抗磨型無灰分散劑摩擦性能的研究

李小剛，鄧永生，黃卿

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

汽車自動傳動液(ATF)是一種多功能的油液，主要作用是潤滑、冷卻以及作為傳遞能量的液壓介質(zhì)。而無灰分散劑作為自動傳動液添加劑組成中占比相對較大的成分之一，研究其摩擦特性已是許多學(xué)者關(guān)注的話題。

所謂分散劑是抑制氧化膠狀物質(zhì)和積炭的生成，并將氧化后生成的膠狀物質(zhì)、積炭等不容物增溶或懸浮于油中，形成穩(wěn)定的膠體狀態(tài)而不易沉積在部件上。基礎(chǔ)油并不具有分散性能，其分散性能主要是靠在油品中加入的分散劑而取得。

分散劑是由非極性烴鏈(親油基)和極性部分(極性基)組成。在潤滑油內(nèi)，分散劑自己聚合成微小的膠體粒子，極性部分向內(nèi)聚成一團(tuán)，非極性部分呈放射形排列在外層。當(dāng)油中生成或混入不溶于油的固體粒子時，極性端通過物理或化學(xué)吸附，緊緊附著在固體顆粒表面將其包圍，而非極性端則又四面伸入油中。這樣油與固體顆粒表面的界面張力大大降低，使油對固體顆粒表面的潤濕作用增強(qiáng)。這樣固體顆粒被油潤濕后就成為膠體粒子分散在油中[1]。

隨著無灰分散劑的發(fā)展，無灰分散劑已經(jīng)被賦予更多的性能，比如增黏、更好的橡膠相容性、具有硫、磷等元素的抗氧、抗磨的無灰分散劑。而抗磨型無灰分散劑因其突出的摩擦特性而被應(yīng)用于ATF中，這也是其在ATF添加劑組成中占比較大的主要原因。

抗磨型無灰分散劑是在原有分散劑產(chǎn)品基礎(chǔ)上通過引入功能基團(tuán)或改進(jìn)產(chǎn)物部分片段的結(jié)構(gòu)來達(dá)到增加功能、改善性能的作用。首先，將胺類化合物與環(huán)氧丙醇進(jìn)行開環(huán)反應(yīng)制備出中間品胺；然后，將聚異丁烯馬來酸酐和基礎(chǔ)油與上述中間品胺進(jìn)行反應(yīng)，備出聚異丁烯丁二酰亞胺；最后，聚異丁烯丁二酰亞胺與含硼化合物和溶劑反應(yīng)制備出硼化無灰分散劑。該制備方法提高了硼化無灰分散劑的硼含量、水解穩(wěn)定性和低溫油泥分散性能，產(chǎn)品可用于內(nèi)燃機(jī)油、齒輪油、傳動液等潤滑油中[2]。眾所周知，汽車自動傳動液的摩擦特性是其最重要的性能之一，而汽車自動傳動液中無灰分散劑的比例較大，因此，具有抗磨特性的新型無灰分散劑為自動傳動液摩擦特性的改善作了很大的貢獻(xiàn)。

為了能更好地區(qū)分出不同類型無灰分散劑對ATF摩擦特性的影響，本文選用日本PLINT公司生產(chǎn)的TE92M離合器摩擦試驗機(jī)為實驗平臺，研究確定評價抗磨型無灰分散劑的模擬試驗方法。

1 TE92M離合器試驗機(jī)簡介

TE92M離合器摩擦試驗機(jī)的組成如圖1所示。它是通過縱向加載，使浸泡在潤滑油中的摩擦片和鋼片結(jié)合，測量結(jié)合過程中產(chǎn)生的摩擦扭矩，計算出摩擦系數(shù)，通過分析摩擦系數(shù)與滑動速度的關(guān)系來考察油品的摩擦特性。

圖1 TE92M離合器摩擦試驗機(jī)

TE92M離合器摩擦試驗機(jī)試驗控制參數(shù)見表1。

表1 TE92M離合器試驗機(jī)試驗控制參數(shù)

2 模擬試驗方法研究

2.1 試驗件的選取

摩擦片的摩擦材料為實際機(jī)械中鎖止離合器的摩擦材料(編號：D-0512，標(biāo)準(zhǔn)編號:ZDR522 OK)，鋼片編號：FZ132-8Y2，見圖2。

圖2 摩擦片、鋼片

2.2 試驗條件的選取

目前，用TE92M自動離合器摩擦試驗機(jī)評價自動傳動液防抖動性能的標(biāo)準(zhǔn)方法為JASO M349。該方法在1995年的版本中首次正式提出測定ATF的防抖動性能，采用分步加速法測試程序測定μ1/μ50，μ50/μ150結(jié)果來表征新油的摩擦特性。試件采用SAE No.2中滿足DEXRON Ⅲ規(guī)格的摩擦片(編號：SD-1777，鋼片編號：FZ127-24-Y1)。在1995年版本的基礎(chǔ)上，1998年版本增加了ATF防抖動壽命的評價(以24 h為1周期)。當(dāng)μ1/μ50>1時，則認(rèn)為ATF耐久性試驗后的防抖動性能失效。在2001 年的版本中，改用更加真實模擬離合器實際工況的連續(xù)加速法測定ATF的μ-V特性，得到連續(xù)變化的μ-V特性曲線(要求V大于0.1 m/s)，用數(shù)學(xué)方法求V=0.3 m/s及V=0.9 m/s的導(dǎo)數(shù)dμ/dV，當(dāng)dμ/dV<0時，則認(rèn)為油品耐久性試驗后的防抖動性能失效。2010年版本分磨合程序，摩擦特性測試程序和耐久性試驗程序3 個階段進(jìn)行。磨合階段的試驗條件為油溫80 ℃、接觸壓力1.00±0.05 MPa、滑動速度0.60±0.01 m/s、時間30 min；摩擦特性(μ-V特性)的試驗參數(shù)有溫度(40±5 ℃，80±5 ℃和120±5 ℃)，接觸壓力(1.00±0.05)MPa和滑動速度程序(即在3 s內(nèi)從0 m/s連續(xù)加速到1.5 m/s并保持1 s，然后在3 s內(nèi)從1.5 m/s連續(xù)減速到0 m/s)；耐久性試驗階段的條件為溫度120±5 ℃、接觸壓力1.00±0.05 MPa 和滑動時間30 min，每隔6 h(耐久性壽命在60 h內(nèi))，或12 h(耐久性壽命在120 h內(nèi))，或24 h(耐久性壽命大于120 h)測定1次摩擦特性[3]。

