齿轮油和极压抗磨剂对齿轮抗微点蚀性能的影响

张继平 孙喆 淮文娟 王鹏 戴媛静

1清华大学天津高端装备研究院2 中国石油兰州润滑油研究开发中心

微点蚀是齿轮常见的一种疲劳现象。微点蚀一般发生在边界润滑状态下滚动/滑动接触的齿轮上，表现为在靠近齿轮表面产生微小裂缝。这些裂缝以一定角度向表面发展，形成5～10 μm深的微坑。这些微坑聚合产生一个连续的阴暗色表面[1]。在GB/T 3481—1997中给出了低倍（15倍）显微镜下的微点蚀外观表现（见图1）[2]。通常的机理认为在齿轮啮合过程中，由于两齿面微凸体直接接触，并在较高的接触及剪切应力和相对摩擦作用下，导致齿面局部温度升高，油膜或化学反应膜破裂，进而产生复杂的弹塑性变形，在此过程中产生了齿轮表面的微小裂纹和材料转移[3]。Errichello[4]将齿轮失效分为两大组，即润滑相关失效和润滑无关失效，其中微点蚀为润滑相关失效。微点蚀将导致齿面产生微小的裂缝、坑点，引起噪音和振动，影响齿轮啮合精度。严重的微点蚀往往会导致齿面磨损，甚至引发断齿，因此必须加以避免。

大量的试验研究表明，微点蚀主要受材料特性、表面形貌、载荷、滑滚比、温度及润滑油的影响[5～7]。本文主要总结了微点蚀的成因、影响因素、检测方法以及润滑油添加剂对微点蚀的影响，并结合自己的工作进行了论述。

微点蚀成因及影响因素

充分了解微点蚀的形成原因以及影响因素，对于我们深刻认识微点蚀现象，寻找抑制该现象的方法具有很大的帮助。

Nobuyoshi Yoshida等[8]考察了微点蚀发生的原因，他们认为微点蚀出现的原因是：齿轮表面金属啮合时产生的高摩擦系数引起的接触应力。

Oila A等[1]使用双棍试验机研究了影响微点蚀的7个因素——材料、表面粗糙度、润滑、载荷、温度、速度和滑动/滚动比率。结果表明：载荷是微点蚀形成的最大影响因素，载荷越高摩擦表面越容易产生微点蚀，降低表面粗糙度可抑制微点蚀的形成；而速度和滑动/滚动比率是影响微点蚀扩展的最大影响因素，在高速试验条件下，无论其他试验条件如何变化，微点蚀扩展的速度都很快。此外，降低滚动/滑动过程中的摩擦牵引力也能减少微点蚀的发生。

Cardis A B等[9]用模拟试验设备和FVA齿轮试验台架研究了齿轮的微点蚀行为。结果表明：无论是模拟试验还是台架试验，如果所有其他变量保持不变，齿轮油的组成对微点蚀有直接的影响，通常在齿轮油中使用的抗擦伤添加剂对微点蚀有消极的影响；需要仔细选择抗擦伤添加剂以平衡齿轮油抗擦伤和抗微点蚀的需要；齿轮制造工艺和表面粗糙度对微点蚀有明显的影响，应尽量降低表面粗糙度。

Jao T C等[10]考察了润滑油黏度和齿轮表面粗糙度对齿轮摩擦接触层的影响。结果表明：低的黏度和高的齿轮表面粗糙度减少摩擦层厚度，高的黏度和低的齿轮表面粗糙度增加摩擦层厚度。摩擦层厚度减少是较大微点蚀的结果（因为微点蚀去除表面材料）。较大的微点蚀意味着：由于许多新鲜材料暴露到摩擦负载表面，摩擦表面经历较短的摩擦负载历史。

从以上的论述可知，高的载荷、摩擦系数、表面粗糙度、速度、滑滚比、油品黏度和油品配方的性能等是引起和影响微点蚀的主要因素。

图1 低倍显微镜下齿面的微点蚀

微点蚀测试方法简介

为了有效抑制微点蚀现象，通常有3种做法：

◇降低齿轮表面粗糙度；

◇改变设备工作条件；

◇选择合适的齿轮油（极压抗磨剂）。

其中，第3种做法的性价比最高。要选用齿轮油（极压抗磨剂），就需要有相应的测试评价方法。目前常用的方法主要分为台架试验和模拟试验，其中台架试验主要用于油品定型检验、认证检验等。

FZG微点蚀台架试验

FZG微点蚀台架试验是业界普遍认可的齿轮油抗点蚀/微点蚀性能测试方法。试验用台架由德国慕尼黑技术大学齿轮研究中心（FZG）开发，德国施特玛公司（STRAMAMPS）生产。FZG微点蚀测试台架（简称FZG试验台）外观见图2。

FZG试验台需要3相供电电源，配备调速直流电机的FZG试验台功率12 kW，速度可调范围为100～3 000 r/min，适用于在不同速度范围内的所有标准试验。FZG试验台可以进行微点蚀试验，试验标准是FVA 54/I-IV。

