含磷抗磨剂对工业齿轮油抗微点蚀性能的影响

周 康，李 旭，蒲宸光，汤仲平，王玉玲

(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)

微点蚀又称“灰斑”、“微剥落”、“微疲劳”等，是指齿轮工作过程中齿面出现的一种呈发灰状态的接触疲劳破坏现象。微点蚀现象经常发生在磨削、硬质钢的表面硬化齿轮齿面上，通常在滚动和滑动接触、油膜较薄的条件下出现。特别是大型船舶齿轮箱、兆瓦级风电齿轮箱，由于运行环境恶劣且载荷工况复杂，齿轮普遍存在微点蚀现象[1]，直接影响机械系统的工作状态[2]。由于微点蚀对高端传动装置运行寿命及可靠性具有严重影响，近年来国外对微点蚀的研究较为活跃，从对微点蚀的影响因素到对抗微点蚀齿轮的设计及制造，不少研究显示微点蚀现象与润滑介质密切相关[3-4]。从润滑角度看，微点蚀是设备工作表面处于弹性流体润滑或边界润滑状态下的滚动和滑动接触赫兹压力引起的疲劳破坏。含磷抗磨剂作为工业齿轮油中的重要添加剂组分，对油品抗微点蚀性能具有极大影响[5]。本研究选取了亚磷酸烷基酯、芳基磷酸酯和二硫代磷酸酯3种常用的齿轮油含磷抗磨剂，采用MPR试验机和FZG试验机考察其在工业齿轮油中的抗微点蚀性能，以期为油品的开发提供参考。

1 实 验

1.1 原 料

150BS光亮油和APIⅠ类基础油的主要性质见表1，市售某进口工业齿轮油复合剂A的主要性质见表2，含磷抗磨剂的主要性质见表3。

从表3可以看出：亚磷酸烷基酯的磷含量较低，热分解温度高，稳定性较好；芳基磷酸酯的磷含量较高，但热分解温度略低；二硫代磷酸酯的硫、磷含量较高，酸值较大，活性较高。将150BS和APIⅠ类基础油按质量分数分别为90%和10%混合后作为基础油组分，加入占其质量分数为2%的复合剂A以及选定的降凝剂、抗泡剂和破乳剂调制成黏度等级为320的工业齿轮油样品，编号为GO-1。

表1 150BS光亮油和APIⅠ基础油的主要性质

表2 工业齿轮油复合剂A的主要性质

表3 含磷抗磨剂的主要性质

1.2 仪器和方法

1.2.1 MPR微点蚀试验[6]采用英国PCS公司生产的MPR微点蚀试验机，通过测定试验后中心辊子表面微点蚀面积和轨道宽度变化率来定量评价油品抗微点蚀性能。试验条件为：运转速度3.15 ms，滑滚比30%；温度90 ℃，试验负荷395 N，时间6 h。

辊子表面微点蚀面积：运用金相显微镜，在一定放大倍数下对摩擦轨道表面局部进行微观形态观察，获取显微照片。利用随机图像分析软件对图像进行处理，使浅表出现的裂纹和凹坑以及未产生裂纹和的凹坑辊子摩擦轨道表面分别呈现只有“黑”和“白”的视觉效果，同时计算出图像中“黑”的部分占整个视场的面积百分比；至少在辊子摩擦轨道表面上4个不同位置进行上述操作，取平均值作为整个辊子表面微点蚀面积。

辊子摩擦轨道宽度变化率：微点蚀通常发生在齿轮的跑合阶段，在混合或边界润滑条件下，特别在冲击负荷下会造成啮合齿面局部温度升高，油品形成的化学反应膜破裂导致齿面金属直接接触，从而产生微点蚀现象。试验中辊子表面产生的微点蚀越多，造成摩擦轨道宽度变化率越大。试验至少在4个不同位置对同一辊子摩擦轨道表面宽度变化率进行测试，取平均值作为整个辊子摩擦轨道宽度变化率。

1.2.2 FZG抗微点蚀试验采用德国施特玛公司(STRAMAMPS)生产的FZG微点蚀台架机，以FVA 54方法进行抗微点蚀试验。试验条件为：喷雾润滑，用油25 L，温度90 ℃，齿轮转速1 440 rmin，小齿轮线速度8.3 ms。测试分为两个阶段：承载级包括5，6，7，8，9，10级共六级测试，每级试验时间16 h；耐久性包括8级和10级，每级试验时间80 h，10级条件下最多运转5×80 h。每级测试完成后测试齿廓偏差(μm)和微点蚀面积(%)。

抗微点蚀工业齿轮油要求承载级不小于10级，承载级试验结束后齿轮表面轮廓偏差(ffm)不超过7.5 μm；同时耐久级要求为高级，耐久级试验结束后齿轮表面轮廓偏差(ffm)不超过20 μm。

