氨基甲酸钼复合石墨烯对内燃机油抗磨性的研究

陈 思，鲁子善，王 瑜，宋应金*，王茜昆，庞欣雨

（1.哈尔滨商业大学，黑龙江 哈尔滨150076；2.哈尔滨石油学院，黑龙江 哈尔滨150076；3.广东以色列理工学院，广东 汕头515063）

引 言

有研究表明，润滑油经常会进入发动机气缸内，并在发动机运行过程中参与燃烧，因此，发动机内润滑油的消耗会造成大量的颗粒污染物排放[1,2]。为了减少环境污染，所以对润滑油的品质有了更高的要求。

有机钼类化合物的润滑性能良好，在近年来受到了润滑油脂添加剂行业的广泛关注。含油溶性有机钼的润滑油在内燃机各机械部件运动中展现出了优良的抗磨减磨作用，大幅提升了燃油的经济性，并对延长发动机工作寿命有帮助。其中，第三代有机钼化合物二烷基二硫代氨基甲酸钼（MoDTC）效果尤为显著[3～5]。

苯三唑脂肪酸胺盐类化合物具有极好的防腐、防锈、油性抗氧及一定的抗磨性，将其添入天然矿物油和润滑油中，用作防锈剂、抗氧剂、金属钝化剂、减磨剂、防腐剂等，可取得很好的效果[6～8]。

在润滑性能方面，厚度薄、机械强度高、层间剪切力低且具有良好稳定性的石墨烯材料，被广泛用于解决摩擦极力研究等问题中[9,10]。此次实验研究将二烷基二硫代氨基甲酸钼（MoDTC）、苯三唑和石墨烯进行复合，探究其对润滑油抗磨性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验设备及试剂

设备：实验发动机采用上柴SC7H250Q6，6 缸直列、高压共轨、DOC+DPF+SCR+ASC，发动机具体参数见表1；过滤设备、离心设备、超声分散系统、搅拌加热设备、四球极压实验机、钢球（材质GCr15，直径

12.77mm）、直读铁谱仪、原子发射光谱仪。

试剂：二烷基二硫代氨基甲酸钼（MoDTC）、苯三唑衍生物、改性石墨烯、MVI500 基础油、石油醚（90～120℃）、15W/50CH-4、5W/30CH-4（含三元复合剂）。

表1 发动机参数Table 1 The engine parameters

1.2 实验方法

选取氨基甲酸钼母液0.25%，0.5%，0.75%，1%，1.25%体积分数；苯三唑母液0.05%，0.15%，0.25%，0.35%，0.45%体积分数，根据GB/T 3142-1982《润滑剂承载能力的测定四球法》中规定的方法和技术要求进行试验，探究抗磨单剂的抗磨效果；探究氨基甲酸钼和氨基甲酸钼与苯三唑的最佳配比，再选取最佳配比后与石墨烯进行三元复合，探究其复合后的抗磨效果。并将上述三元复合抗磨剂加入到5W/30CH-4 柴油机油和15W/40CH-4 柴油机油中进行台架试验，研究复合抗磨剂对柴油发动机节能效果的影响。

2 结果与讨论

2.1 氨基甲酸钼质量分数

选取氨基甲酸钼0.25%，0.5%，0.75%，1%，1.25%质量分数并进行实验测试，氨基甲酸钼单组分抗磨性如表2 所示。

表2 单组分氨基甲酸钼抗磨效果Table 2 The anti-wear effect of molybdenum carbamate

12h 相容性实验结果表明，基础油与添加剂表现出了良好的相容性。由表2 和图1 可知，随着氨基甲酸钼质量分数的增加，磨痕直径逐渐减小，因氨基甲酸钼市场价格较高，1.25%为极限添加量，继续增加含量影响产品经济性，根据上述实验综合实际性和经济性判断添加量为1.25%时效果较好。

图1 单组分氨基甲酸钼抗磨效果Fig.1 The anti-wear effect of molybdenum carbamate

2.2 苯三唑质量分数

选取苯三唑0.05%，0.15%，0.25%，0.35%，0.45%质量分数进行实验，苯三唑单组分抗磨性如表3 所示。

表3 单组分苯三唑抗磨效果Table 3 The antiwear effect of benzotriazole

图2 单组分苯三唑抗磨效果Fig.2 The antiwear effect of benzotriazole

经过12h 相容性实验，基础油与添加剂表现出良好的相容性。由表3 和图2 可知，随着苯三唑质量分数的增加，磨痕直径有所改变。

上述实验结果表明，随着氨基甲酸钼质量分数的增加，磨痕直径逐渐减小；随着苯三唑质量分数的增加，磨痕直径有所改变。说明单组分氨基甲酸钼有很好的抗磨效果，单组分苯三唑也具有一定抗磨效果。在此之上，选用不同质量分数的氨基甲酸钼与苯三唑进行复合，并探究其复合效应，选取上述实验后得出效果最好的添加剂量进行复合。根据GB/T3142-1982 润滑剂承载能力测定法进行四球法实验，选取最佳配比。

