航空潤滑油防銹性能研究

王思穎,陳磊,劉洪亮,陳靜

(孚迪斯石油化工科技(葫蘆島)股份有限公司,遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

金屬部件的銹蝕主要是指金屬部件在大氣環境中受到水分、氧氣和其他腐蝕性氣體的影響,在其表面形成局部微電池而導致的電化學腐蝕[1]。金屬為陽極,金屬中的雜質為陰極,因此可通過水膜構成微電池,作為陽極的金屬發生氧化反應導致金屬銹蝕。海洋大氣環境中,相對濕度較高,有利于水膜在金屬表面的形成和保持,并且海水中的大量鹽類物質溶解在水膜中,增加了電解質溶液的濃度,加速了電化學反應,從而使銹蝕加劇。

海軍飛機在執行海洋任務時,航空發動機一直處于含鹽高的海洋大氣環境和海水濕氣濺射中,這種環境會加劇航空發動機金屬部件的銹蝕。發動機零部件被銹蝕后,會增加發動機使用的安全隱患,嚴重影響發動機的使用壽命[2]。在美國,由于海軍飛機經常處于海水環繞的工作環境,每年由于腐蝕而報廢的發動機軸承的費用高達300萬美元[3]。因此,航空潤滑油應具備良好的防銹性能。本文從基礎油和添加劑的角度出發,研究航空潤滑油的防銹性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

基礎油:己二酸酯、三羥甲基丙烷酯、季戊四醇酯。

添加劑:防銹劑A(羧酸類)、防銹劑B(酯類)、防銹劑C(含氮化合物)、抗磨劑A(TCP)、抗磨劑B(TPPT)。

金屬材料:45號鋼、鋼棒(GB/T 11143規定材質)。

1.2 試驗方法及設備

試驗方法:濕熱試驗按照GB/T 2361要求的方法進行,試驗溫度(40±1) ℃,觀察并記錄試片出現銹蝕的時間;液相銹蝕試驗按照GB/T 11143要求的方法進行,考核在合成海水存在下的防銹性能。

試驗設備:酸值滴定儀、濕熱試驗箱、液相銹蝕測定儀。

2 結果及討論

2.1 基礎油對航空潤滑油防銹性能的影響

航空潤滑油中基礎油的比例一般達到90%以上[4],因此基礎油的結構和性能對產品的性能起到重要的作用。隨著航空發動機對航空潤滑油要求的不斷提高,酯類航空潤滑油基礎油成為目前使用最為廣泛的合成基礎油[5]。因此,選擇三種常見酯類基礎油(己二酸酯、三羥甲基丙烷酯和季戊四醇酯)進行酸值測定、濕熱試驗和液相銹蝕試驗,選取的基礎油的酸值、濕熱試驗和液相銹蝕試驗結果如表1所示。

表1 基礎油的酸值、濕熱試驗和液相銹蝕試驗結果

酸性物質會促使銹蝕的發生。有水存在的條件下,即使溫度不高,有機酸也能腐蝕金屬,這是由于在氧和水的作用下,使金屬首先生成金屬的氫氧化物,然后與高分子有機酸中和生成鹽和水[6]。由表1可知,三種基礎油的酸值均很小,說明酸性物質的含量很小,不會對油品的防銹性能產生明顯的消極影響。

由表1還可知,三種基礎油的濕熱試驗和液相銹蝕試驗效果都很差,濕熱試驗試片生銹時間均不超過10 min,液相銹蝕試驗鋼棒在24 h后均出現嚴重銹蝕。這說明三種酯類基礎油本身并不具備良好的防銹性能,在高濕環境和海水環境中對金屬的防銹保護能力較差,這可能是由于酯類基礎油在金屬表面吸附力較弱,容易被水置換,使油很難發揮防銹性;并且酯類油易吸水[7]的特性也增大了油品對金屬的腐蝕性。

2.2 防銹劑對航空潤滑油防銹性能的影響

目前防銹劑種類繁多,按極性基團劃分,大致可分為磺酸鹽及其他含硫化合物、羧酸及其金屬皂類、酯類、胺類及其他含氮化合物和磷酸酯及其他含磷化合物五類[8]。航空潤滑油一般要求使用無灰類添加劑,因此選用羧酸類、酯類和含氮化合物三種無灰防銹劑進行試驗。表2為將三種防銹劑以不同添加量加入季戊四醇酯類基礎油中進行濕熱試驗的結果,表3為將三種防銹劑以不同添加量加入季戊四醇酯類基礎油中進行液相銹蝕試驗的結果。

表2 不同防銹劑的濕熱試驗結果

表3 不同防銹劑的液相銹蝕試驗結果

由表2和表3可知,三種防銹劑的加入均能改善基礎油的防銹性能,不同種類的防銹劑所表現出的防銹效果差異很大,在相同添加量的情況下,防銹劑C的耐濕熱性能和液相銹蝕性能最好,防銹劑A次之,防銹劑B最差。防銹劑是由極性基團與非極性基團組成,當含有防銹劑的油品與金屬接觸時,防銹劑分子中的極性基團定向吸附在金屬的表面,阻擋水分子和氧分子的前進,大大減緩銹蝕過程;防銹劑分子的非極性部分在金屬表面形成一層疏水性保護膜,阻擋了參加腐蝕反應的有關電荷或物質的移動,從而大大降低銹蝕機率和速率[9]。因此,航空潤滑油防銹性能的好壞取決于防銹劑的極性基團的極性大小,極性越強就越容易吸附,而且吸附得越牢固[10]。表2和表3中三種防銹劑防銹效果的差異主要是由其極性基團的極性大小所導致的,含氮基團和羧基的極性要明顯大于酯基的極性,因此,酯類防銹劑吸附能力較差,防銹效果不理想。

