磷系极压抗磨剂在酯类油中的摩擦学性能

吴燕霞，李维民，王晓波

(1.西北师范大学 化学化工学院, 甘肃 兰州 730070; 2.中国科学院 兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

磷系极压抗磨剂在酯类油中的摩擦学性能

吴燕霞1,2，李维民2，王晓波2

(1.西北师范大学 化学化工学院, 甘肃 兰州 730070; 2.中国科学院 兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

采用四球摩擦试验机研究了多元醇酯(3987)中添加磷酸三甲酚酯(T306)和硫代磷酸铵盐(T307) 2种添加剂后的摩擦学性能,采用扫描电子显微镜(SEM)分析了钢球磨损表面的微观形貌,采用X射线光电子能谱仪(XPS)分析了摩擦表面典型元素的化学状态,进而探讨了摩擦机理。结果表明,2种添加剂均可不同程度地改善酯类油的摩擦学性能;当添加浓度越大或试验载荷越高时,T306对改善酯类油的减摩抗磨性能的作用较小,而T307在所考察的浓度或载荷范围内均可有效提高酯类油的减摩抗磨以及承载性能,综合性能优于T306。由于T307可在摩擦表面形成复杂的含有S、P、N等元素的边界润滑膜,从而能够更好地起到降低摩擦磨损的作用。

极压抗磨添加剂；酯类油；摩擦学性能

随着现代科学技术的进步,机械设备不断向高速、重载和高精度的方向发展。机械设备的飞速发展对其所使用润滑油脂的服役性能提出了更高层次的需求,促进了润滑油脂产品的更新换代。如何改善润滑油脂的使用性能,延长其使用寿命,已经受到摩擦学工作者的广泛关注。添加剂是润滑油的精髓,直接关系到润滑油功能的实现和保持。就润滑油极压抗磨添加剂而言,已经从单纯的含氯、硫、磷添加剂发展为P-N、S-P、S-N、S-P-N、S-P-B-N等多元素复合的极压抗磨添加剂[1-15]。其中,磷系极压抗磨剂由于具有优异的抗磨减摩性能、良好的润滑性能、高的承载能力、多效性以及制备工艺的简单,已成功应用于齿轮油、液压油、润滑脂、金属加工液等多种油品中,是目前应用最广、抗磨效果最好的一类润滑油极压抗磨添加剂[16-17]。值得注意的是,目前常用的添加剂主要针对矿物基础油设计和使用,而针对合成润滑油特别是酯类合成基础油的减摩、抗磨、极压添加剂的研究较少。酯类油与矿物油在物理化学性质上有差异,两者界面性质差异很大,对各类添加剂的感受性截然不同,与添加剂的相互作用机理也不同。酯类油分子中含有极性的酯基官能团,在使用过程中将不可避免地与添加剂在摩擦副表面发生竞争吸附,从而影响添加剂的性能。因此,研究添加剂在酯类合成基础油中的摩擦学性能具有重要意义。

鉴于此,笔者以多元醇酯作为基础油,选择目前应用较为广泛的磷系极压抗磨剂,系统研究其对合成酯基础油摩擦学性能的影响,并分析摩擦机理。

1 实验部分

1.1 材料

多元醇酯(3987),禾大(Croda)公司产品,主要性质见表1;磷系极压抗磨剂(T306和T307),国产,主要理化性能见表2。

表1 多元醇酯(3987)的理化性能及测试方法

表2 2种极压抗磨添加剂的理化性能

1.2 试验方法

根据石化标准SH/T 0189《润滑油抗磨损性能测定法(四球机法)》,采用济南试验机厂MRS-1J型四球长时摩擦磨损试验机,在转速1450 r/min、载荷392 N、时间30 min、室温条件下评定油品的抗磨性能,记录相应的磨斑直径(WSD)。根据国家标准GB/T3142-1982《润滑剂承载能力测定法(四球法)》,采用MRS-10A型四球摩擦试验机,在转速1450 r/min、时间10 s、室温条件下测定油品的极压性能,即最大无卡咬负荷(PB)和烧结负荷(PD)。采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜分析钢球磨斑表面形貌(SEM)。采用PHI-5702多功能X射线光电子能谱仪分析钢球磨斑表面典型元素的化学状态(XPS)。

