一種復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的機(jī)械性能評(píng)價(jià)

劉顯秋 李茂森 楊海寧 姚立丹 何懿峰

中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院

全面評(píng)價(jià)了一種復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的機(jī)械性能，包括剪切安定性、低溫轉(zhuǎn)矩、高溫軸承壽命、極壓抗磨性能、承載能力（Timken法）、微動(dòng)磨損、高頻線性振蕩（SRV）摩擦磨損性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的機(jī)械性能非常優(yōu)異：105次剪斷錐入度變化率<15%；121 ℃高溫軸承壽命超過(guò)1 000 h，-73 ℃下，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩<0.5（N·m），運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩<0.06（N·m）；最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB＞1 100 N，燒結(jié)負(fù)荷PD=7 848 N，Timken OK值＞310 N，磨斑直徑≈0.46 mm；具有微小的微動(dòng)磨損（0.1~0.3 mg）和摩擦系數(shù)（0.094），明顯優(yōu)于市售/進(jìn)口同類產(chǎn)品。

潤(rùn)滑脂是由稠化劑分散在基礎(chǔ)油中所形成的膠體體系，是介于液體和固體之間的潤(rùn)滑材料，其性能評(píng)價(jià)是潤(rùn)滑脂在研究、生產(chǎn)和使用過(guò)程中的重要依據(jù)。截至目前，中國(guó)現(xiàn)有潤(rùn)滑脂分析評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)55個(gè)，其中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)10個(gè)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)45個(gè)[1]。潤(rùn)滑脂的性能評(píng)價(jià)可以大致分為3個(gè)方面：

◇物理性能，包括外觀、氣味、滴點(diǎn)、稠度、分油率、貯存安定性等；

◇機(jī)械性能，包括剪切安定性、低溫轉(zhuǎn)矩、極壓抗磨性能、微動(dòng)磨損、軸承壽命等；

◇環(huán)境性能（environmental performance），包括氧化安定性、抗水性、蒸發(fā)率、防腐蝕性、防銹性、材料相容性等。

任何機(jī)械或機(jī)器設(shè)備的工作都是依賴其運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些運(yùn)動(dòng)部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在其接觸表面間必然產(chǎn)生摩擦，加注在各種摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間的潤(rùn)滑脂的最主要作用是潤(rùn)滑，即減少摩擦磨損。因此，潤(rùn)滑脂機(jī)械性能的優(yōu)劣直接影響到潤(rùn)滑脂在使用過(guò)程中的潤(rùn)滑效果，是潤(rùn)滑脂的重要使用性能，是影響潤(rùn)滑脂使用壽命的重要因素。

本文對(duì)一種復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的機(jī)械性能做了全面的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)項(xiàng)目既包括實(shí)驗(yàn)室常規(guī)的分析項(xiàng)目[剪切安定性、低溫轉(zhuǎn)矩、極壓抗磨性能、承載能力（Timken法）]，也包括潤(rùn)滑脂評(píng)價(jià)較少涉及的項(xiàng)目[微動(dòng)磨損、高溫軸承壽命、高頻線性振蕩（SRV）試驗(yàn)機(jī)法]。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)用潤(rùn)滑脂

試驗(yàn)用潤(rùn)滑脂是采用低黏度聚α烯烴和酯類油混合作為基礎(chǔ)油，稠化12羥基硬脂酸和癸二酸復(fù)合鋰皂，并添加抗氧劑、極壓抗磨劑和防銹劑等復(fù)合添加劑制備而成。

選取按照相同配方和工藝制備的3個(gè)不同批次的試驗(yàn)樣品作為評(píng)價(jià)試驗(yàn)樣。

試驗(yàn)設(shè)備

◇潤(rùn)滑脂剪切試驗(yàn)器，SYP4106-1型，上海博立制造；

◇潤(rùn)滑脂錐入度計(jì)，TSY-6004型，大連特安技術(shù)公司制造；

◇四球試驗(yàn)機(jī)，MRS-10型，濟(jì)南舜茂公司產(chǎn)品；

◇環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)，MRH-5A型，濟(jì)南舜茂公司產(chǎn)品；

◇潤(rùn)滑脂低溫轉(zhuǎn)矩測(cè)定儀，K18855型，美國(guó)Koehler公司制造；

◇微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)，F(xiàn)1581A型，美國(guó)FALEX公司制造；

