KM型抗磨添加劑對鋼-鋼摩擦副的摩擦磨損的影響

2021-11-18 07:52:52林建輝王炳軒魏立隊

船舶與海洋工程 2021年5期

林建輝，張龍，王炳軒，魏立隊

(1.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司, 天津 300452；2.上海海事大學商船學院, 上海 201306)

0 引言

機械磨損是影響內燃機的工作可靠性和使用壽命的關鍵因素之一，對于使用劣質重油的船用柴油機，該因素的影響更為突出。近年來，隨著環保要求的日益嚴格，研究使用更加節能、環保、低摩擦、低磨損的潤滑油添加劑變得極為緊迫。韓德寶等[1]采用金屬陶瓷添加劑，對船舶主機汽缸套-活塞環的摩擦學行為進行了研究；朱公志等[2]采用羥基硅酸鎂復合粉體作為潤滑油添加劑，對鋼-鋼摩擦副的抗磨自修復機理進行了探索；ANANDA等[3]采用離子液體作為添加劑，對柴油機進行了新舊滑油試驗；MOHAMED等[4]采用Al2O3和TiO2納米材料作為添加劑，對車用柴油機潤滑油進行了試驗；張宇等[5]和付景國等[6]采用羥基硅酸鎂和MoDTC、石墨烯與ZDDP復合添加劑，對內燃機潤滑油的抗磨特性進行了研究。由于存在加入滑油難、易團聚和納米微粒與修飾劑的作用機理尚不明確等問題，這些研究多數還停留在實驗室階段[7]。對于其他添加劑，或因單一添加劑的綜合性能稍差，或因環保問題，給內燃機潤滑帶來了很大的挑戰。KM型添加劑是含氮雜環結構的抗磨性型添加劑，具有抗氧化性、抗腐蝕性、抗摩擦性和高熱穩定性，且因低硫和低磷而具有良好的環保性，因此其在滿足機械設備潤滑和環境保護要求方面具有良好的工業化應用前景[8-10]。此外，對于長時間使用的在用潤滑油，因其潤滑性能較差，導致機械設備磨損加快、成本增加，而目前有關在用油添加劑的研究較少，這也是本文研究的另一個方向。

1 試驗部分

1.1 研究對象

KM型添加劑是一種無毒、無異味、低灰分的抗磨型、環保型添加劑，其主要元素的質量比見表1。參照油為Castrol SL 15W-50，以下簡稱參照組。向該潤滑油中加入5%(體積分數)KM添加劑，將其作為試驗油，以下簡稱試驗組。

表1 KM型添加劑主要元素的質量比

1.2 試驗儀器

采用Bruker UMT-TriboLab多功能摩擦磨損試驗機(見圖1)，通過更換下部工作臺進行四球摩擦磨損、旋轉盤-銷式摩擦磨損和往復板-銷式摩擦磨損試驗。

圖1 Bruker UMT-TriboLab多功能摩擦磨損試驗機

1)在四球摩擦磨損試驗中，采用直徑φ12.7 mm、硬度HRC64～66的標準GGr15鋼球，試驗過程依照SH/T 0189—1992標準進行[11]。

2)在旋轉盤-銷式摩擦磨損試驗中，下試樣盤直徑為70 mm、厚度為3 mm、材質為硬度HV220的AINSI E52100鋼；上試樣銷直徑為12.7 mm、厚度為8 mm、材質為硬度HV400的416不銹鋼。試驗中，上式樣銷緩緩對下試樣的鋼盤施加260 N的載荷，以900 r/min的轉速轉動盤，持續20 h。

3)在往復板-銷式摩擦磨損試驗中，下試樣板為Gr15鋼，上試樣銷為普通灰口鑄鐵HT250，在銷子上施加480 N恒定載荷，其往復頻率為4 Hz，持續時間為12 h，環境溫度為75 ℃。

1.3 測試儀器

測試儀器主要有Bruker Contour GT三維輪廓儀、RA200型粗糙度儀、SPECTROGENESIS ICP等離子光譜儀、Olympus BX-RLA2顯微鏡和AR224CN型電子天平等。

