高堿值合成磺酸鈣對(duì)汽輪機(jī)油摩擦性能的影響

趙俊杰，余波，沈俊杰，歐前

（西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都 610039）

近年來，為了提高汽輪機(jī)油潤(rùn)滑性能，許多學(xué)者研究了磺酸鈣作為添加劑對(duì)潤(rùn)滑作用的影響。益建國(guó)[1]分析了磺酸鈣組分對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦學(xué)性能和理化性能的影響。歐英[2]研究了復(fù)合磺酸鈣基潤(rùn)滑脂的高溫性能、極壓抗磨性能，得出復(fù)合磺酸鈣潤(rùn)滑脂具有優(yōu)異的極壓抗磨性。L. Cizaire[3]等人使用TOFSIMS方法對(duì)高堿值磺酸鈣在摩擦過程中的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高堿值磺酸鈣的晶核會(huì)破碎掉重新結(jié)晶，新形成的摩擦表面膜有著良好的抗磨效果。通過實(shí)驗(yàn)探究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)高堿值合成磺酸鈣對(duì)汽輪機(jī)油摩擦性能的影響，從而確定最優(yōu)配比，以提高汽輪機(jī)油潤(rùn)滑性能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

基礎(chǔ)油為L(zhǎng)-TSA-46B汽輪機(jī)油，購(gòu)自中國(guó)石油天然氣股份有限公司潤(rùn)滑油分公司；SE1231石墨烯RGO-150，購(gòu)自常州第六元素材料科技股份有限公司；分散助劑：高堿值合成磺酸鈣，購(gòu)自盤錦晟億化工有限公司。

1.2 儀器

ESJ200-4B電子天平，沈陽(yáng)龍騰電子有限公司；FSH-2A可調(diào)高速勻質(zhì)機(jī)，常州越新儀器制造有限公司；82-5數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，上海雙捷實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HYB-B潤(rùn)滑油抗磨極壓試驗(yàn)機(jī)，天津遠(yuǎn)恒潔凈機(jī)械設(shè)備廠；MRS-10A微機(jī)控制四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南竟成測(cè)試技術(shù)有限公司；SEM電鏡，日本電子株式會(huì)社。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 分散穩(wěn)定性測(cè)定

分別將0.1 g、0.5 g、1.0 g、1.5 g和2.0 g高堿值合成磺酸鈣加入基礎(chǔ)油中制成50 g潤(rùn)滑油添加劑，高堿值磺酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%。置于恒溫磁力攪拌器，溫度30 ℃，磁力攪拌 10 min；加入RGO-150 0.15 g，磁力攪拌 20 min；置于可調(diào)高速勻質(zhì)機(jī)中，轉(zhuǎn)速12 000 r/min，高速剪切20 min[4-6]，制成潤(rùn)滑油添加劑。將不同高堿值磺酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯添加劑油樣裝在10 mL西林瓶中，放置在同一環(huán)境下，靜置沉淀，分別在1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月后對(duì)各樣品進(jìn)行記錄并觀察。

1.3.2 極壓性測(cè)定

微機(jī)控制四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，3個(gè)鋼球通過油盒緊密固定在一起，呈正三角形于下方，中心正上方通過液壓系統(tǒng)施加荷載在第4個(gè)鋼球，鋼球的接觸點(diǎn)需要完全浸沒在含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)高堿值磺酸鈣的基礎(chǔ)油中，防止發(fā)生干摩現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速1 400 r/min，時(shí)間10 s，通過調(diào)整載荷，并測(cè)量鋼球磨斑直徑。反復(fù)試驗(yàn)，直到測(cè)出滿足評(píng)定指標(biāo)的最大無卡咬負(fù)荷（PB）。

1.3.3 潤(rùn)滑性能測(cè)試

分別將適量含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高堿值磺酸鈣基礎(chǔ)油、RGO-150加入油盒中，刮走從固定螺母壓出的多余試樣。載荷392 N，轉(zhuǎn)速1 200 r/min，摩擦?xí)r間30 min。采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)改性基礎(chǔ)油進(jìn)行長(zhǎng)磨測(cè)試，通過摩擦系數(shù)對(duì)比進(jìn)一步分析摩擦學(xué)性能[7]。

1.3.4 磨斑試驗(yàn)

長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)（30 min）結(jié)束后，鋼球采用石油醚超聲清洗5 min，用SEM電鏡觀察試樣磨損表面形貌，并根據(jù)磨斑直徑長(zhǎng)度以及表面形貌，評(píng)價(jià)其減磨抗磨性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 分散穩(wěn)定性分析

