铁道润滑脂的研制

潘 濛 胡 萍 袁继勇 黄樟华 罗琴琴 熊先江 舒 婷

（武汉理工大学化学工程学院1） 武汉 430070） （浙江宝晟铁路新材料科技有限公司2） 嵊州 312400）

0 引 言

合理有效的轮轨润滑可减少轮轨磨损，对节能和提高机车牵引效率也有重要意义，同时可提高列车运行的安全性［1－3］.当前，我国润滑脂工业正处于一个充满机遇的关键时期，机车运行速度和载重量的不断提高，使得对润滑脂的高性能需求迅速增加.而国内润滑脂工业仍存在着或多或少的问题，如年产量较小、高性能润滑脂产品品种及产量少等［4－5］.我国现在使用的锂基润滑脂虽然是一种用途广泛、使用范围较宽的润滑脂，但也有不足之处：滴点不够高（一般不超过190℃）、氧化安定性、使用轴承寿命等性能不能适应铁路内燃机车、电力机车牵引电动机轴承润滑的需要.随着铁路速度提高、载重增加、检修期延长等的要求越来越高，还需进一步提高润滑脂的综合性能.1996年，铁道科学研究院金属及化学研究所与燕化集团天津润滑油脂有限公司合作，开始研制铁道车辆滚动轴承IV型润滑脂［6］.2003年3月起，铁道车辆滚动轴承IV型润滑脂开始在部分铁路局使用，改脂具有良好的机械安定性、胶体安定性、极压抗磨性、抗水性和长寿命等特点.李宇等［7］研制了一种高熔点和高稠度的专用润滑脂，适用于机车大轴摩擦部位，以及高速高压的摩擦界面的润滑.

1 试验部分

1.1 试验原料与仪器

矿物油500SN，工业级，上海市海滨化工有限公司；12－羟基硬脂酸，工业级，山东广饶县煜立化工有限公司；硬脂酸，工业级，国药集团化学试剂有限公司；一水氢氧化锂，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；聚异丁烯，工业级，广州市佳林化学科技有限公司；石油磺酸钡，工业级，无锡玉炼润滑添加剂有限公司.

滴点试验仪SYA－4929，上海安德仪器设备有限公司；针入度试验仪SYD－2801A，上海安德仪器设备有限公司；铜腐蚀试验仪，上海安德仪器设备有限公司；MRS－10A型四球摩擦试验机，济南试金集团公司；差热和失重分析仪（STA 449C），德国NETZSCH公司.

1.2 测试标准及方法

滴点GB／T 3948－2008；针入度GB／T 269－1991；腐蚀GB／T 5096－1985；含水量GB／T 512－1965；分油SH／T 0324；摩擦磨损试验（四球机），SH／T 0204；差热和失重分析仪（STA 449C），N2氛围，10～1 000℃，升温速率为10℃／min.

1.3 工艺过程

采用分步皂化法制备锂基润滑脂［8－10］，制备工艺流程见图1.反应开始时要先升温，将12－羟基硬脂酸与硬脂酸溶解.皂化反应完毕后，烧瓶内抽真空，抽出未完全冷凝的水分.反应过程要一直搅拌，直到出料为止.

图1 铁道润滑脂制备工艺图

2 结果与分析

2.1 12－羟基硬脂酸与硬脂酸的配比对润滑脂性能的影响

图2为12－羟基硬脂酸与硬脂酸的不同质量比对润滑脂滴点与针入度的影响图.

图2 12－羟基硬脂酸与硬脂酸不同比例的润滑脂滴点与锥入度

由图2可见，随着12－羟基硬脂酸与硬脂酸的质量比从10∶0减小到5∶5，滴点逐渐降低到最小值196℃.这是因为12－羟基硬脂酸制成的锂皂稠化能力较强，这样随着12－羟基硬脂酸量的减少，润滑脂结构体系中稠化剂的稠化能力有所下降，导致滴点随之减小.当其质量比由5∶5降到0∶10时，硬脂酸的量逐渐增大，这时体系中稠化剂结构将以硬脂酸锂皂为主，导致结构更加稳定，反而还能提高润滑脂的滴点.

图2中润滑脂的针入度随硬脂酸比例增加而降低，这可能是因为硬脂酸分子与12－羟基硬脂酸相比，极性基团羟基含量少，导致生成的锂皂结构更紧凑，能够更好的将油包裹在体系内，从而润滑脂的硬度比较大，针入度就随之降低.

