几种含磷摩擦改进剂在150BS光亮油中的摩擦学性能研究

周 康，王玉玲，姚元鹏，李 旭，吕会英，汤仲平

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，兰州 730060；2.中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室)

150BS光亮油是一种重要的高黏度润滑油基础油，是生产高档内燃机油和齿轮油不可缺少的基础原料。摩擦改进剂的作用是在摩擦面上形成物理或化学吸附膜，减少摩擦和磨损，从而起到润滑和节能的作用[1]。其中，含磷摩擦改进剂由于具有优异的抗磨减摩性能、良好的润滑性能、较高的承载能力及简单的制备工艺，已成功应用于齿轮油、液压油、润滑脂等多种油品中[2-3]。

近几年，磷系摩擦改进剂在合成基础油中的性能研究受到了诸多关注[4-5]，但针对150BS光亮油的摩擦学性能研究甚少。需要注意的是，由于不同基础油结构的差异对添加剂的感受性不同，合成油与矿物油在性质上有差异，两者界面性质差异很大，与添加剂的相互作用机理也不同。本课题选取亚磷酸烷基酯GO-1、酸性磷酸酯胺盐GO-2和硫代磷酸酯GO-3，对含磷摩擦改进剂在150BS基础油中的摩擦学性能进行系统研究。采用MRS-1J四球摩擦试验机、SRV摩擦磨损试验机和三维轮廓形貌仪考察含磷摩擦改进剂在150BS基础油中的抗磨性能，采用MTM2型微牵引力试验机、VKA 110四球试验机考察含磷摩擦改进剂在150BS基础油中的减磨性能，为油品的开发提供参考。

1 实 验

1.1 原 料

所用150BS基础油的主要理化性能见表1。

试验所用GO-1的磷质量分数为6.49%，酸值为17.5 mgKOH/g；GO-2的磷质量分数为7.02%，氮质量分数为2.43%；GO-3的磷质量分数为10.52%，硫质量分数为20.54%。

表1 150BS基础油的主要理化性质

将GO-1，GO-2，GO-3 3种含磷摩擦改进剂分别以质量分数为0.5%的量加入到150BS基础油中调制成润滑油样品，油样编号分别为YGO-1，YGO-2，YGO-3。

1.2 实验方法

1.2.1四球机试验采用MRS-1J四球摩擦试验机，依据GB/T 3142标准方法《润滑剂承载能力测定法(四球法)》测定油品的极压性能，包括测定最大无卡咬负荷(PB)、烧结负荷(PD)和综合磨损指数(ZMZ)；依据SH/T 0189标准方法《润滑油抗磨损性能测定法(四球机法)》测定油品的抗磨性能；采用MMW-1 型四球机依据SH/T 0762《润滑油摩擦因数测定法(四球法)》测定润滑试验的摩擦因数。

1.2.2SRV摩擦磨损试验采用德国OPTIMOL公司生产的高频往复线性振动试验机(SRV4试验机)测定润滑试验摩擦磨损和油品的极压特性。依据NB/SH/T 0847标准方法《极压润滑油摩擦磨损测定SRV试验机法》测定试验钢球的磨斑直径，试验条件为负荷200 N、频率50 Hz、时间2 h、温度80 ℃、行程1 mm。

1.2.3三维形貌测试分别将150BS基础油和油品YGO-1,YGO-2,YGO-3经四球磨损试验后的钢球用石油醚清洗，采用AEP Technology公司生产的NanoMap-D 双模式三维表面形貌仪测试钢球磨痕的表面形貌和沟痕深度。

1.2.4微牵引力试验使用英国PCS公司生产的MTM-2微牵引力试验机测定油品试验的牵引因数变化情况，评估油品的减摩性能。试验条件为温度70 ℃、传动比50∶1、载荷30 N、时间30 min。

1.2.5温升试验采用德国Hansa Press公司制造的VKA 110四球试验机测定油品的温度变化情况。试验轴承在一个保温材质制成的保护罩中进行，将轴承浸泡在38 mL被测油品中。试验条件为转速4 000 r/min、载荷5 000 N、时间120 min，记录润滑油的温度变化。试验结束后测试得到油品的温度变化值，反映出油品的功率损耗和减摩性。

2 结果与讨论

2.1 抗磨性能

2.1.1四球和SRV摩擦磨损试验表2列出了3种摩擦改进剂在150BS基础油中的抗磨性能。

表2 不同摩擦改进剂在150BS基础油中的极压抗磨性能对比

由表2可知：3种摩擦改进剂的加入均不同程度提高了150BS基础油的PB、PD和ZMZ值，同时显著降低了油品的磨斑直径；YGO-2的PB、PD和ZMZ值提升幅度最大，YGO-3次之，YGO-1最低；3种添加剂加入后的油品钢球磨斑直径由0.68 mm分别降至0.51，0.34，0.42 mm；说明摩擦改进剂的加入有利于提高150BS基础油的抗磨性能，其中以加入GO-2时抗磨性能最好，在摩擦过程中可以有效保护摩擦表面，降低摩擦副表面的磨损；加入摩擦改进剂后油品试验钢球的水平磨斑直径、垂直磨斑直径和平均磨斑直径都远小于150BS基础油试验时，其中YGO-2油品试验钢球的磨斑直径最小，说明酸性磷酸酯胺盐相比其它摩擦改进剂可更有效防止油膜破裂造成的齿面磨损。

