礦物型重負荷車輛齒輪油GL-5 75W-90的研制

王月慧

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

據統計，目前中國市場重負荷車輛齒輪油占主流的級別依然是GL-5 85W-90，而北美市場85W-90已經縮窄到1%，75W-90則占到了35%的份額。兩個市場間的差異程度與OEM油品發展階段密切相關，但是足以預見中國市場的發展趨勢很大可能將沿襲北美，75W-90黏度級別具有巨大的市場增長潛力[1]。

推動75W-90黏度級別齒輪油增長的動力顯而易見。首先，當前司機對于換擋舒適性的要求越來越高，低溫流動性能對換擋舒適性有著直接影響，這讓變速箱及主機廠開始在商用車的手動變速箱中引入75W-90；其次，OEM用戶對燃油經濟性的要求也在日益提升，而降低黏度和提升黏度指數是提高燃油經濟性的有效手段，相比于85W-90，75W-90這一黏度級別的齒輪油更適合這些技術要求。

GB 13895-2018在這樣的背景下應運而生，該標準的內容于2019年2月正式生效，主要質量標準如表1所示。

表1 GL-5 75W-90 質量指標要求

表1(續)

GB 13895-2018增加了GL-5 75W-90黏度級別，應對市場對更高性能齒輪油的需求。同時，GB 13895-2018還增添了20 h KRL剪切穩定試驗測試[2]。而目前國內市場上剪切不穩定的齒輪油非常普遍，據調查，市場上16種產品有一半KRL(20 h)剪切后不符合保持同黏度要求。

當換油周期延長到一定程度時，對原料的要求也會更高，這就需要更高性能的基礎油和添加劑來調配潤滑油，以達到更好的硬件保護。為滿足市場巨大需求潛力，并充分發揮泰州石化自產高黏度指數Ⅱ+和Ⅲ類基礎油的優勢，開發出礦物型車輛齒輪油GL-5 75W-90，并實現產品的工業轉化與應用。

1 實驗部分

1.1 基礎油體系

泰州石化40萬t/a石蠟基潤滑油高壓加氫裝置，以三段高壓加氫工藝生產出不同黏度級別的優質Ⅱ+和Ⅲ類基礎油[3]，其理化性質如表2所示。

表2 泰州石化石蠟基基礎油分析數據

由表2可以看出，2cst 、4cst、6cst、8cst黏度指數均能達到Ⅲ類油標準，但從閃點來看，2cst閃點過低不利于高溫儲存的安全性，其余基礎油閃點均比較理想。從傾點來看，4cst、6cst作為基礎油組分其低溫性能要優于8cst。綜上考慮選擇4cst、6cst作為基礎油組分較為理想。

1.2 黏度指數改進劑篩選

GL-5 75W-90重負荷齒輪油為四季通用油，雖黏度指數為報告值，但市售油品黏度指數均不低于150，所以需加入一定量的黏度指數改進劑來改善基礎油的黏溫性能。實驗室選用聚甲基丙烯酸酯(PMA)類黏度指數改進劑A和B，乙烯丙烯共聚物(OCP)類型黏度指數改進劑C。通過考察黏度指數改進劑的增黏效果及剪切安定性，選擇理想黏度指數改進劑[4]，見表3和表4。

表3 黏度指數改進劑評選試驗 %

表4 黏度指數改進劑評選關鍵性質分析

表4(續)

表4數據顯示，100 ℃運動黏度增黏幅度，黏度指數改進劑C性能優于A和B。抗剪切性能上，柴油噴嘴剪切30次后，100 ℃運動黏度損失率分別為5.71%，7.15%，10.07%，從黏度損失率來看，黏度指數改進劑A的損失率最低。從成焦性能來看，都評級為2～3級，焦重尚可接受。綜合各方面考慮，以4cst和6cst為基礎油組分，選擇聚甲基丙烯酸酯(PMA)類黏度指數改進劑A為方案優選。

1.3 功能劑篩選

在齒輪油配方中，功能劑主要作用是增強基礎油性能，使油品具有良好的潤滑性、抗氧化性、抗磨性、防腐性、防銹性及破乳性，防止齒輪在高溫、高負荷下出現摩擦、磨損及燒結等異常狀況[5]。實驗室篩選了三家復合功能劑，以4cst和6cst基礎油為原料，添加相同劑量(a%)的三種功能劑(見表5)，從現有實驗室設備出發，篩選出最優功能劑(見表6)。

表5 功能劑篩選 %

表6 功能劑篩選關鍵性分析

方案2、方案3使用的功能劑G1和G2為含硫烯功能劑，方案4功能劑 G3為非硫烯功能劑。根據表6所示，非硫烯功能劑G3調合的方案4，其極壓性能267 N級別未通過。四球磨斑直徑方面，方案1與方案2、方案3、方案4相比，添加功能劑確實能夠改善磨斑直徑大小。方案2、方案3磨斑均比較理想。銅片腐蝕方面來看，方案4略差，其余方案均比較理想。功能劑在破乳性能方面及旋轉氧彈抗氧化方面都表現出優越的性能。考慮到環保方面的要求，方案3及方案4的氣味較小，方案2氣味略大。綜合考慮，方案3為最優方案，含硫烯功能劑G2為最優選擇。

1.4 GL-5 75W-90調合方案篩選(見表7、表8)

表7 GL-5 75W-90調合方案 %

表8 GL-5 75W-90關鍵性能分析

由表8可以看出，方案1至5 的100 ℃運動黏度都在要求范圍內，但方案1、方案2、方案4布氏黏度過大，均超過允許最大值150000 mPa·s，只有方案3和5最為理想。研究表明，布氏表觀黏度與后橋齒輪的低溫流動性有關，布氏黏度過低會影響后橋齒輪的油膜強度，故布氏黏度值并非越低越好。綜合考慮方案5最佳。

1.5 GL-5 75W-90全分析

實驗室確定了基礎油體系以及黏度指數改進劑、復合添加劑最佳配比后，對GL-5 75W-90方案進行了較為全面的分析。數據分析如表9所示。

表9 全數據分析

表9(續)

由表9可以看出，75W-90經過20 h KRL剪切后100 ℃的運動黏度仍在黏度等級范圍內，損失率為4.96%，體現出良好的抗剪切安定性。承載能力測試以及氧化穩定性測試指標均在要求范圍內。考慮到車輛齒輪油使用工況比較苛刻，增加了四球機試驗及Timken試驗機試驗考察油品在摩擦磨損及極壓工況下對設備的保護情況，由試驗數據來看，均比較理想。與此同時，該方案油品通過了臺架L-42抗擦傷試驗、L-37承載能力試驗、L-33銹蝕試驗及L-60熱氧化穩定性試驗。其各方面性能均符合標準要求。所有的指標均在控制范圍內，油品性能較理想。

2 結論

(1)以泰州石化高壓加氫石蠟基基礎油為主要原料，篩選合適的黏度指數改進劑及復合功能劑，可以生產出符合國標GB/T 13895-2018 GL-5 75W-90的重負荷車輛齒輪油。

(2)泰州石化潤滑油調合生產能力約15000 t/a，穩定的基礎油供應、完備的試驗和調合裝置為本項目將來實現工業化生產提供了堅實的保障。

(3)開發出優質的重負荷車輛齒輪油產品可以為石蠟基潤滑油基礎油尋找出路，提高產品的附加值，在為企業帶來經濟效益的同時也豐富了海疆潤滑油的產品種類。同時，為2020年中建成的10萬t/a的調合裝置進行前期的潤滑油產品研制，保證調合裝置建成后的潤滑油生產量。