礦物型重負(fù)荷車輛齒輪油GL-5 75W-90的研制

王月慧

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國市場(chǎng)重負(fù)荷車輛齒輪油占主流的級(jí)別依然是GL-5 85W-90，而北美市場(chǎng)85W-90已經(jīng)縮窄到1%，75W-90則占到了35%的份額。兩個(gè)市場(chǎng)間的差異程度與OEM油品發(fā)展階段密切相關(guān)，但是足以預(yù)見中國市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)很大可能將沿襲北美，75W-90黏度級(jí)別具有巨大的市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力[1]。

推動(dòng)75W-90黏度級(jí)別齒輪油增長(zhǎng)的動(dòng)力顯而易見。首先，當(dāng)前司機(jī)對(duì)于換擋舒適性的要求越來越高，低溫流動(dòng)性能對(duì)換擋舒適性有著直接影響，這讓變速箱及主機(jī)廠開始在商用車的手動(dòng)變速箱中引入75W-90；其次，OEM用戶對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的要求也在日益提升，而降低黏度和提升黏度指數(shù)是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的有效手段，相比于85W-90，75W-90這一黏度級(jí)別的齒輪油更適合這些技術(shù)要求。

GB 13895-2018在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容于2019年2月正式生效，主要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 GL-5 75W-90 質(zhì)量指標(biāo)要求

表1(續(xù))

GB 13895-2018增加了GL-5 75W-90黏度級(jí)別，應(yīng)對(duì)市場(chǎng)對(duì)更高性能齒輪油的需求。同時(shí)，GB 13895-2018還增添了20 h KRL剪切穩(wěn)定試驗(yàn)測(cè)試[2]。而目前國內(nèi)市場(chǎng)上剪切不穩(wěn)定的齒輪油非常普遍，據(jù)調(diào)查，市場(chǎng)上16種產(chǎn)品有一半KRL(20 h)剪切后不符合保持同黏度要求。

當(dāng)換油周期延長(zhǎng)到一定程度時(shí)，對(duì)原料的要求也會(huì)更高，這就需要更高性能的基礎(chǔ)油和添加劑來調(diào)配潤(rùn)滑油，以達(dá)到更好的硬件保護(hù)。為滿足市場(chǎng)巨大需求潛力，并充分發(fā)揮泰州石化自產(chǎn)高黏度指數(shù)Ⅱ+和Ⅲ類基礎(chǔ)油的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出礦物型車輛齒輪油GL-5 75W-90，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工業(yè)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 基礎(chǔ)油體系

泰州石化40萬t/a石蠟基潤(rùn)滑油高壓加氫裝置，以三段高壓加氫工藝生產(chǎn)出不同黏度級(jí)別的優(yōu)質(zhì)Ⅱ+和Ⅲ類基礎(chǔ)油[3]，其理化性質(zhì)如表2所示。

表2 泰州石化石蠟基基礎(chǔ)油分析數(shù)據(jù)

由表2可以看出，2cst 、4cst、6cst、8cst黏度指數(shù)均能達(dá)到Ⅲ類油標(biāo)準(zhǔn)，但從閃點(diǎn)來看，2cst閃點(diǎn)過低不利于高溫儲(chǔ)存的安全性，其余基礎(chǔ)油閃點(diǎn)均比較理想。從傾點(diǎn)來看，4cst、6cst作為基礎(chǔ)油組分其低溫性能要優(yōu)于8cst。綜上考慮選擇4cst、6cst作為基礎(chǔ)油組分較為理想。

1.2 黏度指數(shù)改進(jìn)劑篩選

GL-5 75W-90重負(fù)荷齒輪油為四季通用油，雖黏度指數(shù)為報(bào)告值，但市售油品黏度指數(shù)均不低于150，所以需加入一定量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑來改善基礎(chǔ)油的黏溫性能。實(shí)驗(yàn)室選用聚甲基丙烯酸酯(PMA)類黏度指數(shù)改進(jìn)劑A和B，乙烯丙烯共聚物(OCP)類型黏度指數(shù)改進(jìn)劑C。通過考察黏度指數(shù)改進(jìn)劑的增黏效果及剪切安定性，選擇理想黏度指數(shù)改進(jìn)劑[4]，見表3和表4。

表3 黏度指數(shù)改進(jìn)劑評(píng)選試驗(yàn) %

表4 黏度指數(shù)改進(jìn)劑評(píng)選關(guān)鍵性質(zhì)分析

表4(續(xù))

表4數(shù)據(jù)顯示，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度增黏幅度，黏度指數(shù)改進(jìn)劑C性能優(yōu)于A和B。抗剪切性能上，柴油噴嘴剪切30次后，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度損失率分別為5.71%，7.15%，10.07%，從黏度損失率來看，黏度指數(shù)改進(jìn)劑A的損失率最低。從成焦性能來看，都評(píng)級(jí)為2～3級(jí)，焦重尚可接受。綜合各方面考慮，以4cst和6cst為基礎(chǔ)油組分，選擇聚甲基丙烯酸酯(PMA)類黏度指數(shù)改進(jìn)劑A為方案優(yōu)選。

