等速万向节润滑脂减摩添加剂

2010-07-31王志刚

轴承 2010年3期

王志刚

(解放军汽车管理学院，安徽蚌埠 233011)

由于前轮驱动汽车具有能耗低和行使稳定性好等优点，家用轿车几乎都采用了前轮驱动方式。前轮驱动的主要部件——等速万向节(Constant Velocity Joint，CVJ)及相应润滑脂的使用量越来越大。一个CVJ的用脂量大约为90 g，一辆轿车有4个CVJ，用润滑脂共约360 g[1]。因而提高其润滑脂的性能，具有非常大的实用意义和市场价值。

CVJ润滑脂应具有良好的耐高温、防水、防腐蚀、极压抗磨以及橡胶相容性等性能，使用寿命要在8×104km以上[2]。国外研究者使用红外光谱和扫描电子显微镜发现，在测试过的CVJ表面同时存在基础油、稠化剂、添加剂及其衍生沉积物，并且由于油膜中稠化剂和添加剂的存在，利用基础油黏度估算出的润滑油膜厚度与实际测量值有较大的出入[1]。由此可知，除基础油外，稠化剂和添加剂也极大地影响着润滑脂的润滑效果，其中减摩添加剂对润滑脂的性能影响显著，现对其进行分析研究。

1 减摩添加剂的分类

1.1 摩擦改进剂

摩擦改进剂的减摩机理为：其中的极性基团对金属有很强的亲和力，可强有力地吸附在金属表面，形成一种类似于缓冲垫的保护膜，避免金属间直接接触，从而减小摩擦和磨损。

常见的摩擦改进剂主要包括一些硫化矿物质油、硫化植物油、含氮化合物和钼化合物，如石墨、MoS2、硫化棉籽油、蓖麻油等。

1.2 极压抗磨剂

极压抗磨剂的减摩机理为：在高温、高速和重载条件下，其可与金属表面迅速反应生成厚的无机膜，保护金属表面不发生粘着和熔焊。极压抗磨剂主要有含硫化合物、含磷化合物、有机金属化合物、硼酸盐等。含硫化合物，特别是硫化异丁烯的硫含量很高，可达40%～48%，多半是硫-硫键结合，极压性能很好。不少含磷化合物同时含有硫、磷元素，极压性能和抗磨性能均良好。硼酸盐类添加剂是性能优异的极压抗磨剂，有极高的油膜强度和良好的热稳定性。硫-磷型极压抗磨剂的使用温度界限为130℃；而硼酸盐在此温度下依然是安定的，即便在250 ℃仍能使用[3]。

2 几种减摩添加剂的性能及对比

2.1 二硫化钼

二硫化钼(MoS2)属于摩擦改进剂。实践表明添加MoS2能提高脂的承载能力，减少磨损，延长轴承的使用寿命。MoS2的粒度对抗磨效果有影响，在轴承低速运转时，添加大颗粒的MoS2，脂的使用寿命较长；而轴承高速运转时，添加小颗粒MoS2，脂的承载能力较高[4]。因此，适当数量和粒度的MoS2还可以提高脂的极压抗磨性能。原因可能是小颗粒易于形成完整的连续膜；而大颗粒则易于粘着和防止磨损。在CVJ润滑脂添加剂中MoS2大多和其他减摩添加剂配合使用，以便达到更佳的减摩效果，并改善润滑脂性能。但随着新型高效有机钼添加剂的研发，MoS2的使用量呈不断下降趋势。

2.2 二硫代磷酸钼

二硫代磷酸钼是深蓝绿色黏稠液体，有令人不快的气味，也是摩擦改进剂的一种。实际使用中，低浓度的二硫代磷酸钼用于提高固定球节的机械效率；而较高浓度的二硫代磷酸钼用于减小滑动型万向节的轴向力。润滑脂所用的二硫代磷酸钼的添加量(质量分数)一般为2%～5%，与二硫代磷酸锌一起使用时摩擦系数为0.03～0.06，减摩效果非常好[5]。

