鉛在航空潤滑油中的腐蝕行為研究

2018-06-21 02:45:54劉洪亮陳磊陳春風陳靜

潤滑油 2018年3期

劉洪亮,陳磊,陳春風,陳靜

(孚迪斯石油化工(葫蘆島)有限公司,遼寧葫蘆島 125000)

0 引言

隨著航空技術的發展，航空發動機對潤滑油的抗氧化安定性和耐高溫性能要求越來越高。傳統的礦物基航空潤滑油由于其高溫易裂解、氧化，產生大量油泥和結焦物已逐漸被淘汰；現多采用雙酯、多元醇酯等合成油作為航空潤滑油的基礎油。合成酯類航空潤滑油，尤其是多元醇酯如三羥甲基丙烷酯、季戊四醇酯和雙季戊四醇酯等具有優異的黏溫性能、耐高溫性能、低溫流動性以及潤滑性，已成為目前使用最廣泛的航空潤滑油[1]。

同時，航空發動機結構復雜，與航空潤滑油接觸的金屬材料種類繁多，在使用過的航空潤滑油中，通過油料分析光譜儀可以檢測出十幾甚至二十幾種金屬元素。這些金屬中，鉛和鎂較易遭受腐蝕，尤其是有銅離子催化的條件下腐蝕更甚[2]。航空發動機的零部件一旦遭受腐蝕，會帶來很嚴重的后果。本文研究航空潤滑油中各組分對金屬鉛的腐蝕影響，并分析鉛材料在航空潤滑油中產生腐蝕的原因。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

基礎油：己二酸酯、三羥甲基丙烷酯、季戊四醇酯；

添加劑：磷酸三甲酚酯(T306)、硫代磷酸酯(TPPT)、苯并三氮唑(T706)、辛基丁基二苯胺(L57)、2,6二叔丁基對甲酚(T501)、N-苯基-α-萘胺(T531)；

金屬試片：Pb-2鉛、T2銅。

1.2 實驗方法及設備

試驗過程：按照GJB 497要求的方法進行，將鉛片和銅片固定在同一旋轉軸上，置于試樣中，以一定速度轉動，在規定的條件下試驗，以鉛片單位面積重量變化來表示試驗對鉛的腐蝕程度。

試驗條件：溫度(163±1) ℃、試驗時間(60±1) min、攪拌軸轉速(600±50) r/min。

試驗設備：分析天平(感量0.2 mg)、游標卡尺(量程0～200 mm，最小刻度0.02 mm)、按照GJB 497要求定制的鉛腐蝕測定儀。

2 實驗結果及討論

2.1 基礎油對鉛腐蝕性能的影響

潤滑油中基礎油組分一般均在90%以上，基礎油對產品的性能影響巨大，同時，酯類航空潤滑油是目前使用最廣泛的航空潤滑油。因此，對己二酸酯、三羥甲基丙烷酯和季戊四醇酯進行鉛腐蝕試驗，選取的基礎油的運動黏度和酸值見表1，具體鉛腐蝕試驗結果及試驗后油品的酸值見表2。

表1 基礎油的運動黏度和酸值

對于合成酯類基礎油來說，其酸值主要來源是生產過程中殘留的有機酸性物質和儲存過程中油品氧化裂解產生的有機酸。鉛在絕大多數有機化合物中具有良好的耐蝕性，但在有機酸中的耐蝕性較差[3]。因此，潤滑油產品的酸值對鉛腐蝕的影響較大。為消除基礎油本身酸值對鉛腐蝕的影響，所選取的三種基礎油的酸值比較接近。

表2 基礎油鉛腐蝕試驗結果

MIL-PRF-7808L和GJB 135A標準對航空潤滑油鉛腐蝕的要求為不大于0.9 mg/cm2，而表2中三種基礎油的鉛腐蝕均比標準要求高6～7倍。由腐蝕試驗后基礎油的酸值變化較大可以看出：導致鉛腐蝕較嚴重的原因是基礎油本身的抗氧化性能較差，在高溫和通空氣的條件下發生氧化，產生有機酸性物質[4]造成鉛的腐蝕。同時，與鉛片一起試驗的還有銅片，試驗過程中銅片也會腐蝕產生銅離子，銅離子還會加速油品的氧化生成更多的酸性物質。根據表2中鉛腐蝕結果及試驗后油品的酸值結果，也證明了三種基礎油中己二酸酯的抗氧化性最差，季戊四醇酯的抗氧化性最好。

