非硫磷型添加劑在聚脲基潤滑脂中的摩擦學性能

曹正鋒，夏延秋

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

非硫磷型添加劑在聚脲基潤滑脂中的摩擦學性能

曹正鋒，夏延秋

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

以聚α烯烴(PAO40)合成油為基礎油，制備了聚脲潤滑脂，研究了硫化烯烴棉籽油和兩種無硫磷型有機鎢和有機鉬添加劑對聚脲潤滑脂性能的影響。利用往復摩擦磨損試驗機分別考察了硫化烯烴棉籽油、有機鎢和有機鉬在鋼-銅摩擦副條件下對聚脲潤滑脂摩擦磨損性能的影響，用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)觀察并分析了銅磨斑表面形貌和磨斑表面主要化學元素組成，考察了3種添加劑對聚脲潤滑脂銅片腐蝕的影響。結果表明：PAO型聚脲潤滑脂對無硫磷型有機鎢和有機鉬添加劑的感受性好于硫化烯烴棉籽油，其中以有機鎢效果最優，當添加量(w)為2.0%時，摩擦因數和磨痕寬度最小；含有無硫磷型添加劑的潤滑脂對銅片的腐蝕也較輕。

非硫磷型添加劑 聚脲潤滑脂 摩擦磨損 有機鎢 有機鉬

聚脲潤滑脂是一種非皂基潤滑脂，其不含金屬離子，避免了皂基稠化劑中金屬離子對潤滑脂基礎油的催化氧化作用，具有滴點高、熱穩定性好、抗氧化性強、抗水性突出等特點，得到了廣泛的應用[1-3]。但以異氰酸酯和有機胺反應，稠化聚α烯烴(PAO)制得的聚脲潤滑脂對添加劑的感受性較差。因此PAO型聚脲潤滑脂的摩擦學性能并不理想[4-5]。

為保證設備正常運轉，減少摩擦磨損和延長設備使用壽命，對聚脲潤滑脂的性能提出了更嚴格的要求，因此，研究者不斷尋找合適的添加劑來提高聚脲潤滑脂的摩擦學性能。傳統含硫添加劑雖然能較好地改善聚脲潤滑脂的摩擦磨損性能，但卻存在腐蝕、環保等方面的問題[6]，低硫磷甚至無硫磷添加劑將是重要的發展方向。張遂心等[7]的研究發現，硼酸鹽能顯著提高聚脲潤滑脂的極壓性能，同時具有良好的抗磨損性能。程亞洲等[8]將MoS2納米片作為脲基潤滑脂添加劑，發現具有良好的減摩抗磨作用。Baum[9]發現磷酸鹽、亞磷酸鹽、硫代氨基甲酸鹽均能提高聚脲潤滑脂的極壓抗磨性能。但研究表明，含硼化合物、有機金屬化合物等低硫、含磷的極壓抗磨劑均存在減摩、抗氧化、抗水解、分散性不足的問題，不能完全替代傳統的含硫、磷添加劑[10-11]。非硫磷型有機鎢和有機鉬是性能良好的減摩抗磨添加劑，但其作為聚脲潤滑脂添加劑還未見報道。本研究以聚α烯烴基礎油(PAO40)為基礎油制備聚脲潤滑脂，考察聚脲潤滑脂對兩種非硫磷型有機鎢和有機鉬添加劑的感受性，并以硫化烯烴棉籽油作為對比添加劑，研究聚脲潤滑脂的摩擦學性能。

