KM型抗磨添加劑對(duì)鋼-鋼摩擦副的摩擦磨損的影響

林建輝，張 龍，王炳軒，魏立隊(duì)

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司, 天津 300452；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院, 上海 201306)

0 引 言

機(jī)械磨損是影響內(nèi)燃機(jī)的工作可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于使用劣質(zhì)重油的船用柴油機(jī)，該因素的影響更為突出。近年來，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，研究使用更加節(jié)能、環(huán)保、低摩擦、低磨損的潤滑油添加劑變得極為緊迫。韓德寶等[1]采用金屬陶瓷添加劑，對(duì)船舶主機(jī)汽缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了研究；朱公志等[2]采用羥基硅酸鎂復(fù)合粉體作為潤滑油添加劑，對(duì)鋼-鋼摩擦副的抗磨自修復(fù)機(jī)理進(jìn)行了探索；ANANDA等[3]采用離子液體作為添加劑，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了新舊滑油試驗(yàn)；MOHAMED等[4]采用Al2O3和TiO2納米材料作為添加劑，對(duì)車用柴油機(jī)潤滑油進(jìn)行了試驗(yàn)；張宇等[5]和付景國等[6]采用羥基硅酸鎂和MoDTC、石墨烯與ZDDP復(fù)合添加劑，對(duì)內(nèi)燃機(jī)潤滑油的抗磨特性進(jìn)行了研究。由于存在加入滑油難、易團(tuán)聚和納米微粒與修飾劑的作用機(jī)理尚不明確等問題，這些研究多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段[7]。對(duì)于其他添加劑，或因單一添加劑的綜合性能稍差，或因環(huán)保問題，給內(nèi)燃機(jī)潤滑帶來了很大的挑戰(zhàn)。KM型添加劑是含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)的抗磨性型添加劑，具有抗氧化性、抗腐蝕性、抗摩擦性和高熱穩(wěn)定性，且因低硫和低磷而具有良好的環(huán)保性，因此其在滿足機(jī)械設(shè)備潤滑和環(huán)境保護(hù)要求方面具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景[8-10]。此外，對(duì)于長時(shí)間使用的在用潤滑油，因其潤滑性能較差，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備磨損加快、成本增加，而目前有關(guān)在用油添加劑的研究較少，這也是本文研究的另一個(gè)方向。

1 試驗(yàn)部分

1.1 研究對(duì)象

KM型添加劑是一種無毒、無異味、低灰分的抗磨型、環(huán)保型添加劑，其主要元素的質(zhì)量比見表1。參照油為Castrol SL 15W-50，以下簡稱參照組。向該潤滑油中加入5%(體積分?jǐn)?shù))KM添加劑，將其作為試驗(yàn)油，以下簡稱試驗(yàn)組。

表1 KM型添加劑主要元素的質(zhì)量比

1.2 試驗(yàn)儀器

采用Bruker UMT-TriboLab多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(見圖1)，通過更換下部工作臺(tái)進(jìn)行四球摩擦磨損、旋轉(zhuǎn)盤-銷式摩擦磨損和往復(fù)板-銷式摩擦磨損試驗(yàn)。

圖1 Bruker UMT-TriboLab多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

1)在四球摩擦磨損試驗(yàn)中，采用直徑φ12.7 mm、硬度HRC64～66的標(biāo)準(zhǔn)GGr15鋼球，試驗(yàn)過程依照SH/T 0189—1992標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[11]。

2)在旋轉(zhuǎn)盤-銷式摩擦磨損試驗(yàn)中，下試樣盤直徑為70 mm、厚度為3 mm、材質(zhì)為硬度HV220的AINSI E52100鋼；上試樣銷直徑為12.7 mm、厚度為8 mm、材質(zhì)為硬度HV400的416不銹鋼。試驗(yàn)中，上式樣銷緩緩對(duì)下試樣的鋼盤施加260 N的載荷，以900 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)盤，持續(xù)20 h。

3)在往復(fù)板-銷式摩擦磨損試驗(yàn)中，下試樣板為Gr15鋼，上試樣銷為普通灰口鑄鐵HT250，在銷子上施加480 N恒定載荷，其往復(fù)頻率為4 Hz，持續(xù)時(shí)間為12 h，環(huán)境溫度為75 ℃。

1.3 測試儀器

測試儀器主要有Bruker Contour GT三維輪廓儀、RA200型粗糙度儀、SPECTROGENESIS ICP等離子光譜儀、Olympus BX-RLA2顯微鏡和AR224CN型電子天平等。

2 結(jié)果與討論

2.1 四球摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)グ?/h3>

圖2為四球機(jī)下部三球磨斑直徑對(duì)比，參照組與試驗(yàn)組基本持平。圖3和圖4分別為參照組和試驗(yàn)組的四球磨斑顯微鏡形貌。顯然，試驗(yàn)組下部小球磨斑變色部分面積小，變色程度淺，而參照組磨痕發(fā)黑，磨損更為嚴(yán)重。對(duì)于上球磨斑，同樣是試驗(yàn)組程度較淺。圖5為試驗(yàn)60 min的摩擦因數(shù)，試驗(yàn)油的摩擦因數(shù)整體上比參照油小，參照油的平均摩擦因數(shù)為0.047，試驗(yàn)油的摩擦因數(shù)為0.033，平均減少31%。以上分析均表明：在潤滑油中加入KM型抗磨添加劑能有效減少四球摩擦磨損。

圖2 四球機(jī)下部三球磨斑直徑對(duì)比

圖3 參照組磨斑顯微鏡形貌(放大100倍)

