更高極壓性能的L-CKD 工業齒輪油的研發

喬琦 周婷

中海油氣（泰州）石化有限公司

為滿足應力過大的動力傳動齒輪的潤滑需求，本文通過對硫/磷極壓抗磨劑的性能考察和復配篩選，并加入摩擦改進劑，輔以其他類型添加劑，開發了具有優異極壓抗磨性能的L-CKD220/320工業齒輪油。研發產品與市場同類產品性能基本相當，且梯姆肯OK 值更優（達334 N），已應用于水泥、鋼鐵行業的減速機等設備的潤滑。

極壓劑、抗磨劑、摩擦改進劑為齒輪油的主劑，近幾年，用戶對齒輪油的使用性能提出了更高的要求，主要是提高齒輪油的耐久性，即在不影響極壓劑、抗磨劑、摩擦改進劑的極壓、抗磨和減摩性能的前提下，提高耐久性。極壓抗磨劑是為了防止磨損燒結而在潤滑油中使用的一種添加劑，在齒輪油中發揮重要的作用[1～3]。主要包括含硫極壓抗磨劑、磷系極壓抗磨劑、氯系極壓抗磨劑以及金屬極壓抗磨劑。硫-磷型極壓抗磨劑在齒輪油中被廣泛使用，通常認為硫-磷型齒輪油中的硫元素是提高油品極壓抗磨性的關鍵[4～6]。含硫極壓劑可以與摩擦副的金屬表面發生化學反應，生成硫化鐵或硫化亞鐵，從而不使金屬表面擦傷、膠合、燒結。含磷化合物則通過物理吸附或化學反應生成磷酸鐵膜，起到抗磨作用[7～8]。含硫極壓抗磨劑包括硫化油脂、硫化烯烴、多硫化物等，其中使用最多的是硫化異丁烯（SIB），它是含硫極壓抗磨劑中最大的一類產品。含磷極壓抗磨劑有亞磷酸酯、磷酸酯、酸性磷酸酯胺鹽（PN 劑）、硫代磷酸酯（SPN）等[9]。

極壓齒輪油通常需要達到美國鋼鐵公司224#規格，此規格要求的工業齒輪油梯姆肯OK 值不低于267 N(60 lb)。國內外資料顯示，高負荷、超載狀態下運行的齒輪箱對工業齒輪油的極壓承載能力提出了更高的要求，規定該類油品的梯姆肯OK 值不低于334 N(75 lb)，普通工業閉式齒輪油L-CKD 系列產品無法滿足部分特高載荷下的設備用油需求。針對設備對潤滑油高極壓承載能力的要求，提高工業齒輪油的梯姆肯OK 值可以更好的滿足高承載齒輪擦傷和膠合的問題。

為滿足應力過大的動力傳動齒輪的用油需求，本文考察了不同類型極壓抗磨劑對工業齒輪油的抗磨和極壓性能的影響，通過不同類型的極壓抗磨劑的篩選及復配，以梯姆肯OK 值、燒結負荷PD考察其極壓性能的差異，篩選出適宜的極壓補強配方，最終開發出梯姆肯OK 值達到334 N[高于GB 5903—2011 要求的267 N，且高于市場某同類產品的性能表現（312 N）]的極壓性能良好的齒輪油，同時產品的其他性能指標均能符合GB 5903—2011 要求。

供圖/喬琦

配方研究

含硫添加劑考察

硫化烯烴極壓劑具有優良極壓性能，在高速沖擊作用下能有效防止齒面損傷，在齒輪油中得到了廣泛的應用。本文在VG220 基礎油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調配，余量）中分別加入一定質量分數（0.4%～3.2%）的含硫功能劑硫化異丁烯S1、有機硫化物S2（低氣味），采用梯姆肯OK 值（GB/T 11144，下文皆同）和燒結負荷PD（GB/T 3142，下文皆同）評價其極壓性能。2 種劑的理化性質見表1，測試結果如圖1、圖2 所示。

