聚脲潤滑脂抗微動磨損性能研究

陳芳蕾，劉建龍，韓鵬，吳寶杰，馮強

(中國石化潤滑油有限公司潤滑脂分公司，天津 300480)

隨著國家對低碳、環保的重視程度越來越高，汽車設計制造技術也在逐步向高速、高扭矩、輕量化、長壽命方向發展，對乘用車輪轂軸承用潤滑脂的要求也在不斷提高。輪轂軸承、花鍵軸等汽車的緊配合部位受到小幅度振動而引起的磨損現象稱作微動磨損，微動磨損會加速疲勞裂紋的萌生和擴展，使構件的疲勞壽命大大降低。

國內對潤滑脂抗微動磨損性能的研究較少：文獻[1]采用高精度的PLINT微動試驗機對不同類型潤滑油和脲基潤滑脂潤滑下的軸承鋼球和軸承鋼塊摩擦副的微動特性進行了研究；文獻[2]在開發聚脲型轎車輪轂軸承潤滑脂的過程中使用SRV試驗機評價了不同潤滑脂的抗微動磨損性能。

截至目前，未檢索到對不同類型聚脲潤滑脂抗微動磨損性能研究的文獻，且在研究工作中發現，不同類型聚脲潤滑脂的抗微動磨損性能有著明顯差異，因此本文以聚脲潤滑脂為分析對象，采用FALEX微動磨損測試儀測試潤滑脂抗微動磨損性能，并對其因稠化劑組成不同造成的抗微動磨損性能差異及其原因進行分析。

1 樣品制備及其理化性能分析

1.1 樣品制備

本文以聚脲潤滑脂為分析對象，根據試驗需求采用不同稠化劑配方的4種潤滑脂樣品，為保證試驗數據的可對比性，試驗樣品除稠化劑配方存在差異外，其他配方及生產工藝基本一致。樣品配方見表1。

表1 試驗潤滑脂樣品配方Tab.1 Formula of tested grease samples

1.2 樣品理化性能分析

對以上4種潤滑脂樣品進行理化性能分析，結果見表2，其中潤滑脂的工作錐入度和延長工作錐入度按照GB/T 269—1991《潤滑脂和石油脂錐入度測定法》進行測試，潤滑脂滴點采用GB/T 3498—2008《潤滑脂寬溫度范圍滴點測定法》進行測試，潤滑脂分油性采用NB/SH/T 0324—2010《潤滑脂分油的測定錐網法》進行測試。

表2 試驗潤滑脂樣品基本理化性能Tab.2 Basic physical and chemical properties of tested grease samples

4種潤滑脂樣品稠度NLGI等級均為2，基礎油40 ℃時的運動黏度為82～86 mm2/s，而4種潤滑脂樣品的滴點、分油量、延長工作錐入度均有差別：滴點表征潤滑脂的耐高溫性，滴點高的潤滑脂耐高溫性更好，因此1#樣品的耐高溫性最好；分油量(錐網法)表征潤滑脂分油傾向，1#樣品分油量最高，因此其在使用過程中具有更好的分油性能；延長工作錐入度與工作錐入度差值表征潤滑脂的機械安定性， 差值越小，表示潤滑脂工作中具有更好的結構穩定性，因此1#樣品的機械安定性最優。

2 微動磨損試驗

2.1 測試方法與儀器

為提高輪轂軸承潤滑脂的抗微動磨損性能，防止在汽車運輸過程中輪轂軸承發生微動磨損，1989年，國際汽車工程師協會(SAE)、美國試驗和材料協會(ASTM)和國際潤滑脂協會(NLGI)三方聯合制定了汽車用潤滑脂標準ASTM D4950[3]。根據性能把底盤潤滑脂分為LA，LB 兩類，把輪轂軸承(WB)潤滑脂設計成GA，GB，GC 3個等級；符合LB-GC指標要求的潤滑脂是高性能、多效的汽車潤滑脂，兼有底盤和輪轂軸承用潤滑脂的功能；測試潤滑脂抗微動磨損性能需按照ASTM D4950要求的ASTM D4170方法進行，軸承磨損量應小于10 mg。

在一定試驗條件下，軸承滾動件相對于軸承座圈做小幅度的擺動運動，接觸表面產生微動磨損、剝落進而形成磨屑，氧化的磨屑不能立即排出，在軸承座圈形成了磨損損傷。以測試前后軸承座圈的質量損失之和作為試驗潤滑脂抗微動磨損性能的評定依據。近幾年，汽車行業內認為磨損量小于5 mg將能提供最優的抗微動磨損保護，一些高端車型的制造商甚至提出了更嚴苛的磨損量要求[4]。

