SRV試驗機評價潤滑脂抗微動磨損性能研究

薛穎 楊鶴 郝麗春 宋海清

中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院

參照美國試驗與材料協會ASTM D7594方法研究建立了一種新的潤滑脂抗微動模擬試驗方法，即NB/SH/T 0920—2016《高赫茲接觸壓力下潤滑脂抗微動磨損能力的測定 高頻線性振動試驗機法》。對不同潤滑脂樣品的測試結果表明，該方法的區分性較好，可有效地用于潤滑脂配方的初步篩選和對不同潤滑脂產品抗微動磨損性能的快速評價；驗證試驗結果表明，該方法有很好的重復性和再現性。

微動磨損是一種復合型式的磨損，是指宏觀上無相對運動的固體接觸表面之間由于微小距離的往復切向或法向運動而產生的損傷和材料流失，容易造成設備帶傷運行、老化、被迫停機等危害。為減小微動磨損，常用的方法是在界面間加入非腐蝕性的潤滑脂。潤滑脂的抗微動磨損性能需要采用合適的測試方法進行評價。目前，我國已有的評價潤滑脂這一性能的方法有石油化工行業標準SH/T 0716《潤滑脂抗微動磨損性能測定法》。該方法建立于2002年，采用費夫納摩擦氧化試驗機或微動磨損試驗機測定軸承座圈的質量損失來評價擺動工況下潤滑脂抗微動磨損的特性，用時較長，操作復雜。

本文參照美國試驗與材料協會ASTM D7594方法研究建立了一種新的潤滑脂抗微動模擬試驗方法，即NB/SH/T 0920—2016《高赫茲接觸壓力下潤滑脂抗微動磨損能力的測定 高頻線性振動試驗機法》。本方法采用新的摩擦型式和摩擦副運動方式，具有快速便捷、精密度高、適用范圍廣的優點，是一種較為先進的潤滑劑評價手段。

方法簡介

與同類現行試驗方法的比較

高頻線性振動（SRV）試驗機是歐美國家在20世紀80年代開發的繼四球摩擦試驗機等傳統摩擦磨損試驗機之后的新型試驗機，它的摩擦副運動方式與其他試驗機不同，采用的是線性往復運動的方式，摩擦副有多種型式，接觸方式分為點接觸、線接觸及面接觸等。SRV試驗機的專業化程度較高，某些模擬條件與使用工況更為接近，在一定程度上彌補了其他類型摩擦試驗機的不足。目前為止，國內建立了多個采用該種試驗機測定潤滑劑極壓性能和磨損性能的試驗方法，見表1。

由表1可見，與其他方法相比，NB/SH/T 0920—2016的沖程、負荷明顯較小，運行時間延長，模擬試驗條件的設置在符合一般磨損試驗條件的情況下，更為接近“微動”的工況，即運動頻率高、沖程較小、初始為高赫茲接觸壓力下的點接觸和較長時間的線性往復振動。

方法原理

根據NB/SH/T 0920—2016，該模擬試驗方法適用于在給定溫度和負荷條件下測定潤滑脂的抗微動磨損性能和摩擦系數。符合方法要求的SRV試驗機的試驗腔結構見圖1。

NB/SH/T 0920—2016中， 摩擦副采用的是試驗球和試驗盤。試驗時，將試驗球置于試驗盤上，中間為待測潤滑脂樣品，試驗球和試驗盤分別用試驗球夾具和試驗盤夾具固定。試驗初始，試驗球和試驗盤為點接觸，由于接觸面積小，施加的負荷較大，所以具有初始高赫茲點接觸壓力。試驗開始后，試驗盤固定于底座上不動，往復振動驅動桿帶動試驗球夾具及試驗球進行左右線性往復振動，試驗球在試驗盤上經過的沖程為0.3 mm，振動頻率為50 Hz，通過溫度控制系統將試驗溫度控制在50 ℃，加載系統通過加載桿從上往下增加負荷50 N維持30 s，然后增加到100 N，試驗運行240 min，運行中電腦軟件可記錄瞬時摩擦系數。試驗結束時即可得到整個試驗過程的摩擦系數曲線以及試驗結束時刻（即240 min時）的摩擦系數。

表1 國內現行的采用SRV試驗機測定潤滑劑極壓性能和磨損性能的試驗方法

試驗后，用顯微鏡測定試驗球滑動方向和與滑動方向垂直方向的磨斑直徑，兩者取平均值得到試驗球的平均磨斑直徑（WSD）。若采用數字式顯微鏡對磨斑表面形貌進行分析，可得到更多的磨斑表面信息。若進一步采用三維形貌儀或表面輪廓儀，還能得到試驗球磨斑和試驗盤表面磨痕的磨損信息，同時測算出其磨損體積[1]，從而更直觀地得到其磨損情況。綜合所有信息，便可判斷和評價磨損程度。

