极压、抗磨剂对锂基润滑脂摩擦性能的影响

极压、抗磨剂对锂基润滑脂摩擦性能的影响中国石化润滑油天津分公司前言试验部分结果与讨论结论前言•锂基润滑脂多选用抗氧抗腐蚀、防腐防锈、抗磨、极压等性能的添加剂，研制成极压型润滑脂，广泛应用于各种机械设备的润滑，成为一种多效性润滑剂，在工业行业应用量大，约占总用脂量的70%。•磷酸三甲酚酯（TCP）和二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP，T202）具有较好的抗磨性能，不同添加剂含量具有不同的抗磨效果，且与其他添加剂有较好的复配性。•硫化烯烃(T321)对润滑脂有较好的极压性能，与含磷添加剂有较好的协同效应，产生明显极压、抗磨作用。实际生产中常碱性成脂，调入硬脂酸控制成品酸碱性。极压、抗磨添加剂对弱酸性锂基润滑脂胶体性能影响较小。因此，3种极压、抗磨剂在不同酸碱性锂基润滑脂中添加比例研究不仅对锂基脂实际生产有很好的指导作用，而且掌握其添加规律可进一步提高锂基润滑脂使用性能和应用范围。前言本文考察：3种常见的极压、抗磨添加剂（T202、TCP和T321）在弱酸性和弱碱性锂基润滑脂的优良极压、抗磨性能。讨论：产生这种现象的原因及规律。前言润滑脂样品的制备采用150BS和HVI500为基础油，12-羟基硬脂酸与一定比例氢氧化锂等反应，用适当的硬脂酸控制酸碱性调制成弱碱性、弱酸性和酸性3种锂基润滑脂。室温下，分别加入不同浓度的上述3种极压、抗磨添加剂，搅拌均匀，并用三辊机研磨2遍。实验仪器和方法四球试验机SH/T0202-92和GB-3142方法，测PD或PB。德国Optimal公司SRV实验仪ASTMD-5707方法，评价各样品的抗磨性能（摩擦系数和磨斑直径）。日本S-3400N型电子扫描显微镜，扫描SRV试验后的上试件磨斑形貌，分析试件磨损。X射线光电子能谱分析磨斑表面元素。T202在润滑脂中的极压、抗磨特性含不同浓度ZDDP锂基润滑脂的PB变化趋势图（1）Alkalescencegrease；（2）Subaciditygrease；（3）Acidgrease适当添加硬脂酸有利于ZDDP形成抗磨膜弱酸性条件下SRV试验摩擦系数和磨损相应结果w(ZDDP)/%MaxfrictioncoefficientMinfrictioncoefficientWearscardiameter/mm00.1500.1200.520.50.1200.1100.4210.1160.1150.4320.1200.1100.4230.1300.1100.4240.1200.1100.4150.1290.1130.48ZDDP质量分数为5%时，磨斑和摩擦系数均增加，ZDDP加入不宜过多。T202在润滑脂中的极压、抗磨特性TCP在润滑脂中的极压、抗磨特性TCP添加剂的含量对润滑脂PB值的影响（1）Alkalescencegrease；（2）Subaciditygrease（1）Alkalescencegrease；（2）Subaciditygrease弱酸性对TCP增效作用含不同质量分数TCP的弱碱性润滑脂的摩擦系数随时间变化图w(TCP)/%:(1)0;(2)1;(3)2;(4)3;(5)4;(6)6TCP质量分数达到2~3％时，摩擦系数曲线在其他曲线下方，摩擦系数小。TCP质量分数大于3％时，摩擦系数反而增加，添加剂浓度过高，不利于抗磨膜形成TCP在润滑脂中的极压、抗磨特性当TCP含量为2％时，润滑脂摩擦系数平缓且较小含不同质量浓度TCP的弱酸性润滑脂的摩擦系数随时间变化图w(TCP)/%:(1)0;(2)1;(3)2;(4)3TCP在润滑脂中的极压、抗磨特性酸碱性对润滑脂磨斑直径的影响（1）Alkalescencegrease；（2）Acidgrease摩擦系数变化（1）Alkalescencegreasewith2%TCP；（2）Alkalescencegreasewith3%TCP；（3）Subaciditygreasewith2%TCP；（4）Subaciditygreasewith3%TCP含TCP质量分数2％弱酸性润滑脂的抗磨性较好TCP在润滑脂中的极压、抗磨特性T321在润滑脂中的极压、抗磨特性T321质量分数与PD值的关系曲线图（1）Alkalescencegrease；（2）Subaciditygrease添加剂质量分数高对锂基润滑脂的极压性能有利，且添加剂质量分数低时，弱酸性润滑脂极压性优于弱碱性润滑脂。