非硫磷型添加剂在聚脲基润滑脂中的摩擦学性能

曹正锋，夏延秋

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

非硫磷型添加剂在聚脲基润滑脂中的摩擦学性能

曹正锋，夏延秋

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

以聚α烯烃(PAO40)合成油为基础油，制备了聚脲润滑脂，研究了硫化烯烃棉籽油和两种无硫磷型有机钨和有机钼添加剂对聚脲润滑脂性能的影响。利用往复摩擦磨损试验机分别考察了硫化烯烃棉籽油、有机钨和有机钼在钢-铜摩擦副条件下对聚脲润滑脂摩擦磨损性能的影响，用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察并分析了铜磨斑表面形貌和磨斑表面主要化学元素组成，考察了3种添加剂对聚脲润滑脂铜片腐蚀的影响。结果表明：PAO型聚脲润滑脂对无硫磷型有机钨和有机钼添加剂的感受性好于硫化烯烃棉籽油，其中以有机钨效果最优，当添加量(w)为2.0%时，摩擦因数和磨痕宽度最小；含有无硫磷型添加剂的润滑脂对铜片的腐蚀也较轻。

非硫磷型添加剂 聚脲润滑脂 摩擦磨损 有机钨 有机钼

聚脲润滑脂是一种非皂基润滑脂，其不含金属离子，避免了皂基稠化剂中金属离子对润滑脂基础油的催化氧化作用，具有滴点高、热稳定性好、抗氧化性强、抗水性突出等特点，得到了广泛的应用[1-3]。但以异氰酸酯和有机胺反应，稠化聚α烯烃(PAO)制得的聚脲润滑脂对添加剂的感受性较差。因此PAO型聚脲润滑脂的摩擦学性能并不理想[4-5]。

为保证设备正常运转，减少摩擦磨损和延长设备使用寿命，对聚脲润滑脂的性能提出了更严格的要求，因此，研究者不断寻找合适的添加剂来提高聚脲润滑脂的摩擦学性能。传统含硫添加剂虽然能较好地改善聚脲润滑脂的摩擦磨损性能，但却存在腐蚀、环保等方面的问题[6]，低硫磷甚至无硫磷添加剂将是重要的发展方向。张遂心等[7]的研究发现，硼酸盐能显著提高聚脲润滑脂的极压性能，同时具有良好的抗磨损性能。程亚洲等[8]将MoS2纳米片作为脲基润滑脂添加剂，发现具有良好的减摩抗磨作用。Baum[9]发现磷酸盐、亚磷酸盐、硫代氨基甲酸盐均能提高聚脲润滑脂的极压抗磨性能。但研究表明，含硼化合物、有机金属化合物等低硫、含磷的极压抗磨剂均存在减摩、抗氧化、抗水解、分散性不足的问题，不能完全替代传统的含硫、磷添加剂[10-11]。非硫磷型有机钨和有机钼是性能良好的减摩抗磨添加剂，但其作为聚脲润滑脂添加剂还未见报道。本研究以聚α烯烃基础油(PAO40)为基础油制备聚脲润滑脂，考察聚脲润滑脂对两种非硫磷型有机钨和有机钼添加剂的感受性，并以硫化烯烃棉籽油作为对比添加剂，研究聚脲润滑脂的摩擦学性能。

