高堿值磺酸鈣清凈劑對變速箱油減摩抗磨性能的影響

杜雪嶺，孫明亮，文彥龍

(中國石化潤滑油有限公司北京研究院，北京 100085)

同步器是手動變速箱中的一個重要零部件，它的作用是使變速器在換擋時，主動齒輪和從動齒輪強制同步，使兩個齒輪迅速結合在一起，避免噪音和振動。同步環磨損引起的摩擦性能變化決定了同步器的性能，因此同步環磨損量是評價手動變速箱油的一個關鍵指標。當磨損量數值變化較大時，會直接影響變速箱的設計裕量，導致換擋震顫，發出尖銳刺耳的聲音，甚至導致變速箱失效。

近年來的研究發現，作為清凈劑的堿性磺酸鈣具有較好的極壓抗磨性能，其作用效果甚至可以媲美硫、磷和氯系極壓抗磨劑[1]。普遍認為，高堿值磺酸鈣作為惰性極壓劑可以減小摩擦、防止熔結，此外還具有清凈劑的作用，是一種具有發展前景的極壓抗磨劑[2-3]。高堿值磺酸鈣在手動變速箱油中是一種常用的清凈劑，但是其在手動變速箱油中的摩擦性能的研究鮮有報道。為了研究高堿值磺酸鈣對手動變速箱油的減摩抗磨性能的影響，本課題考察3種高堿值磺酸鈣在HFRR，SRV，MPR模擬試驗條件下的摩擦性能，以及對Automax同步器臺架試驗同步環軸向磨損量的影響，并探討磺酸鈣的減摩抗磨機理。

1 實 驗

1.1 原料及試劑

選取國內某公司生產的75W黏度級別手動變速箱油(簡稱75W油品)作為試驗用潤滑油，其質量指標見表1。選取國內外3種高堿值磺酸鈣(編號分別為A，B，C)為外加清凈劑，其理化指標見表2。從表2可以看出，3種清凈劑的鈣含量、堿值不同，由高到低的順序為C>A>B，這兩項是影響清凈劑發揮作用的關鍵指標。

表1 75W油品的主要質量指標

表2 3種磺酸鈣清凈劑的主要質量指標

1.2 樣品的制備

向75W油品中分別加入質量分數為0.5%、1.0%的清凈劑A，B，C，在55 ℃下攪拌1 h，混合均勻后得到試驗所用的油品樣品。

1.3 儀器及檢測方法

采用PCS Instruments公司生產的HFRR高頻往復試驗機(HFRPC V2.11)對潤滑油在金屬與金屬之間的邊界潤滑狀態下的摩擦特性進行測試。HFRR的摩擦副由直徑6 mm的鋼球與直徑10 mm的鋼盤組成，在載荷9.8 N、溫度90 ℃、頻率50 Hz的條件下，鋼球在鋼盤上作往復滑動60 min后，得到摩擦因數、鋼球的平均磨斑直徑以及磨斑照片。

采用德國OPTIMOL公司生產的SRV4型摩擦磨損試驗機在微動形式下對潤滑油樣品進行減摩、抗磨、抗疲勞性能評定。在SRV的標準試驗方法中，ASTM D8227—18方法用SRV試驗機測定潤滑油與MT傳動齒輪同步器材料，在高頻線性振動運動下的摩擦因數。該測試方法可用于快速確定全配方手動變速器油的潤滑能力，以評價與汽車變速箱齒輪同步器材料的摩擦行為。SRV的摩擦副由直徑20 mm的鋼盤和直徑24 mm的錳黃銅圓盤組成，在載荷200 N、溫度80 ℃、頻率50 Hz條件下，運行2 h后得到摩擦因數、錳黃銅盤磨斑的磨痕數據、摩擦數據以及3D形貌。

采用英國PCS公司生產的MPR試驗機模擬齒輪部件的接觸情況，用來評價油品在特定條件下的摩擦性能。MPR的試驗件由3個餅狀的環件和1個輥子組成并在試驗過程中呈“三位”接觸，輥子外徑為環件外徑的五分之一，其上有凸出的、軸向寬度為1 mm的接觸軌道。在載荷390 N、溫度90 ℃、滑滾比20%的試驗條件下，輥子以平均線速度3.15 m/s運行一定時間，得到輥子摩擦軌道寬度變化率。

