一种低挥发润滑脂的应用评价

刘显秋，李茂森，陈晓伟，梁宇翔，段庆华

(中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

使用润滑脂、润滑油或固体润滑膜可减小两个相对运动表面之间的摩擦和磨损，但在某些情况下，必须使用润滑脂润滑，如运转设备要求润滑剂具有密封作用，以阻止杂质进入；要求润滑剂能够保持在润滑部位，维持设备的持续润滑。随着科技的发展，人类探索领域的加深加宽，机械设备所处的环境出现一些特殊、苛刻的情况，相应地，普通的润滑脂已经不能适应特殊条件，于是不断涌现出特种润滑脂，如高滴点润滑脂、高负荷润滑脂、抗磨润滑脂、防护密封脂、抗水润滑脂、抗辐射润滑脂、低挥发润滑脂等，其中，低挥发润滑脂适用于真空环境，如空间设备的润滑。过去我国研制的空间设备工作时间短，采用固体润滑膜即能满足要求。与润滑脂相比，固体润滑剂摩擦因数较大、热传导性能差、易产生磨屑、自修复性能差，因此在长寿命、高可靠空间任务应用上受到一定的局限。国外长期在轨的空间设备是采用具有低挥发性、高耐辐射性和化学惰性的抗磨润滑脂[1-3]。

低挥发润滑脂除了要具备润滑脂通常的性能如良好的高低温性能、润滑性、胶体安定性、氧化安定性和防腐蚀性外，还必须具有较低的饱和蒸气压和挥发性，在空间辐射环境下还需要具有较强的耐辐射性。对于低挥发润滑脂而言，基础油的性能至关重要，空间润滑脂基础油的发展经历了矿物油、硅油、合成酯、全氟聚醚(PFPE)[4]以及合成烃等。矿物油在真空中挥发性大、黏温特性差；硅油润滑性差且存在交联问题；酯类油化学稳定性差。这3类油作为空间润滑用油使用局限性大。PFPE具有良好的低温流动性、低挥发性和高黏度指数，结构中不含氢元素，具有高耐辐射性和化学惰性，极压性好，但抗磨性差，而且与常规的抗磨添加剂和抗氧剂不互溶。另外，PFPE在高于260 ℃时发生热降解，放出COF2，有可能污染空间设备。合成烃类基础油主要指低挥发性合成烃油，包括聚α-烯烃(PAO)和多烷基环戊烷(MAC)，目前正逐步取代传统的空间液体润滑剂。PAO基础油由于具有良好的高低温性能、氧化安定性、润滑性以及与添加剂的相容性，在真空机械润滑领域常被用作润滑脂的基础油，但在挥发性方面不如MAC和PFPE。MAC是目前国际上常用的最先进的一种低挥发润滑油，具有良好的润滑性、低挥发性和饱和蒸气压、较好的耐辐射性和化学惰性，而且与常规添加剂互溶[5]。根据不同的使用温度、不同饱和蒸气压和承载能力，国外已经开发出系列产品。本研究选用中国石化石油化工科学研究院自制的MAC为基础油，以复合钠皂为稠化剂[6]，并添加抗氧剂、极压抗磨剂和防锈剂等复合添加剂制备一种低挥发润滑脂，对低挥发润滑脂的饱和蒸气压、真空质损、耐辐射、相容性等应用试验性能以及真空热循环台架试验进行评价。

1 实 验

1.1 实验材料和设备

基础油为MAC，实验室自制。

采用下列设备进行研究：NICOLET AVATAR360红外光谱仪，美国Thermo Fisher公司产品；四球试验机，MRS-10型，济南舜茂公司产品；润滑脂针入度计，TSY-6004型，大连特安技术公司制造；蒸发损失测定仪，TSY-2012A型，大连特安技术公司制造；润滑脂低温转矩测定仪，K18855型，美国Koehler公司制造。

1.2 试验方法

(1)采用四球机法测定润滑脂的极压抗磨性，四球机主轴转数(1 200±50) rmin，实验温度(75±2) ℃，测得最大无卡咬负荷(PB)、烧结负荷(PD)，计算综合磨损指数(ZMZ)。