1 實 驗

1.1 聚脲潤滑脂的制備

1.1.1 主要實驗設備與原料 設備：可變速調溫油浴機械攪拌器，天平，溫度計，三輥研磨機。

原料：PAO40，二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)，十八胺，己二胺。

1.1.2 制備工藝 聚脲潤滑脂是以有機胺和異氰酸酯的反應產物聚脲作為稠化劑，稠化基礎油而制成的。實驗工藝流程如圖1所示。

圖1 聚脲潤滑脂制備工藝流程示意

1.2 聚脲潤滑脂實驗條件

將非硫磷型有機鎢(VANLUBETMW324)和有機鉬(MOLYVAN855)及硫化烯烴棉籽油(T405A)3種添加劑分別加入到制得的PAO型聚脲潤滑脂中，添加質量分數分別為1.0%，1.5%，2.0%，2.5%。選用中國科學院固體潤滑國家重點實驗室研制的MFT-R4000高速往復摩擦磨損試驗機進行減摩抗磨性能評價。在室溫條件下，摩擦副采用鋼-銅球盤接觸，頻率5 Hz，試驗時間30 min，實驗鋼球為AISI52100鋼(0.95～1.05C，0.15～0.35Si，0.20～0.40Mn，1.30～1.65Cr，0.027P，其余為鐵)，鋼球直徑5 mm，硬度為7.05～7.57 GPa。底盤為銅塊(0.03～0.35P，5.5～7.0Sn，其余為銅)，尺寸是Φ24 mm×7.8 mm，硬度2.65～2.76 GPa，銅塊在實驗前被拋光，表面粗糙度為0.05 μm。試件實驗前后用丙酮超聲清洗10 min，將含有不同添加劑的聚脲潤滑脂涂抹在摩擦副之間，摩擦系數由計算機自動記錄保存。采用北京冠測靜電儀器設備有限公司生產的GEST-121測量潤滑脂體積電阻率。摩擦學試驗結束后，采用光學顯微鏡測量磨痕寬度，采用掃描電子顯微鏡(SEM，EVO-18，ZEISS)和能譜儀(EDS)觀察并分析銅盤磨斑表面形貌和磨斑表面主要化學元素組成。

2 結果與討論

2.1 添加劑含量對聚脲潤滑脂摩擦學性能的影響

圖2為聚脲潤滑脂添加3種不同含量的添加劑時，在載荷30 N、頻率5 Hz條件下的平均摩擦因數(COF)和磨痕寬度。由圖2可以看出，當3種添加劑質量分數均為2.0%時(分別記為PAO+W324、PAO+855和PAO+T405A)，PAO型聚脲潤滑脂均具有良好的減摩性能，磨痕寬度較小，抗磨性能較好。為了使PAO型聚脲潤滑脂具有優異的摩擦磨損性能，以下3種添加劑的質量分數均為2.0%。

圖2 添加劑含量不同時的摩擦因數和磨痕寬度■—W324； ●—855； ▲—T405A

2.2 添加劑對聚脲潤滑脂理化性能的影響

表1為實驗室制備的4種聚脲潤滑脂的理化性能參數。由表1可以看出：含有添加劑的3種聚脲潤滑脂的滴點和錐入度均比基礎脂大，體積電阻率均比基礎脂小；PAO+855潤滑脂的銅片抗腐蝕能力最好，基礎脂和PAO+W324銅片抗腐蝕能力相當，而PAO+T405A潤滑脂由于含有硫、磷元素，其銅片抗腐蝕能力較差。

表1 聚脲潤滑脂的理化性能參數

2.3 載荷對聚脲潤滑脂摩擦學性能的影響

圖3為鋼-銅摩擦副分別用PAO基礎脂、PAO+W324、PAO+855和PAO+T405A潤滑時，頻率為5 Hz、變載荷條件下的平均摩擦因數和磨痕寬度。由圖3可以看出：在不同載荷條件下，含3種添加劑聚脲潤滑脂條件下的摩擦因數均小于基礎脂，表明3種添加劑均能改善基礎脂的減摩性能，其中以W324效果最優；兩種無硫磷型添加劑在不同載荷下均具有優異的減摩性能，而T405A在大載荷下對減摩性能的改善作用有限；3種添加劑均能使磨痕寬度減小，兩種無硫磷型添加劑在改善PAO聚脲潤滑脂抗磨性能方面效果相當。

