含磷抗磨劑對工業(yè)齒輪油抗微點蝕性能的影響

周 康，李 旭，蒲宸光，湯仲平，王玉玲

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室)

微點蝕又稱“灰斑”、“微剝落”、“微疲勞”等，是指齒輪工作過程中齒面出現(xiàn)的一種呈發(fā)灰狀態(tài)的接觸疲勞破壞現(xiàn)象。微點蝕現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在磨削、硬質(zhì)鋼的表面硬化齒輪齒面上，通常在滾動和滑動接觸、油膜較薄的條件下出現(xiàn)。特別是大型船舶齒輪箱、兆瓦級風電齒輪箱，由于運行環(huán)境惡劣且載荷工況復(fù)雜，齒輪普遍存在微點蝕現(xiàn)象[1]，直接影響機械系統(tǒng)的工作狀態(tài)[2]。由于微點蝕對高端傳動裝置運行壽命及可靠性具有嚴重影響，近年來國外對微點蝕的研究較為活躍，從對微點蝕的影響因素到對抗微點蝕齒輪的設(shè)計及制造，不少研究顯示微點蝕現(xiàn)象與潤滑介質(zhì)密切相關(guān)[3-4]。從潤滑角度看，微點蝕是設(shè)備工作表面處于彈性流體潤滑或邊界潤滑狀態(tài)下的滾動和滑動接觸赫茲壓力引起的疲勞破壞。含磷抗磨劑作為工業(yè)齒輪油中的重要添加劑組分，對油品抗微點蝕性能具有極大影響[5]。本研究選取了亞磷酸烷基酯、芳基磷酸酯和二硫代磷酸酯3種常用的齒輪油含磷抗磨劑，采用MPR試驗機和FZG試驗機考察其在工業(yè)齒輪油中的抗微點蝕性能，以期為油品的開發(fā)提供參考。

1 實 驗

1.1 原 料

150BS光亮油和APIⅠ類基礎(chǔ)油的主要性質(zhì)見表1，市售某進口工業(yè)齒輪油復(fù)合劑A的主要性質(zhì)見表2，含磷抗磨劑的主要性質(zhì)見表3。

從表3可以看出：亞磷酸烷基酯的磷含量較低，熱分解溫度高，穩(wěn)定性較好；芳基磷酸酯的磷含量較高，但熱分解溫度略低；二硫代磷酸酯的硫、磷含量較高，酸值較大，活性較高。將150BS和APIⅠ類基礎(chǔ)油按質(zhì)量分數(shù)分別為90%和10%混合后作為基礎(chǔ)油組分，加入占其質(zhì)量分數(shù)為2%的復(fù)合劑A以及選定的降凝劑、抗泡劑和破乳劑調(diào)制成黏度等級為320的工業(yè)齒輪油樣品，編號為GO-1。

表1 150BS光亮油和APIⅠ基礎(chǔ)油的主要性質(zhì)

表2 工業(yè)齒輪油復(fù)合劑A的主要性質(zhì)

表3 含磷抗磨劑的主要性質(zhì)

1.2 儀器和方法

1.2.1 MPR微點蝕試驗[6]采用英國PCS公司生產(chǎn)的MPR微點蝕試驗機，通過測定試驗后中心輥子表面微點蝕面積和軌道寬度變化率來定量評價油品抗微點蝕性能。試驗條件為：運轉(zhuǎn)速度3.15 ms，滑滾比30%；溫度90 ℃，試驗負荷395 N，時間6 h。

輥子表面微點蝕面積：運用金相顯微鏡，在一定放大倍數(shù)下對摩擦軌道表面局部進行微觀形態(tài)觀察，獲取顯微照片。利用隨機圖像分析軟件對圖像進行處理，使淺表出現(xiàn)的裂紋和凹坑以及未產(chǎn)生裂紋和的凹坑輥子摩擦軌道表面分別呈現(xiàn)只有“黑”和“白”的視覺效果，同時計算出圖像中“黑”的部分占整個視場的面積百分比；至少在輥子摩擦軌道表面上4個不同位置進行上述操作，取平均值作為整個輥子表面微點蝕面積。

