齒輪油和極壓抗磨劑對齒輪抗微點蝕性能的影響

張繼平 孫喆 淮文娟 王鵬 戴媛靜

1清華大學天津高端裝備研究院2 中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心

微點蝕是齒輪常見的一種疲勞現(xiàn)象。微點蝕一般發(fā)生在邊界潤滑狀態(tài)下滾動/滑動接觸的齒輪上，表現(xiàn)為在靠近齒輪表面產(chǎn)生微小裂縫。這些裂縫以一定角度向表面發(fā)展，形成5～10 μm深的微坑。這些微坑聚合產(chǎn)生一個連續(xù)的陰暗色表面[1]。在GB/T 3481—1997中給出了低倍（15倍）顯微鏡下的微點蝕外觀表現(xiàn)（見圖1）[2]。通常的機理認為在齒輪嚙合過程中，由于兩齒面微凸體直接接觸，并在較高的接觸及剪切應力和相對摩擦作用下，導致齒面局部溫度升高，油膜或化學反應膜破裂，進而產(chǎn)生復雜的彈塑性變形，在此過程中產(chǎn)生了齒輪表面的微小裂紋和材料轉(zhuǎn)移[3]。Errichello[4]將齒輪失效分為兩大組，即潤滑相關失效和潤滑無關失效，其中微點蝕為潤滑相關失效。微點蝕將導致齒面產(chǎn)生微小的裂縫、坑點，引起噪音和振動，影響齒輪嚙合精度。嚴重的微點蝕往往會導致齒面磨損，甚至引發(fā)斷齒，因此必須加以避免。

大量的試驗研究表明，微點蝕主要受材料特性、表面形貌、載荷、滑滾比、溫度及潤滑油的影響[5～7]。本文主要總結(jié)了微點蝕的成因、影響因素、檢測方法以及潤滑油添加劑對微點蝕的影響，并結(jié)合自己的工作進行了論述。

微點蝕成因及影響因素

充分了解微點蝕的形成原因以及影響因素，對于我們深刻認識微點蝕現(xiàn)象，尋找抑制該現(xiàn)象的方法具有很大的幫助。

Nobuyoshi Yoshida等[8]考察了微點蝕發(fā)生的原因，他們認為微點蝕出現(xiàn)的原因是：齒輪表面金屬嚙合時產(chǎn)生的高摩擦系數(shù)引起的接觸應力。

Oila A等[1]使用雙棍試驗機研究了影響微點蝕的7個因素——材料、表面粗糙度、潤滑、載荷、溫度、速度和滑動/滾動比率。結(jié)果表明：載荷是微點蝕形成的最大影響因素，載荷越高摩擦表面越容易產(chǎn)生微點蝕，降低表面粗糙度可抑制微點蝕的形成；而速度和滑動/滾動比率是影響微點蝕擴展的最大影響因素，在高速試驗條件下，無論其他試驗條件如何變化，微點蝕擴展的速度都很快。此外，降低滾動/滑動過程中的摩擦牽引力也能減少微點蝕的發(fā)生。

Cardis A B等[9]用模擬試驗設備和FVA齒輪試驗臺架研究了齒輪的微點蝕行為。結(jié)果表明：無論是模擬試驗還是臺架試驗，如果所有其他變量保持不變，齒輪油的組成對微點蝕有直接的影響，通常在齒輪油中使用的抗擦傷添加劑對微點蝕有消極的影響；需要仔細選擇抗擦傷添加劑以平衡齒輪油抗擦傷和抗微點蝕的需要；齒輪制造工藝和表面粗糙度對微點蝕有明顯的影響，應盡量降低表面粗糙度。

Jao T C等[10]考察了潤滑油黏度和齒輪表面粗糙度對齒輪摩擦接觸層的影響。結(jié)果表明：低的黏度和高的齒輪表面粗糙度減少摩擦層厚度，高的黏度和低的齒輪表面粗糙度增加摩擦層厚度。摩擦層厚度減少是較大微點蝕的結(jié)果（因為微點蝕去除表面材料）。較大的微點蝕意味著：由于許多新鮮材料暴露到摩擦負載表面，摩擦表面經(jīng)歷較短的摩擦負載歷史。

