利用SRV試驗機研究溫度對潤滑劑摩擦學性能的影響

雷愛蓮，李小剛，金志良，翟國容，魏斌斌，金理力，李 濤

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，蘭州 730060；2.中國石油昆侖潤滑檢測評定中心)

SRV高頻線性振動摩擦磨損試驗機已成為國際摩擦學界重要的試驗分析儀器,廣泛應用于摩擦學基礎研究、潤滑劑及潤滑材料的開發、機械材料的評定等方面。其試驗數據可信度較高,試驗費用低,周期短,已經成為機械摩擦磨損研究的重要輔助工具,對研究潤滑劑、新型潤滑材料摩擦特性和新型潤滑產品的基礎性開發研究具有較大價值。

為滿足更加嚴格的節能環保排放法規要求,燃油直噴、渦輪增壓發動機技術的使用,以及航空渦輪燃氣發動機使用溫度的提升,加之工業設備向高轉速、高負荷方向發展,潤滑油的使用溫度逐步提升。在較高使用溫度下,潤滑油油膜在高溫、高速、高負荷等苛刻條件下會破裂而造成設備摩擦副出現擦傷失效[1]。另外,提高燃料經濟性是汽油機油升級換代的動力之一,這一點已充分反映在ILSAC汽油機油規格中[2]。近幾年,原始設備制造商(OEM)對柴油機油的節能性也提出了要求,在柴油機油中也開始使用減摩劑,航空渦輪發動機油需要更高的使用溫度。因此,內燃機油不僅需要較好的減摩抗磨效果,而且還要具有較好的熱穩定性,在較高的使用溫度下,潤滑油及添加劑能夠保持良好的減摩抗磨性能,具有穩定的摩擦因數和較高的抗高溫擦傷性能,以避免在苛刻的極限工況下使用時由于溫度過高導致油膜破裂而使摩擦副出現擦傷。

基于此,開發了一種測定潤滑劑抗擦傷失效溫度的試驗方法。現有的標準方法,如FZG齒輪試驗機[3]、四球機[4]、梯姆肯[5]等方法均可以用于評價潤滑劑隨負荷增加時的抗擦傷性能。本方法是摩擦學領域性能評價的一個新發展,主要用于評價潤滑劑隨溫度梯度增加時的抗擦傷性能,試驗溫度高達300 ℃,為在邊界潤滑狀態下潤滑劑摩擦因數隨溫度變化的情況以及抗擦傷失效的溫度測定提供相應的測試方法,對于評價潤滑劑溫度對摩擦學性能的影響具有重要意義。

1 實 驗

1.1 方法概要

本方法采用SRVⅣ及Ⅴ型摩擦磨損試驗機,試驗柱在固定的試驗盤上,在有潤滑劑的情況下進行線性往復運動,往復運動方向與試驗柱軸線的方向垂直,在規定條件下逐級升溫,直至發生咬合或完成規定的試驗程序,通過試驗過程中的摩擦因數變化趨勢判斷發生咬合的最低溫度,此溫度為油品的抗擦傷失效溫度,并記錄試驗過程中的摩擦因數波動情況,有條件的實驗室還可以進一步測量試驗件的磨損情況,對摩擦過程中的典型情況可以進行進一步的機理研究。

1.2 試驗件和試驗條件

1.2.1試驗件的確定

本方法基于內燃機油及相關的添加劑的摩擦學性能研究而建立,也可以評價其他在高溫工況下使用的油品摩擦學性能,目前僅提供了1個測試油品摩擦學性能隨溫度升高的變化情況的基礎測試方法,其測定結果與相應實際使用性能之間的對應性需要通過方法的應用逐步建立。

在發動機各部件的摩擦損失中,活塞組件造成的摩擦損失所占比例最大,接近50%。 因此,有必要考察內燃機油在缸套-活塞環模擬工況下的摩擦磨損性能。根據內燃機缸套-活塞環摩擦副的工作原理,結合SRV試驗機測試腔內工作平臺結構、空間尺寸和試件夾具形狀等特點,以及試驗件的可標準化性,經過研究選擇了柱-盤線接觸。試驗柱采用鋼材質,試驗盤采用灰鑄鐵,材質模擬發動機的通用材質,其試件結構和安裝示意見圖1,其技術參數見表1,典型灰鑄鐵試驗盤的主要組成及硬度見表2。

表1 試件參數

表2 灰鑄鐵盤的元素含量及硬度 w,%

圖1 試件結構和安裝示意

1.2.2試驗條件的確定

根據發動機缸套-活塞環之間的平均接觸壓力為268 MPa、最大接觸壓力為341 MPa,對應到SRV柱-盤初始赫茲接觸壓力,計算得到的試驗負荷為400～600 N,確定試驗負荷為500 N。

