堿性復(fù)合磺酸鈣基脂的摩擦學(xué)性能及機理

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（1．華北電力大學(xué)（北京） 能源動力與機械工程學(xué)院，北京102206；2．中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州730000）

高堿值復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂是一種新型的高性能潤滑脂。由于其在高溫性、膠體安定性、機械安定性、抗水性、防銹性和極壓抗磨性方面的優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山和航運等行業(yè)［1］。該脂還由于不包含重金屬和對環(huán)境有害的添加劑，被稱為環(huán)保型潤滑脂［2］。它的這些優(yōu)良性能和廣泛的使用范圍，決定了其必將是未來潤滑脂重點應(yīng)用的產(chǎn)品之一。目前國內(nèi)外的研究認為，復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的結(jié)構(gòu)是球形的方解石碳酸鈣包裹著磺酸鈣和12－羥基脂的外殼［3－4］，而球形結(jié)構(gòu)可提高摩擦副的接觸面積，同時形成類似滾動和滑動相結(jié)合的摩擦形式，從而大大提高了抗磨減摩性能［5］。對復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的摩擦學(xué)機理目前尚無統(tǒng)一認識，而且也無人用X射線光電子能譜（XPS）對其進行分析和討論。XPS可以用來分析摩擦表面的元素和化合物變化，推測摩擦過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，從而揭示摩擦學(xué)機理［6－7］。筆者制備了復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂，評價了其在100℃和25℃下的摩擦學(xué)性能，并通過XPS對其摩擦學(xué)機理進行了分析討論。

1 實驗部分

1．1 堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的實驗制備與基本性能測試

將一定量的礦物基礎(chǔ)油加入燒杯中，然后加入石油磺酸鈣，置于油浴鍋中加熱，并用電動攪拌棒攪拌。當溫度升至70℃時恒溫，加入適量乙酸。待其充分反應(yīng)后，依次加入氫氧化鈣、硼酸、12－羥基硬脂酸，升溫進行皂化處理。待反應(yīng)完成并自然冷卻至常溫后，使用三輥研磨機研磨成脂。

分別按照 GB／T 269、GB／T3498、SH／T 0324、GB／T 7326和 SH／T 0109標準方法測定和評價所制得的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的錐入度、滴點、分油、腐蝕以及抗水淋性能。

1．2 SRV摩擦試驗和磨損量測定

采用德國Optimol公司SRV－Ⅰ型摩擦磨損試驗機測定脂樣的摩擦磨損性能。測試溫度分別為25℃和100℃，往復(fù)頻率25Hz，試驗時間30min，載荷分別為200、300、400和500N。試驗選用硬度為710HV的AISI 52100鋼球，直徑10mm；選用硬度為862HV的AISI 52100鋼盤作底盤，直徑24mm。

采用 Micro XAM 型（Yamato Company）3D 輪廓掃描儀對磨斑進行觀察并測定試盤的磨損體積。

1．3 XPS表面分析

在試驗前后對試件進行清洗，采用Thermo Scientific Company K－ALPHA 型 X 射線光電子能譜儀，選用Al－Ka線、通過能量29．35eV，以C1s結(jié)合能284．60eV作為內(nèi)標，對載荷500N時25℃和100℃下鋼盤磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài)進行分析。

2 結(jié)果與討論

2．1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的基本性能

所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣潤滑脂的基本性能列于表1。從表1可以看出，所制潤滑脂的基本性能達到或超過了市售復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂水平。

表1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的基本性能Table 1 The basic performances of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease

2．2 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的摩擦磨損性能

圖1為所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂在不同溫度下不同載荷對應(yīng)的瞬時摩擦系數(shù)。從圖1可以看出，同樣載荷時，該潤滑脂高溫下的瞬時摩擦系數(shù)較之室溫的普遍偏低；100℃時試驗初始階段的摩擦系數(shù)（圖1（b））與25℃時的（圖1（a））基本相同，但5min以后開始下降并趨于穩(wěn)定，而且在整個試驗階段，摩擦系數(shù)變化較為平穩(wěn)，說明高溫下該堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的摩擦學(xué)性能更加優(yōu)異。其次，同一溫度下，載荷變化對摩擦系數(shù)的影響不大，說明該潤滑脂具有很好的高載荷性能。高溫下摩擦表面形成的摩擦反應(yīng)膜優(yōu)于室溫條件下形成的摩擦反應(yīng)膜，高溫下更容易形成低剪切的摩擦反應(yīng)膜。

圖2示出了25℃和100℃時所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂在不同載荷下摩擦系數(shù)的變化。從圖2可知，當載荷變化時，該潤滑脂的摩擦系數(shù)變化不明顯，但相同載荷下高溫時的摩擦系數(shù)要比室溫時的小，說明復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂在高溫下有較好的減摩性能。

圖3示出了所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂在不同載荷下摩擦磨損試驗后鋼盤磨損體積的變化。由圖3可見，隨著載荷增加，鋼盤磨損體積增大；而在相同載荷下，高溫時鋼盤的磨損體積更大些。

圖1 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂在不同溫度下不同載荷所對應(yīng)的瞬時摩擦系數(shù)Fig．1 Friction coefficient of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease under different loads and different temperatures

圖2 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂在不同載荷下的摩擦系數(shù)Fig．2 Friction coefficient of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease vs load

圖3 所制備的堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂在不同載荷下試驗后鋼盤磨損體積的變化Fig．3 Worn volume of steel disc after test of synthesized overbased complex calcium sulfonate grease vs testing load

圖4為摩擦磨損試驗后鋼盤磨斑的3D照片。由圖4可以直觀地看出不同載荷和溫度下磨斑的形狀和深度。初步分析可知，高溫、高載荷條件下，快速的摩擦化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)平衡是形成摩擦保護的原因，保證了在高溫下有更好的減摩抗磨效果。為了進一步驗證此推測，用XPS對鋼盤磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài)進行分析。

2．3 鋼球磨斑表面的元素分析結(jié)果（XPS）

圖4 不同載荷和溫度下摩擦磨損試驗后磨盤磨斑的3D照片F(xiàn)ig．4 3DPhotos of worn surfaces of steel disc after test under different loads and temperatures

圖6 復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂潤滑摩擦副的示意圖Fig．6 The schematic of the steel－steel contact lubricating by calcium sulfonate grease

圖6為復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂潤滑摩擦副的示意圖。筆者認為復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂的抗磨減摩機理是，碳酸鈣顆粒是主要的減磨介質(zhì)，同時通過一系列的化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面生成有減摩抗磨作用的覆蓋膜。

3 結(jié) 論

（1）堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂在高溫下具有更好的減摩效果，但是其抗磨效果較之室溫卻略有下降。

（2）在堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂潤滑下，高溫時摩擦表面生成了硼酸鈣和硫化亞鐵。兩者共同作用，在摩擦表面生成覆蓋膜，從而使?jié)櫥诟邷叵戮哂懈玫臏p摩和抗磨性能。

（3）堿性復(fù)合磺酸鈣基潤滑脂以碳酸鈣顆粒為主要減磨介質(zhì)，同時通過一系列的化學(xué)反應(yīng)在摩擦表面生成有減摩抗磨作用的覆蓋膜，從而起到抗磨減摩的作用。

圖5 鋼盤磨斑表面典型元素的XPS譜Fig．5 XPS spectra of some typical elements of the worn surface of steel disc tested under different temperatures

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