鐵道潤滑脂的研制

潘 濛 胡 萍 袁繼勇 黃樟華 羅琴琴 熊先江 舒 婷

（武漢理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院1） 武漢 430070） （浙江寶晟鐵路新材料科技有限公司2） 嵊州 312400）

0 引 言

合理有效的輪軌潤滑可減少輪軌磨損，對節(jié)能和提高機車牽引效率也有重要意義，同時可提高列車運行的安全性［1－3］.當(dāng)前，我國潤滑脂工業(yè)正處于一個充滿機遇的關(guān)鍵時期，機車運行速度和載重量的不斷提高，使得對潤滑脂的高性能需求迅速增加.而國內(nèi)潤滑脂工業(yè)仍存在著或多或少的問題，如年產(chǎn)量較小、高性能潤滑脂產(chǎn)品品種及產(chǎn)量少等［4－5］.我國現(xiàn)在使用的鋰基潤滑脂雖然是一種用途廣泛、使用范圍較寬的潤滑脂，但也有不足之處：滴點不夠高（一般不超過190℃）、氧化安定性、使用軸承壽命等性能不能適應(yīng)鐵路內(nèi)燃機車、電力機車牽引電動機軸承潤滑的需要.隨著鐵路速度提高、載重增加、檢修期延長等的要求越來越高，還需進一步提高潤滑脂的綜合性能.1996年，鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所與燕化集團天津潤滑油脂有限公司合作，開始研制鐵道車輛滾動軸承IV型潤滑脂［6］.2003年3月起，鐵道車輛滾動軸承IV型潤滑脂開始在部分鐵路局使用，改脂具有良好的機械安定性、膠體安定性、極壓抗磨性、抗水性和長壽命等特點.李宇等［7］研制了一種高熔點和高稠度的專用潤滑脂，適用于機車大軸摩擦部位，以及高速高壓的摩擦界面的潤滑.

1 試驗部分

1.1 試驗原料與儀器

礦物油500SN，工業(yè)級，上海市海濱化工有限公司；12－羥基硬脂酸，工業(yè)級，山東廣饒縣煜立化工有限公司；硬脂酸，工業(yè)級，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；一水氫氧化鋰，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；聚異丁烯，工業(yè)級，廣州市佳林化學(xué)科技有限公司；石油磺酸鋇，工業(yè)級，無錫玉煉潤滑添加劑有限公司.

滴點試驗儀SYA－4929，上海安德儀器設(shè)備有限公司；針入度試驗儀SYD－2801A，上海安德儀器設(shè)備有限公司；銅腐蝕試驗儀，上海安德儀器設(shè)備有限公司；MRS－10A型四球摩擦試驗機，濟南試金集團公司；差熱和失重分析儀（STA 449C），德國NETZSCH公司.

1.2 測試標準及方法

滴點GB／T 3948－2008；針入度GB／T 269－1991；腐蝕GB／T 5096－1985；含水量GB／T 512－1965；分油SH／T 0324；摩擦磨損試驗（四球機），SH／T 0204；差熱和失重分析儀（STA 449C），N2氛圍，10～1 000℃，升溫速率為10℃／min.

1.3 工藝過程

采用分步皂化法制備鋰基潤滑脂［8－10］，制備工藝流程見圖1.反應(yīng)開始時要先升溫，將12－羥基硬脂酸與硬脂酸溶解.皂化反應(yīng)完畢后，燒瓶內(nèi)抽真空，抽出未完全冷凝的水分.反應(yīng)過程要一直攪拌，直到出料為止.

圖1 鐵道潤滑脂制備工藝圖

2 結(jié)果與分析

2.1 12－羥基硬脂酸與硬脂酸的配比對潤滑脂性能的影響

圖2為12－羥基硬脂酸與硬脂酸的不同質(zhì)量比對潤滑脂滴點與針入度的影響圖.

圖2 12－羥基硬脂酸與硬脂酸不同比例的潤滑脂滴點與錐入度

由圖2可見，隨著12－羥基硬脂酸與硬脂酸的質(zhì)量比從10∶0減小到5∶5，滴點逐漸降低到最小值196℃.這是因為12－羥基硬脂酸制成的鋰皂稠化能力較強，這樣隨著12－羥基硬脂酸量的減少，潤滑脂結(jié)構(gòu)體系中稠化劑的稠化能力有所下降，導(dǎo)致滴點隨之減小.當(dāng)其質(zhì)量比由5∶5降到0∶10時，硬脂酸的量逐漸增大，這時體系中稠化劑結(jié)構(gòu)將以硬脂酸鋰皂為主，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，反而還能提高潤滑脂的滴點.

圖2中潤滑脂的針入度隨硬脂酸比例增加而降低，這可能是因為硬脂酸分子與12－羥基硬脂酸相比，極性基團羥基含量少，導(dǎo)致生成的鋰皂結(jié)構(gòu)更緊湊，能夠更好的將油包裹在體系內(nèi)，從而潤滑脂的硬度比較大，針入度就隨之降低.

