金屬對酯類航空潤滑油高溫氧化作用影響研究

費逸偉，郭忠烈，姜旭峰，彭顯才

(1.空軍勤務學院航空軍需與燃料系，江蘇 徐州 221000；2.95788部隊，四川 成都 610041)

0 引言

良好的潤滑條件是航空發動機正常工作的前提。航空潤滑油不僅是航空發動機降低磨損、減小摩擦的主要手段，還具有保護機械不受腐蝕、吸收機械沖擊力、冷卻摩擦表面等作用[1-2]，因此航空發動機潤滑系統是航空發動機必不可少的一部分?，F代航空發動機潤滑部位溫度越來越高[3]，要求航空潤滑油具有良好的高溫氧化安定性[4-5]，同時，航空潤滑油在使用時與潤滑系統中含Fe、Cu、Al、Cr、Mo等金屬部件接觸，研究表明[6-8]金屬Cu、Fe等在高溫下對航空潤滑油氧化具有顯著的催化作用。

酯類油是廣泛應用的合成航空潤滑油基礎油，其具有極性的酯鍵結構使得酯類油具有良好的熱氧化安定性、極佳的潤滑性能、對極性物質良好的溶解性和較低的揮發性，優良的綜合性能使得酯類油已經成為航空潤滑油基礎油的主要種類之一[9]。俄羅斯BHИИHΠ50-l-4Ф(以下簡稱50-1-4Ф)航空潤滑油是酯類航空潤滑油的代表，以癸二酸二異辛酯(DIOS)作為基礎油，同抗氧劑(N-苯基-1-萘胺)、抗磨劑(磷酸三(鄰)甲酚酯)調合而成，具有優良的綜合性能，是我國大量進口的航空潤滑油品種之一。

本次研究以50-1-4Ф航空潤滑油為試驗對象，利用高溫反應釜模擬航空潤滑油的高溫氧化過程，以銅片和鐵片作為催化劑，通過分析油樣氧化前后黏度、酸值、傾點的變化，研究金屬片數量和種類對酯類航空潤滑油高溫氧化作用的影響，為航空潤滑油的使用和改進提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品與儀器

試驗用油為50-1-4Ф航空潤滑油，主要理化指標如表1所示；試驗銅、鐵片規格為25 mm×25 mm×3 mm(參考相關腐蝕性試驗標準)；試驗儀器有煙臺松林化工有限公司KCFD05-30型高溫高壓反應釜，容積500 mL，加熱功率2 kW，磁力攪拌轉子最高轉速1200 r/min，釜內最高溫度450 ℃，最大承壓45 MPa；大連凱博儀器有限公司DKY-301B型石油產品運動黏度測定儀；北京晟欣成科技有限公司SQ-600型全自動電位滴定儀；大連凱博儀器有限公司DKY-103A型傾點測定儀。

表1 試驗油主要理化指標

1.2 高溫氧化試驗方法

結合50-1-4Ф航空潤滑油的實際使用情況，同時為了便于研究，設置5個系列試驗，分別為不含金屬、含1片銅(用Cu1表示)、含2片銅(用Cu2表示)、含1片鐵(用Fe1表示)、含2片鐵(用Fe2表示)和同時含有1片銅和鐵(用Cu1+Fe1表示)系列，每個系列進行5次高溫氧化模擬試驗，對應試驗溫度分別為180 ℃、200 ℃、230 ℃、250 ℃、300 ℃。每次試驗將200 mL油樣放入反應釜中，放入打磨處理的試驗金屬片，迅速升溫至對應的氧化溫度，在800 r/min攪拌轉速下氧化反應2 h，試驗結束后冷卻油樣，取出待用。

1.3 黏度測試方法

按照GB/T 265-1998(2004)石油產品運動黏度測定法測定各油樣40 ℃和100 ℃運動黏度。

1.4 酸值測定方法

按照GB/T 7304-2014石油產品和潤滑劑酸值測定法(電位滴定法)測定各試驗油樣的酸值。

1.5 傾點測定方法

按照GB/T 3535- 2006石油產品傾點測定法測定各試驗油樣的傾點。

2 結果與討論

2.1 黏度變化分析

潤滑油的黏度對于發動機啟動、潤滑效果、運行效率都直接相關[10]，按照標準試驗方法，測得50-1-4Ф航空潤滑油原油樣和各試驗油樣40 ℃黏度和100 ℃黏度，其中原油樣40 ℃黏度為11.47 mm2/s，100 ℃黏度為3.1 mm2/s，各系列試驗油樣黏度及其隨氧化溫度變化趨勢如圖1、圖2所示。高溫氧化作用使得試驗油樣黏度相比原油樣有所降低，各油樣40 ℃黏度和100 ℃黏度相比原油樣黏度的降低百分比見表2。