從以上的論述可知，高的載荷、摩擦系數(shù)、表面粗糙度、速度、滑滾比、油品黏度和油品配方的性能等是引起和影響微點蝕的主要因素。

圖1 低倍顯微鏡下齒面的微點蝕

微點蝕測試方法簡介

為了有效抑制微點蝕現(xiàn)象，通常有3種做法：

◇降低齒輪表面粗糙度；

◇改變設備工作條件；

◇選擇合適的齒輪油（極壓抗磨劑）。

其中，第3種做法的性價比最高。要選用齒輪油（極壓抗磨劑），就需要有相應的測試評價方法。目前常用的方法主要分為臺架試驗和模擬試驗，其中臺架試驗主要用于油品定型檢驗、認證檢驗等。

FZG微點蝕臺架試驗

FZG微點蝕臺架試驗是業(yè)界普遍認可的齒輪油抗點蝕/微點蝕性能測試方法。試驗用臺架由德國慕尼黑技術(shù)大學齒輪研究中心（FZG）開發(fā)，德國施特瑪公司（STRAMAMPS）生產(chǎn)。FZG微點蝕測試臺架（簡稱FZG試驗臺）外觀見圖2。

FZG試驗臺需要3相供電電源，配備調(diào)速直流電機的FZG試驗臺功率12 kW，速度可調(diào)范圍為100～3 000 r/min，適用于在不同速度范圍內(nèi)的所有標準試驗。FZG試驗臺可以進行微點蝕試驗，試驗標準是FVA 54/I-IV。

FVA 54/I-IV試驗程序分為：

◇負荷級試驗： 5、6、7、8、9、10級，試驗時間16 h/級。

◇耐久性試驗： 8 和 10級，試驗時間80 h/級， 10級條件下最多運轉(zhuǎn)5×80 h。

FVA54/ I-IV抗微點蝕試驗條件和參數(shù)見表1。

試驗結(jié)果報告失效負荷及耐久性能。

試驗通過標準如下：

◇負荷級試驗：平均齒面輪廓偏差不大于7.5μm。

◇耐久性試驗：平均齒面輪廓偏差不大于20μm。

模擬微點蝕檢測設備

FZG臺架試驗雖然準確，但也存在試驗周期較長、費用高等問題。為此人們又開發(fā)了模擬微點蝕檢測設備，如英國PCS公司生產(chǎn)的MPR試驗機（圖3）。該試驗機專門用于檢測在特定模擬試驗條件下產(chǎn)生的微點蝕（點蝕），尤其適用于檢測模擬齒輪、滾動軸承運動部件的微點蝕（點蝕）。它的獨特設計使得每小時可實現(xiàn)106次的疲勞接觸，從而縮短了試驗時間，尤其適用于考察極壓抗磨劑對微點蝕的影響。試驗的轉(zhuǎn)速、負荷、溫度能夠自動控制。該試驗機可以建立評價齒輪油（極壓抗磨劑）抗微點蝕性能的模擬試驗方法。MPR試驗機的設計參數(shù)如下：

圖2 FZG微點蝕測試臺架

◇最大試驗負荷：1 250N；

◇滑滾比（SRR）：0%（純滾動）～±200%（純滑動）；

◇最大速度：4 m/s（取決于SRR）；

◇最大試驗溫度：135 ℃；

◇最大滾子力矩：20 N·m（共3個接觸面）；

◇測試樣品體積：150 mL；

◇接觸壓力：0～3.2 GPa。

齒輪油和極壓抗磨劑對齒輪抗微點蝕性能的影響

使用合適的齒輪油（極壓抗磨劑）是控制微點蝕現(xiàn)象的最經(jīng)濟的方法。隨著添加劑合成和齒輪油配方技術(shù)的提高，齒輪油和極壓抗磨劑在抑制齒輪微點蝕方面發(fā)揮的作用越來越大。

表1 FVA54/ I-IV抗微點蝕試驗條件和參數(shù)

美 國 Lubrizol公 司 的 Brain O’Connor[11]對加入不同類型抗磨劑、極壓劑以及金屬鈍化劑的油品在 FZG 齒輪試驗機上進行了配方篩選試驗。結(jié)果表明，當試樣中單獨加入極壓劑、抗磨劑或兩者同時加入時，金屬鈍化劑的加入對油品抗微點蝕/點蝕性能是有利的。配方篩選還發(fā)現(xiàn)含磷8.5%的中鏈烷基磷酸酯銨鹽具有良好的極壓抗磨性。用它和極壓劑、金屬鈍化劑復配后調(diào)合的油品進行微點蝕試驗，比其他配方油品表現(xiàn)出較好的抗微點蝕性能。

