高堿值磺酸鈣清凈劑對(duì)變速箱油減摩抗磨性能的影響

杜雪嶺，孫明亮，文彥龍

(中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院，北京 100085)

同步器是手動(dòng)變速箱中的一個(gè)重要零部件，它的作用是使變速器在換擋時(shí)，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪強(qiáng)制同步，使兩個(gè)齒輪迅速結(jié)合在一起，避免噪音和振動(dòng)。同步環(huán)磨損引起的摩擦性能變化決定了同步器的性能，因此同步環(huán)磨損量是評(píng)價(jià)手動(dòng)變速箱油的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)磨損量數(shù)值變化較大時(shí)，會(huì)直接影響變速箱的設(shè)計(jì)裕量，導(dǎo)致?lián)Q擋震顫，發(fā)出尖銳刺耳的聲音，甚至導(dǎo)致變速箱失效。

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，作為清凈劑的堿性磺酸鈣具有較好的極壓抗磨性能，其作用效果甚至可以媲美硫、磷和氯系極壓抗磨劑[1]。普遍認(rèn)為，高堿值磺酸鈣作為惰性極壓劑可以減小摩擦、防止熔結(jié)，此外還具有清凈劑的作用，是一種具有發(fā)展前景的極壓抗磨劑[2-3]。高堿值磺酸鈣在手動(dòng)變速箱油中是一種常用的清凈劑，但是其在手動(dòng)變速箱油中的摩擦性能的研究鮮有報(bào)道。為了研究高堿值磺酸鈣對(duì)手動(dòng)變速箱油的減摩抗磨性能的影響，本課題考察3種高堿值磺酸鈣在HFRR，SRV，MPR模擬試驗(yàn)條件下的摩擦性能，以及對(duì)Automax同步器臺(tái)架試驗(yàn)同步環(huán)軸向磨損量的影響，并探討磺酸鈣的減摩抗磨機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及試劑

選取國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的75W黏度級(jí)別手動(dòng)變速箱油(簡(jiǎn)稱75W油品)作為試驗(yàn)用潤(rùn)滑油，其質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表1。選取國(guó)內(nèi)外3種高堿值磺酸鈣(編號(hào)分別為A，B，C)為外加清凈劑，其理化指標(biāo)見(jiàn)表2。從表2可以看出，3種清凈劑的鈣含量、堿值不同，由高到低的順序?yàn)镃>A>B，這兩項(xiàng)是影響清凈劑發(fā)揮作用的關(guān)鍵指標(biāo)。

表1 75W油品的主要質(zhì)量指標(biāo)

表2 3種磺酸鈣清凈劑的主要質(zhì)量指標(biāo)

1.2 樣品的制備

向75W油品中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%的清凈劑A，B，C，在55 ℃下攪拌1 h，混合均勻后得到試驗(yàn)所用的油品樣品。

1.3 儀器及檢測(cè)方法

采用PCS Instruments公司生產(chǎn)的HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)(HFRPC V2.11)對(duì)潤(rùn)滑油在金屬與金屬之間的邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦特性進(jìn)行測(cè)試。HFRR的摩擦副由直徑6 mm的鋼球與直徑10 mm的鋼盤組成，在載荷9.8 N、溫度90 ℃、頻率50 Hz的條件下，鋼球在鋼盤上作往復(fù)滑動(dòng)60 min后，得到摩擦因數(shù)、鋼球的平均磨斑直徑以及磨斑照片。

采用德國(guó)OPTIMOL公司生產(chǎn)的SRV4型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在微動(dòng)形式下對(duì)潤(rùn)滑油樣品進(jìn)行減摩、抗磨、抗疲勞性能評(píng)定。在SRV的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中，ASTM D8227—18方法用SRV試驗(yàn)機(jī)測(cè)定潤(rùn)滑油與MT傳動(dòng)齒輪同步器材料，在高頻線性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)下的摩擦因數(shù)。該測(cè)試方法可用于快速確定全配方手動(dòng)變速器油的潤(rùn)滑能力，以評(píng)價(jià)與汽車變速箱齒輪同步器材料的摩擦行為。SRV的摩擦副由直徑20 mm的鋼盤和直徑24 mm的錳黃銅圓盤組成，在載荷200 N、溫度80 ℃、頻率50 Hz條件下，運(yùn)行2 h后得到摩擦因數(shù)、錳黃銅盤磨斑的磨痕數(shù)據(jù)、摩擦數(shù)據(jù)以及3D形貌。

采用英國(guó)PCS公司生產(chǎn)的MPR試驗(yàn)機(jī)模擬齒輪部件的接觸情況，用來(lái)評(píng)價(jià)油品在特定條件下的摩擦性能。MPR的試驗(yàn)件由3個(gè)餅狀的環(huán)件和1個(gè)輥?zhàn)咏M成并在試驗(yàn)過(guò)程中呈“三位”接觸，輥?zhàn)油鈴綖榄h(huán)件外徑的五分之一，其上有凸出的、軸向?qū)挾葹? mm的接觸軌道。在載荷390 N、溫度90 ℃、滑滾比20%的試驗(yàn)條件下，輥?zhàn)右云骄€速度3.15 m/s運(yùn)行一定時(shí)間，得到輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓省?/p>