本文所制備的潤滑脂是采用噴涂的方式作用于鐵軌進行潤滑，因此潤滑脂的滴點要高，針入度也要大.同時考慮到12－羥基硬脂酸的價格比硬脂酸貴，這樣采用復(fù)配的形式可以大大地降低原料的成本.實踐證明，12羥基硬脂酸與硬脂酸的比例為6∶4時，制成的鋰基潤滑脂，能兼顧到稠化能力、膠體安定性和機械安定性［11］，滴點與針入度也達到滿足實際應(yīng)用需要，同時也與現(xiàn)有成熟配方所制的潤滑脂性能相似.下面選取質(zhì)量比為6∶4作為基礎(chǔ)配方并進行改進.

2.2 石油磺酸鋇對潤滑脂防銹性能的影響

引起金屬腐蝕的物質(zhì)是潤滑脂中所含有的其他物質(zhì)，例如，活性硫化物或游離硫的存在會對銅片產(chǎn)生腐蝕.未加防銹劑的潤滑脂的防腐蝕性能級別為2，石油磺酸鋇加入后，潤滑脂的防腐性能級別為1b，防銹性能有所提高，且符合鐵道潤滑脂的使用要求.

2.3 聚異丁烯對潤滑脂性能的影響

表1為聚異丁烯加入前后對潤滑脂各性能指標的影響，圖3～4分別為聚異丁烯加入前后潤滑脂摩擦磨損試驗圖和鋼球磨痕圖.

從表1可知，聚異丁烯的加入對潤滑脂的滴點基本沒有影響，這是因為滴點的影響因素主要是稠化劑，而兩種潤滑脂的稠化劑一樣.但是潤滑脂的針入度略有下降，原因可能是聚異丁烯為具有一定分子量的有機物，降低了油脂的流動性，提高了油脂的粘度［12］.

從表1還可以看出，加入聚異丁烯的潤滑脂分油率基本沒有變化.這是因為聚異丁烯作為潤滑脂的粘度指數(shù)改進劑，可用于改善潤滑脂粘附性，這樣就可以提高潤滑脂的膠體安定性.潤滑脂的膠體安定性好則不易分油，差則易分油［13］.但是潤滑脂樣品的分油率都大于5，根據(jù)潤滑脂質(zhì)量指標規(guī)定，膠體安定性還有待提高.這可能是由于稠化劑種類和含量不同造成的，也有可能是基礎(chǔ)油不同造成的，因為基礎(chǔ)油粘度對分油也有影響，一般來說，基礎(chǔ)油粘度越小，所制的潤滑脂越易分油.

表1 產(chǎn)品質(zhì)量指標

圖3 自制潤滑脂的摩擦系數(shù)與時間的關(guān)系

從表1和圖3可以看出，聚異丁烯的加入使得自制潤滑脂的最大無卡咬負荷PB值由598N提高到863N，燒結(jié)負荷PD值由1236N增大到1 961N，使得潤滑脂摩擦系數(shù)數(shù)值波動范圍由0.050～0.069降低為0.008～0.032.這是因為聚異丁烯可改善潤滑脂與金屬的粘附性，能提高潤滑脂在金屬表面的粘附能力，增加油脂膜強度，從而提高潤滑脂的抗磨性能.

不同潤滑脂潤滑的鋼球磨痕圖見圖4.

圖4 不同潤滑脂潤滑的鋼球磨痕圖

由圖4可以看到，加聚異丁烯的潤滑脂潤滑磨痕明顯比未加聚異丁烯的潤滑脂小，加入聚異丁烯的潤滑脂磨斑直徑為0.507 5mm，明顯小于未加聚異丁烯潤滑脂的磨痕直徑為0.851mm.這說明聚異丁烯的加入能夠改善潤滑脂抗磨性能.

3 結(jié) 論

1）由12－羥基硬脂酸和硬脂酸不同配比對潤滑脂的滴點和針入度測試結(jié)果分析得出，當(dāng)二者的比例為6∶4時，潤滑脂綜合性能較佳，且成本較低，此時其滴點為205℃，針入度為285（0.1m），均達到鐵道潤滑脂性能指標要求.

2）當(dāng)使用石油磺酸鋇作為防銹劑時，腐蝕級別為1b，完全符合防銹指標使用要求.

3）加入聚異丁烯后，使?jié)櫥淖畲鬅o卡咬負荷PB值從598N增大到863N，燒結(jié)負荷PD值從1 236N增大到1 961N，摩擦系數(shù)數(shù)值從0.050～0.069減少到0.008～0.032，比未加如聚異丁烯的潤滑脂有顯著提高.聚異丁烯能改善潤滑脂在金屬表面的粘附性，增加油膜強度，提高潤滑性能.

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