潤滑脂的抗微動磨損性能可直接通過試驗后得到的平均磨斑直徑和磨損程度來評價。試驗后平均磨斑直徑越小，磨斑表面的磨損程度越小，試驗樣品的抗微動磨損性能就越好，反之則越差。摩擦系數直接表征潤滑脂的抗摩擦性能，摩擦系數越小表明樣品的抗摩擦性能越好；摩擦系數曲線可反映在微動摩擦過程中的摩擦情況，若試驗運行過程中摩擦系數變大，表明摩擦過程中有擦傷，則磨損程度也會相應增大，所以摩擦系數還可間接反映磨損情況。使用該試驗方法評價潤滑脂之前，可按照SH/T 0784進行額外的非強制性的極壓試驗，以得到樣品的抗極壓性能。因此，通過該模擬試驗方法，可以得到潤滑脂樣品在微動摩擦條件下的抗極壓性能、抗摩擦性能和抗磨損性能等完整的摩擦學信息（參見NB/SH/T 0920—2016附錄A中示例），即樣品在微動摩擦條件下綜合的摩擦磨損性能。所以，所有指標越好，則綜合的摩擦磨損性能越好，即如果試驗結束時的摩擦系數和試驗后平均磨斑直徑越小，磨斑表面的磨損程度越小，試驗樣品抗微動的摩擦磨損性能就越好；反之則越差。

試驗部分

試驗設備

高頻線性振動試驗機（III型、IV型，德國Optimol公司）、微動磨損試驗機（型號為F-1581，美國Falex公司）、數字式顯微鏡（KH-7700）、顯微鏡（上海光學廠）、分析天平（精度為0.1 mg）等。

試驗用潤滑脂

復合鋰基脂樣品（Com-Li-1、Com-Li-2、Com-Li-3、Com-Li-4、Com-Li-5）、 鋰 基 PAO油脂（Li-PAO）、膨潤土聚醚油脂（B-pet）、復合鋰礦物油脂（Com-Li-M）、復合鋰鈣礦物油 脂（Com-Li-Ca-M）、 鋰 基酯 類 油 脂（ 含MoS2，Li-MoS2-pes）、鋰基礦物油脂（含石墨，Li-G-M）、復合鋁基脂（Com-Al）和聚脲基脂（PU）。

結果與討論

模擬試驗用于配方篩選的研究

對一系列配方的5個復合鋰基脂樣品進行了模擬試驗，5個樣品的摩擦系數變化曲線見圖2，試驗球平均磨斑直徑WSD和試驗結束時的摩擦系數見表2，用數字式顯微鏡測得的試驗后試驗球磨斑的表面形貌圖像見圖3。

表2 復合鋰基脂樣品的試驗球磨斑直徑和試驗結束時的摩擦系數

由圖2可見，Com-Li-2的摩擦系數在試驗過程中明顯小于其他樣品，其摩擦系數曲線走勢在運行開始后逐漸下降，中期保持平穩，后期緩慢增大，試驗結束時的摩擦系數僅0.093，說明其抗摩擦性能最好。所有樣品中只有Com-Li-1在運行初期出現了摩擦系數急劇增加的情況，瞬時摩擦系數高于0.25，有發生卡咬導致停機的風險，說明其在初始高赫茲接觸壓力下的抗極壓能力比較差，同時摩擦系數突然增大說明表面可能產生了擦傷，最終的磨損會比較大；之后摩擦系數趨于穩定，運行平穩，表明樣品具有一定抗摩擦性能。Com-Li-3、Com-Li-4、Com-Li-5的摩擦系數曲線都較平穩，其中Com-Li-4摩擦系數稍大，Com-Li-3和Com-Li-5摩擦系數稍小，說明Com-Li-4抗摩擦性能比Com-Li-3和Com-Li-5稍好一些。因此，通過模擬試驗測定摩擦系數可以直接實現對不同配方樣品微動條件下抗摩擦性能的篩選。

由 表2可 見，Com-Li-1和Com-Li-4的WSD最 大，Com-Li-2、Com-Li-3、Com-Li-5 較小。由于5個樣品的數值相差較小，接近重復性的范圍（參見下文的“重復性試驗”部分），因此無法直接判定潤滑脂抗微動磨損性能的優劣，還需要結合所測的磨斑表面形貌結果進行分析。