2 结果与讨论

2.1 添加不同含磷抗磨剂的油样性质及试验结果对比

将亚磷酸烷基酯、芳基磷酸酯和二硫代磷酸酯3种含磷抗磨剂分别按质量分数为0.5%加入到GO-1样品(质量分数为99.5%)中，得到编号分别为GO-2、GO-3和GO-4的油样。各油样的分析和模拟数据见表4。一般来说，以四球试验的烧结负荷(PD)表征油品的极压性能，以磨斑直径表征油品的抗磨性能，以最大无卡咬负荷(PB)表征油品在流体动力润滑条件下的油膜强度。

表4 各试验油样的性质及试验结果对比

从表4可以看出，与GO-1相比，GO-2的硫含量变化不大，但磷的质量分数从0.040%增加到0.067%，PD和PB都明显增大，四球磨斑直径和SRV磨斑直径均减小，表明亚磷酸烷基酯的加入提高了油样的极压性和抗磨性。这是由于亚磷酸烷基酯的热分解温度高，同时兼具一定的抗氧化能力，而且磷含量不大，受烷基链的影响，结构稳定性好，能够有效降低摩擦，减小磨损，增大油膜强度[7]。与GO-1相比，GO-3的硫含量变化并不明显，但磷含量几乎是GO-1的两倍，PB是几个油样中最大的，磨斑直径也相对较大，表明GO-3在流体动力润滑条件下能形成较好的油膜强度。这可能是由于油品中加入的芳基磷酸酯的磷含量较高，受其苯环上烷基链结构的影响，热分解温度较低，在低负荷的弹性流体润滑条件下就可以发生化学反应，较快形成油膜，但在重负荷边界润滑条件下，化学反应膜处于不断生成并不断消耗的状态，边界摩擦的钢球磨损量会逐渐增大，使得四球磨斑直径变大[8]。GO-3硫含量与GO-2相近，磷含量高于GO-2，理论上油品的抗磨性应该有所改善，但磨斑直径并没有明显降低，这说明在硫、磷元素含量相当的情况下，添加剂结构的差异是影响油品抗磨性能的重要原因。与GO-1相比，GO-4的硫和磷含量均较高，这是由于二硫代磷酸酯的硫、磷含量较高，酸值较大，反应活性高，对金属表面的吸附能力强，所以PD较大，但酸性磷酸酯的腐蚀性较强，容易引起一定的腐蚀性磨损[7]，使得其油品试验时四球磨斑直径和SRV磨斑直径与GO-1相比只有一定幅度下降。此外，虽然硫代磷酸酯的活性较高，但热分解温度不高，导致其在流体润滑条件下的油膜不容易形成，PB相对GO-1并无明显改善。需要指出的是，GO-4与GO-2相比，虽然前者的磷含量有所增加，抗磨性能增强，但是与此同时GO-4硫含量也较高，加入的硫代磷酸酯的酸值较大，有一定的腐蚀性，导致试验测得的磨斑直径低于GO-2。

2.2 MPR微点蚀试验

分别将GO-1，GO-2，GO-3，GO-4在MPR试验机上测试，4种油样经6 h试验后，试验辊子摩擦轨道表面某一典型位置照片如图1所示。从图1可以看出，不加抗磨剂的GO-1试验件摩擦轨道表面呈现“黑”的凹坑和裂纹较为密集，微点蚀面积达到6.18%。加入3种抗磨剂后的GO-2，GO-3，GO-4试验件表面微点蚀面积分别降至3.12%，4.89%，4.11%。3种含磷抗磨剂的加入均不同程度地减小了GO-1试验件表面的微点蚀面积，其中GO-2(亚磷酸烷基酯)抗微点蚀性能最好，GO-4(二硫代磷酸酯)次之，GO-3(芳基磷酸酯)有一定效果，但没有前二者明显。

图1 各油样的MPR微点蚀磨损面积照片

辊子摩擦轨道宽度变化率如表5所示。从表5可知，GO-1试验件的轨道宽度变化率为37.8%，加入3种抗磨剂后的GO-2,GO-3，GO-4试验件的轨道宽度变化率都有所降低，分别为26.6%，32.4%，29.4%。亚磷酸烷基酯的加入更加有效地减小GO-2试验件的MPR轨道宽度变化率，使得试验过程中可以有效保护摩擦表面，减少油样由于形成的化学反应膜破裂导致齿轮表面金属直接接触出现微点蚀现象。

