金属对酯类航空润滑油高温氧化作用影响研究

费逸伟，郭忠烈，姜旭峰，彭显才

(1.空军勤务学院航空军需与燃料系，江苏 徐州 221000；2.95788部队，四川 成都 610041)

0 引言

良好的润滑条件是航空发动机正常工作的前提。航空润滑油不仅是航空发动机降低磨损、减小摩擦的主要手段，还具有保护机械不受腐蚀、吸收机械冲击力、冷却摩擦表面等作用[1-2]，因此航空发动机润滑系统是航空发动机必不可少的一部分。现代航空发动机润滑部位温度越来越高[3]，要求航空润滑油具有良好的高温氧化安定性[4-5]，同时，航空润滑油在使用时与润滑系统中含Fe、Cu、Al、Cr、Mo等金属部件接触，研究表明[6-8]金属Cu、Fe等在高温下对航空润滑油氧化具有显著的催化作用。

酯类油是广泛应用的合成航空润滑油基础油，其具有极性的酯键结构使得酯类油具有良好的热氧化安定性、极佳的润滑性能、对极性物质良好的溶解性和较低的挥发性，优良的综合性能使得酯类油已经成为航空润滑油基础油的主要种类之一[9]。俄罗斯BHИИHΠ50-l-4Ф(以下简称50-1-4Ф)航空润滑油是酯类航空润滑油的代表，以癸二酸二异辛酯(DIOS)作为基础油，同抗氧剂(N-苯基-1-萘胺)、抗磨剂(磷酸三(邻)甲酚酯)调合而成，具有优良的综合性能，是我国大量进口的航空润滑油品种之一。

本次研究以50-1-4Ф航空润滑油为试验对象，利用高温反应釜模拟航空润滑油的高温氧化过程，以铜片和铁片作为催化剂，通过分析油样氧化前后黏度、酸值、倾点的变化，研究金属片数量和种类对酯类航空润滑油高温氧化作用的影响，为航空润滑油的使用和改进提供技术支持。

1 试验部分

1.1 试验样品与仪器

试验用油为50-1-4Ф航空润滑油，主要理化指标如表1所示；试验铜、铁片规格为25 mm×25 mm×3 mm(参考相关腐蚀性试验标准)；试验仪器有烟台松林化工有限公司KCFD05-30型高温高压反应釜，容积500 mL，加热功率2 kW，磁力搅拌转子最高转速1200 r/min，釜内最高温度450 ℃，最大承压45 MPa；大连凯博仪器有限公司DKY-301B型石油产品运动黏度测定仪；北京晟欣成科技有限公司SQ-600型全自动电位滴定仪；大连凯博仪器有限公司DKY-103A型倾点测定仪。

表1 试验油主要理化指标

1.2 高温氧化试验方法

结合50-1-4Ф航空润滑油的实际使用情况，同时为了便于研究，设置5个系列试验，分别为不含金属、含1片铜(用Cu1表示)、含2片铜(用Cu2表示)、含1片铁(用Fe1表示)、含2片铁(用Fe2表示)和同时含有1片铜和铁(用Cu1+Fe1表示)系列，每个系列进行5次高温氧化模拟试验，对应试验温度分别为180 ℃、200 ℃、230 ℃、250 ℃、300 ℃。每次试验将200 mL油样放入反应釜中，放入打磨处理的试验金属片，迅速升温至对应的氧化温度，在800 r/min搅拌转速下氧化反应2 h，试验结束后冷却油样，取出待用。

1.3 黏度测试方法

按照GB/T 265-1998(2004)石油产品运动黏度测定法测定各油样40 ℃和100 ℃运动黏度。

1.4 酸值测定方法

按照GB/T 7304-2014石油产品和润滑剂酸值测定法(电位滴定法)测定各试验油样的酸值。

1.5 倾点测定方法

按照GB/T 3535- 2006石油产品倾点测定法测定各试验油样的倾点。

2 结果与讨论

2.1 黏度变化分析

润滑油的黏度对于发动机启动、润滑效果、运行效率都直接相关[10]，按照标准试验方法，测得50-1-4Ф航空润滑油原油样和各试验油样40 ℃黏度和100 ℃黏度，其中原油样40 ℃黏度为11.47 mm2/s，100 ℃黏度为3.1 mm2/s，各系列试验油样黏度及其随氧化温度变化趋势如图1、图2所示。高温氧化作用使得试验油样黏度相比原油样有所降低，各油样40 ℃黏度和100 ℃黏度相比原油样黏度的降低百分比见表2。

