氮元素对变速箱油性能影响的试验研究

张涵 胡杰

上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心 广西柳州市 545007

1 引言

从元素角度上来看，润滑油中大部分都是C、H元素，少量是N、S、P、Ca、Zn等微量元素。其中，N元素作为润滑油中必不可少的一种重要元素，其含量多少对润滑油性质有着一定的影响。研究表明N元素在摩擦过程中能够有助于形成具有高效抗磨减摩性能的保护膜，也是影响润滑油氧化安定性的重要因素，可以有效减缓活性元素硫对金属表面的腐蚀，同时有些含氮化合物又是很好的油品抗氧化剂。夏延秋等认为含氮化合物作为润滑油添加剂能有效改善润滑油的抗磨减摩性能[1]；冯新泸等通过研究不同功能元素对润滑油高温清净性能的影响，得出氮和磷对油品的高温清净性能的影响较小的结论[2]；邓文安认为含氮化合物对润滑油基础油的光安定性的影响十分显著[3]；Chibber V.K等认为含有活性元素（如N，S等）的杂环化合物及其衍生物具有优异的抗磨性、减摩性、极压性、抗氧化性及抗腐蚀性[4]。从这些学者的研究里面，我们可以看到，润滑油中氮元素对润滑油的性质影响涵盖了各个方面，影响效果也不尽相同。

本文通过测量5款变速箱油N元素含量，并结合SRV摩擦系数试验和电镜扫描试验，分析N元素对变速箱油摩擦磨损性质的影响。

2 变速箱油中氮含量测定

2.1 试验原理

仪器采用化学发光检测原理，样品经高温氧化反应，其中的氮化物定量地转化为NO2.样品气经过膜式干燥器脱去其中的水份，进入反应室。亚稳态的NO在反应室内与来自臭氧发生器的O3反应，转化为激发态的NO2。当激发态的NO2跃迁到基态时发射出光子，光信号由光电倍增管按特定波长检测接收。再以微电流放大、计算机数据处理，即可转换为与光强度成正比的电信号。此化学发光的强度与NO成正比，而NO的生成量又与样品中的总氮含量成正比，故可以通过测定化学发光的强度来测定样品中的的总氮含量。

2.2 试验仪器及工作参数

试验仪器采用的是LECO TN-2000化学发光定氮仪元素分析仪，设定电源AC220V，50HZ，1500W；试验标准采用国家标准GB/T 17674-2012。

图1 LECO TN-2000化学发光定氮仪元素分析仪

2.3 试验油样

本文选取同一牌号的粘度相差不大的5种成品变速箱油进行测试。各油样的理化指标见表1。

2.4 试验结果分析

通过对5种变速箱油N元素含量测定试验，确定了各变速箱油中N元素的含量与所占百分比，试验结果见表2。

由表2可以看出5种变速箱油中；测试油2#的N元素含量最低，占比0.052%；其他4种测试油N元素含量差别相差不大。

3 SRV摩擦磨损试验

3.1 摩擦系数测定原理

SRV摩擦磨损试验是测定材料抵抗磨损能力的一种材料试验，可以用来测定摩擦系数随时间的变化。SRV摩擦磨损试验测定摩擦系数的原理是采用滑动物体的摩擦力与正压力之比，试验过程中控制载荷不变，即正压力不变，通过测定摩擦力随时间的变化来测定摩擦系数。试验仪器如图2所示：

3.2 摩擦系数测定

SRV摩擦磨损实验采用的是行业标准SH/T 0847-2010。试验准备阶段要预热试验机和记录仪15分钟，在试验开始前要控制试验温度为50℃，并在整个试验过程中一直维持此温度，试验载荷控制为300N。试验样件为试验球和试验盘，试验接触形式为点接触。试验数据如图3-7：

表1 润滑油理化性质

表2 氮元素测定试验结果

图2 SRV摩擦系数试验机

对各种润滑油的摩擦系数图可以看出，所有变速箱油开始时的摩擦系数都很大，测试油1#和测试油5#的摩擦系数随着试验进行变化不大，测试油2#的摩擦系数随着试验进行有一定的波动，但波动不大，测试油3#和4#随着试验的进行摩擦系数先减小再增大。

另外，由于开始试验时静摩擦力的影响对摩擦系数的测试油很大的影响，致使所有试验开始阶段的摩擦系数都偏大，因此此时的摩擦系数是不能准确反映润滑油的性质的，所以在进行数据处理是要将0秒时的摩擦系数值舍弃，再对其他测试值求平均值，则最后的结果就能在一定程度上反映润滑油改善摩擦的性质，结果如图8所示：

由图8可以看出，测试油2#的摩擦系数明显高于其他润滑油，且其他4种润滑油的摩擦系数相差不大，且将平均摩擦系数图与润滑油氮元素含量表结合进行分析，可以发现摩擦系数的变化与N元素的变化有着一定的相关性，N元素含量的降低会明显导致摩擦系数的增加，由此我们可以得到N元素在摩擦过程中能有效的起到减摩的作用。

图3 测试油1#摩擦系数

图4 测试油2#摩擦系数

图5 测试油3#摩擦系数

3.3 电镜扫描试验

我们可以通过电镜扫描试验来判断润滑油的防磨损性能，主要判断指标就是试验球和试验盘的磨损情况，也就是试验后的试验球和试验盘的表面形貌，即磨斑直径，电镜扫描照片里的直径为放大一定倍数后的直径，求其实际直径需要除以放大倍数。

图6 测试油4#摩擦系数

图7 测试油5#摩擦系数

图8 5种变速箱油平均摩擦系数

试验仪器是SEM电镜扫描仪，试验过程是将做过SRV摩擦磨损试验的试验球和试验盘用SEM电镜扫描仪进行观察并拍下试验球和试验盘的磨损形貌特征照片，再通过软件测量出照片中磨斑的直径大小，示例如图所示：

图9 试验球表面电镜扫描图

图10 试验盘表面电镜扫描图

5种变速箱润滑油的实验球和试验盘的磨斑直径如表3：

由图可以看到，测试油2#的磨斑直径最大，且对比分析磨斑平均直径和润滑油的平均摩擦系数，我们可以发现两者的趋势基本保持一致，由此说明随着摩擦力的增大，磨损也会加剧，摩擦和磨损具有正相关的关系；与N元素含量图进行对比分析，发现测试油2#的N元素含量最低，其试验样件的磨损也最严重，其他4种测试油的磨损相差不大，所以我们可以得到N元素含量的减少会导致摩擦副磨损加剧。

表3 电镜扫描试验结果

图11 5种变速箱油平均磨斑直径

4 结语

（1）由SRV摩擦磨损试验可以得到变速箱油N元素含量的降低会导致润滑油摩擦系数的增加。

（2）由电镜扫描试验可以得到变速箱油N元素含量的降低会导致摩擦副磨损加剧。