工業(yè)齒輪油氧化安定性測試方法的對比研究

周康 孫建武 王碩 王玉玲

1 中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心

2 中國石油蘭州潤滑油廠

本文對工業(yè)齒輪油氧化安定性測試方法進行了系統(tǒng)對比，簡要闡述了3類氧化試驗方法的原理和特點；采用代表性的工業(yè)齒輪油樣品，選擇試驗耗時較短的DKA氧化試驗、烘箱氧化試驗及SH/T 0123—2003《極壓潤滑油氧化性能測定法》進行了對比測試。結(jié)果表明，DKA氧化試驗與烘箱氧化試驗的結(jié)果一致性較好，與SH/T 0123—2003《極壓潤滑油氧化性能測定法》的試驗結(jié)果對應(yīng)性較強，適合用于工業(yè)齒輪油氧化安定性的前期篩選。

齒輪油的氧化安定性指油品抗老化性能，一般是以油中生成的沉淀物及酸值來表示，是決定油品使用壽命的主要指標之一。工業(yè)齒輪油在使用過程中，不可避免地會與空氣、金屬和雜質(zhì)等接觸，在溫度較高條件下使用時會加速油品的氧化，氧化過程產(chǎn)生的油泥會導致油品和齒輪箱組件使用壽命縮短，影響潤滑效果。同時，隨著節(jié)能和環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，要求包括工業(yè)齒輪油在內(nèi)的潤滑油產(chǎn)品具有較長的使用壽命或換油周期，對油品的氧化安定性提出了日益苛刻的要求。因此，氧化安定性是工業(yè)齒輪油研究過程中需關(guān)注的重點。

工業(yè)齒輪油的使用工況復雜惡劣，影響其氧化安定性的除了油品化學組成外，還有眾多的外在因素（溫度、壓力、負荷、時間和金屬催化等）。本文選擇代表性的工業(yè)齒輪油樣品，采用常用的3種抗氧化試驗方法進行了對比測試，考察不同方法試驗結(jié)果的一致性和對應(yīng)性，為工業(yè)齒輪油的配方開發(fā)提供參考。

試驗方法概述與對比

試驗方法概述

根據(jù)使用主要儀器設(shè)備的不同，國內(nèi)外工業(yè)齒輪油氧化安定性測試方法大體上可以分為如下3類：

氧化管試驗法

工業(yè)齒輪油國家標準GB 5903—2011《工業(yè)閉式齒輪油》和石化行業(yè)標準NB/SH/T 0467—2010《合成工業(yè)齒輪油》中均采用了SH/T 0123—2003《極壓潤滑油氧化性能測定法》來評定油品的氧化安定性。該方法是將300 mL試樣倒入試驗的氧化管中，然后插入已到達試驗溫度（95 ℃或121 ℃）的加熱浴中，通入恒壓干燥的空氣，通過測定試樣100 ℃運動黏度的增長值和沉淀值的變化，表示油品的氧化安定性。

GB 5903—2011中，也要求采用GB/T 12581—2006《加抑制劑礦物油氧化特性測定法》測試油品的氧化安定性。該方法是通過測定95 ℃試驗條件下試樣酸值達到2.0 mgKOH/g所需要的時間來判定油品的氧化安定性，特別適用于評價容易被水污染的油品氧化安定性。由于工業(yè)齒輪油的使用環(huán)境較為惡劣，常常會有遇水的工況，因此也成為工業(yè)齒輪油評價氧化安定性的重要方法。

此外，DKA氧化試驗（CECL-48-A-00）條件較為苛刻，是測定特定人工老化條件下潤滑油氧化的試驗方法，近年被油品公司和添加劑公司廣泛使用。該方法是將0.5 mg試樣在150 ℃條件下通入一定流速的空氣，通過測定試驗后試樣酸值增加、40 ℃和100 ℃運動黏度變化和油泥情況，對油品的氧化安定性進行有效評價。