輥子摩擦軌道寬度變化率：微點蝕通常發(fā)生在齒輪的跑合階段，在混合或邊界潤滑條件下，特別在沖擊負荷下會造成嚙合齒面局部溫度升高，油品形成的化學反應(yīng)膜破裂導(dǎo)致齒面金屬直接接觸，從而產(chǎn)生微點蝕現(xiàn)象。試驗中輥子表面產(chǎn)生的微點蝕越多，造成摩擦軌道寬度變化率越大。試驗至少在4個不同位置對同一輥子摩擦軌道表面寬度變化率進行測試，取平均值作為整個輥子摩擦軌道寬度變化率。

1.2.2 FZG抗微點蝕試驗采用德國施特瑪公司(STRAMAMPS)生產(chǎn)的FZG微點蝕臺架機，以FVA 54方法進行抗微點蝕試驗。試驗條件為：噴霧潤滑，用油25 L，溫度90 ℃，齒輪轉(zhuǎn)速1 440 rmin，小齒輪線速度8.3 ms。測試分為兩個階段：承載級包括5，6，7，8，9，10級共六級測試，每級試驗時間16 h；耐久性包括8級和10級，每級試驗時間80 h，10級條件下最多運轉(zhuǎn)5×80 h。每級測試完成后測試齒廓偏差(μm)和微點蝕面積(%)。

抗微點蝕工業(yè)齒輪油要求承載級不小于10級，承載級試驗結(jié)束后齒輪表面輪廓偏差(ffm)不超過7.5 μm；同時耐久級要求為高級，耐久級試驗結(jié)束后齒輪表面輪廓偏差(ffm)不超過20 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加不同含磷抗磨劑的油樣性質(zhì)及試驗結(jié)果對比

將亞磷酸烷基酯、芳基磷酸酯和二硫代磷酸酯3種含磷抗磨劑分別按質(zhì)量分數(shù)為0.5%加入到GO-1樣品(質(zhì)量分數(shù)為99.5%)中，得到編號分別為GO-2、GO-3和GO-4的油樣。各油樣的分析和模擬數(shù)據(jù)見表4。一般來說，以四球試驗的燒結(jié)負荷(PD)表征油品的極壓性能，以磨斑直徑表征油品的抗磨性能，以最大無卡咬負荷(PB)表征油品在流體動力潤滑條件下的油膜強度。

表4 各試驗油樣的性質(zhì)及試驗結(jié)果對比

從表4可以看出，與GO-1相比，GO-2的硫含量變化不大，但磷的質(zhì)量分數(shù)從0.040%增加到0.067%，PD和PB都明顯增大，四球磨斑直徑和SRV磨斑直徑均減小，表明亞磷酸烷基酯的加入提高了油樣的極壓性和抗磨性。這是由于亞磷酸烷基酯的熱分解溫度高，同時兼具一定的抗氧化能力，而且磷含量不大，受烷基鏈的影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，能夠有效降低摩擦，減小磨損，增大油膜強度[7]。與GO-1相比，GO-3的硫含量變化并不明顯，但磷含量幾乎是GO-1的兩倍，PB是幾個油樣中最大的，磨斑直徑也相對較大，表明GO-3在流體動力潤滑條件下能形成較好的油膜強度。這可能是由于油品中加入的芳基磷酸酯的磷含量較高，受其苯環(huán)上烷基鏈結(jié)構(gòu)的影響，熱分解溫度較低，在低負荷的彈性流體潤滑條件下就可以發(fā)生化學反應(yīng)，較快形成油膜，但在重負荷邊界潤滑條件下，化學反應(yīng)膜處于不斷生成并不斷消耗的狀態(tài)，邊界摩擦的鋼球磨損量會逐漸增大，使得四球磨斑直徑變大[8]。GO-3硫含量與GO-2相近，磷含量高于GO-2，理論上油品的抗磨性應(yīng)該有所改善，但磨斑直徑并沒有明顯降低，這說明在硫、磷元素含量相當?shù)那闆r下，添加劑結(jié)構(gòu)的差異是影響油品抗磨性能的重要原因。與GO-1相比，GO-4的硫和磷含量均較高，這是由于二硫代磷酸酯的硫、磷含量較高，酸值較大，反應(yīng)活性高，對金屬表面的吸附能力強，所以PD較大，但酸性磷酸酯的腐蝕性較強，容易引起一定的腐蝕性磨損[7]，使得其油品試驗時四球磨斑直徑和SRV磨斑直徑與GO-1相比只有一定幅度下降。此外，雖然硫代磷酸酯的活性較高，但熱分解溫度不高，導(dǎo)致其在流體潤滑條件下的油膜不容易形成，PB相對GO-1并無明顯改善。需要指出的是，GO-4與GO-2相比，雖然前者的磷含量有所增加，抗磨性能增強，但是與此同時GO-4硫含量也較高，加入的硫代磷酸酯的酸值較大，有一定的腐蝕性，導(dǎo)致試驗測得的磨斑直徑低于GO-2。