2.3 氨基甲酸钼与0.05%苯三唑进行复合

因苯三唑市场价格较高，根据上述实验综合实际性和经济性判断，选取添加量0.05%苯三唑。

表4 氨基甲酸钼与0.05%苯三唑复合抗磨效果Table 4 The antiwear effect of molybdenum carbamate and 0.05% benzotriazole composite

图3 氨基甲酸钼与0.05%苯三唑复合抗磨效果Fig.3 The antiwear effect of molybdenum carbamate and 0.05%benzotriazole composite

12h 相容性实验结果表明，基础油与添加剂表现出了良好的相容性。

由表4 和图3 可知，0.05%苯三唑与氨基甲酸钼复合，抗磨效果最好的是1.25%氨基甲酸钼和0.05%苯三唑复合。且复合后钢球磨痕直径明显小于单剂的磨痕直径。

综合上述实验结果，复合抗磨剂的抗磨效果明显要好于单剂的抗磨效果，且氨基甲酸钼（MoDTC）与0.05%苯三唑复合的抗磨效果较优。

2.4 石墨烯与1.25%氨基甲酸钼（MoDTC）与0.05%苯三唑复合

石墨烯是世界上最薄、最坚硬的纳米材料，石墨烯具备固体润滑剂的一些基本属性，并且具有较好的自润滑性。将二元复合效果最好的1.25%氨基甲酸钼（MoDTC）与0.05%苯三唑和不同含量的石墨烯进行三元复合，选取石墨烯0.025%，0.035%，0.045%，0.055%，0.065%进行实验，探究其抗磨效果，抗磨性见表5。

经过12h 相容性实验，基础油与添加剂表现出良好的相容性。

表5 1.25%氨基甲酸钼（MoDTC）与0.05%苯三唑与石墨烯复合抗磨效果Table 5 The antiwear effect of 1.25% molybdenum carbamate（MoDTC）and 0.05% benzotriazole and graphene composite

图4 1.25%氨基甲酸钼（MoDTC）与0.05%苯三唑与石墨烯复合抗磨效果Fig.4 The antiwear effect of 1.25% molybdenum carbamate（MoDTC）and 0.05% benzotriazole and graphene composite

由表5 和图4 可知，加入石墨烯之后，四球实验中钢球的磨痕直径改变并不明显，暂无法证明加入石墨烯后的三元复合抗磨效果要明显优于未加入石墨烯二元复合的抗磨效果，需开展进一步实验论证。

2.5 直读铁谱、元素光谱分析

采用上柴SC7H250Q6 发动机分别对5W/30CH-4 柴油机润滑油（含二元复合剂），以下简称柴油机油、5W/30CH-4 柴油机油（含三元复合剂）和15W/50CH-4（空白）柴油机油进行13 工况程序运行500h 的台架实验评定对比；每100h 取一次在用润滑油，使用铁谱仪及发射光谱仪对磨损颗粒的磨损量、形态、主要摩擦副材料的元素分布情况进行测定，并对柴油机油消耗量进行综合评价。实验各项结果如以下图表所示。

表6 5W/30CH-4 柴油机油（含二元复合剂）直读铁谱数据Table 6 The direct reading ferrographic data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including binary compounding agent）

表7 5W/30CH-4 柴油机油（含三元复合剂）直读铁谱数据Table 7 The direct reading ferrographic data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including ternary compounding agent）

表8 15W/50CH-4 柴油机油（空白）直读铁谱数据Table 8 The direct reading ferrographic data of 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

图5 5W/30CH-4 柴油机油（含二元或或三元复合剂）和15W/50CH-4 柴油机油（空白）直读铁谱数据图Fig.5 The direct reading ferrograph data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including binary or ternary compounding agent）and 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