(2)采用显微镜法测定润滑脂中的外来粒子的尺寸和数量，计算润滑脂杂质含量。测定时，将润滑脂涂在血球计数板上固定尺寸的方形凹槽内，用100倍的显微镜观察记录25～75 μm和大于75 μm的不透明外来粒子和半透明纤维状外来粒子的数量。润滑脂内如果混入机械杂质，在使用时就会带入机械摩擦部位，降低润滑脂的减磨作用，并造成摩擦面擦伤。

(3)饱和蒸气压试验是考察空间用润滑脂的重要试验，饱和蒸气压值是关系到润滑脂真空应用性能的一个重要参量，是衡量其长效性的重要指标之一。测试按照航天工业行业标准QJ 2667—1994真空用油脂饱和蒸气压测试方法，采用蒸发速率法测定润滑油脂的饱和蒸气压。在真空测试室内，将放在蒸发锅内的试样加热，逸出的蒸汽凝聚在天平盘上，由真空微量天平测出凝聚物质量，根据相关参数通过微机处理绘制曲线，用外推法得出饱和蒸气压。

(4)真空质损试验是空间用非金属材料必须通过的试验。材料在真空环境中会蒸发、升华或放气，并随着温度升高而加速，这个过程导致质量损失，减少的物质有可能在较冷的表面上重新凝结，这些重新凝结的物质称为“可凝挥发物”。润滑脂中的主要成分润滑油在使用过程中会逸出，这不但会直接影响润滑脂的润滑性能，而且可凝挥发物如果凝结在航天器的敏感表面(如光学镜头、热控涂层、继电器触电等)则可能造成污染，使其功能降低甚至失效。本试验采用航天工业部标准QJ 1558—1988真空中材料挥发性性能测试方法，试验条件为：温度125 ℃，时间24 h，真空饱和度7×10-3Pa。将恒温恒湿箱中存放后的试样在真空环境中均匀加热，通过称量此过程前后试样和收集板质量的变化，得到总质量损失和收集到的可凝挥发物，再将测试后的试样重新恒温恒湿存放后称试样质量，得到水蒸气回收量。

(5)空间设备用低挥发润滑脂要求具有一定的耐辐射性，耐辐射试验的辐射源是钴60，能释放穿透能力强的γ射线，辐射强度3×105Ci(居里)，辐射剂量选择2个量级：1×104Gy和1×105Gy。

(7)模拟空间环境进行真空热循环台架试验，考察润滑脂在高真空、冷热交变等环境下的润滑情况。试验前，将待评价的低挥发润滑脂涂抹于某谐波齿轮上，在模拟空间真空环境的真空罐中进行热循环试验，试验温度为-35～70 ℃，压力不高于1.3×10-3Pa，温变速率约为0.5 ℃min，极限高低温停留时间为4 h，循环次数共12次。

2 结果与讨论

2.1 润滑脂理化性能

低挥发润滑脂的理化性能见表1。从表1可以看出：低挥发润滑脂的滴点大于200 ℃，属高温润滑脂，低温转矩性能无论是启动转矩还是运转转矩都在0.1(N·m)左右，蒸发损失率只有0.06%，接近0，钢网分油率小到0，极压抗磨综合磨损值达到461，属极压润滑脂；杂质数量也较小；四球试验钢球磨斑直径为0.47 mm，说明该润滑脂的抗磨性能优良。综合理化性能评价数据：该种低挥发润滑脂具有良好的高低温性、胶体安定性、氧化安定性、防锈性和极压抗磨性。

表1 低挥发润滑脂的主要理化性能

2.2 应用试验

2.2.1饱和蒸气压试验分别测试基础油和低挥发润滑脂的饱和蒸气压，结果见表2。从表2可以看出，基础油制备成润滑脂后饱和蒸气压由8.7×10-7Pa变为3.4×10-6Pa。

表2 饱和蒸气压试验结果

2.2.2真空质损试验润滑脂的真空质损试验结果见表3。从表3可以看出，低挥发润滑脂真空质损试验的总损失率为0.95%，可凝挥发物质量分数为0.088%，水蒸气回收率为0.39%。满足真空质损试验要求材料的质量总损失率不大于1.0%、可凝挥发物质量分数不大于0.1%、同时具有尽可能低的水蒸气回收率的质量指标要求[7]。