圖3 MPR試驗機及其接觸系統(tǒng)

黃華梁等[12]考察了ZDDP（二烷基二硫代磷酸鋅）、硫化烯烴、磷酸三丁酯對齒輪點蝕的影響。結(jié)果表明，ZDDP的效果最差，磷酸三丁酯的效果最好。這說明磷酸酯類（以下簡稱磷類）添加劑是性能良好的抗點蝕添加劑。在基礎油中加入磷類添加劑是提高齒輪抗點蝕疲勞性能和使用壽命的有效途徑。其機理如下：

◇油中加入磷類添加劑后，在金屬接觸表面上形成一層致密絕緣的磷酸鐵膜。磷酸鐵膜起到緩沖二次壓力峰的作用，延遲表面裂紋的產(chǎn)生，減緩裂紋的擴展，從而提高接觸疲勞壽命。

◇磷酸鐵膜是一種低熔點膜，在負荷作用下有一定塑性，能使金屬表面突起部位流向低凹處，當?shù)腿埸c的磷酸鐵膜向低凹處流動后，擴大了受載面積，減少齒輪表面形成裂紋的可能性，從而提高接觸疲勞壽命。

◇磷酸酯可提高表面膜強度，使?jié)櫥瑺顩r得到改善，提高其抗磨損性能。四球機試驗結(jié)果表明，磷類添加劑的抗磨損效果好，磨痕長度最小。磨損率與接觸疲勞壽命有很大關系：磨損率大，接觸疲勞壽命低；磨損率小，壽命長。

◇磷類添加劑可在摩擦表面形成聚合型厚分離層。不同類型的含磷酸酯類在各種溫度下都形成聚合物膜，光干涉法測試結(jié)果證實油中加入磷酸酯可提高膜厚。這樣可大大減少微峰接觸，從而提高接觸疲勞壽命。

◇磷酸酯具有抗腐蝕性，可防止金屬表面腐蝕，不易生成初始裂紋，當油中存在極少量的水時，磷酸酯還可起到破乳化劑的作用，又可緩解裂紋的發(fā)展。

◇同時加入磷、硫類添加劑，潤滑效果反而不如單獨加入磷類添加劑的高。究其原因，主要是油中加入磷、硫類添加劑時，表面膜為磷化膜，但硫化膜占據(jù)表面的微峰部位，使得磷類添加劑提高抗點蝕壽命的性能未能得到充分發(fā)揮，硫類添加劑對金屬有腐蝕作用，在金屬表面造成不規(guī)則的微凹坑，裂紋很容易在這些微凹坑形成和發(fā)展。

夏延秋等[13]通過試驗得出如下結(jié)論：潤滑油對疲勞點蝕的影響是通過改變摩擦力，即降低摩擦系數(shù)來減緩裂紋的擴展；減少裂紋源的萌生。

陳銘[14]研究了潤滑油添加劑的復合作用對接觸疲勞的影響。試驗結(jié)果認為，硼酸酯與氯化石蠟和ZDDP復配，在保證油品極壓性能的前提下，因減摩、緩蝕作用而提高金屬材料的接觸疲勞壽命。并指出，研究復合功能添加劑各種性能之間的相互作用和綜合效果，是改善潤滑油添加劑影響零件接觸疲勞壽命的有效手段。

宋世遠等[15]用改裝的四球機考察了不同類型的添加劑對接觸疲勞的影響。試驗證明，潤滑油的PB（最大無卡咬負荷））、PD（燒結(jié)負荷）、ZMZ（綜合磨損值）與接觸疲勞性能沒有關系，而長時間的磨斑直徑越小，抗接觸疲勞的性能越好。

丁津原等[16]研究了十八胺對接觸疲勞的影響，認為含氮添加劑提高接觸疲勞壽命的機理是添加劑在摩擦表面形成聚合物，從而起到保護摩擦表面的作用，氮原子與鐵形成的金屬化合物 FeN 在表面聚合，胺基可以與添加劑中的極性基團結(jié)合，從而降低對金屬的腐蝕，減弱極性物質(zhì)對金屬的作用，起到延緩疲勞裂紋的形成、擴展的作用。