采用日本Automax同步器試驗臺對手動變速箱油的同步器性能進行評價。Automax同步器試驗臺可以通過測量同步環軸向總磨損量來評估潤滑油在特定同步器材料上的摩擦特性和耐久性。該測試臺架被OEM廣泛采用，并采用尼桑同步器耐久測試方法，在軸向力980 N、測試溫度80 ℃的條件下，進行100 000次循環耐久試驗，得到同步環軸向總磨損量。

2 結果與討論

2.1 HFRR高頻往復試驗

采用HFRR高頻往復試驗機對3種磺酸鈣清凈劑的減摩抗磨性能進行評價，考察3種清凈劑的加入量(w)為1.0%時對摩擦因數、鋼球磨斑直徑的影響，結果見圖1，測試后鋼球磨斑形貌照片見圖2。從圖1可以看出：不加清凈劑時75W油品的摩擦因數為0.13，鋼球平均磨斑直徑為355 μm；加入3種清凈劑后，摩擦因數和平均磨斑直徑均有一定程度的降低，表明清凈劑具有減摩抗磨作用；在3種清凈劑中，清凈劑C對75W油品的減摩抗磨性能影響最大，其摩擦因數降至0.11，鋼球平均磨斑直徑降至278 μm。HFRR試驗結果表明，3種清凈劑的減摩抗磨性能由高到低的順序為C>A>B。

圖1 清凈劑對摩擦因數和磨斑直徑的影響■—摩擦因數； ■—平均磨斑直徑

圖2 加入清凈劑前后油品的HFRR試驗鋼球磨斑形貌照片

2.2 SRV摩擦磨損試驗

為了更好地模擬手動變速箱同步器銅基同步環單體換檔實際工況，采用ASTM D8227—18試驗方法及標準銅盤試驗件對添加A，B，C的75W油品進行評定。考察3種清凈劑的加入量(w)為1.0%時對油品摩擦因數的影響，結果見圖3。由圖3可知：不加清凈劑時75W油品的平均摩擦因數為0.159，加入3種清凈劑后，油品的平均摩擦因數均有所降低，表明3種清凈劑對油品均具有一定的減摩作用；加入清凈劑C油品的平均摩擦因數最低，表明清凈劑C對75W油品的減摩作用效果最好。

圖3 清凈劑對油品摩擦因數的影響

考察3種清凈劑的加入量(w)為1.0%時對銅盤磨損性能的影響，銅盤照片及磨痕3D形貌見圖4和圖5，銅盤磨損體積和磨痕寬度數據見表3。從測試結果可以看出：不加清凈劑的75W油品在SRV試驗后，銅盤出現明顯的磨痕，銅盤磨損體積與磨痕深度分別為8.037 7×10-4mm3和1.566 μm；加入3種清凈劑后，銅盤的磨損得到明顯改善，磨損體積和磨痕深度均顯著降低，其中加入清凈劑C的油品試驗銅盤的磨損體積和磨痕深度最小，分別為0.775 6×10-4mm3和0.280 μm。

圖4 加入清凈劑前后油品的SRV測試銅盤照片

圖5 加入清凈劑前后油品的SRV測試銅盤磨痕3D形貌

表3 清凈劑對銅盤磨損性能的影響

從SRV試驗結果可以看出，3種清凈劑對油品摩擦磨損性能的提升均具有一定的效果，其減摩抗磨作用由強到弱的順序為C>A>B。

2.3 MPR微點蝕試驗

采用MPR微點蝕試驗機對3種磺酸鈣清凈劑的減摩抗磨性能進行評價。在MPR試驗中，摩擦磨損導致的微點蝕可造成材料表面出現塑性變形，使軌道寬度變大。考察3種清凈劑的加入量(w)為1.0%時對輥子摩擦軌道寬度變化的影響，結果見圖6。從圖6可以看出：隨著試驗時間的延長，輥子摩擦軌道寬度變化率逐漸增大，這是由于輥子與環件在經過長時間的摩擦后，相對于初始軌道產生較大的形變率；經過8 h耐久試驗后，對于不加清凈劑的75W油品，輥子摩擦軌道寬度變化率為27.52%，對于加入3種清凈劑的油品，輥子摩擦軌道寬度變化率均有所降低，表明清凈劑的加入可降低輥子的磨損量，但效果并不明顯；加入清凈劑C時，輥子摩擦軌道寬度變化率最小，為25.03%。這表明3種清凈劑均具有一定的減摩抗磨作用，其由強到弱順序為C>A>B。