本文所制备的润滑脂是采用喷涂的方式作用于铁轨进行润滑，因此润滑脂的滴点要高，针入度也要大.同时考虑到12－羟基硬脂酸的价格比硬脂酸贵，这样采用复配的形式可以大大地降低原料的成本.实践证明，12羟基硬脂酸与硬脂酸的比例为6∶4时，制成的锂基润滑脂，能兼顾到稠化能力、胶体安定性和机械安定性［11］，滴点与针入度也达到满足实际应用需要，同时也与现有成熟配方所制的润滑脂性能相似.下面选取质量比为6∶4作为基础配方并进行改进.

2.2 石油磺酸钡对润滑脂防锈性能的影响

引起金属腐蚀的物质是润滑脂中所含有的其他物质，例如，活性硫化物或游离硫的存在会对铜片产生腐蚀.未加防锈剂的润滑脂的防腐蚀性能级别为2，石油磺酸钡加入后，润滑脂的防腐性能级别为1b，防锈性能有所提高，且符合铁道润滑脂的使用要求.

2.3 聚异丁烯对润滑脂性能的影响

表1为聚异丁烯加入前后对润滑脂各性能指标的影响，图3～4分别为聚异丁烯加入前后润滑脂摩擦磨损试验图和钢球磨痕图.

从表1可知，聚异丁烯的加入对润滑脂的滴点基本没有影响，这是因为滴点的影响因素主要是稠化剂，而两种润滑脂的稠化剂一样.但是润滑脂的针入度略有下降，原因可能是聚异丁烯为具有一定分子量的有机物，降低了油脂的流动性，提高了油脂的粘度［12］.

从表1还可以看出，加入聚异丁烯的润滑脂分油率基本没有变化.这是因为聚异丁烯作为润滑脂的粘度指数改进剂，可用于改善润滑脂粘附性，这样就可以提高润滑脂的胶体安定性.润滑脂的胶体安定性好则不易分油，差则易分油［13］.但是润滑脂样品的分油率都大于5，根据润滑脂质量指标规定，胶体安定性还有待提高.这可能是由于稠化剂种类和含量不同造成的，也有可能是基础油不同造成的，因为基础油粘度对分油也有影响，一般来说，基础油粘度越小，所制的润滑脂越易分油.

表1 产品质量指标

图3 自制润滑脂的摩擦系数与时间的关系

从表1和图3可以看出，聚异丁烯的加入使得自制润滑脂的最大无卡咬负荷PB值由598N提高到863N，烧结负荷PD值由1236N增大到1 961N，使得润滑脂摩擦系数数值波动范围由0.050～0.069降低为0.008～0.032.这是因为聚异丁烯可改善润滑脂与金属的粘附性，能提高润滑脂在金属表面的粘附能力，增加油脂膜强度，从而提高润滑脂的抗磨性能.

不同润滑脂润滑的钢球磨痕图见图4.

图4 不同润滑脂润滑的钢球磨痕图

由图4可以看到，加聚异丁烯的润滑脂润滑磨痕明显比未加聚异丁烯的润滑脂小，加入聚异丁烯的润滑脂磨斑直径为0.507 5mm，明显小于未加聚异丁烯润滑脂的磨痕直径为0.851mm.这说明聚异丁烯的加入能够改善润滑脂抗磨性能.

3 结 论

1）由12－羟基硬脂酸和硬脂酸不同配比对润滑脂的滴点和针入度测试结果分析得出，当二者的比例为6∶4时，润滑脂综合性能较佳，且成本较低，此时其滴点为205℃，针入度为285（0.1m），均达到铁道润滑脂性能指标要求.

2）当使用石油磺酸钡作为防锈剂时，腐蚀级别为1b，完全符合防锈指标使用要求.

3）加入聚异丁烯后，使润滑脂的最大无卡咬负荷PB值从598N增大到863N，烧结负荷PD值从1 236N增大到1 961N，摩擦系数数值从0.050～0.069减少到0.008～0.032，比未加如聚异丁烯的润滑脂有显著提高.聚异丁烯能改善润滑脂在金属表面的粘附性，增加油膜强度，提高润滑性能.

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