为了对比减摩添加剂的减摩效果，本研究采用某轿车等速万向节用润滑脂作为试验用标准脂，参数见表1。试验用标准脂摩擦改进剂是添加量为3%的MoS2，当添加剂改为添加量3%二烷基二硫代磷酸钼(MoDTP)时进行性能对比试验。

表1 某轿车用CVJ复合锂基脂性能参数

在运动型多功能车(SUV)高速(3 000 r/min)大角度驱动轴的三轴销式等速万向节(图1)上，进行标准脂和摩擦改进剂为二烷基二硫代磷酸钼(MoDTP)脂的对比试验。试验对比了等速万向节的受力和温升情况。由图2和图3可知：减摩添加剂由MoS2改为MoDTP后，等速万向节的轴向力和温升都相应减小。

1—滚道；2—三销主轴；3—防尘罩；4—球面滚子；5—枢轴；6—滚针轴承；7—外筒图1 三轴销式万向节剖面示意图

图2 三销式CVJ轴向力比较

图3 三销式CVJ温升的比较

2.3 硼酸盐

硼酸盐(Borate)是一种具有优异稳定性和载荷性的极压抗磨剂。常用的硼酸盐有偏硼酸钠、偏硼酸钾、三硼酸钾等，通常用乳化脱水法和化学反应法制取这种胶体溶液。硼酸盐广泛应用于润滑脂、发动机油、金属成形润滑剂等润滑材料，一般添加量(质量分数)在2%～5%。硼酸盐的极压抗磨性能好，有很高的油膜强度，尤其能承受冲击载荷，这非常适合汽车等速万向节的工况。由于硼酸盐是“惰性”极压抗磨剂，热稳定性好，使用中消耗较少，因而使用寿命较长[6]。另外，硼酸盐不腐蚀铜，无毒无味，对橡胶密封件的适应性好。但硼酸盐微溶于水，因此其用于汽车等速万向节时，需要良好的密封性。

硼酸钾和MoS2在复合铝基脂和复合锂基脂中的应用效果见表2。可以看出，两者复配使用后的减摩效果和极压抗磨性能均得以提高，尤其在复合锂基脂中的极压抗磨性能更好。

表2 硼酸钾和MoS2复配在复合铝基脂与复合锂基脂中的应用效果

2.4 不含硫磷的有机钼化合物

有机钼化合物在保持原有形态时，润滑效果并不明显；只有在摩擦热的作用下，该添加剂分解并转化为润滑性物质，才有明显的润滑效果。当其与有机锌化合物一起使用时，由于锌在其分解时的催化作用，会使减摩效果更好。

为了减少尾气对催化剂的危害，发动机润滑油已禁止使用高硫磷含量的添加剂，从而推动了不含硫磷有机钼减摩剂的发展。不含硫磷的酰胺/胺有机钼化合物添加剂Mo(Am)也是多功能添加剂，目前主要用作摩擦改进剂，其具有传统减摩剂的所有优点(摩擦系数小、磨损率低且使用寿命长)，其减摩性与二硫代磷酸钼和二硫代氨基甲酸钼相当，但腐蚀性要小得多。研究表明，由于此类添加剂不含硫磷，其与典型橡胶保护罩材料的相容性比二硫代磷酸钼和二硫代氨基甲酸钼好。在Falex摩擦与磨损试验机上，按ASTM D 5706-95试验方法，以2号聚脲脂为标准脂，分别加入二烷基二硫代磷酸钼(MoDTP)、二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)和不含硫磷的酰胺/胺有机钼化合物Mo(Am)减摩添加剂进行对比试验，结果如图4所示。图4表明，加有酰胺/胺有机钼复合物添加剂的润滑脂摩擦系数最低，而且这种添加剂的生产与使用对环境的不利影响也明显减小[8]。