◇軸承壽命試驗(yàn)儀，ROF+型，奧地利SKF公司制造。

結(jié)果與討論

剪切安定性

剪切安定性指潤(rùn)滑脂在受到機(jī)械性剪切力作用下抵抗稠度變化的能力。潤(rùn)滑脂受到剪切時(shí)，皂纖維被切斷，潤(rùn)滑脂因游離油含量增大而軟化，但剪切停止后，皂纖維可重新連接起來(lái)形成網(wǎng)狀骨架，但不能恢復(fù)到原來(lái)的程度，即剪切后的潤(rùn)滑脂稠度變稀，如果變稀嚴(yán)重從潤(rùn)滑部位流失就會(huì)導(dǎo)致摩擦部位很快磨損破壞甚至燒結(jié)[2]。剪切安定性測(cè)試，就是將潤(rùn)滑脂以60次/min的往返速度剪切105次后測(cè)定其軟化的程度。所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的剪切安定性評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合鋰皂對(duì)礦物潤(rùn)滑油的稠化能力優(yōu)于合成油，不同烴基和族組成的礦物油中，對(duì)環(huán)烷基潤(rùn)滑油的稠化能力較強(qiáng)，但是環(huán)烷基油制備的潤(rùn)滑脂的機(jī)械安定性較差[3]，稠化中間基和聚α烯烴基礎(chǔ)油制備的潤(rùn)滑脂的機(jī)械安定性良好。

由表1可見，所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的錐入度為290～300個(gè)單位，接近NLGI 1號(hào)脂，105次剪切后，錐入度變化率＜15%。

低溫轉(zhuǎn)矩和高溫軸承抗磨性

許多工況的溫度變化幅度大，這就要求使用的潤(rùn)滑脂具有良好的高低溫使用性能，即潤(rùn)滑脂同時(shí)具有耐高溫性能和低溫性能。而潤(rùn)滑脂的低溫性能在很大程度上受基礎(chǔ)油的低溫黏度和黏溫性能的影響。所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂采用的2種基礎(chǔ)油，即聚α烯烴和酯類油，其本身都具有優(yōu)良的低溫性能和黏溫性能。

評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂高低溫性能的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是低溫轉(zhuǎn)矩和高溫軸承抗磨性：

◇低溫轉(zhuǎn)矩可以反映潤(rùn)滑脂在低溫環(huán)境下，能否有效潤(rùn)滑機(jī)械設(shè)備，使之易于啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，或者被泵送至潤(rùn)滑部位（針對(duì)集中潤(rùn)滑系統(tǒng)）。

◇高溫軸承抗磨性試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂在高溫、高轉(zhuǎn)速、輕負(fù)荷抗磨軸承中的使用壽命。潤(rùn)滑脂的使用壽命直接影響機(jī)械設(shè)備的維修保養(yǎng)期和補(bǔ)脂周期。常規(guī)通用的分析評(píng)價(jià)方法是SH/T 0428《高溫下潤(rùn)滑脂在球軸承中的壽命測(cè)定法》。溫度越高，潤(rùn)滑脂使用壽命越短；軸承運(yùn)轉(zhuǎn)越快，潤(rùn)滑脂所承受的剪切應(yīng)力越大，潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)遭受到的破壞作用也越大，使用壽命相應(yīng)縮短。

所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的低溫轉(zhuǎn)矩和高溫軸承抗磨性評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

由表2可見，對(duì)于所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂，3個(gè)試樣的高溫軸承壽命都超過(guò)1 000 h，達(dá)到了高溫軸承抗磨性試驗(yàn)要求的最大時(shí)間。同時(shí)，試樣的低溫性能也非常優(yōu)秀，在標(biāo)準(zhǔn)要求的最低溫度-73 ℃下，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為0.2～0.5（N·m），運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩僅為0.01～0.06 （N·m）。

極壓抗磨性和承載能力（Timken法）

潤(rùn)滑脂的極壓抗磨性是指潤(rùn)滑脂在經(jīng)受重負(fù)荷和沖擊負(fù)荷的工作條件下抵抗結(jié)構(gòu)破壞并保持設(shè)備潤(rùn)滑的能力[3]。所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的極壓抗磨性評(píng)價(jià)結(jié)果見表3，潤(rùn)滑脂試驗(yàn)后鋼球磨斑表面電鏡照片見圖1。