■—基礎脂； ●—PAO+W324； ▲—PAO+855；圖4a同

圖3 不同載荷下的摩擦因數和磨痕寬度■—基礎脂； ■—PAO+W324； ■—PAO+855；■—PAO+T405A。 圖4b同

2.4 頻率對聚脲潤滑脂摩擦學性能的影響

圖4為鋼-銅摩擦副分別用PAO基礎脂、PAO+W324、PAO+855和PAO+T405A潤滑時，在載荷40 N、變頻率條件下的平均摩擦因數和磨痕寬度。由圖4可以看出：在不同頻率下，含有W324和855添加劑的聚脲潤滑脂條件下的摩擦因數比基礎脂小，表明兩種無硫磷添加劑均具有較好的減摩效果；PAO+W324和PAO+855潤滑下的磨痕寬度均比基礎脂小，表明W324和855均可在一定程度上改善PAO聚脲潤滑脂的抗磨性能。

圖4 不同頻率下的摩擦因數和磨痕寬度

2.5 摩擦表面分析

為了研究添加劑的抗磨作用機理，在載荷60 N、頻率5 Hz條件下，將PAO型聚脲基礎脂與加入了3種添加劑的潤滑脂潤滑下的銅塊磨痕表面形貌進行對比分析，結果如圖5所示。由圖5可以看出：基礎脂潤滑下磨痕表面比較粗糙，有明顯的犁溝和少量的黏著磨損；加入W324添加劑后，磨損表面除犁溝外，沒有黏著等表面損傷；加入855添加劑后，磨痕表面出現犁溝，沒有黏著等表面損傷；加入T405A后，磨痕表面有點蝕坑出現和犁溝。表明含有W324和855添加劑的聚脲潤滑脂具有優異的摩擦學性能，這與前述的減摩性能一致。

圖5 4種潤滑脂條件下的銅塊磨痕表面SEM形貌

由于摩擦表面形成的摩擦反應膜起到了關鍵的減摩抗磨作用，所以分析磨痕表面元素組成十分必要。圖6是分別在基礎脂、PAO+W324、PAO+855和PAO+T405A潤滑下的磨痕表面EDS能譜，表面元素組成見表2。由表2可以看出：與基礎脂潤滑下的磨痕表面元素組成相比，PAO+W324潤滑下的磨痕表面多出了鎢元素，并且碳的含量增加，說明在添加W324添加劑后，鎢元素和碳元素能夠在摩擦過程中沉積到磨痕表面，形成一層具有減摩抗磨作用的保護膜，起到較好的減摩抗磨作用[12]；PAO+855潤滑下的磨痕表面多出了鉬元素，并且碳的含量也有所增加，在載荷和剪切力作用下，這些元素在摩擦表面發生了摩擦化學反應形成有機鉬配位的化合物形成化學吸附膜，起到減摩抗磨作用[13]；PAO+T405A潤滑下的磨痕表面多出了硫、磷元素，這些活性較強的元素能夠牢固地吸附在金屬表面形成保護膜，但隨著實驗的進行，摩擦區域溫度升高，在這種情況下硫會和銅反應生成硫化銅，由于硫化銅具有低的剪切強度而容易被磨掉，這些磨屑會在一定程度上加劇磨損和對銅的腐蝕，從圖5(d)可以看出明顯的犁溝和少量點蝕。因此，通常不會選擇含硫添加劑[14-15]。

圖6 銅塊的表面能譜

元素摩爾分數,%基礎脂PAO+W324PAO+855PAO+T405AC5.375.835.435.23Sn4.294.744.724.70Cu90.3489.4089.6590.02W—0.03——Mo——0.21—S———0.03P———0.02

3 結 論

PAO型聚脲潤滑脂對W324和855添加劑的感受性好于T405A，并且對銅的腐蝕也較輕。當W324和855添加量(w)為2.0%時，摩擦因數和磨痕寬度最小；W324和855能夠在摩擦表面形成有效的潤滑薄膜，保護摩擦表面，起到減摩抗磨的作用。