潤滑脂抗微動磨損性能的測試方法采用ASTM D4170，測試設備為美國FALEX微動磨損測試儀，如圖1所示，試驗原理為電動機軸-偏心輪帶動測試單元中2套注脂后的推力球軸承以0.21 rad(12°)水平擺動，擺動頻率為30 Hz，軸承軸向加載2 450 N，測試22 h后清洗軸承，測量推力軸承座圈測試前后的磨損量。

微動磨損測試用推力球軸承如圖2所示，內徑為(16±0.025)mm，外徑為(35.69±0.025)mm，裝配高為(15.75±0.25)mm，裝有9個直徑為7.142 mm的鋼球，保持架以外的所有表面均磨削[5]。以FALEX標準測試軸承硬度約為83 HRA，表面粗糙度Ra值約為0.7 μm。

(a)實物圖片

圖2 微動磨損測試用軸承Fig.2 Bearings for fretting wear test

2.2 測試結果

4種潤滑脂樣品的抗微動磨損性能測試結果見表3，測試后的軸承外觀如圖3所示。4種潤滑脂樣品的抗微動磨損性能有明顯差異，1#樣品抗微動磨損測試的磨損量最小，測試后的軸承磨痕最淺，磨損面積最小；2#樣品抗微動磨損測試的磨損量最大，測試后的軸承磨痕最深，磨損面積大。這說明聚脲潤滑脂的抗微動磨損性能與稠化劑配方有很大關系，研究不同稠化劑配方制得的聚脲潤滑脂的抗微動磨損性能對實際應用具有一定的指導意義。

表3 微動磨損測試結果Tab.3 Results of fretting wear test

(a)1#樣品

3 稠化劑配方對潤滑性能的影響

不同稠化劑配方影響聚脲潤滑脂的油膜形成能力、油膜穩定性和流變性能，進而影響潤滑脂的潤滑性能。

3.1 潤滑脂的油膜厚度

對于脂潤滑，初期油膜靠動壓效應形成，以充分供油狀態為主，隨著運轉時間延長接觸區變成貧油狀態，并且絕大多數情況下，脂潤滑接觸區均處于貧油潤滑狀態，潤滑脂中基礎油對滾道的適當回流補充可以緩解貧油程度，并保證油膜厚度的穩定性。潤滑脂在接觸區表面能夠快速形成足夠厚的油膜，并且油膜具有良好的穩定性，就可以使接觸區保持良好的潤滑狀態，對接觸區進行抗微動磨損的防護。

異氰酸酯和胺進行加成反應，生成含有脲基結構(NH-CO-NH)的聚脲稠化劑，其依靠分子之間的氫鍵和范德華力結合形成稠化劑纖維，將基礎油吸附和束縛在稠化劑周圍，進而形成半固體狀的潤滑脂。不同稠化劑結構對基礎油的束縛作用力不同，在接觸區油膜的形成能力與穩定性也有差別[6]。

使用油膜厚度測試儀EHD2(圖4)通過雙光束干涉法測量潤滑脂在點接觸下潤滑脂的油膜厚度。設置法向載荷20 N，測試低速(1～5 m/s)啟動和恒速(5 m/s)工況下上述4種潤滑脂樣品的油膜厚度，以研究不同稠化劑配方對潤滑脂的油膜形成能力和穩定性的影響。

圖4 油膜厚度測試儀Fig.4 Oil film thickness tester

4種潤滑脂樣品在低速(0～5 m/s)啟動條件下的油膜厚度測試結果如圖5所示。1#樣品在低速啟動后能夠在接觸區快速形成較厚的油膜，啟動階段潤滑脂被帶入接觸區參與成膜，初始油膜厚度較大，隨著剪切作用油膜厚度逐漸減小并趨于穩定[7]。2#，3#，4#樣品的油膜厚度均小于1#樣品，且2#樣品成膜能力較弱，在低速啟動下的油膜厚度最小。上述結果表明，對有抗微動磨損要求的工況，1#樣品能夠在接觸區快速參與形成油膜，避免了在初始階段因乏油造成微動磨損的現象。

圖5 低速啟動時潤滑脂樣品的油膜厚度Fig.5 Oil film thicknesses of grease samples at low speed start

4種潤滑脂樣品在恒速(5 m/s)運轉60 s條件下的油膜厚度測試結果如圖6所示。1#樣品的油膜穩定性好，能夠在接觸區保持較厚油膜，這是因為1#潤滑脂稠化劑結構均勻，經過剪切后稠化劑結構破壞程度小，稠化劑-基礎油體系間作用力適當，有利于潤滑脂適當分油補充接觸區油膜，使接觸區油膜穩定，進而對接觸區進行抗微動磨損防護。2#，3#，4#樣品油膜厚度較小，且2#樣品的油膜厚度最小，不利于接觸區的潤滑防護。