由表6、表7、表8 和图5 可知，在台架实验中加入石墨烯后的三元复合抗磨效果被证明要明显优于未加入石墨烯二元复合的抗磨效果。

直读铁谱分析的结果显示：运行时间增加，总磨损水平正常稳定增加；通过对比图5 可得出5W/30CH-4 柴油机润滑油（以下简称柴油机油，含三元复合剂）和15W/50CH-4 柴油机油（空白）的磨损水平相差较大。发射光谱元素分析结果显示：台架实验中各时段的样品中金属元素含量呈稳定增加态势，无异常磨损元素急剧增加的情况出现，摩擦副运行状态正常。通过对比表9 与图6 可知，引入石墨烯后，金属元素如Fe、Cu 等有所下降，表明石墨烯对降低磨损有明显效果。通过对比图8 和图9 可得：5W/30CH-4 柴油机油（含三元复合剂）和15W/50CH-4 柴油机油（空白）在500h 台架实验过程中的在用润滑油中磨屑的金属含量相近。结果证明实验成功达到了将柴油机油从15W/50 黏度等级降低至5W/30 的目的，且磨损水平几乎不变；即相同磨损条件下，引入复合剂后，使低黏度等级柴油机油（5W/30） 成功替代高黏度等级柴油机油（15W/50）成为可能，从而实现节能目的。

表9 5W/30CH-4 柴油机油（含二元复合剂）光谱元素分析Table 9 The spectral element analysis of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including binary compounding agent）

图6 5W/30CH-4 柴油机油（含二元复合剂）光谱元素分析数据图Fig.6 The diagram of spectral element analysis data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including binary compounding agent）

表10 5W/30CH-4 柴油机油（含三元复合剂）光谱元素分析Table 10 The spectral element analysis of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including ternary compounding agent）

图8 5W/30CH-4 柴油机油（含三元复合剂）光谱元素分析数据图Fig.8 The diagram of spectral element analysis data of 5W/30CH-4 diesel engine oil（including ternary compounding agent）

表11 15W/50CH-4 柴油机油（空白）光谱元素分析Table 11 The spectral element analysis of 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

图9 15W/50CH-4 柴油机油（空白）光谱元素分析数据图Fig.9 The diagram of spectral element analysis data of 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

2.6 加入复合抗磨剂成品油与未加入复合抗磨剂成品油比较

向5W/30CH-4 柴油机油中加入1.25%氨基甲酸钼（MoDTC），0.05%苯三唑与0.045%石墨烯复合抗磨剂；15W/50CH-4 柴油机油中不添加复合抗磨剂进行对比实验；典型数据结果如表12 所示。

由表12 可得出，钢球在加入了复合抗磨剂的5W/30CH-4 柴油机油中其磨痕直径略小于在未加复合抗磨剂的15W/40CH-4 柴油机油中的磨痕直径。

表12 5W/30CH-4 柴油机油（含复合剂）和15W/50CH-4 柴油机油（空白）的比较Table 12 The comparison between the 5W/30CH-4 diesel engine oil（including compounding agent）and 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

在成品油中含有清净分散剂，例如：烷基水杨酸盐类、磺酸盐类和聚异丁烯丁二酰胺等。它们会与抗磨剂产生“竞争吸附”即所谓添加剂之间的“对抗效应”，使成品油（含三元复合剂）较比与基础油（含三元复合剂）的抗磨性略微有所下降，但仍然优于空白试样。

2.7 油耗测试

表13 5W/30CH-4（含三元复合剂）柴油机油和15W/50CH-4（空白）柴油机油油耗对比Table 13 The fuel consumption comparison between the 5W/30CH-4 diesel engine oil（including ternary compounding agent）and 15W/50CH-4 diesel engine oil（control group）

由表13 可知，5W/30CH-4 柴油机油（含三元复合剂）相比于15W/50CH-4 柴油机油（空白）消耗的油量更少，节油率为3.61%。

3 结 论

（1）二元复合的抗磨剂的抗磨效果要好于单剂的抗磨效果，抗磨效果较好的是1.25%氨基甲酸钼和0.05%苯三唑复合。

（2）通过直读铁谱与光谱分析结果可表明，加入石墨烯后的三元复合剂抗磨效果优于二元复合剂抗磨效果。

（3）5W/30CH-4 柴油机油（含三元复合剂）的抗磨效果优于15W/50CH-4 柴油机油（空白）的抗磨效果，降低黏度等级成为可能，引入三元复合剂并降低黏度等级后节油率可达3.61%，可有效节能降耗。

本文通过实验证明加入了三元复合剂的5W/30CH-4 柴油机油的抗磨效果好于15W/50CH-4 柴油机油。柴油发动机的摩擦功的消耗主要在于润滑油的内摩擦，15W/50CH-4 柴油机油相比较于5W/30CH-4 柴油机油，前者黏度大、油膜厚；油膜越厚、黏度越大，燃料的消耗量也就越大。所以使用加入了三元复合剂的5W/30CH-4 柴油机油可以降低柴油机黏度，使油膜变薄，减小柴油发动机的磨损，减少柴油机的油耗。三元复合抗磨剂可从节省油耗方面达到节能减排、保护环境的目的，建议该三元复合剂作为柴油机润滑油补加剂的一种新产品，推广使用。