FVA 54/I-IV试验程序分为：

◇负荷级试验： 5、6、7、8、9、10级，试验时间16 h/级。

◇耐久性试验： 8 和 10级，试验时间80 h/级， 10级条件下最多运转5×80 h。

FVA54/ I-IV抗微点蚀试验条件和参数见表1。

试验结果报告失效负荷及耐久性能。

试验通过标准如下：

◇负荷级试验：平均齿面轮廓偏差不大于7.5μm。

◇耐久性试验：平均齿面轮廓偏差不大于20μm。

模拟微点蚀检测设备

FZG台架试验虽然准确，但也存在试验周期较长、费用高等问题。为此人们又开发了模拟微点蚀检测设备，如英国PCS公司生产的MPR试验机（图3）。该试验机专门用于检测在特定模拟试验条件下产生的微点蚀（点蚀），尤其适用于检测模拟齿轮、滚动轴承运动部件的微点蚀（点蚀）。它的独特设计使得每小时可实现106次的疲劳接触，从而缩短了试验时间，尤其适用于考察极压抗磨剂对微点蚀的影响。试验的转速、负荷、温度能够自动控制。该试验机可以建立评价齿轮油（极压抗磨剂）抗微点蚀性能的模拟试验方法。MPR试验机的设计参数如下：

图2 FZG微点蚀测试台架

◇最大试验负荷：1 250N；

◇滑滚比（SRR）：0%（纯滚动）～±200%（纯滑动）；

◇最大速度：4 m/s（取决于SRR）；

◇最大试验温度：135 ℃；

◇最大滚子力矩：20 N·m（共3个接触面）；

◇测试样品体积：150 mL；

◇接触压力：0～3.2 GPa。

齿轮油和极压抗磨剂对齿轮抗微点蚀性能的影响

使用合适的齿轮油（极压抗磨剂）是控制微点蚀现象的最经济的方法。随着添加剂合成和齿轮油配方技术的提高，齿轮油和极压抗磨剂在抑制齿轮微点蚀方面发挥的作用越来越大。

表1 FVA54/ I-IV抗微点蚀试验条件和参数

美 国 Lubrizol公 司 的 Brain O’Connor[11]对加入不同类型抗磨剂、极压剂以及金属钝化剂的油品在 FZG 齿轮试验机上进行了配方筛选试验。结果表明，当试样中单独加入极压剂、抗磨剂或两者同时加入时，金属钝化剂的加入对油品抗微点蚀/点蚀性能是有利的。配方筛选还发现含磷8.5%的中链烷基磷酸酯铵盐具有良好的极压抗磨性。用它和极压剂、金属钝化剂复配后调合的油品进行微点蚀试验，比其他配方油品表现出较好的抗微点蚀性能。

图3 MPR试验机及其接触系统

黄华梁等[12]考察了ZDDP（二烷基二硫代磷酸锌）、硫化烯烃、磷酸三丁酯对齿轮点蚀的影响。结果表明，ZDDP的效果最差，磷酸三丁酯的效果最好。这说明磷酸酯类（以下简称磷类）添加剂是性能良好的抗点蚀添加剂。在基础油中加入磷类添加剂是提高齿轮抗点蚀疲劳性能和使用寿命的有效途径。其机理如下：

◇油中加入磷类添加剂后，在金属接触表面上形成一层致密绝缘的磷酸铁膜。磷酸铁膜起到缓冲二次压力峰的作用，延迟表面裂纹的产生，减缓裂纹的扩展，从而提高接触疲劳寿命。

◇磷酸铁膜是一种低熔点膜，在负荷作用下有一定塑性，能使金属表面突起部位流向低凹处，当低熔点的磷酸铁膜向低凹处流动后，扩大了受载面积，减少齿轮表面形成裂纹的可能性，从而提高接触疲劳寿命。

◇磷酸酯可提高表面膜强度，使润滑状况得到改善，提高其抗磨损性能。四球机试验结果表明，磷类添加剂的抗磨损效果好，磨痕长度最小。磨损率与接触疲劳寿命有很大关系：磨损率大，接触疲劳寿命低；磨损率小，寿命长。

◇磷类添加剂可在摩擦表面形成聚合型厚分离层。不同类型的含磷酸酯类在各种温度下都形成聚合物膜，光干涉法测试结果证实油中加入磷酸酯可提高膜厚。这样可大大减少微峰接触，从而提高接触疲劳寿命。

◇磷酸酯具有抗腐蚀性，可防止金属表面腐蚀，不易生成初始裂纹，当油中存在极少量的水时，磷酸酯还可起到破乳化剂的作用，又可缓解裂纹的发展。

◇同时加入磷、硫类添加剂，润滑效果反而不如单独加入磷类添加剂的高。究其原因，主要是油中加入磷、硫类添加剂时，表面膜为磷化膜，但硫化膜占据表面的微峰部位，使得磷类添加剂提高抗点蚀寿命的性能未能得到充分发挥，硫类添加剂对金属有腐蚀作用，在金属表面造成不规则的微凹坑，裂纹很容易在这些微凹坑形成和发展。

