润滑油四球抗磨损性能研究

李小刚，苏辉，丁芳玲，魏斌斌

(1.中国石油昆仑润滑检测评定中心，甘肃 兰州 730030；2.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

0 引言

摩擦是机械受损和能源损耗的重要原因，据估计，每年因摩擦而损耗的能源约占能源总消耗量的三分之一，有近80%的零件是因磨损而损坏或失效[1-3]。性能优良的润滑油可以使摩擦副得到充分的润滑，从而降低摩擦、减少磨损、提高机械效率、减少能源损耗，而润滑油添加剂是影响润滑油性能的重要因素[4-7]。随着润滑油使用条件的日益严苛和环境法规的日益完善，人们对润滑油添加剂提出了更高的要求，要求其具有高效多功能、清洁无污染、生物可降解等特性[8-9]。有机钼化合物因其具有良好的润滑性能，近年来受到了润滑油脂添加剂行业的广泛关注。含油溶性有机钼的润滑油在内燃机各运动部件中发挥了优良的减摩抗磨作用，显著提升了燃油经济性[10]。

本研究以杠杆式四球摩擦试验机为试验平台，研究齿轮油1、齿轮油2、齿轮油3以及内燃机油1(不加减摩剂)和内燃机油1(加减摩剂)的摩擦学性能，通过摩擦系数、磨斑形貌以及试验件表面电镜分析等方式来研究其润滑机理。

1 试验

1.1 参比油

本研究所用三种齿轮油的主要理化性能如表1所示；内燃机油1的主要理化性能如表2所示。

表1 三种齿轮油主要理化性能

表1(续)

表2 内燃机油1理化性能

1.2 试验方法

1.2.1 杠杆式四球摩擦试验机试验

采用MS-10A杠杆式四球摩擦试验机，依据NB/SH/T 0189-2017《润滑油抗磨损性能的测定 四球法》测定油品的抗磨损性能。

1.2.2 扫描电子显微镜分析

分别将齿轮油1、齿轮油2、齿轮油3、内燃机油1(不加减摩剂)和内燃机油1(加减摩剂)油品进行四球抗磨损性能试验后的钢球磨斑表面进行磨痕形貌和元素沉积分析。

2 结果与讨论

2.1 抗磨性能

2.1.1 齿轮油抗磨性能

三种齿轮油(齿轮油1、齿轮油2、齿轮油3)中有工业齿轮油、手动变速箱油和驱动桥油，它们的抗磨损性能试验结果如表3和图1所示。

表3 三种齿轮油四球试验结果

图1 三种齿轮油磨斑形貌对比

从表3、图1中三种齿轮油抗磨性能结果可以看到：磨斑直径及磨斑形貌从小到大依次是齿轮油1、齿轮油2、齿轮油3的油品，采用NB/SH/T 0189-2017测试三种齿轮油品的抗磨损性能显示工业齿轮油的抗磨损性能最好，而车辆齿轮油的磨斑较大，主要原因是齿轮油1的黏度较齿轮油2和齿轮油3的大，能够形成较厚的润滑油膜，同时油品中含有一定量的S、P元素，可以与金属表面反应形成化学反应膜阻止了金属表面的干摩擦从而起到良好的润滑效果，同时本文会在后面微观表面分析中进行更深层次的讨论。虽然齿轮油2和齿轮油3中也含有一定量的S、P元素甚至其含量较齿轮油1的高，但有文献报道：高含量的S、P会导致一定程度的金属腐蚀，致使金属表面磨斑较大甚至在75W-90(GL-5)试验后的钢球磨斑中有明显的划痕[11-14]。

2.1.2 内燃机油抗磨性能

选用内燃机油1(SN 5W-30)对其加入减摩剂(钼盐)和不加减摩剂(钼盐)进行抗磨损性能试验，试验结果如表4和图2所示。

表4 内燃机油1四球试验结果

图2 SN 5W-30加减摩剂和不加减摩剂磨斑形貌对比

从表3、图2中可以看到内燃机油1(不加减摩剂)较内燃机油1(加减摩剂)的磨斑直径大，同时内燃机油1(加减摩剂)的磨斑形貌要比不加减摩剂的形貌好，主要是因为内燃机油1中加入减摩剂钼盐后油品表现出了较好的减摩抗磨性能。

2.2 微观表面分析

利用扫描电子显微镜(SEM)对以上5种油品四球抗磨损性能试验后钢球表面磨损微观形貌进行观察，放大倍数分别为400倍；采用能量射线x射线分析仪(EDS)分析钢球磨斑表面元素组成和质量分数。

2.2.1 三种齿轮油试验后钢球磨斑微观分析

下图3为利用EDS对钢球磨斑表面进行元素分布检测，各元素的质量分数测定结果如表5所示。

图3 三种齿轮油试验后钢球磨斑的EDS图谱对比

表5 三种齿轮油磨斑表面元素质量分数 %

由图3及表5中三种齿轮油磨斑分析结果可知：齿轮油1的磨斑表面有微小孔洞，整体较平滑，未出现明显擦伤，而磨斑表面有S、P元素沉积尤其是P元素沉积较多，P元素的大量沉积说明在试验过程中P元素参与摩擦化学反应形成具有抗磨效果的化学反应膜沉积到钢球表面。因此上述表面微孔可能是由于S、P活性元素与摩擦表面发生作用而生成的。齿轮油2的磨斑较大，但形貌整体比较平滑且表面有少量的S、P元素沉积说明油品中的含P剂和含S剂参与到摩擦化学反应中，形成了摩擦保护膜。齿轮油3的磨斑最大且形貌有明显的擦痕，通过磨斑表面元素质量分布看到其磨斑表面沉积的S、P较少，而齿轮油3中含有一定量的S、P元素，因此从钢球磨斑形貌照片和元素沉积显示，油品中的S、P元素并未较好的参与到摩擦化学反应中表现出优良的抗磨损性能。

2.2.2 内燃机油试验后钢球磨斑微观分析

下图4为为利用EDS对钢球磨斑表面进行元素分布检测，各元素的质量分数测定结果如表6所示。

图4 内燃机油1不加减摩剂和加减摩剂试验后钢球磨斑的EDS图谱对比

表6 内燃机油1磨斑表面元素质量分数 %

由图4及表6可以看出：内燃机油1中加入减摩剂钼盐后，磨斑形貌有明显的改善，减摩剂中含有钼盐，而钼盐在摩擦过程中发生分解，生成MoSxOy和MoO3，进一步在高活化能的摩擦表面生成MoS2、MoO3等具有润滑作用的物质，从而提高油品的抗磨损性能[15]。在内燃机油1中加入减摩剂钼盐后钢球磨斑表面沉积元素Mo，说明减摩剂Mo盐参与到摩擦化学反应中，生成由含Mo、S、P组成的化学反应膜，表现出优秀的抗磨性能。

3 结论

(1)三种齿轮油四球磨斑试验结果显示：齿轮油1的四球磨斑最小、形貌最好，相比齿轮油2和齿轮油3具有较好的抗磨性能，通过对比三种油品的理化数据以及钢球表面形貌及元素沉积分析显示：齿轮油1在四球磨斑试验中的试验条件下油品中的添加剂P元素较好的参与到摩擦化学反应中起到较好的抗磨损效果，而齿轮油2和齿轮油3油品中的添加剂P元素并未较好的参与到摩擦化学反应中，具体原因可能和试验条件有关，但仍需后续更深入的研究。

(2)四球磨斑试验结果显示：内燃机油1中加入减摩剂(钼盐)后，在四球摩擦试验中表现出优异的减摩效果，四球磨斑形貌较好、磨斑直径较小。