，樣品經(jīng)高溫氧化反應(yīng)，其中的氮化物定量地轉(zhuǎn)化為NO2.樣品氣經(jīng)過(guò)膜式干燥器脫去其中的水份，進(jìn)入反應(yīng)室。亞穩(wěn)態(tài)的NO在反應(yīng)室內(nèi)與來(lái)自臭氧發(fā)生器的O3反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)的NO2。當(dāng)激發(fā)態(tài)的NO2躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)射出光子，光信號(hào)由光電倍增管按特定波長(zhǎng)檢測(cè)接收。再以微電流放大、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，即可轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)度成正比的電信號(hào)。此化學(xué)發(fā)光的強(qiáng)度與NO成正比，而NO的生成量又與樣品中的總氮含量成正比，故可以通過(guò)測(cè)定化學(xué)發(fā)光的強(qiáng)度來(lái)測(cè)定樣品中的的總氮含量。

2.2 試驗(yàn)儀器及工作參數(shù)

試驗(yàn)儀器采用的是LECO TN-2000化學(xué)發(fā)光定氮儀元素分析儀，設(shè)定電源AC220V，50HZ，1500W；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17674-2012。

圖1 LECO TN-2000化學(xué)發(fā)光定氮儀元素分析儀

2.3 試驗(yàn)油樣

本文選取同一牌號(hào)的粘度相差不大的5種成品變速箱油進(jìn)行測(cè)試。各油樣的理化指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)5種變速箱油N元素含量測(cè)定試驗(yàn)，確定了各變速箱油中N元素的含量與所占百分比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出5種變速箱油中；測(cè)試油2#的N元素含量最低，占比0.052%；其他4種測(cè)試油N元素含量差別相差不大。

3 SRV摩擦磨損試驗(yàn)

3.1 摩擦系數(shù)測(cè)定原理

SRV摩擦磨損試驗(yàn)是測(cè)定材料抵抗磨損能力的一種材料試驗(yàn)，可以用來(lái)測(cè)定摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化。SRV摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)定摩擦系數(shù)的原理是采用滑動(dòng)物體的摩擦力與正壓力之比，試驗(yàn)過(guò)程中控制載荷不變，即正壓力不變，通過(guò)測(cè)定摩擦力隨時(shí)間的變化來(lái)測(cè)定摩擦系數(shù)。試驗(yàn)儀器如圖2所示：

3.2 摩擦系數(shù)測(cè)定

SRV摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0847-2010。試驗(yàn)準(zhǔn)備階段要預(yù)熱試驗(yàn)機(jī)和記錄儀15分鐘，在試驗(yàn)開(kāi)始前要控制試驗(yàn)溫度為50℃，并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中一直維持此溫度，試驗(yàn)載荷控制為300N。試驗(yàn)樣件為試驗(yàn)球和試驗(yàn)盤(pán)，試驗(yàn)接觸形式為點(diǎn)接觸。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3-7：

表1 潤(rùn)滑油理化性質(zhì)

表2 氮元素測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

圖2 SRV摩擦系數(shù)試驗(yàn)機(jī)

對(duì)各種潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)圖可以看出，所有變速箱油開(kāi)始時(shí)的摩擦系數(shù)都很大，測(cè)試油1#和測(cè)試油5#的摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)進(jìn)行變化不大，測(cè)試油2#的摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)進(jìn)行有一定的波動(dòng)，但波動(dòng)不大，測(cè)試油3#和4#隨著試驗(yàn)的進(jìn)行摩擦系數(shù)先減小再增大。

另外，由于開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)靜摩擦力的影響對(duì)摩擦系數(shù)的測(cè)試油很大的影響，致使所有試驗(yàn)開(kāi)始階段的摩擦系數(shù)都偏大，因此此時(shí)的摩擦系數(shù)是不能準(zhǔn)確反映潤(rùn)滑油的性質(zhì)的，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是要將0秒時(shí)的摩擦系數(shù)值舍棄，再對(duì)其他測(cè)試值求平均值，則最后的結(jié)果就能在一定程度上反映潤(rùn)滑油改善摩擦的性質(zhì)，結(jié)果如圖8所示：

由圖8可以看出，測(cè)試油2#的摩擦系數(shù)明顯高于其他潤(rùn)滑油，且其他4種潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)相差不大，且將平均摩擦系數(shù)圖與潤(rùn)滑油氮元素含量表結(jié)合進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)的變化與N元素的變化有著一定的相關(guān)性，N元素含量的降低會(huì)明顯導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增加，由此我們可以得到N元素在摩擦過(guò)程中能有效的起到減摩的作用。

圖3 測(cè)試油1#摩擦系數(shù)

圖4 測(cè)試油2#摩擦系數(shù)

圖5 測(cè)試油3#摩擦系數(shù)

3.3 電鏡掃描試驗(yàn)

我們可以通過(guò)電鏡掃描試驗(yàn)來(lái)判斷潤(rùn)滑油的防磨損性能，主要判斷指標(biāo)就是試驗(yàn)球和試驗(yàn)盤(pán)的磨損情況，也就是試驗(yàn)后的試驗(yàn)球和試驗(yàn)盤(pán)的表面形貌，即磨斑直徑，電鏡掃描照片里的直徑為放大一定倍數(shù)后的直徑，求其實(shí)際直徑需要除以放大倍數(shù)。

圖6 測(cè)試油4#摩擦系數(shù)

圖7 測(cè)試油5#摩擦系數(shù)

圖8 5種變速箱油平均摩擦系數(shù)

試驗(yàn)儀器是SEM電鏡掃描儀，試驗(yàn)過(guò)程是將做過(guò)SRV摩擦磨損試驗(yàn)的試驗(yàn)球和試驗(yàn)盤(pán)用SEM電鏡掃描儀進(jìn)行觀察并拍下試驗(yàn)球和試驗(yàn)盤(pán)的磨損形貌特征照片，再通過(guò)軟件測(cè)量出照片中磨斑的直徑大小，示例如圖所示：

圖9 試驗(yàn)球表面電鏡掃描圖

圖10 試驗(yàn)盤(pán)表面電鏡掃描圖

5種變速箱潤(rùn)滑油的實(shí)驗(yàn)球和試驗(yàn)盤(pán)的磨斑直徑如表3：

由圖可以看到，測(cè)試油2#的磨斑直徑最大，且對(duì)比分析磨斑平均直徑和潤(rùn)滑油的平均摩擦系數(shù)，我們可以發(fā)現(xiàn)兩者的趨勢(shì)基本保持一致，由此說(shuō)明隨著摩擦力的增大，磨損也會(huì)加劇，摩擦和磨損具有正相關(guān)的關(guān)系；與N元素含量圖進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)試油2#的N元素含量最低，其試驗(yàn)樣件的磨損也最嚴(yán)重，其他4種測(cè)試油的磨損相差不大，所以我們可以得到N元素含量的減少會(huì)導(dǎo)致摩擦副磨損加劇。

表3 電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果

圖11 5種變速箱油平均磨斑直徑

4 結(jié)語(yǔ)

（1）由SRV摩擦磨損試驗(yàn)可以得到變速箱油N元素含量的降低會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)的增加。

（2）由電鏡掃描試驗(yàn)可以得到變速箱油N元素含量的降低會(huì)導(dǎo)致摩擦副磨損加劇。