表5 各油样的MPR轨道宽度变化率

微点蚀是一个表面微小裂纹、凹坑产生并发生黏着磨损的一个综合过程，磨损率与表面接触疲劳寿命有很大关系，磨损率越小，寿命越长，在MPR试验中反映出的裂纹就越少，形成的微点蚀面积和轨道宽度变化率就越小，抗微点蚀性能就越好。由表4分析发现，GO-2的热稳定性好，抗磨效果较好，四球和SRV磨斑直径在几个油样中是最小的。GO-4性能次之，这是由于虽然其硫磷含量较高，但酸值较大，有一定腐蚀作用，在长时间的载荷下会在金属表面造成不规则的浅表凹坑，微小疲劳裂纹很容易在这些微凹坑处形成和发展，造成MPR的微点面积偏大，轨道宽度变化率变大。GO-3受(芳基磷酸酯)苯环结构的影响，热分解温度较低，加入后在边界润滑条件下，会导致油品的抗磨性能较差，这与MPR的试验结果相对应。

2.3 FZG抗微点蚀试验

分别将GO-1，GO-2，GO-3，GO-4在FZG抗微点蚀试验机上测试，每级测试完成后，齿轮表面轮廓偏差和齿轮表面微点蚀测试结果如表6所示。整个测试完成后，试验件表面某一典型位置的照片如图2所示。从图2可知，不同油样经过FZG抗微点蚀试验后的齿面外观有明显不同，GO-1的试验件表面齿边缘出现明显斑点，GO-3试验齿轮齿阔的齿顶存在连续灰色斑点，GO-4试验件齿根存在少量暗色区域，GO-2试验齿轮的表面较为光泽。微点蚀宏观上相对点蚀较为密集，肉眼可见片区灰斑；微观上表现为浅表凹坑(裂纹深度约为10～20 μm，长度约为25～100 μm，宽度约为10～20 μm)[9]，是齿轮表面出现微小疲劳裂纹并伴随少量材料转移的综合过程。从试验件的表面看，GO-2的抗微点蚀性能好于GO-4和GO-3，不加抗磨剂的GO-1的结果最差。

图2 油品的FZG抗微点蚀试验件照片

由表6可以看出，不加抗磨剂的GO-1进行承载级10级试验后齿廓偏差为15.64 μm，超过了7.5 μm，表明油样抗微点蚀性能较差。GO-2，GO-3，GO-4进行承载级10级试验后的齿廓偏差分别为5.64,7.88,7.26 μm，GO-2试验后的齿廓偏差最小，说明亚磷酸烷基酯的加入比其他抗磨剂可更有效地减少承载级的齿面齿廓偏差。从耐久级的试验结果看，GO-1进行耐久级8级试验后的齿廓偏差为21.13 μm，超过了20 μm，试验停止。GO-2在第五个10级试验后的齿廓偏差为12.20 μm，表明油样具有良好的抗微点蚀性能。GO-3在第二个10级试验后的齿廓偏差为21.24 μm，GO-4在第四个10级试验后的齿廓偏差为20.8 μm，表明GO-4的抗微点蚀性能好于GO-3，即加入二硫代磷酸酯的油品承载级和耐久级性能均好于加入芳基磷酸酯的油样。这是由于加入二硫代磷酸酯的油样硫磷含量均大于加入芳基磷酸酯的油样，前者的极压抗磨性好于后者。值得注意的是，从承载级和耐久级的整体结果看，油品齿廓偏差的变化趋势和微点蚀面积呈正相关，即随着齿廓偏差的增大，油品的微点蚀面积增大。

表6 各油样的FZG抗微点蚀试验结果

1)承载级试验结束后要求齿轮表面轮廓偏差ffm超过7.5 μm，承载级5～9级没有达到试验要求，没有列入。

2)耐久级试验结束后齿轮表面轮廓偏差ffm超过20 μm时试验停止；括号中数字表示试验次数。

3 结 论

(1)含磷抗磨剂的结构和热稳定性对油品的抗微点蚀性能有重要影响。亚磷酸烷基酯的磷含量不高，但热分解温度高，受烷基链的影响，结构稳定性好，能够有效保护摩擦表面，减少油样由于形成的化学反应膜破裂导致齿轮表面金属直接接触出现微点蚀现象。

(2)结合MPR试验和FZG试验结果可以看出，3种不同含磷抗磨剂的加入对工业齿轮油的抗微点蚀性能都有改善；MPR试验与FZG对油样的抗微点蚀测试结果具有良好的对应性。

(3)亚磷酸烷基酯加入工业齿轮油后，油样MPR试验中辊子表面微点蚀面积为3.12%，轨道宽度变化率为26.6%，FZG抗微点蚀试验承载级10级后的齿廓偏差分别为5.64 μm，耐久级第五个10级后齿轮表面微点蚀面积为75.12%，试验结果均优于加入二硫代磷酸酯和芳基磷酸酯的油样，表明亚磷酸烷基酯具有更为优异的抗微点蚀性能。