1.3 功能劑篩選

在齒輪油配方中，功能劑主要作用是增強(qiáng)基礎(chǔ)油性能，使油品具有良好的潤(rùn)滑性、抗氧化性、抗磨性、防腐性、防銹性及破乳性，防止齒輪在高溫、高負(fù)荷下出現(xiàn)摩擦、磨損及燒結(jié)等異常狀況[5]。實(shí)驗(yàn)室篩選了三家復(fù)合功能劑，以4cst和6cst基礎(chǔ)油為原料，添加相同劑量(a%)的三種功能劑(見表5)，從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備出發(fā)，篩選出最優(yōu)功能劑(見表6)。

表5 功能劑篩選 %

表6 功能劑篩選關(guān)鍵性分析

方案2、方案3使用的功能劑G1和G2為含硫烯功能劑，方案4功能劑 G3為非硫烯功能劑。根據(jù)表6所示，非硫烯功能劑G3調(diào)合的方案4，其極壓性能267 N級(jí)別未通過。四球磨斑直徑方面，方案1與方案2、方案3、方案4相比，添加功能劑確實(shí)能夠改善磨斑直徑大小。方案2、方案3磨斑均比較理想。銅片腐蝕方面來看，方案4略差，其余方案均比較理想。功能劑在破乳性能方面及旋轉(zhuǎn)氧彈抗氧化方面都表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。考慮到環(huán)保方面的要求，方案3及方案4的氣味較小，方案2氣味略大。綜合考慮，方案3為最優(yōu)方案，含硫烯功能劑G2為最優(yōu)選擇。

1.4 GL-5 75W-90調(diào)合方案篩選(見表7、表8)

表7 GL-5 75W-90調(diào)合方案 %

表8 GL-5 75W-90關(guān)鍵性能分析

由表8可以看出，方案1至5 的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度都在要求范圍內(nèi)，但方案1、方案2、方案4布氏黏度過大，均超過允許最大值150000 mPa·s，只有方案3和5最為理想。研究表明，布氏表觀黏度與后橋齒輪的低溫流動(dòng)性有關(guān)，布氏黏度過低會(huì)影響后橋齒輪的油膜強(qiáng)度，故布氏黏度值并非越低越好。綜合考慮方案5最佳。

1.5 GL-5 75W-90全分析

實(shí)驗(yàn)室確定了基礎(chǔ)油體系以及黏度指數(shù)改進(jìn)劑、復(fù)合添加劑最佳配比后，對(duì)GL-5 75W-90方案進(jìn)行了較為全面的分析。數(shù)據(jù)分析如表9所示。

表9 全數(shù)據(jù)分析

表9(續(xù))

由表9可以看出，75W-90經(jīng)過20 h KRL剪切后100 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度仍在黏度等級(jí)范圍內(nèi)，損失率為4.96%，體現(xiàn)出良好的抗剪切安定性。承載能力測(cè)試以及氧化穩(wěn)定性測(cè)試指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)。考慮到車輛齒輪油使用工況比較苛刻，增加了四球機(jī)試驗(yàn)及Timken試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)考察油品在摩擦磨損及極壓工況下對(duì)設(shè)備的保護(hù)情況，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，均比較理想。與此同時(shí)，該方案油品通過了臺(tái)架L-42抗擦傷試驗(yàn)、L-37承載能力試驗(yàn)、L-33銹蝕試驗(yàn)及L-60熱氧化穩(wěn)定性試驗(yàn)。其各方面性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。所有的指標(biāo)均在控制范圍內(nèi)，油品性能較理想。

2 結(jié)論

(1)以泰州石化高壓加氫石蠟基基礎(chǔ)油為主要原料，篩選合適的黏度指數(shù)改進(jìn)劑及復(fù)合功能劑，可以生產(chǎn)出符合國標(biāo)GB/T 13895-2018 GL-5 75W-90的重負(fù)荷車輛齒輪油。

(2)泰州石化潤(rùn)滑油調(diào)合生產(chǎn)能力約15000 t/a，穩(wěn)定的基礎(chǔ)油供應(yīng)、完備的試驗(yàn)和調(diào)合裝置為本項(xiàng)目將來實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

(3)開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的重負(fù)荷車輛齒輪油產(chǎn)品可以為石蠟基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油尋找出路，提高產(chǎn)品的附加值，在為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也豐富了海疆潤(rùn)滑油的產(chǎn)品種類。同時(shí)，為2020年中建成的10萬t/a的調(diào)合裝置進(jìn)行前期的潤(rùn)滑油產(chǎn)品研制，保證調(diào)合裝置建成后的潤(rùn)滑油生產(chǎn)量。