圖1 油樣40 ℃黏度變化趨勢

表2 試驗油樣黏度衰減百分比

各油樣在高溫氧化反應之后出現黏度衰變，從圖1、圖2可以看出，各系列油樣黏度隨氧化溫度變化趨勢相似，氧化溫度越高，油樣黏度衰變越明顯，且各油樣黏度在230～250 ℃之間變化最為劇烈，考慮50-1-4Ф航空潤滑油開始劇烈氧化溫度在230～250 ℃之間?？傮w上看，經過高溫氧化各系列油樣黏度關系為Cu1+Fe1

酯類航空潤滑油在氧化過程中長鏈結構斷裂[11-12]，生成較多的小分子單酯、雙酯、酮、醚、酸等物質[13]，這可能是潤滑油黏度降低的原因。

2.2 酸值變化分析

潤滑油酸值與其腐蝕性息息相關，各油樣酸值測定結果及其隨氧化溫度變化關系如圖3所示，原50-1-4Ф航空潤滑油酸值測定結果為0.04 mgKOH/g，各試驗油樣酸值與原油樣酸值比值如表3所示。

圖3 油樣酸值變化趨勢

表3 各油樣酸值與原油樣酸值比值

經過高溫氧化反應，油樣酸值有明顯變化，且在氧化溫度230℃以后油樣酸值變化尤為劇烈。在同一氧化溫度下，各組油樣的酸值關系為Cu1+Fe1>Fe2>Fe1>Cu2>Cu1>不含金屬，但同時也看到，Fe2與Fe1之間，Cu2與Cu1之間差異不明顯，說明在該試驗范圍內，金屬片數量對酸值幾乎沒有影響。從表3也可看出高溫氧化作用對油樣酸值影響劇烈，在180 ℃下氧化2 h，不含金屬油樣酸值已經變為原來的酸值的3.3倍，Cu1和Cu2油樣酸值分別變為原來的7.5倍和7.8倍，Fe1和Fe2油樣酸值分別為原來的21.8倍和22.3倍，而Cu1+Fe1油樣酸值達到原來酸值的30.3倍，氧化溫度越高，酸值變化越大，當氧化溫度達到300 ℃，不含金屬油樣酸值達到了原來酸值的112.0倍，而Cu1、Cu2、Fe1、Fe2和Cu1+Fe1組油樣酸值分別達到了原來酸值的150.8倍、152.0倍、201.3倍、204.3倍和227.0倍，其腐蝕性顯著增加。酯類油在氧化過程中產生的含氧酸性化合物導致了油樣酸值急劇增加[14]。

2.3 傾點變化分析

傾點是潤滑油低溫性能的評價指標，50-1-4Ф航空潤滑油原油樣傾點測定值為-77 ℃，各試驗油樣的傾點值如表4所示。

表4 各油樣傾點

當氧化溫度不高于200 ℃，各組油樣傾點無明顯變化，氧化溫度升高，傾點逐漸上升，氧化溫度上升到300 ℃時，無金屬油樣傾點上升4 ℃，Cu1、Cu2、Fe1、Fe2油樣傾點都上升了5 ℃，而Cu1+Fe1油樣傾點上升8 ℃，也說明了Fe和Cu有協同催化作用。對比Cu1和Cu2系列、Fe1和Fe2系列油樣傾點試驗結果，說明在該試驗條件下，金屬數量對傾點沒有影響。潤滑油分子支鏈過多會使油品傾點升高[15]，氧化過程分子支鏈化可能是造成油樣傾點升高的原因。

3 結論

(1)高溫氧化作用使得航空潤滑油黏度下降，酸值增大，傾點升高。氧化溫度230～250 ℃之間黏度變化最劇烈，且低溫黏度變化大于高溫黏度變化；酸值變化最為明顯，可達到原來酸值的數百倍；氧化溫度不高于200 ℃時，傾點影響較小。

(2)金屬Fe和Cu具有明顯的催化作用，使得各項指標變化更加劇烈。鐵片對該酯類航空潤滑油的催化作用強于銅片，鐵片、銅片共存時催化效果更加明顯，具有協同催化作用。在該試驗條件下，增加金屬片的數量，對試驗油樣的黏度有一定影響，對酸值、傾點幾乎沒有影響。