采用日本Automax同步器試驗(yàn)臺(tái)對(duì)手動(dòng)變速箱油的同步器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。Automax同步器試驗(yàn)臺(tái)可以通過(guò)測(cè)量同步環(huán)軸向總磨損量來(lái)評(píng)估潤(rùn)滑油在特定同步器材料上的摩擦特性和耐久性。該測(cè)試臺(tái)架被OEM廣泛采用，并采用尼桑同步器耐久測(cè)試方法，在軸向力980 N、測(cè)試溫度80 ℃的條件下，進(jìn)行100 000次循環(huán)耐久試驗(yàn)，得到同步環(huán)軸向總磨損量。

2 結(jié)果與討論

2.1 HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)

采用HFRR高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)對(duì)3種磺酸鈣清凈劑的減摩抗磨性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，考察3種清凈劑的加入量(w)為1.0%時(shí)對(duì)摩擦因數(shù)、鋼球磨斑直徑的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1，測(cè)試后鋼球磨斑形貌照片見(jiàn)圖2。從圖1可以看出：不加清凈劑時(shí)75W油品的摩擦因數(shù)為0.13，鋼球平均磨斑直徑為355 μm；加入3種清凈劑后，摩擦因數(shù)和平均磨斑直徑均有一定程度的降低，表明清凈劑具有減摩抗磨作用；在3種清凈劑中，清凈劑C對(duì)75W油品的減摩抗磨性能影響最大，其摩擦因數(shù)降至0.11，鋼球平均磨斑直徑降至278 μm。HFRR試驗(yàn)結(jié)果表明，3種清凈劑的減摩抗磨性能由高到低的順序?yàn)镃>A>B。

圖1 清凈劑對(duì)摩擦因數(shù)和磨斑直徑的影響■—摩擦因數(shù)； ■—平均磨斑直徑

圖2 加入清凈劑前后油品的HFRR試驗(yàn)鋼球磨斑形貌照片

2.2 SRV摩擦磨損試驗(yàn)

為了更好地模擬手動(dòng)變速箱同步器銅基同步環(huán)單體換檔實(shí)際工況，采用ASTM D8227—18試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)銅盤試驗(yàn)件對(duì)添加A，B，C的75W油品進(jìn)行評(píng)定?？疾?種清凈劑的加入量(w)為1.0%時(shí)對(duì)油品摩擦因數(shù)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：不加清凈劑時(shí)75W油品的平均摩擦因數(shù)為0.159，加入3種清凈劑后，油品的平均摩擦因數(shù)均有所降低，表明3種清凈劑對(duì)油品均具有一定的減摩作用；加入清凈劑C油品的平均摩擦因數(shù)最低，表明清凈劑C對(duì)75W油品的減摩作用效果最好。

圖3 清凈劑對(duì)油品摩擦因數(shù)的影響

考察3種清凈劑的加入量(w)為1.0%時(shí)對(duì)銅盤磨損性能的影響，銅盤照片及磨痕3D形貌見(jiàn)圖4和圖5，銅盤磨損體積和磨痕寬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從測(cè)試結(jié)果可以看出：不加清凈劑的75W油品在SRV試驗(yàn)后，銅盤出現(xiàn)明顯的磨痕，銅盤磨損體積與磨痕深度分別為8.037 7×10-4mm3和1.566 μm；加入3種清凈劑后，銅盤的磨損得到明顯改善，磨損體積和磨痕深度均顯著降低，其中加入清凈劑C的油品試驗(yàn)銅盤的磨損體積和磨痕深度最小，分別為0.775 6×10-4mm3和0.280 μm。

圖4 加入清凈劑前后油品的SRV測(cè)試銅盤照片

圖5 加入清凈劑前后油品的SRV測(cè)試銅盤磨痕3D形貌

表3 清凈劑對(duì)銅盤磨損性能的影響

從SRV試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3種清凈劑對(duì)油品摩擦磨損性能的提升均具有一定的效果，其減摩抗磨作用由強(qiáng)到弱的順序?yàn)镃>A>B。

2.3 MPR微點(diǎn)蝕試驗(yàn)

采用MPR微點(diǎn)蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)3種磺酸鈣清凈劑的減摩抗磨性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在MPR試驗(yàn)中，摩擦磨損導(dǎo)致的微點(diǎn)蝕可造成材料表面出現(xiàn)塑性變形，使軌道寬度變大?？疾?種清凈劑的加入量(w)為1.0%時(shí)對(duì)輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓挠绊懀Y(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出：隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓手饾u增大，這是由于輥?zhàn)优c環(huán)件在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摩擦后，相對(duì)于初始軌道產(chǎn)生較大的形變率；經(jīng)過(guò)8 h耐久試驗(yàn)后，對(duì)于不加清凈劑的75W油品，輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓蕿?7.52%，對(duì)于加入3種清凈劑的油品，輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓示兴档?，表明清凈劑的加入可降低輥?zhàn)拥哪p量，但效果并不明顯；加入清凈劑C時(shí)，輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓首钚?，?5.03%。這表明3種清凈劑均具有一定的減摩抗磨作用，其由強(qiáng)到弱順序?yàn)镃>A>B。

