用四球试验机研究润滑油添加剂的作用机理
发布时间 : 2021/07/20 阅读次数 : 116

用四球试验机研究润滑油添加剂的作用机理




润滑剂中的添加剂可以抵抗油粘度的变化和氧化,减少磨损和摩擦,从而提高每个润滑系统的使用寿命。添加剂和油分子之间的协同作用对于它们作为润滑剂的作用至关重要。协同效应应根据润滑系统的需求选择性地激活和吸附添加剂,例如,系统需求触发减摩添加剂的吸附以稳定摩擦,抗磨添加剂以减少磨损,以及极压(EP)添加剂的激活以抵抗卡滞。这种协同作用的另一个关键要求是,它可以防止添加剂的消耗,从而延长润滑剂的使用寿命。在完全配方的润滑剂中实现这种协同作用是一门艺术。



它是由分子结构、分子量、官能团、介电常数和表面能控制的极性函数。虽然分子模型被用来研究分子物种之间通过其在表面上的化学和物理吸附作用形成保护层的竞争,但当涉及机械剪切(或机械力化学)时,这些模型的预测能力太弱。为了克服分子模拟中的这一局限性,我们依靠在摩擦学试验机上进行的实验室规模的补充实验观察。


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Ducom四球摩擦磨损试验机(FBT-3)是一种基于润滑油特性自动精密测量系统的台式摩擦磨损试验机。FBT-3支持数据的可再现性,从而在科学研究中提供生产力和效率。


四球摩擦试验机(FBT-3,一个上球和三个下球之间的接触)是一种在摩擦学实验室广泛使用的用于研究润滑油中分子物种间协同作用和竞争的台式摩擦试验机。在这项研究中,我们使用FBT-3测试了三种不同的矿物基础油润滑剂。A型润滑油是不含添加剂的矿物基础油,B型润滑油中含有二烷基二硫代磷酸锌-ZDDP添加剂(5%至10%),C型润滑油中含有多硫化物添加剂(10%至25%)。ZDDP是一种抗氧化剂、缓蚀剂和抗磨添加剂,用于马达和液压油(也用于润滑脂)。聚硫是一种极压添加剂,用于切削、冲压、挤压等金属加工液中。


ASTM D2783试验方法从FBT-3中的试验方法列表中选择。负荷、转速、试验时间、温度等运行参数按D2783要求自动设定。每次测试持续10秒。在这10秒内,FBT-3软件显示并存储了负载、速度、温度和摩擦力的实时变化。每次试验后,使用图像采集系统测量底部三个球在其自然状态下的磨痕直径。然后计算平均磨痕直径(MWSD)。D2783图和MWSD与载荷(Kg)图用于确定初始咬合载荷、载荷磨损指数和焊接载荷。初始咬合载荷区表示机械剪切过程中由于化学反应而形成的保护层破裂的载荷范围,焊接载荷表示表层在极端压力下无法保护系统的载荷。载荷磨损指数决定了表面保护层的能力,以尽量减少由于施加载荷的磨损。载荷磨损指数是修正载荷的平均值,即(赫兹直径/MWSD)x施加载荷。

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图1。根据ASTM D2783试验方法,基础油(不含添加剂)的FBT-3结果。根据试验载荷(Kg)绘制平均钢球磨痕直径(MWSD,千分尺)和摩擦系数(CoF)。对于每个试验载荷,都有一个MWSD值、磨损图像和摩擦系数。


图1显示了随着矿物基础油施加载荷的增加,钢球磨损形貌、MWSD和摩擦系数的变化。初期发作区域(负荷范围为40 kg至63 kg)由MWSD和摩擦系数的突然增加表示。超过63 Kg的载荷区域被指定为立即卡住,并且在施加126 Kg的载荷时,润滑剂由于极端压力而失效,这是由焊球确定的。试验期间的最大赫兹接触压力和剪切应力分别为2.5gpa和350mpa。矿物基础油的负荷磨损指数为25kg。对于使用ZDDP添加剂配制的基础油(见图2),初始卡住延迟(负载范围为100 Kg至163 Kg),润滑剂在400 Kg时失效。负荷磨损指数为80kg(是基础油的3.5倍)。最大赫兹应力和剪切应力分别为2.75gpa和600mpa。对于作为基础油添加剂的聚硫化合物(见图3),初始卡住进一步延迟(负载范围为250 Kg至400 Kg),并且润滑剂即使在900 Kg的极端负载下也不会失效。最大赫兹应力和剪切应力分别为4gpa和400mpa。载荷磨损指数为202kg(是ZDDP基础油的2.5倍)。

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图2。FBT-3基础油中ZDDP的结果符合ASTM D2783试验方法。根据试验载荷(Kg)绘制平均钢球磨痕直径(MWSD,千分尺)和摩擦系数(CoF)。对于每个试验载荷,都有一个MWSD值、磨损图像和摩擦系数。

本研究通过对FBT-3添加剂形成的保护层的研究,提高了基础油的耐磨性和承载能力。在聚硫中,在极压下硫的活化与钢表面发生化学反应,形成硫化铁,从而保护触点不被立即卡死和焊接。ZDDP中,由于ZDDP在高压下的化学反应,形成了磷酸基薄膜(如磷酸锌和磷酸铁)。然而,这些磷酸盐薄膜在极压下无法抵抗癫痫发作。锌离子使薄膜的形成率相对于磨损率更高。因此,ZDDP更适合作为抗磨添加剂。注:如本FBT-3摩擦研究所示,ZDDP的摩擦系数高于聚硫,这是由于在ZDDP上使用MTM、AFM和球在圆盘上进行的其他摩擦学研究所示,磷酸盐薄膜粗糙、片状。

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图3。FBT-3基础油中聚硫的结果,符合ASTM D2783试验方法。根据试验载荷(Kg)绘制平均钢球磨痕直径(MWSD,千分尺)和摩擦系数(CoF)。对于每个试验载荷,都有一个MWSD值、磨损图像和摩擦系数。



研究在极端压力下机械剪切过程中,化学和物理吸附形成的保护层的性能需要600秒。FBT-3是一种快速、经济的试验方法,它补充了用于预测润滑剂中分子组分协同和竞争的理论分子模型。


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