表1 S1/S2基礎理化性質

由圖1、圖2 可以看出，與未添加極壓抗磨劑的基礎油(梯姆肯OK 值123 N，燒結負荷PD1 580 N)相比，添加劑極壓抗磨劑后，油品的梯姆肯OK 值均大幅度增大。因此， S1 對油品極壓性能的改善優于S2。

圖1 添加含硫添加劑后油品梯姆肯OK值對比

圖2 添加含硫添加劑后油品燒結負荷PD 對比

含硫磷氮抗磨劑考察

含硫磷氮抗磨劑具有良好抗磨和承載性能，在高扭矩苛刻運轉條件下能防止齒面磨損、點蝕和剝落，在齒輪油中同樣得到了廣泛應用。根據含硫磷氮抗磨劑的結構類型大體可分為亞磷酸酯、磷酸酯及其胺鹽、硫代磷酸酯及其胺鹽、硫磷酸復酯胺鹽等。本文在VG220 基礎油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調配，余量）中分別加入一定質量分數（0.10%～0.40%）的2 種含硫磷氮抗磨劑P1、P2，采用磨斑直徑（NB/SH/T 0189，下文皆同）評價抗磨性，采用梯姆肯OK 值（GB/T 11144，下文皆同）、燒結負荷PD、 綜 合 磨 損 指 數ZMZ（GB/T 3142，下文皆同）測試極壓性能。2 種劑的理化性質見表2，測試結果如圖3～圖6 所示。

表2 P1/P2基礎理化性質

由圖3 可以看出，添加含硫磷氮抗磨劑后，油品的抗磨性得到很好的改善。添加含硫磷氮抗磨劑后，隨著添加劑加劑量的增加，油品的磨斑直徑一直呈減小的趨勢，但加劑量大于0.30%以后，隨著含硫磷氮抗磨劑加劑量的增加，對油品的抗磨性能影響不大。單獨使用時，P1 對油品抗磨性能的改善稍優于P2。

圖3 添加含硫磷氮抗磨劑后油品磨斑直徑對比

由圖4 可以看出，添加含硫磷氮抗磨劑后，油品的梯姆肯OK 值均有所提高，但提高的幅度不大。單獨使用時， P1 對油品梯姆肯OK值的改善稍優于P2。

圖4 添加含硫磷氮抗磨劑后油品梯姆肯OK值對比

由圖5 和圖6 可以看出，添加含磷氮添加劑后，油品的PD值和綜合磨損指數均有所提高。添加0.4%P1 油品的PD達到1 401.4 N，綜合磨損指數達到529.2 N，而添加0.4%P2 油 品 的PD略 低 于P1，為1 185.8 N，綜合磨損指數為438 N。綜上，含P1 對油品極壓性能的改善優于P2。

圖5 添加含硫磷氮抗磨劑后油品燒結負荷PD 對比

圖6 添加含硫磷氮抗磨劑后油品綜合磨損指數對比

硫化異丁烯S1 與含硫磷氮抗磨劑P1、P2 的配伍

硫化異丁烯S1 分別與P1、P2單獨配伍試驗

研究發現，不同類型的極壓抗磨劑有不同的特點，兩種以上的極壓抗磨劑復合使用會產生協同效應，使油品性能更優。在VG220 基礎油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調配，余量）中，選擇對油品極壓性能改善更好的硫化異丁烯S1，試驗考察了當S1加劑量分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%時分別與P1、P2 的配伍性。

S1 與P1 的配伍性試驗結果如圖7、圖8 所示。

由圖7 可知， S1 復配P1 后，隨著P1 加劑量的加大，油品的抗磨性能逐漸提高。P1 加劑量相同水平時，油品的磨斑直徑隨S1 加劑量的提高而逐漸減小，S1 加劑量為1.6 %時磨斑直徑相對最低。同時由于含硫磷氮抗磨劑會對金屬產生一定的腐蝕，且P1 加劑量0.2%時對油品磨斑直徑效果明顯，故本文選取P1加劑量0.2%， S1 加劑量1.6%油品的磨斑直徑為0.33 mm。