氧化誘導期法

GB 5903—2011在測定L-CKB工業(yè)齒輪油的氧化安定性時，也采用了SH/T 0193—2008《潤滑油氧化安定性的測定 旋轉(zhuǎn)氧彈法》。該方法是將50 g試樣、5 mL水、銅催化劑線圈放入一個帶蓋的玻璃試樣器內(nèi)，置于裝有壓力表的氧彈中。氧彈充入620 kPa壓力的氧氣，放入規(guī)定的恒溫油浴中（150 ℃），使其以100 r/min的速度與水平面呈30°角軸向旋轉(zhuǎn)，記錄達到規(guī)定的壓力降175 kPa所需的時間（min）。以氧化誘導期表示其抗氧化能力，氧化誘導期越長，油品的氧化安定性越好。

設(shè)備模擬試驗法

設(shè)備模擬試驗法是指將油樣加入到模擬設(shè)備中，模擬不同潤滑油的實際工作環(huán)境，在規(guī)定時間和試驗溫度進行氧化后，根據(jù)黏度、酸值的變化等指標表征油品的氧化程度[1]。

本文采用了一種自建方法考察工業(yè)齒輪油的氧化安定性，即烘箱氧化試驗。該方法是在250 mL 燒杯中加入200 mL 試油，將磨好的45號鋼片以和杯底約30°角浸于試樣中，將燒杯置于135 ℃ 烘箱中恒溫72 h，然后取出鋼片用石油醚沖洗，觀察鋼片變色（鋼片評級規(guī)定： 0為鋼片不變色；1為稍變色，幾乎與新片相同；2 為局部淡白色；3為鋼片淡白色，擦去后鋼片亮；4為紅、黃、藍、灰等彩色或灰白色；5為局部灰黑色，明顯腐蝕；6 為鋼片灰黑，剝落）和杯底沉積物情況（以多、中、少、無區(qū)分），同時測定油品氧化前后酸值、100 ℃運動黏度的變化。

不同方法的試驗條件對比

前述工業(yè)齒輪油抗氧化試驗方法的主要試驗條件對比見表1。

從表1可以看出：5種方法對試樣量、試驗溫度、催化劑種類和時間等的要求均不相同，具體來說：

◇SH/T 0123、GB/T 12581需要的試樣量較大，達到了300 mL；

◇ 與SH/T 0123相 比，GB/T 12581要求加入鐵線圈、銅線圈作為金屬催化劑，通氣使用的是氧氣而不是空氣。

◇旋轉(zhuǎn)氧彈法（SH/T 0193）設(shè)備比較簡單，反映的是油品簡單的靜態(tài)特性，難以全面凸顯用戶普遍關(guān)心的潤滑油使用性能[2]。

◇烘箱氧化法和DKA氧化方法類似，試驗溫度較高，表征項目也大致相同，主要關(guān)注油品酸值、運動黏度和油泥（沉積物）的變化。

不同測試方法對比考察工業(yè)齒輪油的氧化安定性

試驗油品的調(diào)制

將質(zhì)量分數(shù)為75%的150BS-1、150BS-2和150BS-3分別和APIⅡ類基礎(chǔ)油作為基礎(chǔ)油組分，加入復合劑以及選定的降凝劑、抗泡劑和破乳劑，調(diào)制成320黏度級別的CKD工業(yè)齒輪油YGO-1、YGO-2、YGO-3（使用復合劑A調(diào)制）及 YGO-4、YGO-5、YGO-6（ 使用復合劑B調(diào)制）。

試驗用150BS-1、150BS-2、和150BS-3均為市售的典型150BS光亮基礎(chǔ)油，主要理化性能見表2。試驗用復合劑A和復合劑B為市售的兩種進口工業(yè)齒輪油復合劑，主要理化性能見表3。