[1] Washo M.Prictional characteristics of greased rolling contact bearing[J].NLGI Spokesman，1994(11)：456-462

[2] 姚立丹，楊海寧，王平.脲基潤滑脂的研究與應用[J].石油煉制與化工，2006，37(2)：52-56

[3] 郭小川，蔣明俊，施航，等.預制稠化劑法制備聚脲潤滑脂的研究[J].石油煉制與化工，2012，43(2)：71-75

[4] 馬麗，何少飛.聚脲潤滑脂復合添加劑的研制[J].合成潤滑材料，2009，36(1)：15-16

[5] 劉磊，孫洪偉.聚脲潤滑脂的研究進展[J].化工進展，2009，28(1)：51-54

[6] 歐陽平，陳國需，李華峰.傳統潤滑油抗磨劑的研究趨勢[J].潤滑與密封，2006，31(6)：165-167

[7] 張遂心，王曉波，趙改青，等.硼酸鹽在聚脲潤滑脂中摩擦學性能的研究[J].潤滑與密封，2010，35(11)：77-81

[8] 程亞洲，徐玉福，胡獻國，等.脲基潤滑脂中MoS2納米片的摩擦學性能[J].石油學報(石油加工)，2011，27(S)：59-63

[9] Baum M W.High viscosity index PAO with polyurea thickeners in grease compositions：The United States，US20090247441A1[P].2009-02-13

[10]Xiong Chunhua，Mi Hongying，Feng Qiang，et al.Comparative studies on low noise greases operating under high temperature oxidation conditions[J].China Petroleum Processing and Petrochemical Technology，2014，16(4)：100-106

[11]石琛，毛大恒，盛麗萍.二辛基二硫代氨基甲酸鎢的抗磨性和作用機理[J].石油學報(石油加工)，2009，25(6)：812-818

[12]李星亮，岳文，王成彪，等.無硫磷有機鎢添加劑作用下離子滲氮軸承鋼的摩擦學性能[J].石油學報(石油加工)，2012，28(2)：338-344

[13]夏迪，陳國需，程鵬，等.二烷基二硫代氨基甲酸鉬在鋰基潤滑脂中的摩擦學性能[J].石油煉制與化工，2015，46(5)：88-92

[14]王欣，馮強，李興林，等.輕載荷條件下潤滑脂對軸承壽命影響因素探討[J].石油煉制與化工，2015，46(9)：75-79

[15]歐陽平，陳國需.新型無硫磷含氮雜環潤滑添加劑的制備及其抗磨減摩性能[J].石油學報(石油加工)，2010，26(S)：491-496

TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF PHOSPHORUS AND SULFUR-FREE ADDITIVES IN POLYUREA GREASE

Cao Zhengfeng， Xia Yanqiu

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206)

Poly α-olefin was used as a base oil to prepare polyurea grease. The properties of phosphorus and sulfur-free organic tungsten and organic molybdenum， sulfurized olefin cotton seed oil additives in polyurea grease were studied on friction pair of copper disc and steel ball. The reciprocating friction and wear tester was used to evaluate the tribological properties. Scanning electron microscope (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were employed to analyze the worn surfaces of copper. The copper strip tests were also investigated in this article. The results show that the polyurea greases prepared with phosphorus and sulfur-free organic tungsten and organic molybdenum have excellent tribological properties. Among of the additives tested， the organic tungsten is the best， and the results are better than that of the sulfurized olefin cotton seed oil additive. When the contents of three additives are 2.0%， the friction coefficient and wear width are all the lowest. The corrosion on copper of lubricating greases with phosphorus and sulfur-free additive is lower.

phosphorus and sulfur-free additives； polyurea grease； friction and wear； organic tungsten； organic molybdenum

2015-06-15； 修改稿收到日期： 2015-08-25。

曹正鋒，碩士研究生，從事潤滑脂的研制與減摩抗磨機理研究工作。

夏延秋，E-mail：xiayq@ncepu.edu.cn。

留學回國科研啟動基金資助。