复合添加剂对齿轮油抗氧化特性的影响

王艳丽

(山西潞安太行润滑油有限公司，山西 长治 046000)

引 言

齿轮油是以石油润滑油为基础油，在其中加入各类抗磨剂及复合添加剂后调制而成的一种重要的润滑油，主要用于各类齿轮传动系统中，用于降低轮齿啮合时的磨损，防止齿面擦伤、磨损等，延长传动系统的工作寿命，提高传动系统传动的平稳性和高效性。当车辆在低速运行的情况下，汽车传动箱内油液的温度相对较低，使燃料内的水分很难从齿轮油内排出，造成漆膜及油泥的沉淀物较多，同时，在长期运行时，齿轮油在各种因素的作用下逐渐发生氧化，内部化学成分氧元素增多，相对分子质量增大，由烃类化合物转变成了非烃化合物，外现上颜色变深，沉淀增多，腐蚀性增大，造成油液的黏度值迅速增加(通常氧化后油液黏度值增加量在10%以上)，使齿轮油的的使用性能急剧下降[1]，因此，如何提高齿轮油的抗氧化性及使用寿命，确保传动系统的平稳性，成为了迫切需要解决的问题。

1 降凝剂的抗氧化性机理分析

降凝剂T803B具有优秀的抗油液老化性的特性，当油液在温度较低时，降凝剂高熔点的固体烃分子处于定向的排列状态，形成三维网状结构，此时，能够将低熔点的油液吸附在形成的三维网状结构附近，使油液分子丧失自由流动性。降凝剂的分子结构能够在固体烃的表面形成吸附层，能够对固体烃生长的外形和伸展方向进行约束。在油液中降凝剂只能对固体烃的外形大小进行限制，但是并不能改变油液的浊点量。经试验验证，当油液中不含有降凝剂时，其油液中固体烃结构为直径是30 μm～140 μm的针状晶体，当在油液中添加降凝剂后，能够显著减小固体烃结构的直径，其结构为直径是10 μm～12 μm的分枝星形结晶。这是因为，当降凝剂能够在固体烃表面吸附芳香族基团，在芳香族基团的作用下使固体烃表面产生共晶，其共晶体上分支的数量会随着降凝剂浓度的增加而增大。这主要是因为降凝剂对结晶的生长方向产生了支配作用。

当没有降凝剂时，固体烃的单晶体生长时，在X、Y方向上能够快速生长，形成板状结构的结晶体，大量的结晶体通过四周的棱角相互连接，最终形成三维网状的骨架结构。整体结构如图1所示。

图1 无降凝剂时固体烃晶体的生长方式

当在油液内加入促凝剂时，由于降凝剂所含的分子能够在固体烃的表面产生共晶，在共晶体的作用下对固体烃内晶体的生长产生约束作用，限制固体烃晶体在X、Z方向上的生产，促进晶体在Y方向上的生长，使晶体的结构朝着正方形的结构发展。同时，在降凝剂分子的作用下，留在固体烃表面的极性基团能够阻止固体烃晶体间相互的结合，整体结构如图2所示[2]。

图2 有降凝剂时固体烃晶体的生长方式

2 降凝剂对基础油抗氧化性的影响

某含有复合添加剂的齿轮油主要由基础油(HVI 150BS-201002)构成，在该齿轮油内分别加入降凝剂T803B、分散剂T154、金属减活剂 T406及清净剂 T101，以验证其对该齿轮油抗氧化特性及油样黏度的影响。油样组成如表1所示。

表1 油样组成列表 g

2.1 人工老化实验

取1个200 mL的烧杯，加入100 mL试验油样，加入1片大小适中的45号钢片，使其完全浸入油样内，然后，把烧杯放置到120 ℃的恒温箱内，保持288 h。取出钢片后用石油醚进行冲洗，观察钢片的变色情况和烧杯内的沉淀物，同时，对杯中油样的黏度及油样的沉淀值进行测量。

2.2 油样黏度的测定

油液黏度测定时，需采用毛细管黏度计[3]，其结构如图3所示。

在进行油样的黏度测量时，需按以下顺序进行：

1) 将毛细管黏度测量仪完全垂直放置在恒温箱内，把恒温箱的温度调整到(45±0.1)℃，保持该温度15 min。

2) 利用毛细管黏度计入口处的橡皮管，将油样吸入到黏度计的扩张部分，并要求黏度计内的油样液面需高于黏度计上的标线a，在操作时需注意，吸入油样时需缓慢，避免油样产生气泡。

图3 毛细管黏度计结构示意图

3) 在吸入过程中注意观察油样在黏度计内的流动情况，当黏度计内油样的液面刚好达到标线a处时，启动表开始计时，直到液面达到黏度计上的标线b处时，停止计时。

4) 重复以上步骤5次，记录5次的平均值，作为油样流动的平均流动时间，然后，利用液体运动黏度的计算公式(1)计算出其黏度值[4]。

Yt=c×τt

(1)

式中：Yt为液体的运动黏度，m2/s。

2.3 油样沉淀值的测定

在常温下，取1个200 mL的烧杯，加入10 mL油样，并加入90 mL沉淀石油醚，充分混合后，将其放置在旋转盘上，调整旋转盘旋转速度为600 r/min，旋转10 min，取下烧杯，此时，底部沉淀物的体积即为油样的沉淀值。

2.4 实验结果对比分析

根据以上实验，将各试验结果进行汇总，如表2、第106页表3所示。

表2 油样老化前、后黏度变化情况

由分析结果可知，在基础油内按比例添加T101后，分别对5组油样进行人工老化试验，将试验前、后的油样黏度变化率及油样的沉淀情况进行对比，在实验前、后使基础油样的沉淀量过大的问题得到了很好的解决，但油样的黏度值增加了8.81%。为解决氧化后黏度值过大的问题，根据实际情况分别向油样内添加分散剂T154及减活剂T406，通过对比可以发现，在试验前、后其黏度问题并没有得到有效的解决，因此在油样中进一步添加T803B。试验结果表明，油样在经氧化后其黏度值仅提高了4.14%，极大地降低了油液氧化后黏度值的增加量，确保了齿轮油工作时的可靠性。

表3 油样老化前、后沉淀值变化情况 mL

3 结论

本文通过对齿轮油氧化原因的分析，提出了在齿轮油内增加降凝剂来提高齿轮油的抗氧化特性及使用寿命。在对降凝剂抗氧化机理进行深入分析的基础上，设计了一套适用于齿轮油抗氧化指标测定的实验方案。通过实验表明，在齿轮油内增加T803B降凝剂，能够大幅降低齿轮油在氧化后沉积物的量和油液的黏度，极大地提升齿轮油的使用寿命，具有十分重要的应用价值。