圖7 S1與P1配伍的磨斑直徑對比

由圖8 與圖1 對比可知， P1復配S1 后，隨著S1 加劑量的增加，梯姆肯OK 值有增大趨勢，油品具有更好的極壓性能。當P1 加劑量為0.2%時，加入0.4% S1 油品的梯姆肯OK 值為155.75 N，而加入1.6%S1 油品的梯姆肯OK 值為267 N。

圖8 S1與P1配伍的梯姆肯OK值對比

S1 與P2 的配伍性試驗結果如圖9、10 所示。

由圖9 可以看出，0.8%的S1復配0.2%的P2，磨斑直徑減小到0.40 mm。添加相同加劑量的P2，油品的磨斑直徑隨S1 加劑量的提高而逐漸減小。在P2 加劑量大于0.2%時，S1 的加入會使磨斑直徑比不加入S1 時大（對比圖3，不加入S1，P2 加劑量0.3%或0.4%，磨斑直徑在0.34 mm 左右），故選取P2 加劑量為0.2%，復配0.4%S1，油品的磨斑直徑為0.48 mm，而加入1.6% S1 油品的磨斑直徑為0.35 mm，相較于圖7（1.6%S1+0.2%P1，磨斑直徑0.33 mm），磨斑直徑略大。

圖9 S1與P2配伍的磨斑直徑對比

由圖10 與圖1 對比可知，S1復配P2 后，隨著P2 加劑量的增加，梯姆肯OK 值有增大趨勢，油品具有更好的極壓性能。0.8% S1 復配0.2% P2 后，與0.8% S1 復配0.1%P2 時相比，油品梯姆肯OK 值不變。添加相同加劑量的P2，油品的梯姆肯OK 值隨S1 添加量的提高有增大趨勢。當P2 加劑量為0.2%時，加入1.6% S1 油品的梯姆肯OK 值為267 N。

圖10 S1與P2配伍的梯姆肯OK值對比

硫烯功能劑S1 同時與含硫磷氮抗磨劑P1、P2 的復配

文獻報道[10]，硫烯功能劑與兩種以上的抗磨劑復合使用協同效應更大，使油品的極壓性能更優。根據P1 抗磨劑與硫烯功能劑S1 復配磨斑直徑0.33 mm、梯姆肯OK值267 N，P2 抗磨劑與硫烯功能劑S1 復配磨斑直徑0.35 mm、梯姆肯OK 值267 N，2 種含硫磷氮抗磨劑與硫烯功能劑S1 的復配結果可知，含硫磷氮抗磨劑P1 的效果稍稍優于含硫磷氮抗磨劑P2。P1、P2 分別在與S1 單獨復配時，相同加劑量水平下，P2 抗磨效果改善不如P1（但0.1%時好于P1），其極壓性能相當，且P2 的加劑量大于0.1%效果不大，綜合考慮性價比因素，實驗室在VG220 基礎油（由API Ⅱ500N和API Ⅰ150BS 調配，余量）中，以添加S1（加劑量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%）和0.1%P2 為基準，再復配P1（加劑量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%），測定油品的磨斑直徑和梯姆肯OK 值，試驗結果如圖11、12 所示。

圖11 與圖7、圖9 對比可知，S1 同時復配P1、P2 后，油品的磨斑直徑呈現減小的趨勢，油品的抗磨性能得到改善。1.6% S1 與0.1%P2、0.2% P1 復配后，油品的磨斑直徑0.30 mm，較只復配0.1%P2 油品的磨斑直徑0.35 mm 減小0.05 mm。

圖11 S1同時與P1、P2配伍的磨斑直徑

圖12 與圖8、圖10 對比可知，S1 與P1、P2 同時復合后，梯姆肯OK 值有所提高，油品的極壓性能得到改善。0.8% S1 與0.1% P2、0.2%P1 復配后，油品的梯姆肯OK 值為267 N。在保證磨斑直徑和梯姆肯OK 值合格的同時盡量減少含硫磷氮抗磨劑的加劑量及成本，且綜合考慮齒輪油標準（GB 5903—2011）要求的前提下，本研究齒輪油極壓抗磨劑組合選用0.8%S1 復配0.1%P2 以及0.2% P1。