由表2和表3還可知,隨著防銹劑添加量的增多,不同防銹劑的防銹性能變化規律也存在差異。隨著防銹劑B和防銹劑C添加量的增多,防銹性能明顯提升,而隨著防銹劑A添加量的增多,防銹性能無明顯變化。防銹劑是通過極性基團吸附在金屬表面而發揮作用,隨著在潤滑油中含量的增加,防銹劑在金屬表面的吸附量會逐漸增加,形成的保護膜也越來越致密,從而能夠更有效的阻擋水分和腐蝕性物質,使得防銹性能逐漸提高。當其添加量提高到一定程度時,防銹劑在金屬表面的吸附量將趨向于飽和,如果此時仍繼續加入防銹劑,過多的防銹劑將無法吸附在金屬表面發揮作用,因此,防銹效果將趨于穩定,不會繼續提高。根據表2和表3試驗結果可以看出,防銹劑A在0.05%加入量時在金屬表面已經趨向于飽和吸附。

2.3 極壓抗磨劑對航空潤滑油防銹性能的影響

極壓抗磨劑的一般作用機理是添加劑分子首先吸附在金屬表面,然后在高溫與高負荷條件下,活性元素(如S、P、Cl)與金屬發生化學反應,形成一層可用來消耗或犧牲并具有低剪切強度的保護層,從而減小摩擦副表面的摩擦和磨損[11]。極壓抗磨劑與防銹劑同為吸附于金屬表面的添加劑[12],需要考察極壓抗磨劑是否會對潤滑油防銹性能產生影響。

航空潤滑油對極壓抗磨劑的一般要求為腐蝕性小、無灰和溶解性好。用于航空潤滑油的極壓抗磨劑主要為含硫、磷、氮的化合物,具有代表性的主要有磷酸三甲酚酯(TCP)、硫代磷酸三苯酯(TPPT)和α-巰基苯并噻唑(MBT)等[13]。因此,選擇其中應用最廣泛的TCP和TPPT極壓抗磨劑進行試驗。表4和表5分別為防銹劑添加量0.1%時,加入抗磨劑A的航空潤滑油濕熱試驗和液相銹蝕試驗結果。表6和表7為防銹劑添加量0.1%時,加入抗磨劑B的航空潤滑油濕熱試驗和液相銹蝕試驗結果。

表4 抗磨劑A對航空潤滑油防銹性能的影響(濕熱試驗)

表5 抗磨劑A對航空潤滑油防銹性能的影響(液相銹蝕試驗)

表6 抗磨劑B對航空潤滑油防銹性能的影響(濕熱試驗)

表7 抗磨劑B對航空潤滑油防銹性能的影響(液相銹蝕試驗)

由表4和表5可知,抗磨劑A對含不同防銹劑的航空潤滑油的防銹性能均起到了消極影響,降低了油品的防銹性能,并且隨著抗磨劑A添加量的增多,油品的防銹性能越來越差。抗磨劑和防銹劑均為吸附性添加劑,在金屬表面會發生競爭吸附。一般情況下極壓抗磨劑的極性要大于防銹劑的極性,因此吸附性也更強,在金屬表面總是優先吸附,這就大大影響了防銹劑對金屬的防銹性能[14]。抗磨劑含量的增大,導致防銹劑在金屬表面吸附量逐漸減小,油品的防銹性能也隨之變差。

由表6和表7可知,抗磨劑B對航空潤滑油防銹性能的影響規律與表4和表5中抗磨劑A一致,這也進一步驗證了抗磨劑與防銹劑的競爭吸附關系。表4和表5與表6和表7對比發現,抗磨劑B對防銹性能的影響比抗磨劑A更嚴重,這是由于抗磨劑B中S元素的引入增大了對金屬的吸附活性[15],使得TPPT比TCP更易吸附在金屬上,形成的保護膜強度也更大,因此對防銹性能的抑制作用也更明顯。由以上可知,為了提高航空潤滑油的防銹性能,選擇抗磨劑時,在保證極壓抗磨性能符合要求的基礎上,盡量選擇吸附活性小的抗磨劑種類。

3 結論

(1)己二酸酯、三羥甲基丙烷酯和季戊四醇酯類基礎油均不具備良好的防銹性能。

(2)防銹劑的加入能改善基礎油的防銹性能,不同種類的防銹劑所表現出的防銹效果差異很大,含氮化合物和羧酸類防銹劑防銹效果遠大于酯類防銹劑,這是由防銹劑極性基團的極性大小導致的。

(3)極壓抗磨劑的加入降低了航空潤滑油的防銹性能,隨著抗磨劑含量增多,防銹性能隨之變差,TPPT抗磨劑比TCP抗磨劑對防銹性能的抑制作用更明顯。