表1 工業(yè)齒輪油抗氧化試驗方法的主要試驗條件對比

表2 試驗用150BS光亮油和APIⅡ基礎(chǔ)油的主要理化性能

不同測試方法的氧化安定性結(jié)果對比分析

采用上述5種方法中耗時相對較短的DKA氧化、烘箱氧化和極壓潤滑油氧化性能測定法(SH/T 0123)測試油品的氧化安定性，結(jié)果見表4。不同油品烘箱氧化試驗后的鋼片變色情況和DKA氧化試驗后的油泥評級情況分別見圖1、圖2。

表3 試驗用工業(yè)齒輪油復合劑的主要理化性質(zhì)

表4 不同測試方法考察工業(yè)齒輪油的氧化安定性

從表4可以看出：

◇在烘箱氧化試驗和DKA氧化試驗中，YGO-2、YGO-5的黏度增長、酸值增加值和鋼片（油泥）評級較大；在SH/T 0123試驗中，YGO-2、YGO-5的100℃運動黏度增長率分別為6.89%、6.16%，沉淀值都大于0.1 mL，均超過了GB 5903—2011標準的氧化安定性限值要求。

◇采用烘箱氧化試驗、DKA氧化試驗評價時，對于用復合劑A調(diào)配的 YGO-1、YGO-2、YGO-3，YGO-1的黏度增長、酸值增加值和鋼片（油泥）評級表現(xiàn)最好，YGO-2的表現(xiàn)最差。對于用復合劑B調(diào)配的YGO-4、YGO-5、YGO-6，YGO-4的黏度增長、酸值增加值和鋼片（油泥）評級表現(xiàn)最好，YGO-5的表現(xiàn)最差。YGO-1和YGO-4油品的氧化安定性性能表現(xiàn)最好，推測與150BS基礎(chǔ)油的來源及結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān)。

◇由于DKA氧化試驗的溫度和時間都大于烘箱氧化試驗，因而油品DKA氧化試驗后的100 ℃運動黏度增長率、酸值增加均大于烘箱氧化試驗的結(jié)果；DKA氧化試驗與烘箱氧化試驗的結(jié)果具有一定的對應(yīng)性，即烘箱氧化表現(xiàn)較好的油品在DKA氧化試驗中也表現(xiàn)較好。同時，烘箱氧化試驗和DKA氧化試驗結(jié)果較好的油品采用SH/T 123測試時也表現(xiàn)較好， 100 ℃運動黏度增長率在較小范圍波動，說明抗氧劑未完全消耗[3]，試驗條件相對較為緩和。

根據(jù)圖1、圖2，YGO-1、YGO-2和YGO-3油品烘箱氧化試驗后的鋼片變色分別為2級、5級和3級，DKA氧化試驗后油品的油泥評價分別為1級、3級和3級；YGO-4、YGO-5和 YGO-6油品烘箱氧化試驗后的鋼片變色分別為2級、4級和3級，DKA氧化試驗后油品的油泥評價分別為1級、3級和1級。整體看，烘箱氧化試驗后的鋼片變色大的油品，DKA氧化試驗后的油泥評級就越高。

圖1 采用烘箱氧化試驗測試不同工業(yè)齒輪油的鋼片變色情況

圖2 采用DKA氧化試驗測試不同工業(yè)齒輪油的油泥情況

結(jié)束語

工業(yè)齒輪油氧化安定性測試方法較多，其中烘箱氧化試驗和DKA氧化試驗類似，主要關(guān)注油品酸值變化、黏度變化和油泥變化。試驗發(fā)現(xiàn)，烘箱氧化試驗與DKA氧化試驗的試驗結(jié)果一致性較好，都具有良好的區(qū)分性，同時與工業(yè)齒輪油常用的SH/T 0123—2003《極壓潤滑油氧化性能測定法》的試驗結(jié)果對應(yīng)性較強。這2種方法可以作為考察工業(yè)齒輪油配方氧化安定性的前期篩選方法。