抗磨添加剂在不同ATF基础油中摩擦学性能研究*

王 稳1 尹振寰2 李国良 王 昆

(1.西京学院机械工程学院 陕西西安 710123;2.武警后勤学院研究生管理大队 天津 300309；3.陕西通用石油化工有限公司 陕西西安 710100)

润滑油基础油可以分为矿物型、合成型、部分合成型，普通汽车自动变速箱(Automatic transmission Fluid，简称ATF)基础油一般选用2类或3类加氢矿物油调和。对于长寿命使用要求和特殊使用环境如低温、频繁换挡等，可采用部分合成和全合成基础油，主要基础油为2类加氢、3类加氢矿物油和聚α烯烃、酯类油相互调和。不同组分的基础油性能相差较大，如加氢基础油抗氧化性、低温性能不及聚α烯烃，而聚α烯烃因为由线型异构烷烃组成，相比于矿物油而言，其分子中缺少环烷烃以及芳烃，对于极性强的添加剂溶解能力差[1]。由于各种功能添加剂对不同的基础油感受性不同，在不同的基础油中发挥的效果也不同，夏青虹等[2]研究了不同组份基础油的抗磨性能，指出随基础油中链烷烃与少环环烷烃含量增加，油品抗磨性能有变差的趋势；李韶辉等[3]利用SAE No.2试验机研究了自动传动液的摩擦特性，指出基础油中的饱和烃含量决定基础油的摩擦特性；MOON等[4]也指出基础油性质对ATF使用性能影响不用。但目前对同种添加剂在不同基础油中的对比性研究较少。为了选择ATF的基础油和添加剂，达到对油品摩擦特性的要求，将T203、T307、T306三种抗磨添加剂分别加入加氢精制矿物基础油、聚α烯烃合成油以及加氢精制矿物基础油和聚α烯烃合成油的混合油中，进行四球抗磨试验，分析添加剂对不同基础油的感受性，探索ATF的可选基础油和添加剂组合。

1 试验部分

1.1 基础油及添加剂

试验用基础油包括100N、250N、PAO6、PAO8四种，其指标如表1所示。

表1 基础油性能指标

为了保证在各工况下稳定的摩擦因数和低S、低P添加剂的使用，ATF抗磨添加剂选择了双辛基二烷基二硫代磷酸锌T203、硫代磷酸胺盐T307、磷酸三甲酚酯T306。其中： T307的S含量为9.1%(质量分数，下同)，P含量为9.0%；T306游离甲酚小于等于0.1%，均由淄博惠华添加剂公司生产； T203的S含量为15.22% P含量为7.78%，Zn含量为9.05%，由锦州惠发天合集团生产。

1.2 试验仪器与方案

试验采用济南试金集团生产的MR-S110(G)杠杆式四球摩擦磨损试验机，试验钢球为Ⅱ级标准轴承钢球，材料为GCr15，钢球直径为12.7 mm。试验以综合磨斑直径和最大无卡咬负荷pB值为指标对抗磨性能进行评定。磨斑直径采用SH/T 0189-92试验方法，在196 N载荷，主轴转速(1 200±60) r/min下，在室温下持续运转时间30 min。以毫米为单位报告3个钢球6次测量的磨斑直径算术平均值；最大无卡咬负荷pB值采用GB/T 3142-82试验方法，以主轴转速1 500 r/min运行10 s。

考虑到矿物油、半合成油、全合成油对添加剂的感受性不同，摩擦效果不同，用上述6种基础油分别配制相同的100 ℃运动黏度为6.5～6.6 mm2/s的混合基础油A、B、C、D，该黏度是ATF调和的基础油目标黏度，基础油构成如表2所示。将T203、T307、T306分别以一定的比例加入A、B、C、D 4种不同基础油中，配制试验油。

表2 4种不同调和基础油的组分构成

2 试验结果与分析

2.1 单剂在基础油中的抗磨性试验

2.1.1 T203在基础油中摩擦学性能对比

如图1所示，在不同的基础油中添加T203后，磨斑直径的值变化趋势不同。在矿物油中，随着T203加量增加，磨斑直径逐渐减小，可见T203在矿物油中具有良好的抗磨作用，并有正比抗磨关系；在全合成油中，磨斑直径基本维持在0.50 mm，变化不大，ZDDP中S、P元素在全合成基础油中的作用发挥不太明显；在部分合成油中，磨斑直径变化也不明显。说明T203对PAO的感受性较差，这可能和PAO对添加剂的溶解性有较大关系[5]。

图1 4种基础油添加不同质量分数T203后的磨斑直径

如图2所示，随着T203加量提高，矿物油和部分合成油的pB值均有所上升，但全合成油表现不明显，基本维持在1 000 N；T203对合成油和矿物油的感受性有明显的区别，极压性较均衡，加量0.6%时，全合成油的pB值最高。