由圖3可見：

◇Com-Li-2的磨痕較淺且比較均勻，表面被氧化的面積最小，說明其抗微動磨損性能明顯優于其他樣品，結合圖2中Com-Li-2摩擦系數明顯小于其他樣品，認為其抗微動的摩擦磨損性能最佳；

◇Com-Li-1的磨痕較深且磨損很不均勻，Com-Li-4表面出現了明顯的犁溝，故它們的磨損都是比較嚴重的，抗微動磨損性能最差；

◇Com-Li-3和Com-Li-5磨損程度介于最優和最差之間，抗微動磨損性能屬于中等水平。

綜合以上分析結果，可以得出2號樣品的摩擦磨損性能是最優的，1號和4號最差，3號和5號為中等水平。由此可見，在潤滑脂的篩選上，本模擬試驗方法方便快捷而且有效，能夠掌握每個配方潤滑脂的大致性能，從而作為對潤滑脂配方的快速評價手段。

對不同類型潤滑脂產品的評價

為了研究對不同類型潤滑脂產品的評價效果，選擇了多種潤滑脂樣品進行抗微動模擬試驗，結果見表3。

由表3可見，與其他樣品相比，Com-Li-Ca-M和PU的平均磨斑直徑較小，摩擦系數較小，所以這兩個樣品的抗微動摩擦磨損性能較好。Li-G-M的磨斑直徑和摩擦系數均明顯較大，所以其性能最差。Li-MoS2-pes應處于中等水平。在摩擦系數相同的Li-PAO、B-pet、Com-Li-M、Com-Al四個樣品中，B-pet的平均磨斑直徑最大，所以其抗微動磨損性能在這四個樣品中是最差的。由此可見，本模擬方法對不同類型潤滑脂有較好的區分性。

表3 不同類型潤滑脂的抗微動模擬試驗結果

潤滑脂抗微動模擬試驗驗證

重復性和再現性試驗

對各潤滑脂樣品的抗微動模擬試驗結果進行了重復性、再現性分析，結果分別見表4～表6。再現性試驗是由不同操作者采用4臺不同的儀器完成的。

由表4～表6可見，除個別數據外，測試結果均符合方法的重復性、再現性要求。表6中，Com-Li-Ca-M和 Com-Al的極差數據超出了再現性不大于0.023 4的要求，這2個超差仍在精密度要求的95%置信水平允許范圍之內。

表4 重復性試驗結果

表5 平均磨斑直徑再現性試驗結果

表6 摩擦系數再現性試驗結果

與SH/T 0716方法的比較

SH/T 0716《潤滑脂抗微動磨損性能測定法》用于評定軸承擺動時潤滑脂抗微動磨損的特性，其測試原理是將2套裝有試驗脂的推力球軸承在弧度為0.21（12°）、擺動頻率30 Hz、負荷為2 450 N以及室溫條件下做擺動運動，試驗時間為22 h，以2套軸承座圈的質量損失之和的平均值（單位為mg）作為試驗潤滑脂抗微動磨損性能的評定。

NB/SH/T 0920—2016與 SH/T 0716雖然都是評價潤滑脂抗微動磨損性能的模擬方法，但2者存在如下區別：

◇摩擦形式不同，前者是線性往復式振動運動形式（沖程0.3 mm），而后者是擺動運動形式（弧度0.21）；

◇摩擦副不同，前者是球盤模式，后者是推力球軸承模式；

◇評定方式不同，前者測定磨斑直徑和摩擦系數大小，精度高，后者測定質量損失，精度較差；前者操作簡單快速，用時少（4 h），后者操作復雜，試驗中需要多次清洗，用時較長（22 h）。

分別采用2種方法考察了5種復合鋰基脂的抗微動磨損性能，結果見表7。

由表7可見，采用SH/T 0716方法得到的5個樣品的結果，Com-Li-2的抗微動磨損性能最好，Com-Li-3其 次，Com-Li-1和Com-Li-4較差，Com-Li-5最差。與SRV法的結果相比，Com-Li-5的2種方法的分析結果差別相對較大。由此說明，因為摩擦形式不同等原因，2種方法測得的結果并不是線性相關的。

表7 NB/SH/T 0920—2016與SH/T 0716的試驗結果對比

結論

在設備運行狀態中存在微動工況時，抗微動磨損性能是潤滑脂的一項重要特性。本文研究建立了一種快速便捷的測定潤滑脂抗微動磨損性能的模擬試驗方法。采用SRV試驗機，可以實現對潤滑脂配方的篩選和對不同類型潤滑脂產品性能的有效評價，同時具有較高的精密度。在評價潤滑脂的實際應用中，結合其他的測定磨損表面磨損程度的試驗方法和儀器手段，該模擬方法將能得到更為有效的應用。