2.2 MPR微點蝕試驗

分別將GO-1，GO-2，GO-3，GO-4在MPR試驗機上測試，4種油樣經(jīng)6 h試驗后，試驗輥子摩擦軌道表面某一典型位置照片如圖1所示。從圖1可以看出，不加抗磨劑的GO-1試驗件摩擦軌道表面呈現(xiàn)“黑”的凹坑和裂紋較為密集，微點蝕面積達到6.18%。加入3種抗磨劑后的GO-2，GO-3，GO-4試驗件表面微點蝕面積分別降至3.12%，4.89%，4.11%。3種含磷抗磨劑的加入均不同程度地減小了GO-1試驗件表面的微點蝕面積，其中GO-2(亞磷酸烷基酯)抗微點蝕性能最好，GO-4(二硫代磷酸酯)次之，GO-3(芳基磷酸酯)有一定效果，但沒有前二者明顯。

圖1 各油樣的MPR微點蝕磨損面積照片

輥子摩擦軌道寬度變化率如表5所示。從表5可知，GO-1試驗件的軌道寬度變化率為37.8%，加入3種抗磨劑后的GO-2,GO-3，GO-4試驗件的軌道寬度變化率都有所降低，分別為26.6%，32.4%，29.4%。亞磷酸烷基酯的加入更加有效地減小GO-2試驗件的MPR軌道寬度變化率，使得試驗過程中可以有效保護摩擦表面，減少油樣由于形成的化學反應(yīng)膜破裂導(dǎo)致齒輪表面金屬直接接觸出現(xiàn)微點蝕現(xiàn)象。

表5 各油樣的MPR軌道寬度變化率

微點蝕是一個表面微小裂紋、凹坑產(chǎn)生并發(fā)生黏著磨損的一個綜合過程，磨損率與表面接觸疲勞壽命有很大關(guān)系，磨損率越小，壽命越長，在MPR試驗中反映出的裂紋就越少，形成的微點蝕面積和軌道寬度變化率就越小，抗微點蝕性能就越好。由表4分析發(fā)現(xiàn)，GO-2的熱穩(wěn)定性好，抗磨效果較好，四球和SRV磨斑直徑在幾個油樣中是最小的。GO-4性能次之，這是由于雖然其硫磷含量較高，但酸值較大，有一定腐蝕作用，在長時間的載荷下會在金屬表面造成不規(guī)則的淺表凹坑，微小疲勞裂紋很容易在這些微凹坑處形成和發(fā)展，造成MPR的微點面積偏大，軌道寬度變化率變大。GO-3受(芳基磷酸酯)苯環(huán)結(jié)構(gòu)的影響，熱分解溫度較低，加入后在邊界潤滑條件下，會導(dǎo)致油品的抗磨性能較差，這與MPR的試驗結(jié)果相對應(yīng)。