實(shí)驗(yàn)采用沉降法對(duì)改性基礎(chǔ)油進(jìn)行分散穩(wěn)定性分析。沉降法可以真實(shí)地反應(yīng)納米顆粒在液體介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性，且操作簡(jiǎn)便，是目前最常用和最可靠的一種方法。分散穩(wěn)定性好的沉降速度慢，沒有明顯的沉積物。

如圖1所示，5組樣品靜置沉淀1個(gè)月后，樣品均無明顯沉淀；樣品靜置沉淀3個(gè)月后，高堿值合成磺酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%和1.0%實(shí)驗(yàn)組均出現(xiàn)明顯沉淀，其他3組樣品無明顯沉淀；樣品靜置沉淀6個(gè)月后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%的樣品也出現(xiàn)明顯沉淀。高堿值合成磺酸鈣的含量對(duì)RGO在油樣中分散穩(wěn)定性影響作用明顯，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，RGO較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)明顯沉淀，這是因?yàn)榛撬徕}含量不足抑制了RGO表面上含有親油基分散助劑的分散效果；當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，RGO分散穩(wěn)定性也受到了一定的影響[6]。

圖1 高堿值合成磺酸鈣作添加劑的改性基礎(chǔ)油靜置分散情況

2.2 極壓性能分析

由圖2可知，磺酸鈣含量對(duì)改性基礎(chǔ)油最大無卡咬負(fù)荷影響作用十分明顯，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，PB值達(dá)到最大607.2 N，較基礎(chǔ)油PB值提高了47.52%。基礎(chǔ)油本身具有一定的承載能力，高堿值合成磺酸鈣作為添加劑加入時(shí)，油樣的最大無卡咬負(fù)荷明顯升高，說明高堿值合成磺酸鈣的添加能夠有效提升改性基礎(chǔ)油的極壓性能。當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.0%時(shí)，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，改性基礎(chǔ)油最大無卡咬負(fù)荷也不斷增加，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)達(dá)到最高；當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%時(shí)，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，改性基礎(chǔ)油油樣最大無卡咬負(fù)荷在不斷減小，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)，油樣的PB值降至568.4 N。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)改性基礎(chǔ)油PB值

2.3 潤(rùn)滑性能分析

由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2 %的實(shí)驗(yàn)組在測(cè)試最大無卡咬負(fù)荷時(shí)，數(shù)據(jù)不理想，故不進(jìn)行長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)。表1為ROG-150改性基礎(chǔ)油中添加高堿值合成磺酸鈣的摩擦系數(shù)。由表1可知，當(dāng)高堿值合成磺酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，摩擦系數(shù)明顯降低；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.0%時(shí)，摩擦系數(shù)上升超過質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的試驗(yàn)組，說明當(dāng)高堿值合成磺酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定量時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的摩擦行為，減摩抗磨效果明顯變差。

表1 高堿值合成磺酸鈣含量對(duì)ROG-150改性基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)的影響

2.4 磨斑表面分析

如表2所示，長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，觀察樣品的磨斑直徑，可以發(fā)現(xiàn)適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高堿值合成磺酸鈣能在一定程度上減小磨斑直徑，但不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磨斑直徑影響不大，在顯微鏡下，磨斑形貌也沒有明顯的差異。說明在長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)中，其含量不是影響磨斑形貌的主要因素。

表2 長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)后磨斑直徑

因?yàn)楦邏A值合成磺酸鈣和RGO具有同樣的特點(diǎn)，在減摩抗磨作用中與RGO所起作用相似，因此在RGO充分發(fā)揮減摩抗磨的作用下，改變合成磺酸鈣含量不能夠明顯改變減摩抗磨效果。高堿值合成磺酸鈣在潤(rùn)滑油中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，在載荷和高溫的作用下，會(huì)與石墨烯混合顆粒在摩擦副表面燒結(jié)成塊，使納米顆粒成為雜質(zhì)顆粒，增加摩擦副表面間的磨損，最終導(dǎo)致摩擦性能下降。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2%后，摩擦系數(shù)不降反增。最終確定最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。

3 結(jié)論

高堿值合成磺酸鈣的含量變化，對(duì)RGO改性基礎(chǔ)油的PB值有著明顯的影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出其最佳添加量為2.0%，該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的高堿值合成磺酸鈣可提高改性基礎(chǔ)油的PB值，且對(duì)摩擦系數(shù)及磨斑形貌影響并不明顯。