本文選取該方法中摩擦特性測試程序為模擬試驗條件，進(jìn)行抗磨型無灰分散劑摩擦特性的評價，具體如表2所示。

表2 模擬試驗條件

2.3 參比油實驗結(jié)果

首先選用市場上影響力較大的無灰分散劑1以及蘭州中石油潤滑油添加劑有限公司生產(chǎn)的磷硼化無灰分散劑RHY151PB以一定的比例加入到基礎(chǔ)油A中作為參比油B、C，進(jìn)行TE92M模擬評價試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 參比油試驗結(jié)果

圖3中基礎(chǔ)油A的摩擦特性曲線隨著試驗轉(zhuǎn)速的增大，摩擦系數(shù)是下降的趨勢，而自動傳動液摩擦特性曲線要求油品的靜摩擦系數(shù)相對較低，動摩擦系數(shù)能夠穩(wěn)定，動摩擦系數(shù)過大會增加磨損，動摩擦系數(shù)也不能過低，過低將影響動力的傳遞。理想的摩擦特性曲線應(yīng)該是一條正斜率的曲線。同時在圖3的試驗結(jié)果中可以看到，兩種無灰分散劑加入到基礎(chǔ)油A中之后都能改善基礎(chǔ)油的摩擦特性，雖然參比油B的摩擦系數(shù)較大，但是其曲線斜率出現(xiàn)負(fù)斜率的現(xiàn)象，而參比油C的摩擦特性曲線接近理想狀態(tài)。

將無灰分散劑1以及自主研發(fā)的蘭州中石油潤滑油添加劑有限公司生產(chǎn)的磷硼化無灰分散劑RHY151PB，分別代替成品油自動傳動液中的無灰分散劑作為參比油D、E進(jìn)行摩擦特性評價，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 參比油試驗結(jié)果

從圖4實驗結(jié)果可以看出，兩種油品試驗結(jié)果性能相當(dāng)，都能體現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦特性，該模擬試驗評價方法也為油品配方的篩選以及無灰分散劑的研制提供了一定的技術(shù)支持。

為了能更好地說明該模擬試驗評價的有效性，也將蘭州中石油潤滑油添加劑有限公司生產(chǎn)的磷硼化無灰分散劑RHY151PB替代成品油自動傳動液中的無灰分散劑進(jìn)行DEXRON?VI規(guī)格SAE NO.2摩擦特性試驗。其中參比油F為全配方自動傳動液，參比油G為用蘭州研發(fā)中心自主研發(fā)的磷硼化無灰分散劑替代參比油F中無灰分散劑的油品。其SAE NO.2實驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 換擋時間對比

圖6 中點扭矩對比

上圖5、圖6中紅色直線代表DEXRON?VI規(guī)格SAE NO.2摩擦特性試驗指標(biāo)通過范圍。從上圖可以看到兩種油品均通過了DEXRON?VI規(guī)格摩擦特性試驗要求。說明蘭州中石油潤滑油添加劑有限公司生產(chǎn)的磷硼化無灰分散劑RHY151PB可以和競品無灰分散劑1相媲美。同時也在別的模擬設(shè)備上對參比油B、C進(jìn)行了摩擦性能的評價，比如在四球摩擦試驗機(jī)上采用GB/T 3142潤滑劑承載能力測定法(四球法)評價其極壓性能、采用SH/T 0189潤滑油抗磨損性能測定法(四球法)評價其抗磨損性能，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 四球試驗結(jié)果

從表3結(jié)果可以看出參比油B、C在四球極壓性能及抗磨損性能方面二者相當(dāng)，也進(jìn)一步說明在TE92M離合器摩擦試驗機(jī)上對抗磨型無灰分散劑摩擦特性篩選結(jié)果有效性。

3 結(jié)論

(1)以TE92M離合器摩擦試驗機(jī)為試驗平臺，評價自動傳動液(ATF)中無灰分散劑的摩擦性能，試驗結(jié)果表明：抗磨型無灰分散劑具有改善基礎(chǔ)油摩擦特性的作用。

(2)蘭州中石油潤滑油添加劑有限公司生產(chǎn)的磷硼化無灰分散劑RHY151PB在TE92M離合器摩擦試驗機(jī)上篩選后代替競品加入到自動傳動液中，在SAE NO.2試驗機(jī)上評價其摩擦特性，以及結(jié)合四球摩擦試驗機(jī)評價其極壓、抗磨性能，結(jié)果顯示二者性能相當(dāng)。

(3)在TE92M離合器試驗機(jī)上研究選用的模擬試驗方法具有較好的區(qū)分性，可以為油品摩擦特性的研究提供一定的技術(shù)支持。