图1 油样40 ℃黏度变化趋势

表2 试验油样黏度衰减百分比

各油样在高温氧化反应之后出现黏度衰变，从图1、图2可以看出，各系列油样黏度随氧化温度变化趋势相似，氧化温度越高，油样黏度衰变越明显，且各油样黏度在230～250 ℃之间变化最为剧烈，考虑50-1-4Ф航空润滑油开始剧烈氧化温度在230～250 ℃之间。总体上看，经过高温氧化各系列油样黏度关系为Cu1+Fe1

酯类航空润滑油在氧化过程中长链结构断裂[11-12]，生成较多的小分子单酯、双酯、酮、醚、酸等物质[13]，这可能是润滑油黏度降低的原因。

2.2 酸值变化分析

润滑油酸值与其腐蚀性息息相关，各油样酸值测定结果及其随氧化温度变化关系如图3所示，原50-1-4Ф航空润滑油酸值测定结果为0.04 mgKOH/g，各试验油样酸值与原油样酸值比值如表3所示。

图3 油样酸值变化趋势

表3 各油样酸值与原油样酸值比值

经过高温氧化反应，油样酸值有明显变化，且在氧化温度230℃以后油样酸值变化尤为剧烈。在同一氧化温度下，各组油样的酸值关系为Cu1+Fe1>Fe2>Fe1>Cu2>Cu1>不含金属，但同时也看到，Fe2与Fe1之间，Cu2与Cu1之间差异不明显，说明在该试验范围内，金属片数量对酸值几乎没有影响。从表3也可看出高温氧化作用对油样酸值影响剧烈，在180 ℃下氧化2 h，不含金属油样酸值已经变为原来的酸值的3.3倍，Cu1和Cu2油样酸值分别变为原来的7.5倍和7.8倍，Fe1和Fe2油样酸值分别为原来的21.8倍和22.3倍，而Cu1+Fe1油样酸值达到原来酸值的30.3倍，氧化温度越高，酸值变化越大，当氧化温度达到300 ℃，不含金属油样酸值达到了原来酸值的112.0倍，而Cu1、Cu2、Fe1、Fe2和Cu1+Fe1组油样酸值分别达到了原来酸值的150.8倍、152.0倍、201.3倍、204.3倍和227.0倍，其腐蚀性显著增加。酯类油在氧化过程中产生的含氧酸性化合物导致了油样酸值急剧增加[14]。

2.3 倾点变化分析

倾点是润滑油低温性能的评价指标，50-1-4Ф航空润滑油原油样倾点测定值为-77 ℃，各试验油样的倾点值如表4所示。

表4 各油样倾点

当氧化温度不高于200 ℃，各组油样倾点无明显变化，氧化温度升高，倾点逐渐上升，氧化温度上升到300 ℃时，无金属油样倾点上升4 ℃，Cu1、Cu2、Fe1、Fe2油样倾点都上升了5 ℃，而Cu1+Fe1油样倾点上升8 ℃，也说明了Fe和Cu有协同催化作用。对比Cu1和Cu2系列、Fe1和Fe2系列油样倾点试验结果，说明在该试验条件下，金属数量对倾点没有影响。润滑油分子支链过多会使油品倾点升高[15]，氧化过程分子支链化可能是造成油样倾点升高的原因。

3 结论

(1)高温氧化作用使得航空润滑油黏度下降，酸值增大，倾点升高。氧化温度230～250 ℃之间黏度变化最剧烈，且低温黏度变化大于高温黏度变化；酸值变化最为明显，可达到原来酸值的数百倍；氧化温度不高于200 ℃时，倾点影响较小。

(2)金属Fe和Cu具有明显的催化作用，使得各项指标变化更加剧烈。铁片对该酯类航空润滑油的催化作用强于铜片，铁片、铜片共存时催化效果更加明显，具有协同催化作用。在该试验条件下，增加金属片的数量，对试验油样的黏度有一定影响，对酸值、倾点几乎没有影响。