夏延秋等[13]通过试验得出如下结论：润滑油对疲劳点蚀的影响是通过改变摩擦力，即降低摩擦系数来减缓裂纹的扩展；减少裂纹源的萌生。

陈铭[14]研究了润滑油添加剂的复合作用对接触疲劳的影响。试验结果认为，硼酸酯与氯化石蜡和ZDDP复配，在保证油品极压性能的前提下，因减摩、缓蚀作用而提高金属材料的接触疲劳寿命。并指出，研究复合功能添加剂各种性能之间的相互作用和综合效果，是改善润滑油添加剂影响零件接触疲劳寿命的有效手段。

宋世远等[15]用改装的四球机考察了不同类型的添加剂对接触疲劳的影响。试验证明，润滑油的PB（最大无卡咬负荷））、PD（烧结负荷）、ZMZ（综合磨损值）与接触疲劳性能没有关系，而长时间的磨斑直径越小，抗接触疲劳的性能越好。

丁津原等[16]研究了十八胺对接触疲劳的影响，认为含氮添加剂提高接触疲劳寿命的机理是添加剂在摩擦表面形成聚合物，从而起到保护摩擦表面的作用，氮原子与铁形成的金属化合物 FeN 在表面聚合，胺基可以与添加剂中的极性基团结合，从而降低对金属的腐蚀，减弱极性物质对金属的作用，起到延缓疲劳裂纹的形成、扩展的作用。

Hong H-S等[17]通过对GL-5齿轮油的FZG微点蚀试验得出结论：含磷的AW（抗磨）添加剂是抗微点蚀的关键，磷酸盐/亚磷酸盐-氧化物层的形成可以增强齿轮的抗微点蚀能力。

Brian O Connor[18]在FZG微点蚀试验机上研究了极压、抗磨、微点蚀添加剂对齿轮微点蚀的影响。结果表明，合理复配3种添加剂可以有效抑制齿轮微点蚀的发生。

Inacker O Beckmann P[19]研究发现，抗磨添加剂的烷基链增长以及抗磨添加剂阳离子由锌变为铵可以提高齿轮抗微点蚀能力。

Laine E等[20]研究了润滑油对微点蚀和磨损的影响。结果表明，含有相同浓度ZDDP添加剂的润滑油在MPR试验中的结果与在高频往复试验机上的结果相反。造成这种现象的原因是抗磨添加剂（ZDDP）阻止了粗糙表面的跑合。

从以上结果可知，增强油品的抗腐蚀性能、极压抗磨减摩性能可以提高其抗微点蚀性能；含磷极压抗磨剂也可提高齿轮抗微点蚀性能。

含磷极压抗磨剂的抗微点蚀性能考察

笔者将4种含磷极压抗磨剂（AW-1，磷酸三甲酚酯；AW-2，酸性磷酸酯胺盐；AW-3，二烷基二硫代磷酸衍生物；AW-4，分散型酸性磷酸酯胺盐）以1%（质量分数）的加剂量调入到基础油中，制备了GO-1～GO-4共 4个油样，使用MPR试验机考察了它们的抗微点蚀性能。结果见表2。

在MPR试验的评价标准中，使用辊子摩擦轨道宽度变化率来区分不同试样的抗微点蚀性能优劣。这是由于MPR试验中微点蚀裂纹、凹坑的产生可造成材料表面出现塑性变形和材料转移，造成摩擦轨道宽度的变化，表面产生微点蚀越多，相对于初始1 mm轨道的形变率便越大，因此可以用试样试验结束后的辊子摩擦轨道宽度变化率评价试样的抗微点蚀性能好坏[21]。辊子摩擦轨道宽度变化率越小，表明试样的抗微点蚀性能越好。从表2的结果可知，分散型酸性磷酸酯胺盐GO-4具有较好的抗微点蚀性能。

考察了GO-1～GO-4的承载、抗磨、减摩和抗腐蚀性能，结果见表3和图4。

从表3和图4的结果可知，GO-2、GO-4兼具良好的极压抗磨减摩和抗腐蚀能力，结合表2的结果可知，相应的GO-2、GO-4在试验中具有较好的抑制微点蚀产生的能力。这些试验结果与文献调研总结的结论一致。

表2 不同含磷极压抗磨剂的微点蚀试验结果

表3 不同含磷极压抗磨剂的性能对比

图4 不同含磷极压抗磨剂的摩擦系数随负荷变化趋势

结论

☆影响微点蚀形成和发展的主要因素包括表面粗糙度、载荷、边界摩擦系数、温度、速度、滑滚比、油品性能等。

☆增强齿轮油的承载、抗磨损能力，降低齿轮油的摩擦系数和腐蚀性，可以提高其抗微点蚀性能。

☆兼具极压、抗磨、减摩和抗腐蚀性能的含磷极压抗磨剂是较为有效的抗微点蚀添加剂。

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