由表3可見，3個(gè)潤(rùn)滑脂試樣的PB值很大，均超過(guò)1 100 N，PD值達(dá)到SH/T 0202標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試極限7 848 N，Timken OK值平均值為327 N，磨斑直徑為0.46～0.47 mm，較小。這說(shuō)明所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂能夠很好地保證點(diǎn)接觸和線接觸的運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑，抵抗重負(fù)荷和沖擊負(fù)荷的壓力和沖力。

由圖1可見，潤(rùn)滑脂試驗(yàn)后磨斑表面的磨痕細(xì)小、均勻。

表1 剪切安定性評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 低溫轉(zhuǎn)矩和高溫軸承抗磨性的評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 極壓抗磨性評(píng)價(jià)結(jié)果

圖1 潤(rùn)滑脂試驗(yàn)后鋼球磨斑表面電鏡照片(放大2 000倍)

微動(dòng)磨損

微動(dòng)磨損指的是伴隨接觸的兩個(gè)固體之間受到外部振動(dòng)，振幅一般在100 μm以下，由微小的往返滑動(dòng)引起的表面磨損，如：火車運(yùn)輸汽車時(shí)，汽車輪轂軸承滾道面會(huì)發(fā)生微動(dòng)磨損；小型電機(jī)產(chǎn)品運(yùn)輸時(shí)鋼球與內(nèi)外圈滾道面的接觸部分會(huì)發(fā)生微動(dòng)磨損。滾動(dòng)軸承的滾道部分發(fā)生微動(dòng)磨損，噪聲、振動(dòng)增大、早期剝離等現(xiàn)象會(huì)造成軸承性能下降[3]。除了從軸承的內(nèi)部設(shè)計(jì)、材料、熱處理、安裝條件等方面要采取措施，也可以通過(guò)注入到軸承的潤(rùn)滑脂來(lái)減少和防止微動(dòng)磨損[4]。

通常極壓抗磨潤(rùn)滑脂的微動(dòng)磨損值 ＞10 mg， ASTM D 4950《汽車用潤(rùn)滑脂技術(shù)規(guī)范》中，最嚴(yán)格的NLGI GC-LB類汽車通用潤(rùn)滑脂的技術(shù)指標(biāo)對(duì)微動(dòng)磨損的要求是≤10 mg[5]。

所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的3個(gè)試樣和市售極壓抗磨脂的微動(dòng)磨損評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

由表4可見，所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的微動(dòng)磨損值在0.1～0.3 mg，非常微小。

SRV試驗(yàn)機(jī)法

用SRV試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了潤(rùn)滑脂在高頻線性振動(dòng)下的摩擦系數(shù)。試驗(yàn)方法采用SH/T 0721《潤(rùn)滑脂摩擦磨損性能測(cè)定法（SRV試驗(yàn)機(jī)法）》。試驗(yàn)樣1與1種進(jìn)口對(duì)比脂的摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖2。

由圖2可以看出，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，進(jìn)口對(duì)比脂的摩擦系數(shù)一直大于試驗(yàn)樣1的摩擦系數(shù)。計(jì)算了它們的摩擦系數(shù)平均值，進(jìn)口對(duì)比脂是0.121，試驗(yàn)樣1是0.094，這說(shuō)明所評(píng)價(jià)潤(rùn)滑脂的性能明顯更優(yōu)。

表4 微動(dòng)磨損評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 試驗(yàn)樣1與1種進(jìn)口同類潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，所評(píng)價(jià)的復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂是一種機(jī)械性能優(yōu)異的潤(rùn)滑脂：

☆具有良好的剪切安定性，105次剪切后錐入度變化率＜15%；

☆具有優(yōu)異的高低溫使用性能，121 ℃高溫軸承壽命超過(guò)1 000 h，-73 ℃下，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩＜0.5（N·m），運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩＜0.06（N·m）；

☆極強(qiáng)的極壓抗磨性和Timken承載能力，PB＞1 100 N，PD=7 848 N，Timken OK值＞310 N，磨斑直徑≈0.46 mm；

☆具有微小的微動(dòng)磨損（0.1～0.3 mg），摩擦系數(shù)僅為0.094。

[1]劉中其，姚立丹，楊海寧.我國(guó)潤(rùn)滑脂標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀及其進(jìn)展[C]//全國(guó)第19屆潤(rùn)滑脂技術(shù)交流會(huì)論文集.北京：中國(guó)石化出版社，2017：324-325.

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[3]日本摩擦學(xué)會(huì)潤(rùn)滑脂研究會(huì)編.潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2017：92.

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