圖6 清凈劑對(duì)輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓实挠绊憽觥獰o(wú)清凈劑； ■—清凈劑A； ■—清凈劑B； ■—清凈劑C

2.4 Automax同步器臺(tái)架試驗(yàn)

使用Automax臺(tái)架，經(jīng)過(guò)100 000次循環(huán)，考察3種磺酸鈣清凈劑加入量(w)為1.0%時(shí)對(duì)平均摩擦因數(shù)和同步環(huán)軸向總磨損量的影響，以評(píng)價(jià)油品的抗磨性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7可以看出：對(duì)于不加入清凈劑的75W油品，同步環(huán)的軸向總磨損量為0.76 mm；加入3種清凈劑后同步環(huán)的軸向總磨損量均有所降低，表明3種清凈劑均具有一定的抗磨作用；加入清凈劑C時(shí)，同步環(huán)軸向總磨損量最低為0.31 mm，比不加清凈劑時(shí)的磨損量降低59.2%，表明其對(duì)75W油品具有最優(yōu)的抗磨作用。3種清凈劑的抗磨作用由強(qiáng)到弱順序?yàn)镃>A>B。3種清凈劑的加入對(duì)油品摩擦因數(shù)影響較小，保證油品具有穩(wěn)定的摩擦性能和更好的耐久性，有助于減少同步器磨損。

圖7 清凈劑對(duì)摩擦因數(shù)和同步環(huán)軸向總磨損量的影響■—平均摩擦因數(shù)； ■—軸向總磨損量

為了考察清凈劑C的加入量對(duì)抗磨性能的影響，使用Automax臺(tái)架考察清凈劑C加入量(w)分別為0.5%和1.0%時(shí)對(duì)同步環(huán)軸向總磨損量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，隨著清凈劑C加入量的增加，同步環(huán)軸向總磨損量逐漸降低，表明油品的抗磨性能不斷提升。

圖8 清凈劑C加入量對(duì)同步環(huán)軸向總磨損量的影響

2.5 清凈劑減摩抗磨機(jī)理

堿性磺酸鈣的作用機(jī)理不同于硫、磷和氯系極壓抗磨劑在金屬表面生成化學(xué)反應(yīng)膜，而是在金屬表面形成一層以物理沉積形式存在的含鈣保護(hù)膜，這種保護(hù)膜剪切強(qiáng)度低，可以減少金屬之間的接觸和摩擦，降低磨損和防止熔接[4-5]。堿性磺酸鈣還可以中和酸性污染物，對(duì)金屬?zèng)]有腐蝕，不污染環(huán)境，這種極壓抗磨劑被稱為惰性極壓抗磨劑。

清凈劑的基本結(jié)構(gòu)包含親油基、極性基和親水基團(tuán)三部分，高堿值磺酸鈣則是由磺酸鈣清凈劑和碳酸鈣內(nèi)核組成，在基礎(chǔ)油中以1～100 nm的膠粒形式存在[6]。在油品中，高堿值磺酸鈣首先依靠極性基團(tuán)吸附于金屬表面，在摩擦過(guò)程中，金屬表面上吸附的納米磺酸鈣膠束隨著摩擦強(qiáng)度的增加而增大，膠束打開(kāi)，釋放出納米碳酸鈣顆粒，從而起到減少摩擦的作用。兩接觸面的壓力增大，產(chǎn)生的高溫高壓使得碳酸鈣顆粒發(fā)生分解，生成氧化鈣沉積膜。這樣，碳酸鈣和氧化鈣共同構(gòu)成了沉積保護(hù)膜[7-8]。因此在加入3種磺酸鈣清凈劑后，摩擦因數(shù)均有一定程度的降低。此外，堿值越高，磺酸鈣中碳酸鈣膠體納米顆粒含量越多，摩擦作用下釋放出的碳酸鈣顆粒也越多，能更好地減少摩擦表面的接觸。因此堿值最高、鈣含量最大的清凈劑C的減摩抗磨效果最好。

3 結(jié) 論

試驗(yàn)所用的3種高堿值磺酸鈣清凈劑在75W油品中均具有一定的減摩抗磨作用，可有效降低金屬表面之間的磨損。其中堿值最高、鈣含量最大的清凈劑C的減摩抗磨性能最優(yōu)，經(jīng)過(guò)Automax同步器臺(tái)架試驗(yàn)后，同步環(huán)軸向磨損量降低明顯。高堿值磺酸鈣清凈劑作為一種惰性極壓抗磨劑，在潤(rùn)滑油品中充分發(fā)揮其減摩抗磨的性能，并深入研究其機(jī)理是其今后發(fā)展的方向之一。