含T321添加剂的弱润滑脂的摩擦系数图w(T321)/%:(1)1;(2)2;(3)3T321质量分数为1%时，摩擦系数变化较平缓，基本在0.113左右，润滑脂形成边界膜较稳定。当质量分数增大到2%和3%时，曲线变化幅度较大，T321添加剂中的活性元素与金属表面反应过快，摩擦系数反而增大，波动厉害，对抗磨性不利。T321在润滑脂中的极压、抗磨特性可以看出随着润滑脂中T321的质量分数增大，磨斑直径逐渐增大，且用含T321质量分数3%的弱酸性锂基润滑脂润滑后，摩擦表面间润滑脂变黑。说明添加剂质量分数增加，磨损增加。可见，T321提高极压性能是以牺牲表面磨损为基础，添加剂的最佳添加质量分数为1％，不宜过多。磨斑直径与T321质量分数的关系w(T321)/%Wearscardiameter/mm00.4910.5020.5330.58T321在润滑脂中的极压、抗磨特性摩擦机制分析结晶示意图受结晶速度影响，皂纤维产生结晶不完善点，成为极性添加剂的吸附点润滑脂急冷过程中，温度的突然降低，基础油对稠化剂的溶解度迅速降低，在电荷作用下，单体的金属离子与另一单体羧基氧原子相互吸引而聚集，形成棒状胶束，胶束之间的亲油端互相吸引相互缠绕吸引的稠化剂亲油端为了充分与吸附油接触，最终结构一般为螺旋的链状结构金属表面和稠化剂纤维表面竞争吸引添加剂分子示意图添加剂在皂纤维和金属表面存在竞争吸附。硬脂酸在皂分子结晶后调入润滑脂中，吸附力强的-COOH极性基团与皂纤维活性端结合，补充皂纤维中结晶不完善空穴，稳定晶体，阻止添加剂吸附。硬脂酸与添加剂之间在金属表面还存在竞争吸附，但硬脂酸质量分数太高，过多吸附在摩擦副表面阻止添加剂的吸附，不利于抗磨膜的形成皂纤维金属表面添加剂摩擦机制分析磨损表面磨斑SEM形貌和X能谱图(a)Alkalescencegreasewithnoadditive;(b)Subaciditygreasewithnoadditive;(c)Acidgreasewithnoadditive;(d)subaciditygreasewith3%ZDDP;(e)Subaciditygreasewith2%TCP;(f)Subaciditygreasewith1%T321;(g)XPSspectraofareaA;(h)XPSspectraofareaB;(i)XPSspectraofareaC摩擦机制分析由上图可见：用含ZDDP的弱酸性锂基润滑脂润滑时，钢球摩擦表面没有明显黏着磨损，添加剂中硫、磷、锌与铁、氧等元素形成抗磨膜；用含TCP的弱酸性锂基润滑脂润滑时，钢球摩擦表面出现轻微黏着磨损，添加剂中磷和稠化剂中碳与铁、氧等元素一起形成抗磨膜用含T321的弱酸性锂基润滑脂润滑时，钢球摩擦表面出现明显磨损条纹和磨损磨屑，由添加剂中的硫与铁、氧等元素形成抗磨膜。摩擦机制分析说明用含ZDDP或者TCP的弱酸性锂基润滑脂润滑时，形成的化学反应膜与金属表面联结牢固，使摩擦面平滑降低磨耗并提高油膜强度，保护表面不致发生严重粘着磨损，ZDDP抗磨性较TCP好；用含T321弱酸性锂基润滑脂润滑时，形成剪切强度低的抗磨表面层，减少摩擦并防止烧结[12]，但表面层容易被磨损。摩擦机制分析结论①硬脂酸对TCP、ZDDP和T321的极压、抗磨性有增效作用，在摩擦副金属表面，但硬脂酸与极压、抗磨添加剂存在竞争吸附，锂基润滑脂的游离酸不宜太高，弱酸性最适宜。②在润滑脂中，抗磨、极压添加剂的活性元素在摩擦副表面形成沉积膜，起到抗磨作用；随添加剂质量分数的增加，含T321润滑脂SRV试验后磨斑直径逐渐增加，含TCP和ZDDP润滑脂SRV试验后磨斑直径先减小后增加，ZDDP抗磨性较好。