圖4 試驗(yàn)組磨斑顯微鏡形貌(放大100倍)

圖5 試驗(yàn)60 min的四球摩擦因數(shù)

2.2 旋轉(zhuǎn)盤-銷式摩擦磨損試驗(yàn)

圖6為260 N載荷下20 h旋轉(zhuǎn)盤-銷式試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)隨時(shí)間的變化曲線。在起始階段，由于磨合的原因，參照組與試驗(yàn)組的摩擦因數(shù)均劇烈變化，但差異較??；在經(jīng)過4 h的磨合期之后，二者的摩擦副表面逐漸均勻，摩擦因數(shù)均趨于穩(wěn)定，但差異增大；在平穩(wěn)階段，參照組的摩擦因數(shù)均值為0.044，而試驗(yàn)組的摩擦因數(shù)均值為0.032，減少了27%。由此可知：加入5%的KM型添加劑之后，試驗(yàn)油的承載能力提升，抗磨性能得到明顯提升。

圖6 260 N荷載下20 h旋轉(zhuǎn)盤-銷式試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)隨時(shí)間的變化曲線

圖7和圖8分別為參照組和試驗(yàn)組在摩擦磨損試驗(yàn)20 h之后下部試驗(yàn)盤的磨痕形貌。顯然，參照組中的劃痕較深且燒灼現(xiàn)象明顯，試驗(yàn)組的劃痕較淺、燒灼輕微。在盤表面磨斑三維形貌(見圖9)中，這一特點(diǎn)更為明顯：參照組表面粗糙(粗糙度Ra為0.123 μm)，劃痕深度大分布較廣；試驗(yàn)組表面相對(duì)光滑(粗糙度Ra為0.067 μm)，劃痕深度淺且以點(diǎn)狀居多。

圖7 參照組20 h后顯微鏡下盤的磨痕形貌(放大100倍)

圖8 試驗(yàn)組20 h后顯微鏡下盤的磨痕形貌(放大100倍)

圖9 盤表面磨斑三維形貌

圖10為試驗(yàn)20 h之后銷-盤磨損質(zhì)量損失，參照組和試驗(yàn)組的銷質(zhì)量損失分別為0.019 9 g和0.009 2 g，盤質(zhì)量損失分別為0.173 6 g和0.091 7 g，使用KM型添加劑之后，銷和盤的磨損減少量分別達(dá)到54%和47%。綜合分析摩擦表面的摩擦形貌和質(zhì)量損失可知：KM型添加劑具有良好的填充、修補(bǔ)和抗磨性能。

圖10 試驗(yàn)20 h之后銷-盤磨損質(zhì)量損失

2.3 往復(fù)板-銷式的新油/在用油對(duì)比性摩擦磨損試驗(yàn)

為驗(yàn)證添加劑對(duì)在用潤滑油摩擦磨損性能的影響，在往復(fù)盤-銷式試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，其中在用油為已在船用中速機(jī)上使用3 500 h的同類型SL 15W-50潤滑油。圖11為新油/在用油摩擦磨損性能對(duì)比。圖11a中：對(duì)于新油，參照組與試驗(yàn)組的平均摩擦因數(shù)差別很小；對(duì)于在用油，其整體摩擦因數(shù)比新油高，符合一般規(guī)律，但在用油中的試驗(yàn)組摩擦因數(shù)要比在用油中的參照組低很多，降低比例達(dá)49%，這表明KM型添加劑對(duì)提升在用油的摩擦性能效果顯著。圖11b中：對(duì)于下部板摩擦表面的平均磨痕深度，在用油同樣比新油大很多，但在用油中試驗(yàn)組的平均磨痕深度(33.89 nm)比參照組(165.70 nm)小很多，減小比例達(dá)80%左右。由圖11c和圖11d可知：使用新油時(shí)，試驗(yàn)組中的盤和銷的質(zhì)量損失均比參照組少較多；使用在用油時(shí)，對(duì)于銷質(zhì)量損失，參照組與試驗(yàn)組差別很小，但在盤質(zhì)量損失中，試驗(yàn)組的質(zhì)量損失(0.000 9 g)僅約為參照組(0.004 1 g)的1/4(以上數(shù)據(jù)是3組數(shù)據(jù)的平均值，3組數(shù)據(jù)有相同的變化趨勢)。顯然，添加劑在新油和在用油中均能具有降低磨損的性能。綜上可知，KM型添加劑能有效提升新油和在用油的減磨和抗磨性能，具有良好的自修復(fù)性能，但在在用油中的效果相對(duì)更好。

圖11 新油/在用油摩擦磨損性能對(duì)比

3 結(jié) 語

1)通過四球式、盤-銷式和板-銷式摩擦磨損試驗(yàn)，分析了實(shí)際工作過程中最常見的各種鋼-鋼接觸摩擦副形式，綜合驗(yàn)證了KM型添加劑能提升在以上摩擦副下工作的潤滑油的潤滑性能和摩擦磨損性能，其適用范圍較廣。

2)對(duì)比性試驗(yàn)結(jié)果表明：KM型添加劑能使鋼-鋼摩擦副表面的摩擦磨損組成、結(jié)構(gòu)和形貌發(fā)生變化，利于潤滑油膜的形成，尤其對(duì)于在用潤滑油，加入KM型抗磨添加劑之后，其減磨、抗磨和自修復(fù)性能提升效果更好。因此，KM型添加劑對(duì)于在用潤滑油而言意義更大。

3)本文僅從摩擦磨損方面證明了KM型添加劑的使用效果，其減磨抗磨自修復(fù)機(jī)理還需進(jìn)一步研究。