1 实 验

1.1 聚脲润滑脂的制备

1.1.1 主要实验设备与原料 设备：可变速调温油浴机械搅拌器，天平，温度计，三辊研磨机。

原料：PAO40，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，十八胺，己二胺。

1.1.2 制备工艺 聚脲润滑脂是以有机胺和异氰酸酯的反应产物聚脲作为稠化剂，稠化基础油而制成的。实验工艺流程如图1所示。

图1 聚脲润滑脂制备工艺流程示意

1.2 聚脲润滑脂实验条件

将非硫磷型有机钨(VANLUBETMW324)和有机钼(MOLYVAN855)及硫化烯烃棉籽油(T405A)3种添加剂分别加入到制得的PAO型聚脲润滑脂中，添加质量分数分别为1.0%，1.5%，2.0%，2.5%。选用中国科学院固体润滑国家重点实验室研制的MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验机进行减摩抗磨性能评价。在室温条件下，摩擦副采用钢-铜球盘接触，频率5 Hz，试验时间30 min，实验钢球为AISI52100钢(0.95～1.05C，0.15～0.35Si，0.20～0.40Mn，1.30～1.65Cr，0.027P，其余为铁)，钢球直径5 mm，硬度为7.05～7.57 GPa。底盘为铜块(0.03～0.35P，5.5～7.0Sn，其余为铜)，尺寸是Φ24 mm×7.8 mm，硬度2.65～2.76 GPa，铜块在实验前被抛光，表面粗糙度为0.05 μm。试件实验前后用丙酮超声清洗10 min，将含有不同添加剂的聚脲润滑脂涂抹在摩擦副之间，摩擦系数由计算机自动记录保存。采用北京冠测静电仪器设备有限公司生产的GEST-121测量润滑脂体积电阻率。摩擦学试验结束后，采用光学显微镜测量磨痕宽度，采用扫描电子显微镜(SEM，EVO-18，ZEISS)和能谱仪(EDS)观察并分析铜盘磨斑表面形貌和磨斑表面主要化学元素组成。

2 结果与讨论

2.1 添加剂含量对聚脲润滑脂摩擦学性能的影响

图2为聚脲润滑脂添加3种不同含量的添加剂时，在载荷30 N、频率5 Hz条件下的平均摩擦因数(COF)和磨痕宽度。由图2可以看出，当3种添加剂质量分数均为2.0%时(分别记为PAO+W324、PAO+855和PAO+T405A)，PAO型聚脲润滑脂均具有良好的减摩性能，磨痕宽度较小，抗磨性能较好。为了使PAO型聚脲润滑脂具有优异的摩擦磨损性能，以下3种添加剂的质量分数均为2.0%。

图2 添加剂含量不同时的摩擦因数和磨痕宽度■—W324； ●—855； ▲—T405A

2.2 添加剂对聚脲润滑脂理化性能的影响

表1为实验室制备的4种聚脲润滑脂的理化性能参数。由表1可以看出：含有添加剂的3种聚脲润滑脂的滴点和锥入度均比基础脂大，体积电阻率均比基础脂小；PAO+855润滑脂的铜片抗腐蚀能力最好，基础脂和PAO+W324铜片抗腐蚀能力相当，而PAO+T405A润滑脂由于含有硫、磷元素，其铜片抗腐蚀能力较差。

表1 聚脲润滑脂的理化性能参数

2.3 载荷对聚脲润滑脂摩擦学性能的影响

图3为钢-铜摩擦副分别用PAO基础脂、PAO+W324、PAO+855和PAO+T405A润滑时，频率为5 Hz、变载荷条件下的平均摩擦因数和磨痕宽度。由图3可以看出：在不同载荷条件下，含3种添加剂聚脲润滑脂条件下的摩擦因数均小于基础脂，表明3种添加剂均能改善基础脂的减摩性能，其中以W324效果最优；两种无硫磷型添加剂在不同载荷下均具有优异的减摩性能，而T405A在大载荷下对减摩性能的改善作用有限；3种添加剂均能使磨痕宽度减小，两种无硫磷型添加剂在改善PAO聚脲润滑脂抗磨性能方面效果相当。

■—基础脂； ●—PAO+W324； ▲—PAO+855；图4a同

图3 不同载荷下的摩擦因数和磨痕宽度■—基础脂； ■—PAO+W324； ■—PAO+855；■—PAO+T405A。 图4b同

2.4 频率对聚脲润滑脂摩擦学性能的影响

图4为钢-铜摩擦副分别用PAO基础脂、PAO+W324、PAO+855和PAO+T405A润滑时，在载荷40 N、变频率条件下的平均摩擦因数和磨痕宽度。由图4可以看出：在不同频率下，含有W324和855添加剂的聚脲润滑脂条件下的摩擦因数比基础脂小，表明两种无硫磷添加剂均具有较好的减摩效果；PAO+W324和PAO+855润滑下的磨痕宽度均比基础脂小，表明W324和855均可在一定程度上改善PAO聚脲润滑脂的抗磨性能。

