復合添加劑對齒輪油抗氧化特性的影響

王艷麗

(山西潞安太行潤滑油有限公司，山西 長治 046000)

引 言

齒輪油是以石油潤滑油為基礎油，在其中加入各類抗磨劑及復合添加劑后調制而成的一種重要的潤滑油，主要用于各類齒輪傳動系統中，用于降低輪齒嚙合時的磨損，防止齒面擦傷、磨損等，延長傳動系統的工作壽命，提高傳動系統傳動的平穩性和高效性。當車輛在低速運行的情況下，汽車傳動箱內油液的溫度相對較低，使燃料內的水分很難從齒輪油內排出，造成漆膜及油泥的沉淀物較多，同時，在長期運行時，齒輪油在各種因素的作用下逐漸發生氧化，內部化學成分氧元素增多，相對分子質量增大，由烴類化合物轉變成了非烴化合物，外現上顏色變深，沉淀增多，腐蝕性增大，造成油液的黏度值迅速增加(通常氧化后油液黏度值增加量在10%以上)，使齒輪油的的使用性能急劇下降[1]，因此，如何提高齒輪油的抗氧化性及使用壽命，確保傳動系統的平穩性，成為了迫切需要解決的問題。

1 降凝劑的抗氧化性機理分析

降凝劑T803B具有優秀的抗油液老化性的特性，當油液在溫度較低時，降凝劑高熔點的固體烴分子處于定向的排列狀態，形成三維網狀結構，此時，能夠將低熔點的油液吸附在形成的三維網狀結構附近，使油液分子喪失自由流動性。降凝劑的分子結構能夠在固體烴的表面形成吸附層，能夠對固體烴生長的外形和伸展方向進行約束。在油液中降凝劑只能對固體烴的外形大小進行限制，但是并不能改變油液的濁點量。經試驗驗證，當油液中不含有降凝劑時，其油液中固體烴結構為直徑是30 μm～140 μm的針狀晶體，當在油液中添加降凝劑后，能夠顯著減小固體烴結構的直徑，其結構為直徑是10 μm～12 μm的分枝星形結晶。這是因為，當降凝劑能夠在固體烴表面吸附芳香族基團，在芳香族基團的作用下使固體烴表面產生共晶，其共晶體上分支的數量會隨著降凝劑濃度的增加而增大。這主要是因為降凝劑對結晶的生長方向產生了支配作用。

當沒有降凝劑時，固體烴的單晶體生長時，在X、Y方向上能夠快速生長，形成板狀結構的結晶體，大量的結晶體通過四周的棱角相互連接，最終形成三維網狀的骨架結構。整體結構如圖1所示。

圖1 無降凝劑時固體烴晶體的生長方式

當在油液內加入促凝劑時，由于降凝劑所含的分子能夠在固體烴的表面產生共晶，在共晶體的作用下對固體烴內晶體的生長產生約束作用，限制固體烴晶體在X、Z方向上的生產，促進晶體在Y方向上的生長，使晶體的結構朝著正方形的結構發展。同時，在降凝劑分子的作用下，留在固體烴表面的極性基團能夠阻止固體烴晶體間相互的結合，整體結構如圖2所示[2]。

圖2 有降凝劑時固體烴晶體的生長方式

2 降凝劑對基礎油抗氧化性的影響

某含有復合添加劑的齒輪油主要由基礎油(HVI 150BS-201002)構成，在該齒輪油內分別加入降凝劑T803B、分散劑T154、金屬減活劑 T406及清凈劑 T101，以驗證其對該齒輪油抗氧化特性及油樣黏度的影響。油樣組成如表1所示。

表1 油樣組成列表 g

2.1 人工老化實驗

取1個200 mL的燒杯，加入100 mL試驗油樣，加入1片大小適中的45號鋼片，使其完全浸入油樣內，然后，把燒杯放置到120 ℃的恒溫箱內，保持288 h。取出鋼片后用石油醚進行沖洗，觀察鋼片的變色情況和燒杯內的沉淀物，同時，對杯中油樣的黏度及油樣的沉淀值進行測量。

2.2 油樣黏度的測定

油液黏度測定時，需采用毛細管黏度計[3]，其結構如圖3所示。

在進行油樣的黏度測量時，需按以下順序進行：

1) 將毛細管黏度測量儀完全垂直放置在恒溫箱內，把恒溫箱的溫度調整到(45±0.1)℃，保持該溫度15 min。

2) 利用毛細管黏度計入口處的橡皮管，將油樣吸入到黏度計的擴張部分，并要求黏度計內的油樣液面需高于黏度計上的標線a，在操作時需注意，吸入油樣時需緩慢，避免油樣產生氣泡。

圖3 毛細管黏度計結構示意圖

3) 在吸入過程中注意觀察油樣在黏度計內的流動情況，當黏度計內油樣的液面剛好達到標線a處時，啟動表開始計時，直到液面達到黏度計上的標線b處時，停止計時。

4) 重復以上步驟5次，記錄5次的平均值，作為油樣流動的平均流動時間，然后，利用液體運動黏度的計算公式(1)計算出其黏度值[4]。

Yt=c×τt

(1)

式中：Yt為液體的運動黏度，m2/s。

2.3 油樣沉淀值的測定

在常溫下，取1個200 mL的燒杯，加入10 mL油樣，并加入90 mL沉淀石油醚，充分混合后，將其放置在旋轉盤上，調整旋轉盤旋轉速度為600 r/min，旋轉10 min，取下燒杯，此時，底部沉淀物的體積即為油樣的沉淀值。

2.4 實驗結果對比分析

根據以上實驗，將各試驗結果進行匯總，如表2、第106頁表3所示。

表2 油樣老化前、后黏度變化情況

由分析結果可知，在基礎油內按比例添加T101后，分別對5組油樣進行人工老化試驗，將試驗前、后的油樣黏度變化率及油樣的沉淀情況進行對比，在實驗前、后使基礎油樣的沉淀量過大的問題得到了很好的解決，但油樣的黏度值增加了8.81%。為解決氧化后黏度值過大的問題，根據實際情況分別向油樣內添加分散劑T154及減活劑T406，通過對比可以發現，在試驗前、后其黏度問題并沒有得到有效的解決，因此在油樣中進一步添加T803B。試驗結果表明，油樣在經氧化后其黏度值僅提高了4.14%，極大地降低了油液氧化后黏度值的增加量，確保了齒輪油工作時的可靠性。

表3 油樣老化前、后沉淀值變化情況 mL

3 結論

本文通過對齒輪油氧化原因的分析，提出了在齒輪油內增加降凝劑來提高齒輪油的抗氧化特性及使用壽命。在對降凝劑抗氧化機理進行深入分析的基礎上，設計了一套適用于齒輪油抗氧化指標測定的實驗方案。通過實驗表明，在齒輪油內增加T803B降凝劑，能夠大幅降低齒輪油在氧化后沉積物的量和油液的黏度，極大地提升齒輪油的使用壽命，具有十分重要的應用價值。