2.3 FZG抗微點蝕試驗

分別將GO-1，GO-2，GO-3，GO-4在FZG抗微點蝕試驗機上測試，每級測試完成后，齒輪表面輪廓偏差和齒輪表面微點蝕測試結(jié)果如表6所示。整個測試完成后，試驗件表面某一典型位置的照片如圖2所示。從圖2可知，不同油樣經(jīng)過FZG抗微點蝕試驗后的齒面外觀有明顯不同，GO-1的試驗件表面齒邊緣出現(xiàn)明顯斑點，GO-3試驗齒輪齒闊的齒頂存在連續(xù)灰色斑點，GO-4試驗件齒根存在少量暗色區(qū)域，GO-2試驗齒輪的表面較為光澤。微點蝕宏觀上相對點蝕較為密集，肉眼可見片區(qū)灰斑；微觀上表現(xiàn)為淺表凹坑(裂紋深度約為10～20 μm，長度約為25～100 μm，寬度約為10～20 μm)[9]，是齒輪表面出現(xiàn)微小疲勞裂紋并伴隨少量材料轉(zhuǎn)移的綜合過程。從試驗件的表面看，GO-2的抗微點蝕性能好于GO-4和GO-3，不加抗磨劑的GO-1的結(jié)果最差。

圖2 油品的FZG抗微點蝕試驗件照片

由表6可以看出，不加抗磨劑的GO-1進行承載級10級試驗后齒廓偏差為15.64 μm，超過了7.5 μm，表明油樣抗微點蝕性能較差。GO-2，GO-3，GO-4進行承載級10級試驗后的齒廓偏差分別為5.64,7.88,7.26 μm，GO-2試驗后的齒廓偏差最小，說明亞磷酸烷基酯的加入比其他抗磨劑可更有效地減少承載級的齒面齒廓偏差。從耐久級的試驗結(jié)果看，GO-1進行耐久級8級試驗后的齒廓偏差為21.13 μm，超過了20 μm，試驗停止。GO-2在第五個10級試驗后的齒廓偏差為12.20 μm，表明油樣具有良好的抗微點蝕性能。GO-3在第二個10級試驗后的齒廓偏差為21.24 μm，GO-4在第四個10級試驗后的齒廓偏差為20.8 μm，表明GO-4的抗微點蝕性能好于GO-3，即加入二硫代磷酸酯的油品承載級和耐久級性能均好于加入芳基磷酸酯的油樣。這是由于加入二硫代磷酸酯的油樣硫磷含量均大于加入芳基磷酸酯的油樣，前者的極壓抗磨性好于后者。值得注意的是，從承載級和耐久級的整體結(jié)果看，油品齒廓偏差的變化趨勢和微點蝕面積呈正相關(guān)，即隨著齒廓偏差的增大，油品的微點蝕面積增大。

表6 各油樣的FZG抗微點蝕試驗結(jié)果

1)承載級試驗結(jié)束后要求齒輪表面輪廓偏差ffm超過7.5 μm，承載級5～9級沒有達到試驗要求，沒有列入。

2)耐久級試驗結(jié)束后齒輪表面輪廓偏差ffm超過20 μm時試驗停止；括號中數(shù)字表示試驗次數(shù)。

3 結(jié) 論

(1)含磷抗磨劑的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性對油品的抗微點蝕性能有重要影響。亞磷酸烷基酯的磷含量不高，但熱分解溫度高，受烷基鏈的影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，能夠有效保護摩擦表面，減少油樣由于形成的化學反應(yīng)膜破裂導(dǎo)致齒輪表面金屬直接接觸出現(xiàn)微點蝕現(xiàn)象。

(2)結(jié)合MPR試驗和FZG試驗結(jié)果可以看出，3種不同含磷抗磨劑的加入對工業(yè)齒輪油的抗微點蝕性能都有改善；MPR試驗與FZG對油樣的抗微點蝕測試結(jié)果具有良好的對應(yīng)性。

(3)亞磷酸烷基酯加入工業(yè)齒輪油后，油樣MPR試驗中輥子表面微點蝕面積為3.12%，軌道寬度變化率為26.6%，F(xiàn)ZG抗微點蝕試驗承載級10級后的齒廓偏差分別為5.64 μm，耐久級第五個10級后齒輪表面微點蝕面積為75.12%，試驗結(jié)果均優(yōu)于加入二硫代磷酸酯和芳基磷酸酯的油樣，表明亞磷酸烷基酯具有更為優(yōu)異的抗微點蝕性能。