KM型抗磨添加劑對鋼-鋼摩擦副的摩擦磨損的影響

2021-11-18 07:52:52林建輝王炳軒魏立隊(duì)

船舶與海洋工程 2021年5期

林建輝，張龍，王炳軒，魏立隊(duì)

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司, 天津 300452；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院, 上海 201306)

0 引言

機(jī)械磨損是影響內(nèi)燃機(jī)的工作可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素之一，對于使用劣質(zhì)重油的船用柴油機(jī)，該因素的影響更為突出。近年來，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，研究使用更加節(jié)能、環(huán)保、低摩擦、低磨損的潤滑油添加劑變得極為緊迫。韓德寶等[1]采用金屬陶瓷添加劑，對船舶主機(jī)汽缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了研究；朱公志等[2]采用羥基硅酸鎂復(fù)合粉體作為潤滑油添加劑，對鋼-鋼摩擦副的抗磨自修復(fù)機(jī)理進(jìn)行了探索；ANANDA等[3]采用離子液體作為添加劑，對柴油機(jī)進(jìn)行了新舊滑油試驗(yàn)；MOHAMED等[4]采用Al2O3和TiO2納米材料作為添加劑，對車用柴油機(jī)潤滑油進(jìn)行了試驗(yàn)；張宇等[5]和付景國等[6]采用羥基硅酸鎂和MoDTC、石墨烯與ZDDP復(fù)合添加劑，對內(nèi)燃機(jī)潤滑油的抗磨特性進(jìn)行了研究。由于存在加入滑油難、易團(tuán)聚和納米微粒與修飾劑的作用機(jī)理尚不明確等問題，這些研究多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段[7]。對于其他添加劑，或因單一添加劑的綜合性能稍差，或因環(huán)保問題，給內(nèi)燃機(jī)潤滑帶來了很大的挑戰(zhàn)。KM型添加劑是含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)的抗磨性型添加劑，具有抗氧化性、抗腐蝕性、抗摩擦性和高熱穩(wěn)定性，且因低硫和低磷而具有良好的環(huán)保性，因此其在滿足機(jī)械設(shè)備潤滑和環(huán)境保護(hù)要求方面具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景[8-10]。此外，對于長時(shí)間使用的在用潤滑油，因其潤滑性能較差，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備磨損加快、成本增加，而目前有關(guān)在用油添加劑的研究較少，這也是本文研究的另一個(gè)方向。

1 試驗(yàn)部分

1.1 研究對象

KM型添加劑是一種無毒、無異味、低灰分的抗磨型、環(huán)保型添加劑，其主要元素的質(zhì)量比見表1。參照油為Castrol SL 15W-50，以下簡稱參照組。向該潤滑油中加入5%(體積分?jǐn)?shù))KM添加劑，將其作為試驗(yàn)油，以下簡稱試驗(yàn)組。

表1 KM型添加劑主要元素的質(zhì)量比

1.2 試驗(yàn)儀器

采用Bruker UMT-TriboLab多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(見圖1)，通過更換下部工作臺進(jìn)行四球摩擦磨損、旋轉(zhuǎn)盤-銷式摩擦磨損和往復(fù)板-銷式摩擦磨損試驗(yàn)。

圖1 Bruker UMT-TriboLab多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

1)在四球摩擦磨損試驗(yàn)中，采用直徑φ12.7 mm、硬度HRC64～66的標(biāo)準(zhǔn)GGr15鋼球，試驗(yàn)過程依照SH/T 0189—1992標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[11]。

2)在旋轉(zhuǎn)盤-銷式摩擦磨損試驗(yàn)中，下試樣盤直徑為70 mm、厚度為3 mm、材質(zhì)為硬度HV220的AINSI E52100鋼；上試樣銷直徑為12.7 mm、厚度為8 mm、材質(zhì)為硬度HV400的416不銹鋼。試驗(yàn)中，上式樣銷緩緩對下試樣的鋼盤施加260 N的載荷，以900 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)盤，持續(xù)20 h。

3)在往復(fù)板-銷式摩擦磨損試驗(yàn)中，下試樣板為Gr15鋼，上試樣銷為普通灰口鑄鐵HT250，在銷子上施加480 N恒定載荷，其往復(fù)頻率為4 Hz，持續(xù)時(shí)間為12 h，環(huán)境溫度為75 ℃。

1.3 測試儀器

測試儀器主要有Bruker Contour GT三維輪廓儀、RA200型粗糙度儀、SPECTROGENESIS ICP等離子光譜儀、Olympus BX-RLA2顯微鏡和AR224CN型電子天平等。