表3 润滑脂的真空质损试验结果

2.2.3耐辐射试验在选取的2种辐射剂量照射前后，分别测试润滑脂的14锥入度、滴点和腐蚀性能，结果见表4。从表4可以看出，研制的低挥发润滑脂产品经受1×104Gy和1×105Gy辐照后，14锥入度、滴点和腐蚀性能基本保持不变，可以初步判断润滑脂的结构和性能没有发生改变，不受该强度辐射的影响。

表4 低挥发润滑脂耐辐射试验结果

2.2.4相容性试验真空设备用材质品种较多，包括金属材料和非金属材料，需测定润滑脂对可能接触材质的腐蚀性，以确保润滑脂不会破坏设备的正常运转。为此，将这些材质制成试片进行相容性试验。试验试片材质有10种，分别为40CrNiMoA、2Cr13、9Cr18、ZGCr15、1Cr18Ni9Ti、聚酰亚胺、45号钢、氟橡胶、铝合金和银片。试验后清洗试片。发现试片没有斑点和不均匀的颜色变化，润滑脂也没有变色，试验结果合格。说明所评价润滑脂与上述材质相容。

2.3 真空热循环台架试验

在低挥发润滑脂的真空热缩环台架试验过程中，对2套谐波齿轮进行了详细记录分析，该润滑条件下，谐波传动效率在高温段(70 ℃)最高能够达到89%，在低温段(-35 ℃)仍能达到45%以上，整个试验过程中，谐波传动运行稳定，没有出现异常情况。试验后，对谐波齿轮进行拆解，试验后部件、钢轮、柔轮、波发生器外观照片见图1～图4。试验后润滑脂没有出现干涸、分油现象，摩擦副表面光滑，没有腐蚀和严重磨损现象。

图1 试验后部件照片

图2 试验后钢轮照片

图3 试验后柔轮照片

图4 试验后波发生器照片

真空热循环台架试验前后润滑脂的红外光谱见图5。从图5可以看出，试验前后润滑脂的所有特征峰保持不变，说明润滑脂的组成没有发生变化。

图5 真空热循环台架试验前后润滑脂红外光谱

低挥发润滑脂真空热循环台架试验前后元素分析结果见表5。从表5可以看出，所测元素含量都没有发生变化，说明润滑脂组成没有变化。综合以上台架试验分析结果，所评价的低挥发润滑脂通过了该谐波齿轮真空热循环台架试验。

表5 低挥发润滑脂试验前后元素分析结果 w，%

3 结 论

选用中国石化石油化工科学研究院自制的MAC为基础油，以复合钠皂为稠化剂并添加抗氧剂、极压抗磨剂和防锈剂等复合添加剂制备出一种低挥发润滑脂。该润滑脂不仅具有良好的高低温性、胶体安定性、氧化安定性、防腐蚀性、极压抗磨性，同时具有较低的饱和蒸气压(3.4×10-6Pa)和挥发性(总损失率0.95%，可凝挥发物质量分数0.088%)；极强的耐辐射性能(可耐受1×105Gy剂量)以及与真空设备材质良好的相容性，并且通过了真空热循环台架试验。

参考文献

[1] 程亚洲，胡献国，徐玉福，等.空间润滑脂的研究进展[J].航天器环境工程，2013，30(1)：14-19

[2] 李晓辉，刘继奎，王术.601EF脂润滑谐波减速器热真空传动性能试验研究[J].航天器环境工程，2011，28(5)：450-453

[3] 刘维民，翁立军，孙嘉奕，等.空间润滑材料与技术手册[M].北京：科学技术出版社，2009：57-58

[4] Anderson J C，Flabbi L，Caporiccio G.The lubrication of plastics by perfluoropolyether fluids[J].Journal of Synthetic Lubricants，1998，5(3)：199-214

[5] Venier C G，Casserly E W.Multply-alkylated cyclopentanes(MACs)：A new class of synthesized hydrocarbon fluids[J].Lubrication Engineering，1991，47(7)：586-591

[6] Maccone P，Gavezotti P，Palamone G.New fluorinated grease：A tribological evaluation[J].Journal of Synthetic Lubrication，2005，21(4)：315-329

[7] 薛华.真空条件下可凝挥发物蒸发和凝结速率的分析[J].真空科学与技术学报，2009，29(S)：31-35