2 结果与讨论

2.1 磷系极压抗磨添加剂对多元醇酯基础油极压性能的影响

图1为分别添加不同质量分数的磷系极压抗磨剂T306、T307的多元醇酯3987的PB和PD值。从图1可见,基础油3987的PB和PD值分别为696 N和1235 N,T306、T307均可不同程度地提高体系的PB和PD值,具有一定的抗承载性能;同时,T307的抗承载性能明显优于T306,当T307的添加质量分数为1.5%时,体系的PB和PD值分别为1323 N和3087 N,抗承载性能显著提高。由此表明,T307在3987中具有优异的极压性能。

图1 多元醇酯3987分别添加不同质量分数T306、T307后的PB和PD值

2.2 磷系极压抗磨添加剂添加量和试验载荷对多元醇酯抗磨性能的影响

2.2.1 磷系极压抗磨添加剂添加量的影响

图2为多元醇酯3987分别添加不同质量分数的T306、T307后的钢球磨斑直径(WSD)。从图2可见,基础油3987的WSD为0.50 mm,当分别添加质量分数0.5%的T306和T307后,WSD分别降至0.32 mm与0.33 mm,说明这2种添加剂在该添加量下均可改善基础油3987的抗磨损性能。对于T306,当添加质量分数为0.5%或2.0%时,其抗磨性能最佳;然而,随着添加量增加,WSD反而增大,变化没有规律性,具体原因还有待于进一步研究。相比而言,含T307体系的WSD随其添加量的增加呈现降低的趋势。由此表明,在所考察范围内,在多元醇酯3987中添加T307比添加T306能获得更优的抗磨损性能,能够更加有效地保护摩擦表面,减小摩擦副表面的磨损。

图2 多元醇酯(3987)添加不同质量分数T306、T307后的钢球磨斑直径(WSD)

2.2.2 试验载荷的影响

图3给出了多元醇酯基础油3987以及分别加入质量分数1.0%T306和T307后钢球磨斑直径(WSD)随试验载荷的变化。从图3可以看出,基础油3987的WSD随试验载荷的增大而急剧增加,从0.28 mm(196 N)增加至0.50 mm(392 N),而在490 N载荷下的实验数据缺失,这是因为3987在该试验条件下发生卡咬。添加质量分数1.0%T306的油样在低载荷下具有较好的抗磨性能,WSD低于基础油的,而当载荷高于294 N时其WSD显著增大,表明高载荷下T306的抗磨作用减弱。然而,添加质量分数1.0%T307油样的WSD随载荷的增大而略有增加,但均低于相同载荷下的基础油和含质量分数1.0%T306油样的,表明T307在3987中具有良好的抗磨作用,可使基础油应用于更宽的载荷范围内。

图3 多元醇酯(3987)添加质量分数1.0%T306、T307后的钢球磨斑直径(WSD)随试验载荷的变化

2.3 磷系极压抗磨添加剂和试验载荷对多元醇酯减摩性能的影响

2.3.1 加入磷系极压抗磨添加剂的影响

图4给出了多元醇酯3987及其添加质量分数1.0%T306、T307后的摩擦系数随时间的变化。从图4可见,基础油3987的摩擦系数较高,在0.084左右,在前10 min摩擦系数较为平稳,此后,随着试验时间的延长,摩擦系数发生剧烈波动,并迅速增大,说明在该试验条件下基础油3987的减摩作用较差;当添加质量分数1.0%T306后,摩擦系数虽然有所减小但减幅不大,在前13 min左右摩擦系数相对平稳,随后发生剧烈波动,摩擦系数猛增,与基础油的摩擦系数接近,这说明T306未能显著改善3987的减摩性能;当添加质量分数1.0%T307后,摩擦系数明显减小,降低至0.058左右,且非常平稳。由此表明,T307对改善3987的减摩性能明显优于T306。