2 結(jié)果與討論

2.1 四球摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)グ?/h3>
圖2為四球機(jī)下部三球磨斑直徑對比，參照組與試驗(yàn)組基本持平。圖3和圖4分別為參照組和試驗(yàn)組的四球磨斑顯微鏡形貌。顯然，試驗(yàn)組下部小球磨斑變色部分面積小，變色程度淺，而參照組磨痕發(fā)黑，磨損更為嚴(yán)重。對于上球磨斑，同樣是試驗(yàn)組程度較淺。圖5為試驗(yàn)60 min的摩擦因數(shù)，試驗(yàn)油的摩擦因數(shù)整體上比參照油小，參照油的平均摩擦因數(shù)為0.047，試驗(yàn)油的摩擦因數(shù)為0.033，平均減少31%。以上分析均表明：在潤滑油中加入KM型抗磨添加劑能有效減少四球摩擦磨損。
圖2 四球機(jī)下部三球磨斑直徑對比
圖3 參照組磨斑顯微鏡形貌(放大100倍)
圖4 試驗(yàn)組磨斑顯微鏡形貌(放大100倍)
圖5 試驗(yàn)60 min的四球摩擦因數(shù)

2.2 旋轉(zhuǎn)盤-銷式摩擦磨損試驗(yàn)

圖6為260 N載荷下20 h旋轉(zhuǎn)盤-銷式試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)隨時(shí)間的變化曲線。在起始階段，由于磨合的原因，參照組與試驗(yàn)組的摩擦因數(shù)均劇烈變化，但差異較小；在經(jīng)過4 h的磨合期之后，二者的摩擦副表面逐漸均勻，摩擦因數(shù)均趨于穩(wěn)定，但差異增大；在平穩(wěn)階段，參照組的摩擦因數(shù)均值為0.044，而試驗(yàn)組的摩擦因數(shù)均值為0.032，減少了27%。由此可知：加入5%的KM型添加劑之后，試驗(yàn)油的承載能力提升，抗磨性能得到明顯提升。

圖6 260 N荷載下20 h旋轉(zhuǎn)盤-銷式試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)隨時(shí)間的變化曲線

圖7和圖8分別為參照組和試驗(yàn)組在摩擦磨損試驗(yàn)20 h之后下部試驗(yàn)盤的磨痕形貌。顯然，參照組中的劃痕較深且燒灼現(xiàn)象明顯，試驗(yàn)組的劃痕較淺、燒灼輕微。在盤表面磨斑三維形貌(見圖9)中，這一特點(diǎn)更為明顯：參照組表面粗糙(粗糙度Ra為0.123 μm)，劃痕深度大分布較廣；試驗(yàn)組表面相對光滑(粗糙度Ra為0.067 μm)，劃痕深度淺且以點(diǎn)狀居多。

圖7 參照組20 h后顯微鏡下盤的磨痕形貌(放大100倍)

圖8 試驗(yàn)組20 h后顯微鏡下盤的磨痕形貌(放大100倍)

圖9 盤表面磨斑三維形貌

圖10為試驗(yàn)20 h之后銷-盤磨損質(zhì)量損失，參照組和試驗(yàn)組的銷質(zhì)量損失分別為0.019 9 g和0.009 2 g，盤質(zhì)量損失分別為0.173 6 g和0.091 7 g，使用KM型添加劑之后，銷和盤的磨損減少量分別達(dá)到54%和47%。綜合分析摩擦表面的摩擦形貌和質(zhì)量損失可知：KM型添加劑具有良好的填充、修補(bǔ)和抗磨性能。

圖10 試驗(yàn)20 h之后銷-盤磨損質(zhì)量損失

2.3 往復(fù)板-銷式的新油/在用油對比性摩擦磨損試驗(yàn)

為驗(yàn)證添加劑對在用潤滑油摩擦磨損性能的影響，在往復(fù)盤-銷式試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，其中在用油為已在船用中速機(jī)上使用3 500 h的同類型SL 15W-50潤滑油。圖11為新油/在用油摩擦磨損性能對比。圖11a中：對于新油，參照組與試驗(yàn)組的平均摩擦因數(shù)差別很小；對于在用油，其整體摩擦因數(shù)比新油高，符合一般規(guī)律，但在用油中的試驗(yàn)組摩擦因數(shù)要比在用油中的參照組低很多，降低比例達(dá)49%，這表明KM型添加劑對提升在用油的摩擦性能效果顯著。圖11b中：對于下部板摩擦表面的平均磨痕深度，在用油同樣比新油大很多，但在用油中試驗(yàn)組的平均磨痕深度(33.89 nm)比參照組(165.70 nm)小很多，減小比例達(dá)80%左右。由圖11c和圖11d可知：使用新油時(shí)，試驗(yàn)組中的盤和銷的質(zhì)量損失均比參照組少較多；使用在用油時(shí)，對于銷質(zhì)量損失，參照組與試驗(yàn)組差別很小，但在盤質(zhì)量損失中，試驗(yàn)組的質(zhì)量損失(0.000 9 g)僅約為參照組(0.004 1 g)的1/4(以上數(shù)據(jù)是3組數(shù)據(jù)的平均值，3組數(shù)據(jù)有相同的變化趨勢)。顯然，添加劑在新油和在用油中均能具有降低磨損的性能。綜上可知，KM型添加劑能有效提升新油和在用油的減磨和抗磨性能，具有良好的自修復(fù)性能，但在在用油中的效果相對更好。