圖6 清凈劑對輥子摩擦軌道寬度變化率的影響■—無清凈劑； ■—清凈劑A； ■—清凈劑B； ■—清凈劑C

2.4 Automax同步器臺架試驗

使用Automax臺架，經過100 000次循環，考察3種磺酸鈣清凈劑加入量(w)為1.0%時對平均摩擦因數和同步環軸向總磨損量的影響，以評價油品的抗磨性能，試驗結果見圖7。從圖7可以看出：對于不加入清凈劑的75W油品，同步環的軸向總磨損量為0.76 mm；加入3種清凈劑后同步環的軸向總磨損量均有所降低，表明3種清凈劑均具有一定的抗磨作用；加入清凈劑C時，同步環軸向總磨損量最低為0.31 mm，比不加清凈劑時的磨損量降低59.2%，表明其對75W油品具有最優的抗磨作用。3種清凈劑的抗磨作用由強到弱順序為C>A>B。3種清凈劑的加入對油品摩擦因數影響較小，保證油品具有穩定的摩擦性能和更好的耐久性，有助于減少同步器磨損。

圖7 清凈劑對摩擦因數和同步環軸向總磨損量的影響■—平均摩擦因數； ■—軸向總磨損量

為了考察清凈劑C的加入量對抗磨性能的影響，使用Automax臺架考察清凈劑C加入量(w)分別為0.5%和1.0%時對同步環軸向總磨損量的影響，結果見圖8。從圖8可以看出，隨著清凈劑C加入量的增加，同步環軸向總磨損量逐漸降低，表明油品的抗磨性能不斷提升。

圖8 清凈劑C加入量對同步環軸向總磨損量的影響

2.5 清凈劑減摩抗磨機理

堿性磺酸鈣的作用機理不同于硫、磷和氯系極壓抗磨劑在金屬表面生成化學反應膜，而是在金屬表面形成一層以物理沉積形式存在的含鈣保護膜，這種保護膜剪切強度低，可以減少金屬之間的接觸和摩擦，降低磨損和防止熔接[4-5]。堿性磺酸鈣還可以中和酸性污染物，對金屬沒有腐蝕，不污染環境，這種極壓抗磨劑被稱為惰性極壓抗磨劑。

清凈劑的基本結構包含親油基、極性基和親水基團三部分，高堿值磺酸鈣則是由磺酸鈣清凈劑和碳酸鈣內核組成，在基礎油中以1～100 nm的膠粒形式存在[6]。在油品中，高堿值磺酸鈣首先依靠極性基團吸附于金屬表面，在摩擦過程中，金屬表面上吸附的納米磺酸鈣膠束隨著摩擦強度的增加而增大，膠束打開，釋放出納米碳酸鈣顆粒，從而起到減少摩擦的作用。兩接觸面的壓力增大，產生的高溫高壓使得碳酸鈣顆粒發生分解，生成氧化鈣沉積膜。這樣，碳酸鈣和氧化鈣共同構成了沉積保護膜[7-8]。因此在加入3種磺酸鈣清凈劑后，摩擦因數均有一定程度的降低。此外，堿值越高，磺酸鈣中碳酸鈣膠體納米顆粒含量越多，摩擦作用下釋放出的碳酸鈣顆粒也越多，能更好地減少摩擦表面的接觸。因此堿值最高、鈣含量最大的清凈劑C的減摩抗磨效果最好。

3 結 論

試驗所用的3種高堿值磺酸鈣清凈劑在75W油品中均具有一定的減摩抗磨作用，可有效降低金屬表面之間的磨損。其中堿值最高、鈣含量最大的清凈劑C的減摩抗磨性能最優，經過Automax同步器臺架試驗后，同步環軸向磨損量降低明顯。高堿值磺酸鈣清凈劑作為一種惰性極壓抗磨劑，在潤滑油品中充分發揮其減摩抗磨的性能，并深入研究其機理是其今后發展的方向之一。