图4 不同频率下的摩擦因数和磨痕宽度

2.5 摩擦表面分析

为了研究添加剂的抗磨作用机理，在载荷60 N、频率5 Hz条件下，将PAO型聚脲基础脂与加入了3种添加剂的润滑脂润滑下的铜块磨痕表面形貌进行对比分析，结果如图5所示。由图5可以看出：基础脂润滑下磨痕表面比较粗糙，有明显的犁沟和少量的黏着磨损；加入W324添加剂后，磨损表面除犁沟外，没有黏着等表面损伤；加入855添加剂后，磨痕表面出现犁沟，没有黏着等表面损伤；加入T405A后，磨痕表面有点蚀坑出现和犁沟。表明含有W324和855添加剂的聚脲润滑脂具有优异的摩擦学性能，这与前述的减摩性能一致。

图5 4种润滑脂条件下的铜块磨痕表面SEM形貌

由于摩擦表面形成的摩擦反应膜起到了关键的减摩抗磨作用，所以分析磨痕表面元素组成十分必要。图6是分别在基础脂、PAO+W324、PAO+855和PAO+T405A润滑下的磨痕表面EDS能谱，表面元素组成见表2。由表2可以看出：与基础脂润滑下的磨痕表面元素组成相比，PAO+W324润滑下的磨痕表面多出了钨元素，并且碳的含量增加，说明在添加W324添加剂后，钨元素和碳元素能够在摩擦过程中沉积到磨痕表面，形成一层具有减摩抗磨作用的保护膜，起到较好的减摩抗磨作用[12]；PAO+855润滑下的磨痕表面多出了钼元素，并且碳的含量也有所增加，在载荷和剪切力作用下，这些元素在摩擦表面发生了摩擦化学反应形成有机钼配位的化合物形成化学吸附膜，起到减摩抗磨作用[13]；PAO+T405A润滑下的磨痕表面多出了硫、磷元素，这些活性较强的元素能够牢固地吸附在金属表面形成保护膜，但随着实验的进行，摩擦区域温度升高，在这种情况下硫会和铜反应生成硫化铜，由于硫化铜具有低的剪切强度而容易被磨掉，这些磨屑会在一定程度上加剧磨损和对铜的腐蚀，从图5(d)可以看出明显的犁沟和少量点蚀。因此，通常不会选择含硫添加剂[14-15]。

图6 铜块的表面能谱

元素摩尔分数,%基础脂PAO+W324PAO+855PAO+T405AC5.375.835.435.23Sn4.294.744.724.70Cu90.3489.4089.6590.02W—0.03——Mo——0.21—S———0.03P———0.02

3 结 论

PAO型聚脲润滑脂对W324和855添加剂的感受性好于T405A，并且对铜的腐蚀也较轻。当W324和855添加量(w)为2.0%时，摩擦因数和磨痕宽度最小；W324和855能够在摩擦表面形成有效的润滑薄膜，保护摩擦表面，起到减摩抗磨的作用。

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TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF PHOSPHORUS AND SULFUR-FREE ADDITIVES IN POLYUREA GREASE

Cao Zhengfeng， Xia Yanqiu

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206)

Poly α-olefin was used as a base oil to prepare polyurea grease. The properties of phosphorus and sulfur-free organic tungsten and organic molybdenum， sulfurized olefin cotton seed oil additives in polyurea grease were studied on friction pair of copper disc and steel ball. The reciprocating friction and wear tester was used to evaluate the tribological properties. Scanning electron microscope (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were employed to analyze the worn surfaces of copper. The copper strip tests were also investigated in this article. The results show that the polyurea greases prepared with phosphorus and sulfur-free organic tungsten and organic molybdenum have excellent tribological properties. Among of the additives tested， the organic tungsten is the best， and the results are better than that of the sulfurized olefin cotton seed oil additive. When the contents of three additives are 2.0%， the friction coefficient and wear width are all the lowest. The corrosion on copper of lubricating greases with phosphorus and sulfur-free additive is lower.

phosphorus and sulfur-free additives； polyurea grease； friction and wear； organic tungsten； organic molybdenum

2015-06-15； 修改稿收到日期： 2015-08-25。

曹正锋，硕士研究生，从事润滑脂的研制与减摩抗磨机理研究工作。

夏延秋，E-mail：xiayq@ncepu.edu.cn。

留学回国科研启动基金资助。