2.1.2钢球磨斑表面形貌磨斑形貌和磨痕深浅可在一定程度上反映不同油品抗磨性能的优劣，使用三维形貌仪对四球试验后的钢球磨斑表面进行测试，结果见图1～图2。

图1 不同油品四球摩擦试验的钢球三维形貌对比

由图1可知：150BS基础油试验的钢球磨斑形貌不规则，磨痕较深，面积较大，表面有大量粗的梨沟和划痕，磨损非常明显，说明出现了连续的擦伤过程；YGO-1油品试验的钢球磨斑表面有一定的梨沟现象，但与基础油试验相比明显减轻；YGO-2油品试验的钢球磨斑表面最为光滑平整，略有磨痕；YGO-3油品试验的钢球磨痕介于YGO-1和YGO-2油品试验钢球磨痕之间。

从图2对沟痕深度的测试结果可知，150BS基础油的试验钢球磨斑深度最大为7.49 μm，YGO-1，YGO-2，YGO-3油品的试验钢球最大磨斑深度分别为3.95，1.28，1.75 μm。

结合表2、图1和图2可知，3种含磷摩擦改进剂的加入均能不同程度地提高油品的极压抗磨性能，其中GO-2在150BS基础油中的抗磨性能最好，GO-3次之，GO-1有一定效果，但没有前两者明显。

图2 不同油品四球试验的钢球磨斑深度变化对比

2.2 减磨性能

2.2.1摩擦因数图3为150BS基础油及YGO-1，YGO-2，YGO-3油品的四球试验摩擦因数随试验负荷的变化。由图3可以看出：随着负荷的增大，摩擦因数整体呈增大的趋势，摩擦改进剂的加入使四球试验摩擦因数出现不同程度的下降；在低负荷下(小于294 N)，YGO-2和YGO-3油品四球试验的摩擦因数接近，明显低于150BS基础油试验的摩擦因数，说明低负荷条件下，YGO-2和YGO-3油品对应的GO-2和GO-3均具有良好的减摩作用；在高负荷下(大于294 N)，YGO-2油品试验的摩擦因数随负荷的增大而略有增加，但增幅很小，四球试验的摩擦因数小于YGO-3油品试验的摩擦因数；YGO-1油品与150BS基础油的最大失效负荷都不大于785 N，添加剂GO-1对150BS试验的摩擦因数改善不明显。

图3 不同摩擦改进剂作用下150BS油品的四球试验摩擦因数随负荷的变化◆—150BS； ■—YGO-1； ▲—YGO-2；

综上，GO-2的加入对降低四球试验摩擦因数的效果最为明显，表明该添加剂在摩擦副表面能形成致密、稳定的吸附润滑膜[6]；GO-3次之；GO-1的加入对四球试验的摩擦因数有一定的降低效果，但最大失效负荷仍不大于785 N，说明此添加剂在高负荷工况时对油品的润滑性改善不大。究其原因，不同含磷摩擦改进剂的结构不同，对摩擦副表面的吸附作用不同。

2.2.2牵引因数油品的牵引因数是表征油品摩擦学性能的重要指标之一，较低的牵引因数有助于降低摩擦力，改善以滑动摩擦为主的齿轮或轴承的传动效率，减小动力消耗和降低稳定状态操作温度，从而延长设备的使用寿命。使用MTM-2微牵引力试验机考察了油品的牵引因数随时间的变化情况，结果见图4。

图4 不同摩擦改进剂作用下150BS油品试验的牵引因数随时间的变化◆—150BS；●—YGO-2； ▲—YGO-1

从图4可以看出：4个测试油品中，150BS基础油试验的牵引因数最大，YGO-2油品试验的牵引因数最小，YGO-3的次之，YGO-1介于YGO-2和YGO-3之间。这说明GO-2和GO-3的加入对降低150BS基础油试验的牵引因数效果比较明显；GO-1对降低150BS光亮油试验的牵引因数也有一定效果，但没有前两者明显。

2.2.3温升变化润滑油使用过程中受到剪切和压缩作用产生热量，会引起温度升高，从而导致油品黏度下降，进而影响润滑油的承负能力，因此，需要对油品的温升进行考察。采用VKA 110四球试验机测定油品的温度变化情况，试验结束后测得油品的温度变化值，称之为油品的稳态温度。稳态温度变化量可以反映油品在特定传动装置内的功率损耗。表3列出了油品的稳态温度测试结果，图5列出了3种含磷摩擦改进剂作用下150BS基础油的温度随时间的变化。

表3 不同摩擦改进剂作用下油品的温升试验结果

图5 不同摩擦改进剂作用下油品的温度随时间的变化—YGO-1；—YGO-2；—YGO-3；—150BS

从表3可以看出，150BS基础油的稳态温度为156.5 ℃，YGO-1，YGO-2，YGO-3的稳态温度都比150BS基础油的低，分别为153.6，136.9，143.4 ℃。从图5可以看出，在试验时间内，YGO-2油品的温度增幅最小，YGO-3次之，YGO-1的温度增幅较大，仅次于150BS基础油，说明摩擦改进剂的加入能有效降低150BS基础油的温升。对应实际工况，可以提高传动效率，降低工作温度，并减少功率输出和能源消耗[6]。GO-2加入后温升下降效果最明显，GO-3次之，GO-1也有一定作用，这与之前的牵引因数的测试结果是一致的。

3 结 论

(1)3种含磷摩擦改进剂对150BS基础油的抗磨性能均有不同程度的提高，其中GO-2的抗磨性能最好，钢球磨斑表面最为平整，GO-3的抗磨效果次之，GO-1的加入也有一定作用。

(2)3种含磷摩擦改进剂的加入均能不同程度地提高150BS基础油的减磨性能，其中GO-2具有更为优异的减摩性能，在摩擦因数、牵引因数和温升方面对油品具有更大的改善；GO-3的减磨效果次之，在低负荷下对油品摩擦因数有较好效果；GO-1也有减磨作用，但效果较弱。