圖12 S1同時與P1、P2配伍的梯姆肯OK值

摩擦改進劑考察

由上文可知，當0.8%S1與0.1%P2 以及0.2% P1 組合使用時，油品的梯姆肯OK 值為267 N，雖然滿足了GB 5903—2011 的要求，但尚未達到目標梯姆肯OK 值334 N 的目標。文獻[7]中提到，含硫劑與含磷劑復合作為極壓抗磨主劑使用時，補加摩擦改進劑可以增強油品的抗磨性。本文在VG220 基礎油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調配，余量）中，組合使用0.8%S1、0.1% P2、0.2% P1，分別選用苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1、有機鉬類摩擦改進劑F2 進行配伍試驗（F1、F2 加劑量0.05%、0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%），考察配伍后油品的磨斑直徑、摩擦系數（SH/T 0762—2005 ）與梯姆肯OK 值，結果如圖13～圖15 所示。

圖13 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的磨斑直徑

圖14 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的摩擦系數

圖15 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的梯姆肯OK值

由圖11 和圖13 可以看出，當F1 加劑量大于等于0.12%時，對油品的抗磨性有改善。添加0.12%F1，油品的磨斑直徑由0.30 mm 減小到0.28 mm；此后隨著F1 加劑量的提高，油品的磨斑直徑基本不變。隨著F2 加劑量增大，沒有起到提高油品抗磨性的作用。

由圖14 可見，添加F1 油品較添加F2 油品的摩擦系數更優。

由圖12 可見，加入一定量的摩擦改進劑后，油品的梯姆肯OK 值明顯提高，說明摩擦改進劑也可以提高油品的極壓性能。兩種摩擦改進劑的加入對油品梯姆肯OK 值的影響基本一致，但當加劑量為0.14%時，添加F1 的油品的梯姆肯OK 值更好。

綜上所述，硫-磷型功能劑中輔加少量摩擦改進劑后，既可以改善油品的抗磨性能，也可以提高油品的極壓性能。通過試驗數據可知，苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1 對油品極壓抗磨性能的改善優于有機鉬類摩擦改進劑F2。此外，從經濟因素考慮，有機鉬類摩擦改進劑F2 成本較苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1 高。因此，本研究采用苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1，加劑量為0.14%。

防銹防腐性能考察

硫磷極壓劑在高溫、高壓下會產生活性硫，對黃銅產生一定的腐蝕。本文在VG220 基礎油（由APIⅡ500N和APIⅠ150BS調配，余量）中，組合使用0.8%S1、0.1% P2、0.2% P1、0.14%F1（加防銹劑和銅腐劑之前），復配0.1%（質量分數）防銹劑烷基琥珀酸衍生物與0.05%（質量分數）銅腐抑制劑苯三唑，考察油品的防銹性能，結果見表3。

由表3 可知，復配防銹劑、銅腐抑制劑后，油品的防銹性與銅片腐蝕均合格。

表3 防銹性能考察

與市場同類產品性能對比

以篩選出的硫烯功能劑S1（加劑量0.8%），復配含硫磷氮抗磨劑P1（加劑量0.2%）、P2（加劑量0.1%）、苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1（加劑量0.14%）、防銹劑烷基琥珀酸衍生物（0.1%）、金屬減活劑苯三唑（0.05%）、破乳劑胺與環氧乙烷縮合物（0.05%）、抗泡劑T 922（30 mg/kg）及其他輔劑調制后的產品與市場同類產品進行性質對比，以工業閉式齒輪油L-CKD220/320 為示例，產品典型數據具體見表4。

由表4 數據對比可知，本文所開發的工業齒輪油產品性能比市場上知名品牌同類產品具有更優的梯姆肯OK 值。本文所開發的產品目前已成功應用于水泥、鋼鐵行業、冶金、礦山、海上鉆井平臺、石油煉化等行業潤滑。

表4 工業閉式齒輪油與市場同類產品性能對比

結論

通過對不同類型極壓抗磨劑的篩選，并添加摩擦改進劑、防銹劑和其他添加劑，研制了具有比市場同類產品更突出的極壓承載能力的L-CKD 工業齒輪油，可滿足高負荷、超載狀態下齒輪箱的潤滑要求。