高碱值合成磺酸钙对汽轮机油摩擦性能的影响

赵俊杰，余波，沈俊杰，欧前

（西华大学能源与动力工程学院，四川成都 610039）

近年来，为了提高汽轮机油润滑性能，许多学者研究了磺酸钙作为添加剂对润滑作用的影响。益建国[1]分析了磺酸钙组分对润滑脂摩擦学性能和理化性能的影响。欧英[2]研究了复合磺酸钙基润滑脂的高温性能、极压抗磨性能，得出复合磺酸钙润滑脂具有优异的极压抗磨性。L. Cizaire[3]等人使用TOFSIMS方法对高碱值磺酸钙在摩擦过程中的化学反应进行了研究，发现高碱值磺酸钙的晶核会破碎掉重新结晶，新形成的摩擦表面膜有着良好的抗磨效果。通过实验探究不同质量分数高碱值合成磺酸钙对汽轮机油摩擦性能的影响，从而确定最优配比，以提高汽轮机油润滑性能。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

基础油为L-TSA-46B汽轮机油，购自中国石油天然气股份有限公司润滑油分公司；SE1231石墨烯RGO-150，购自常州第六元素材料科技股份有限公司；分散助剂：高碱值合成磺酸钙，购自盘锦晟亿化工有限公司。

1.2 仪器

ESJ200-4B电子天平，沈阳龙腾电子有限公司；FSH-2A可调高速匀质机，常州越新仪器制造有限公司；82-5数显恒温磁力搅拌器，上海双捷实验设备有限公司；HYB-B润滑油抗磨极压试验机，天津远恒洁净机械设备厂；MRS-10A微机控制四球摩擦磨损试验机，济南竟成测试技术有限公司；SEM电镜，日本电子株式会社。

1.3 试验方法

1.3.1 分散稳定性测定

分别将0.1 g、0.5 g、1.0 g、1.5 g和2.0 g高碱值合成磺酸钙加入基础油中制成50 g润滑油添加剂，高碱值磺酸钙质量分数分别为0.2%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%。置于恒温磁力搅拌器，温度30 ℃，磁力搅拌 10 min；加入RGO-150 0.15 g，磁力搅拌 20 min；置于可调高速匀质机中，转速12 000 r/min，高速剪切20 min[4-6]，制成润滑油添加剂。将不同高碱值磺酸钙质量分数的石墨烯添加剂油样装在10 mL西林瓶中，放置在同一环境下，静置沉淀，分别在1个月、3个月、6个月后对各样品进行记录并观察。

1.3.2 极压性测定

微机控制四球摩擦磨损试验机，3个钢球通过油盒紧密固定在一起，呈正三角形于下方，中心正上方通过液压系统施加荷载在第4个钢球，钢球的接触点需要完全浸没在含不同质量分数高碱值磺酸钙的基础油中，防止发生干摩现象。转速1 400 r/min，时间10 s，通过调整载荷，并测量钢球磨斑直径。反复试验，直到测出满足评定指标的最大无卡咬负荷（PB）。

1.3.3 润滑性能测试

分别将适量含不同质量分数的高碱值磺酸钙基础油、RGO-150加入油盒中，刮走从固定螺母压出的多余试样。载荷392 N，转速1 200 r/min，摩擦时间30 min。采用四球摩擦磨损试验机对改性基础油进行长磨测试，通过摩擦系数对比进一步分析摩擦学性能[7]。

1.3.4 磨斑试验

长磨实验（30 min）结束后，钢球采用石油醚超声清洗5 min，用SEM电镜观察试样磨损表面形貌，并根据磨斑直径长度以及表面形貌，评价其减磨抗磨性能。

2 结果与分析

2.1 分散稳定性分析

实验采用沉降法对改性基础油进行分散稳定性分析。沉降法可以真实地反应纳米颗粒在液体介质中的分散稳定性，且操作简便，是目前最常用和最可靠的一种方法。分散稳定性好的沉降速度慢，没有明显的沉积物。

如图1所示，5组样品静置沉淀1个月后，样品均无明显沉淀；样品静置沉淀3个月后，高碱值合成磺酸钙质量分数为0.2%和1.0%实验组均出现明显沉淀，其他3组样品无明显沉淀；样品静置沉淀6个月后，质量分数为4.0%的样品也出现明显沉淀。高碱值合成磺酸钙的含量对RGO在油样中分散稳定性影响作用明显，当其质量分数较低时，RGO较短时间内出现明显沉淀，这是因为磺酸钙含量不足抑制了RGO表面上含有亲油基分散助剂的分散效果；当其质量分数过高时，RGO分散稳定性也受到了一定的影响[6]。

图1 高碱值合成磺酸钙作添加剂的改性基础油静置分散情况

2.2 极压性能分析

由图2可知，磺酸钙含量对改性基础油最大无卡咬负荷影响作用十分明显，当质量分数为2.0%时，PB值达到最大607.2 N，较基础油PB值提高了47.52%。基础油本身具有一定的承载能力，高碱值合成磺酸钙作为添加剂加入时，油样的最大无卡咬负荷明显升高，说明高碱值合成磺酸钙的添加能够有效提升改性基础油的极压性能。当其质量分数小于2.0%时，随着质量分数的增大，改性基础油最大无卡咬负荷也不断增加，在质量分数为2.0%时达到最高；当其质量分数大于2.0%时，随着质量分数的增大，改性基础油油样最大无卡咬负荷在不断减小，当质量分数为4.0%时，油样的PB值降至568.4 N。

图2 不同质量分数改性基础油PB值

2.3 润滑性能分析

由于质量分数为0.2 %的实验组在测试最大无卡咬负荷时，数据不理想，故不进行长磨实验。表1为ROG-150改性基础油中添加高碱值合成磺酸钙的摩擦系数。由表1可知，当高碱值合成磺酸钙质量分数为2.0%时，摩擦系数明显降低；当质量分数达到4.0%时，摩擦系数上升超过质量分数为1.0%的试验组，说明当高碱值合成磺酸钙质量分数超过一定量时，对于长时间的摩擦行为，减摩抗磨效果明显变差。

表1 高碱值合成磺酸钙含量对ROG-150改性基础油摩擦系数的影响

2.4 磨斑表面分析

如表2所示，长磨实验结束后，观察样品的磨斑直径，可以发现适当质量分数的高碱值合成磺酸钙能在一定程度上减小磨斑直径，但不同质量分数对磨斑直径影响不大，在显微镜下，磨斑形貌也没有明显的差异。说明在长磨实验中，其含量不是影响磨斑形貌的主要因素。

表2 长磨实验后磨斑直径

因为高碱值合成磺酸钙和RGO具有同样的特点，在减摩抗磨作用中与RGO所起作用相似，因此在RGO充分发挥减摩抗磨的作用下，改变合成磺酸钙含量不能够明显改变减摩抗磨效果。高碱值合成磺酸钙在润滑油中的质量分数过高，在载荷和高温的作用下，会与石墨烯混合颗粒在摩擦副表面烧结成块，使纳米颗粒成为杂质颗粒，增加摩擦副表面间的磨损，最终导致摩擦性能下降。当质量分数超过2%后，摩擦系数不降反增。最终确定最佳质量分数为2%。

3 结论

高碱值合成磺酸钙的含量变化，对RGO改性基础油的PB值有着明显的影响，经实验得出其最佳添加量为2.0%，该质量分数下的高碱值合成磺酸钙可提高改性基础油的PB值，且对摩擦系数及磨斑形貌影响并不明显。