2.2 抗氧劑對鉛腐蝕性能的影響

航空潤滑油中常用的抗氧劑有辛基丁基二苯胺(L57)、2,6二叔丁基對甲酚(T501)、N-苯基-α-萘胺(T31)等[5]，其中T501是酚類抗氧劑，T31和L57為胺類抗氧劑。在上述三種基礎油中分別添加2%的抗氧劑進行鉛腐蝕試驗，試驗結果見表3。

表3 不同抗氧劑的鉛腐蝕結果 mg/cm2

通過表3可以看出，在基礎油中添加抗氧劑后，其鉛腐蝕均有明顯改善。抗氧劑的作用主要是抑制油品的氧化過程，鈍化金屬對氧化反應的催化作用[6]。也就是說在基礎油中添加抗氧劑會抑制油品的氧化，控制氧化后有機酸性物質的產生，從而抑制鉛的腐蝕。

添加同一種添加劑的基礎油的鉛腐蝕結果是季戊四醇酯≤三羥甲基丙烷酯<己二酸酯，也驗證了2.1的結論。不同抗氧劑的鉛腐蝕結果為T501>T301>L57，說明上述幾種添加劑的抗氧化效果是L57>T301>T501。尤其是添加T501的油品的鉛腐蝕結果仍較大，主要原因是T501是酚類抗氧劑，其在低溫下的抗氧化效果較好，但在高溫條件下抗氧劑會失效[7]，基礎油仍然會被氧化而生成較多有機酸性物質，導致油品的鉛腐蝕結果較大。

2.3 抗磨劑對鉛腐蝕性能的影響

由于航空潤滑油的特殊性，其對抗磨劑的要求一般是腐蝕小、無灰和溶解性好[8]，限制了極壓抗磨性能好的含氯抗磨劑和金屬鹽類抗磨劑的應用。目前，航空潤滑油最常用的抗磨劑是磷酸三甲酚酯(T306)和硫代磷酸酯(TPPT)[9]。本文在上述三種基礎油中分別添加2%抗磨劑進行鉛腐蝕試驗，具體試驗結果見表4。

表4 不同抗磨劑的鉛腐蝕結果 mg/cm2

通過表4試驗數據可知，T306和TPPT對鉛腐蝕均有一定的抑制效果，尤其是加入TPPT后鉛腐蝕降低很多。磷酸酯和硫代磷酸酯能夠將基礎油氧化過程中產生的過氧化物分解成非游離基型的穩定化合物[10]，從而抑制氧化過程，進而控制鉛腐蝕的產生。TPPT分子上硫元素能夠被過氧化物迅速氧化，其氧化反應中生成的中間產物也是很強的過氧化物破壞者，因此其比T306有更好的鉛腐蝕抑制效果。

2.4 金屬鈍化劑對鉛腐蝕性能的影響

金屬鈍化劑也是航空潤滑油中常用添加劑，目前應用最多的就是苯并三氮唑及其衍生物。本文在基礎油中添加T706金屬鈍化劑，研究金屬鈍化劑的添加量對鉛腐蝕性能的影響，具體試驗結果見表5。

表5 金屬鈍化劑對鉛腐蝕的影響

從表5鉛腐蝕結果可以看出，在基礎油中加入少量的金屬鈍化劑對抑制鉛腐蝕就有明顯效果。金屬鈍化劑能夠在金屬表面形成化學吸附膜，從而抑制鉛腐蝕的發生，同時還可以避免銅金屬對潤滑油的催化作用[11]。而隨著T706添加量的增大，鉛腐蝕的抑制效果變差是由于T706屬酸性物質，其添加量增大后，油品的酸值也隨之增大，最終導致鉛腐蝕結果變大。