Hong H-S等[17]通過對GL-5齒輪油的FZG微點蝕試驗得出結(jié)論：含磷的AW（抗磨）添加劑是抗微點蝕的關鍵，磷酸鹽/亞磷酸鹽-氧化物層的形成可以增強齒輪的抗微點蝕能力。

Brian O Connor[18]在FZG微點蝕試驗機上研究了極壓、抗磨、微點蝕添加劑對齒輪微點蝕的影響。結(jié)果表明，合理復配3種添加劑可以有效抑制齒輪微點蝕的發(fā)生。

Inacker O Beckmann P[19]研究發(fā)現(xiàn)，抗磨添加劑的烷基鏈增長以及抗磨添加劑陽離子由鋅變?yōu)殇@可以提高齒輪抗微點蝕能力。

Laine E等[20]研究了潤滑油對微點蝕和磨損的影響。結(jié)果表明，含有相同濃度ZDDP添加劑的潤滑油在MPR試驗中的結(jié)果與在高頻往復試驗機上的結(jié)果相反。造成這種現(xiàn)象的原因是抗磨添加劑（ZDDP）阻止了粗糙表面的跑合。

從以上結(jié)果可知，增強油品的抗腐蝕性能、極壓抗磨減摩性能可以提高其抗微點蝕性能；含磷極壓抗磨劑也可提高齒輪抗微點蝕性能。

含磷極壓抗磨劑的抗微點蝕性能考察

筆者將4種含磷極壓抗磨劑（AW-1，磷酸三甲酚酯；AW-2，酸性磷酸酯胺鹽；AW-3，二烷基二硫代磷酸衍生物；AW-4，分散型酸性磷酸酯胺鹽）以1%（質(zhì)量分數(shù)）的加劑量調(diào)入到基礎油中，制備了GO-1～GO-4共 4個油樣，使用MPR試驗機考察了它們的抗微點蝕性能。結(jié)果見表2。

在MPR試驗的評價標準中，使用輥子摩擦軌道寬度變化率來區(qū)分不同試樣的抗微點蝕性能優(yōu)劣。這是由于MPR試驗中微點蝕裂紋、凹坑的產(chǎn)生可造成材料表面出現(xiàn)塑性變形和材料轉(zhuǎn)移，造成摩擦軌道寬度的變化，表面產(chǎn)生微點蝕越多，相對于初始1 mm軌道的形變率便越大，因此可以用試樣試驗結(jié)束后的輥子摩擦軌道寬度變化率評價試樣的抗微點蝕性能好壞[21]。輥子摩擦軌道寬度變化率越小，表明試樣的抗微點蝕性能越好。從表2的結(jié)果可知，分散型酸性磷酸酯胺鹽GO-4具有較好的抗微點蝕性能。

考察了GO-1～GO-4的承載、抗磨、減摩和抗腐蝕性能，結(jié)果見表3和圖4。

從表3和圖4的結(jié)果可知，GO-2、GO-4兼具良好的極壓抗磨減摩和抗腐蝕能力，結(jié)合表2的結(jié)果可知，相應的GO-2、GO-4在試驗中具有較好的抑制微點蝕產(chǎn)生的能力。這些試驗結(jié)果與文獻調(diào)研總結(jié)的結(jié)論一致。

表2 不同含磷極壓抗磨劑的微點蝕試驗結(jié)果

表3 不同含磷極壓抗磨劑的性能對比

圖4 不同含磷極壓抗磨劑的摩擦系數(shù)隨負荷變化趨勢

結(jié)論

☆影響微點蝕形成和發(fā)展的主要因素包括表面粗糙度、載荷、邊界摩擦系數(shù)、溫度、速度、滑滾比、油品性能等。

☆增強齒輪油的承載、抗磨損能力，降低齒輪油的摩擦系數(shù)和腐蝕性，可以提高其抗微點蝕性能。

☆兼具極壓、抗磨、減摩和抗腐蝕性能的含磷極壓抗磨劑是較為有效的抗微點蝕添加劑。

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