图4 多元醇酯(3987)添加质量分数1.0%T306、T307后摩擦系数随试验时间的变化

2.3.2 试验载荷的影响

图5为多元醇酯3987及其添加质量分数1.0%T306、T307后摩擦系数随试验载荷的变化。从图5可见,随着试验载荷的增大,3个油样的摩擦系数整体呈增大趋势。在低载荷下,添加T306和T307油样的摩擦系数相近,且明显低于基础油3987的摩擦系数,说明低载荷下2种添加剂均具有优异的减摩作用;然而在高载荷下(>294 N),T306的减摩效果变差,摩擦系数迅速增大,392 N时接近于基础油的摩擦系数,而含T307油样的摩擦系数随载荷的增大而略有增加,但增幅很小。因此,T307在整个试验载荷范围内均具有良好的减摩作用,相比T306能够更加有效地改善基础油的减摩性能。与前面所述的抗磨作用随载荷的变化结果基本一致。

图5 多元醇酯(3987)添加质量分数1.0%T306、T307后摩擦系数随试验载荷的变化

2.4 钢球磨损表面分析

图6给出了多元醇酯3987及其添加1.0%质量分数T306、T307后四球试验钢球磨斑的扫描电镜照片。从图6可见,基础油3987润滑下的钢球磨斑的磨痕较深,面积较大,表面有大量粗且深的犁沟,说明出现了连续的擦伤过程。3987+1.0%T306油样润滑下的钢球磨斑大小与基础油的接近,但钢球磨损表面的犁沟和擦伤略有减轻;3987+1.0%T307油样润滑下的钢球磨斑明显小于3987和3987+1.0%T306的,磨痕表面比较光滑平整,磨痕相对较浅。在高倍SEM照片中可观察到,含T307油样的磨损表面存在一定的腐蚀磨损(见图6(f)),这是由于T307分子中的活性元素S和P与钢球表面发生化学作用,很容易对摩擦表面造成一定的化学腐蚀。从图6还可以看出,3987样品与3987+1.0%T306样品的磨损面积相当,而3987+1.0%T307样品的磨损面积较之小一些。

图6 多元醇酯(3987)添加质量分数1.0%T306、T307后四球试验钢球磨损表面SEM照片

图7 3987+1.0%T307油样润滑下钢球磨损表面的XPS谱

3 结 论

(1) 磷系极压抗磨剂T306和T307均可不同程度地改善3987的摩擦学性能,其中T307在3987中具有优异的减摩抗磨以及极压性能,其综合性能优于T306。

(2) 当添加剂添加量越大或试验载荷越高时,T306在3987中表现出较差的减摩抗磨作用,而T307在所考察的添加量或载荷范围内均可有效提高基础油的减摩抗磨以及承载性能。

(3) T307优异的摩擦学性能主要是由于其在摩擦过程中与金属表面发生摩擦化学反应,形成了一层稳定的边界润滑膜,从而起到保护摩擦表面的作用,降低了摩擦表面的磨损。

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Tribological Behaviors of P-Extreme Pressure and Anti-Wear Additives in Ester Base Oil

WU Yanxia1,2, LI Weimin2, WANG Xiaobo2

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China;2.StateKeyLaboratoryofSolidLubrication,LanzhouInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

Tribological properties of polyol ester (3987) with tricresyl phosphate (T306) and ammonium thiophsphonate (T307) as additives were performed by using a four-ball tester. The morphologies and element analysis of the worn surface of steel ball were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and then the tribological mechanism was discussed. The results showed that the two additives could improve the tribological properties of polyol ester in different degrees. In particular, T307 was of the abilities to improve load carrying capacity, anti-wear and friction-reduction properties of 3987 superior to T306 under the same experimental conditions (additive concentration and test load), due to the formation of boundary adsorption films containing elements S, P, N on the rubbing surfaces.

extreme pressure and anti-wear additives; ester oil; tribological properties

2014-08-04

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放课题(LSL-1306)和西北师范大学青年教师科研能力提升计划项目(NWNU-LKQN-14-16)资助

吴燕霞，女，讲师，博士，从事酯类合成润滑油的研发与应用工作；E-mail: wuyx2014@nwnu.edu.cn

1001-8719(2015)05-1122-07

TH117

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.05.014