圖6 恒速5 m/s運轉時潤滑脂樣品的油膜厚度Fig.6 Oil film thicknesses of grease samples at constant speed of 5 m/s

通過以上測試結果可以看出稠化劑配方對潤滑脂油膜形成能力和穩定性有顯著影響。結合樣品的理化數據分析，1#樣品具有優秀的分油性能和機械安定性，經剪切后能夠較快進入微動磨損接觸表面形成油膜，并且恢復結構的能力較好，可以對接觸區進行潤滑防護，因此1#樣品的抗微動磨損性能最優。3#，4#樣品機械安定性差，稠化劑結構經剪切后恢復能力差，但分油性能較好，在微動磨損發生的接觸區經反復剪切后結構變形，迅速分油補充至接觸區對接觸表面進行防護。2#樣品稠化能力較1#樣品增加，稠化劑分子間的作用力增大，但分油性能較差，潤滑脂微動磨損接觸區形成油膜厚度最小，導致抗微動磨損測試的結果較差。

3.2 潤滑脂的流變性能

對上述4種潤滑脂樣品進行潤滑脂流變性能測試，結合工況，采用錐板測試，測試間距為0.109 mm，設定測試溫度為25 ℃，保持角頻率為10 rad/s，應變范圍0.01%～100%，隨著振蕩幅度不斷增加，測試4種潤滑脂樣品的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨應變γ的變化情況。

當潤滑脂被微小幅度的載荷作用時，由于受到的剪切應力τ小于屈服應力，稠化劑結構沒有被破壞，彈性模量和黏性模量是一個穩定數值，并且G′總是大于G″，說明潤滑脂在靜止或受到很小剪切應力時彈性占主導地位，潤滑脂以固體性質為主；隨著應變增加到一定程度，G′和G″開始減小，其中G′減小速度比G″快，G′和G″這2條曲線相交時(即G′=G″)的點稱為交叉流動點，在該點之前，潤滑脂處于靜止狀態；當G′

聚脲潤滑脂分子間主要通過氫鍵和范德華力結合構成穩定的空間結構，不同配方的稠化劑分子結構不同，形成的分子之間作用力的強度也不同。在流動點處的剪切應力值表征潤滑脂的結構強度，臨界點的剪切應力越小說明潤滑脂更容易進入接觸區進行剪切，參與微動磨損的接觸區表面潤滑，避免發生摩擦磨損。

4種潤滑脂樣品在25 ℃下的彈性模量和黏性模量測試結果如圖7所示。隨著剪切形變量增加，4種潤滑脂樣品的剪切應力均呈線性增大后緩慢遞增，而彈性模量和黏性模量先穩定在一定范圍內后呈下降趨勢，且二者存在交點；另外，4種潤滑脂樣品的剪切應力、G′和G″曲線不同，說明不同潤滑脂具有不同的黏彈性，所表現的流動性也不同。25℃下各樣品在交叉流動點的剪切應力、剪切應變和黏彈性模量值見表4。

圖7 潤滑脂黏彈性流變測試曲線(25 ℃)Fig.7 Viscoelastic rheological test curves of greases(25 ℃)

表4 潤滑脂樣品在交叉流動點的流變測試結果Tab.4 Rheological test results of grease samples at cross flow points

根據流變測試曲線與相關數據進一步對不同稠化劑配方造成潤滑脂抗微動磨損試驗結果差異進行分析：1#樣品在交叉流動點的黏彈性模量值最大，γ和τ值最小，說明其易發生形變呈流動狀態，更易進入接觸區進行潤滑，具有更好的抗微動磨損性能；2#樣品在γ為41.200%時才出現交叉流動點，潤滑脂流動性能較差，稠化劑結構強度較高，分子之間作用力較大，抗微動磨損性能最差；3#樣品交叉流動點處γ和τ值較4#樣品小，潤滑脂更易發生黏彈性變形，能夠較快的進入接觸區進行潤滑，因此3#樣品的抗微動磨損性能優于4#樣品。

4 結論

采用FALEX微動磨損測試儀測試聚脲潤滑脂抗微動磨損性能，并對其因稠化劑配方不同造成的抗微動性能差異及其原因進行分析，得到以下結論：

1)不同稠化劑配方的聚脲潤滑脂的抗微動磨損測試結果有明顯差異。

2)不同稠化劑配方的聚脲潤滑脂在接觸區形成油膜的厚度不同，能夠快速在接觸區形成較厚油膜并具有油膜保持能力的潤滑脂具有更好抗微動磨損性能。

3)不同稠化劑配方的聚脲潤滑脂因稠化劑結構的差異造成潤滑脂流動性能的區別，稠化劑結構強度較小，可恢復能力較強，更容易流動的潤滑脂的抗微動磨損性能更優。