图2 不同基础油中添加T203后的pB值

T203的抗磨作用是由S、P元素共同作用，P吸附量越大，抗磨性越好；在P的吸附量相当的情况下，金属表面发生摩擦化学反应形成保护膜FeS增加抗磨作用[6-7]。

2.1.2 T307在基础油中摩擦学性能对比

如图3所示，T307在不同基础油中的感受性明显不同，在矿物油中的磨斑直径在0.3～0.4 mm之间，明显小于全合成油的0.6～0.7 mm，T307在矿物油中的感受性更佳；PAO8+100N的磨斑直径在加量0.6%以上时与PAO6+250N的接近。如图4所示，不同基础油的pB值无太大差别，在全合成基础油中，T307加量的增大并不能明显提高pB值；在部分合成油中，pB值变化趋势不同，在PAO6+250N中，pB值呈下降趋势，在PAO8+100N中，pB值呈上升趋势，趋势相反，与混合基础油中合成油比例不同导致油品油性相差较大有关。T307能在摩擦表面形成化学反应膜，主要成分为铁的氧化物、硫化物(FeS)、硫酸盐(FeSO4)、磷酸盐(FePO4)，起到保护摩擦表面的作用，降低了摩擦表面的磨损[8]。

图3 4种基础油添加不同质量分数T307后的磨斑直径

图4 4种基础油添加不同质量分数T307后的pB值

2.1.3 T306在基础油中摩擦学性能对比

如图5所示，随着T306加量的增大，矿物油的磨斑直径有所上升，但上升幅度不大，保持在0.42～0.47 mm之间；在合成油中抗磨效果非常明显，加量从0.4%增加至1.4%的过程中，磨斑直径从0.63 mm下降至0.32 mm；在部分合成油中变化趋势相似，磨斑直径在0.40～0.55 mm之间。

图5 4种基础油添加不同质量分数T306后的磨斑直径

如图6所示，T306加量从0.4%增加至1.4%的过程中，全合成油的pB值有明显的提高，从610 N上升至880 N，在矿物油中仅能达到440 N，在部分合成油中达到约580 N。整体来看，混合基础油中含有部分合成油有利于T306对基础油极压性能的提高，这是因为T306中的P元素分解生成的有机膦酸聚合物，能较快地与钢球表面发生反应，在摩擦副处生成化学反应膜，在边界润滑中起到很好的润滑作用，减少了摩擦磨损[9]。

综合评价，各添加剂对不同基础油的感受性总体来看如表3所示。

表3 3种添加剂的抗磨效果

从表3可以看出，3种添加剂在不同基础油中表现了不同的摩擦特性，T203、T307对矿物油的抗磨性能最优，T306加量在大于0.6%时在全合成油中对抗磨性能的感受性最优；在极压性能方面，T203、T306在全合成油中的极压性感受性最优；T307在3种基础油中表现差别不大；在部分合成油中，合成油的比例对摩擦性能的影响也有不同程度差异。

2.2 添加剂复合后的四球试验结果

ATF配方组成要求低磷、低硫，所以试验选取了0.6% T203、0.4% T307和0.4% T306三种添加剂，两两配合加入上述4种基础油中(0.6% T203+0.4% T307、0.6% T203+0.4% T306、0.4% T307+0.4% T306)，考察添加剂复配后对基础油的感受性。

如图7所示，3种添加剂组合中，含有T203添加剂的组合较单独使用T203的磨斑直径大；T306和T307复配后的磨斑直径较大，抗磨效果较差。这主要是因为T203发挥了主要的抗磨作用，与其他添加剂复配后添加剂抗磨效果降低。如图8所示，3种添加剂组合的pB值较为接近；T203和T307组合在4种基础油中pB值接近，极压性接近；T307和T203分别与T306配合后，pB值增大，表明T307和T203发挥了更大的极压作用。谢凤等人[10]指出：在较低的负荷下，T306和T203复配没有明显的减摩协同作用。复配后抗磨效果与添加剂相互竞争有较大关系，二者之间谁能更先与摩擦表面发生反应形成保护膜，谁的抗磨方式和效果将更会体现出来。

图7 4种基础油添加不同添加剂后的磨斑直径

图8 4种基础油添加不同添加剂后的pB值

3 结论

(1)考察3种添加剂单剂在4种不同组合基础油中的性能，结果表明：T203、T307对矿物油的抗磨性能最优，T306在不同基础油中抗磨性能较相近；在极压性能方面，T203、T306在全合成油中的极压性感受性最优，T307在4种基础油中表现差别不大；在部分合成油中，合成油的比例对摩擦性能的影响有不同程度差异。

(2)3种添加剂双剂配合时，与单剂相比，没有明显优势，双剂对4种基础油的抗磨性能改善不明显。由于自动变速器油的换油周期较长，在选定好合适的基础油组合后，进行添加剂与基础油配伍的摩擦稳定性试验是后期的研究重点，同时继续降低添加剂加量，特别是S、P元素含量越低越好。