2 結果與討論

2.1 四球摩擦磨損試驗磨斑

圖2為四球機下部三球磨斑直徑對比，參照組與試驗組基本持平。圖3和圖4分別為參照組和試驗組的四球磨斑顯微鏡形貌。顯然，試驗組下部小球磨斑變色部分面積小，變色程度淺，而參照組磨痕發黑，磨損更為嚴重。對于上球磨斑，同樣是試驗組程度較淺。圖5為試驗60 min的摩擦因數，試驗油的摩擦因數整體上比參照油小，參照油的平均摩擦因數為0.047，試驗油的摩擦因數為0.033，平均減少31%。以上分析均表明：在潤滑油中加入KM型抗磨添加劑能有效減少四球摩擦磨損。

圖2 四球機下部三球磨斑直徑對比

圖3 參照組磨斑顯微鏡形貌(放大100倍)

圖4 試驗組磨斑顯微鏡形貌(放大100倍)

圖5 試驗60 min的四球摩擦因數

2.2 旋轉盤-銷式摩擦磨損試驗

圖6為260 N載荷下20 h旋轉盤-銷式試驗摩擦因數隨時間的變化曲線。在起始階段，由于磨合的原因，參照組與試驗組的摩擦因數均劇烈變化，但差異較??；在經過4 h的磨合期之后，二者的摩擦副表面逐漸均勻，摩擦因數均趨于穩定，但差異增大；在平穩階段，參照組的摩擦因數均值為0.044，而試驗組的摩擦因數均值為0.032，減少了27%。由此可知：加入5%的KM型添加劑之后，試驗油的承載能力提升，抗磨性能得到明顯提升。

圖6 260 N荷載下20 h旋轉盤-銷式試驗摩擦因數隨時間的變化曲線

圖7和圖8分別為參照組和試驗組在摩擦磨損試驗20 h之后下部試驗盤的磨痕形貌。顯然，參照組中的劃痕較深且燒灼現象明顯，試驗組的劃痕較淺、燒灼輕微。在盤表面磨斑三維形貌(見圖9)中，這一特點更為明顯：參照組表面粗糙(粗糙度Ra為0.123 μm)，劃痕深度大分布較廣；試驗組表面相對光滑(粗糙度Ra為0.067 μm)，劃痕深度淺且以點狀居多。

圖7 參照組20 h后顯微鏡下盤的磨痕形貌(放大100倍)

圖8 試驗組20 h后顯微鏡下盤的磨痕形貌(放大100倍)

圖9 盤表面磨斑三維形貌

圖10為試驗20 h之后銷-盤磨損質量損失，參照組和試驗組的銷質量損失分別為0.019 9 g和0.009 2 g，盤質量損失分別為0.173 6 g和0.091 7 g，使用KM型添加劑之后，銷和盤的磨損減少量分別達到54%和47%。綜合分析摩擦表面的摩擦形貌和質量損失可知：KM型添加劑具有良好的填充、修補和抗磨性能。

圖10 試驗20 h之后銷-盤磨損質量損失

2.3 往復板-銷式的新油/在用油對比性摩擦磨損試驗

為驗證添加劑對在用潤滑油摩擦磨損性能的影響，在往復盤-銷式試驗機上進行試驗，其中在用油為已在船用中速機上使用3 500 h的同類型SL 15W-50潤滑油。圖11為新油/在用油摩擦磨損性能對比。圖11a中：對于新油，參照組與試驗組的平均摩擦因數差別很小；對于在用油，其整體摩擦因數比新油高，符合一般規律，但在用油中的試驗組摩擦因數要比在用油中的參照組低很多，降低比例達49%，這表明KM型添加劑對提升在用油的摩擦性能效果顯著。圖11b中：對于下部板摩擦表面的平均磨痕深度，在用油同樣比新油大很多，但在用油中試驗組的平均磨痕深度(33.89 nm)比參照組(165.70 nm)小很多，減小比例達80%左右。由圖11c和圖11d可知：使用新油時，試驗組中的盤和銷的質量損失均比參照組少較多；使用在用油時，對于銷質量損失，參照組與試驗組差別很小，但在盤質量損失中，試驗組的質量損失(0.000 9 g)僅約為參照組(0.004 1 g)的1/4(以上數據是3組數據的平均值，3組數據有相同的變化趨勢)。顯然，添加劑在新油和在用油中均能具有降低磨損的性能。綜上可知，KM型添加劑能有效提升新油和在用油的減磨和抗磨性能，具有良好的自修復性能，但在在用油中的效果相對更好。