內燃機油的工作溫度與其發動機設計及其使用工況相關,一般發動機主油道的機油溫度在典型工況下一般為120 ℃,評價高檔內燃機油高溫氧化性能的程序ⅢG臺架機濾處的機油溫度為150 ℃,渦輪航空發動機油工作溫度更高,未來有300 ℃以上需求的可能性,甚至可能達到350 ℃,發動機缸套-活塞環區域的機油溫度相較其他摩擦副更高一些。在40～300 ℃溫度范圍內,測定油品的摩擦因數隨溫度變化的情況,如果有具備SRV試驗設備、工作溫度高于300 ℃的實驗室,在300 ℃尚未失效的樣品可以按照第4階段的試驗周期及每10 ℃溫度梯度繼續試驗,直至摩擦因數急劇上升發生突變導致油膜破裂而失效;也可以根據實際需求選擇在較低的溫度結束試驗,通過摩擦因數隨溫度升高的變化趨勢分析判斷油品的摩擦磨損性能。

結合SRV試驗設備的功能參數以及實驗室的考察結果,試驗沖程選擇2 mm比較適合,最后確定試驗沖程為2 mm。

根據汽車廠家提供的信息得知,發動機速率范圍一般為2 000～3 000 r/min,結合SRV設備可控的參數,確定往復運動振動頻率為50 Hz。

實驗室模擬試驗的優勢在于試驗周期短,簡單快捷,經過優化油品的區分能力以及試驗條件的可重復性,確定在40～300 ℃溫度范圍內,每增加10 ℃,試驗運行7～15 min,優化后最終的試驗條件見表3。

表3 抗擦傷失效溫度試驗條件

2 典型樣品的評定結果

根據確定的摩擦副和試驗條件,選取4個代表性油品進行了測定,油品性能見表4,試驗過程中的摩擦因數見圖2。

表4 4個代表性油品的性能

圖2 油品的摩擦因數曲線

圖2的結果表明,所建試驗方法對不同油品具有良好的區分性。樣品1在270 ℃時摩擦因數急劇上升而失效,樣品2在250 ℃時摩擦因數急劇上升而失效,樣品3在150 ℃時摩擦因數急劇上升而失效,樣品4在300 ℃時摩擦因數尚未增加,油品未失效。

3 典型樣品的摩擦學機理探討

通過建立的試驗方法,探討了溫度對油品及添加劑摩擦因數影響的機理,這些機理可以指導和幫助潤滑油及添加劑研發人員掌握其熱氧化穩定性,開展進一步的研究工作。對試驗盤上的磨痕區域進行掃描電鏡和能譜(EDS)分析。樣品的摩擦因數曲線見圖3,試驗盤磨痕表面掃描電鏡照片見圖4及圖5,2個典型溫度下對應的試驗盤上磨痕區域能譜分析結果見表5。

表5 試驗盤摩擦表面的能譜分析結果 w,%

圖3 典型汽油機油樣品的摩擦因數曲線

圖4 試驗盤摩擦表面掃描電鏡照片(×103)

圖5 試驗盤摩擦表面掃描電鏡照片(×104)

由圖3可知:該樣品在40～190 ℃之間有較低的摩擦因數,為0.045～0.06;溫度增加到200 ℃,摩擦因數增加到0.15～0.17,一直保持到260 ℃;在270 ℃時摩擦因數急劇上升而導致設備自動停機,說明油膜破裂導致潤滑失效。因此,判斷該樣品的抗擦傷失效溫度為270 ℃。根據摩擦因數隨溫度變化趨勢推測該樣品應該加有減摩劑,使得40～190 ℃之間有較低的摩擦因數,而200 ℃時減摩劑失效,失去減摩作用,但油品仍然具有潤滑效果,但270 ℃時油品失去潤滑能力,導致摩擦因數急劇增加,發生摩擦副的直接接觸。

由圖4、圖5可知:在150 ℃下摩擦副表面有明顯的化學反應膜,摩擦系數較低;在270 ℃下磨痕較明顯。表5為磨損軌跡表層中的元素分析結果。由表5可知,樣品中含有Mo基添加劑,Mo鹽是一種減摩劑,二烷基二硫代氨基甲酸鉬是一種減摩效果很好的減摩劑,但氧化安定性比較差[6]。由于形成具有減摩性能的反應膜,樣品在40～190 ℃有較低的摩擦因數。然而,摩擦因數在200 ℃時升高,并在270 ℃之前保持在0.15～0.17的水平。在270 ℃時,樣品的摩擦因數開始急劇增加,導致設備自動停機,說明發生了摩擦副的直接接觸,油品完全失去了潤滑性能。因此,該樣品的抗擦傷失效溫度判斷為270 ℃,但減摩劑在200 ℃就已經失效。

4 結 論

利用SRV摩擦磨損試驗機,自行研究建立的測定潤滑劑抗擦傷失效溫度的的試驗方法具有良好的區分性,能夠評價不同油品摩擦學性能隨溫度變化的情況,能夠為潤滑劑研發人員提供一種新的測試方法,對高溫條件下潤滑油及添加劑摩擦學性能研究具有實用意義,可用于研究溫度對油品及添加劑摩擦學性能的影響,為高性能熱穩定性添加劑的研究提供指導。