氯化石蠟與二烷基硫代磷酸鋅潤滑性能研究

劉利國，郭真勤，俞冰倩，周千博，王亞婷，李玲雪

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫214122)

摘要：通過40CrNiMo環(huán)塊與45鋼試件在以150SN為基礎油，以5%氯化石蠟和5%ZDDP為添加劑條件下，分別改變其載荷進行滑動摩擦試驗，比較其摩擦磨損性能并分析其潤滑性能.結果表明:以氯化石蠟為添加劑的條件下，摩擦系數比以ZDDP的降低13.68%,磨損量比ZDDP的降低33.3%；單氯化石蠟作為添加劑比單ZDDP作為添加劑條件下的潤滑性能好.

關鍵詞：ZDDP；氯化石蠟；潤滑性能；油潤滑；摩擦磨損

收稿日期：2014-09-29

基金項目：江南大學大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(2013178)

作者簡介：劉利國(1962-)，男，山東淄博人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事摩擦學研究.

中圖分類號：TH117文獻標志碼：A

潤滑液是涂在機器軸承等運動表面的油狀液體，可以起到冷卻、洗滌、防銹、緩沖沖擊載荷等作用.在機器運作過程中，摩擦副常常在高溫等嚴峻條件下工作，當設備處于高速工作時，一般的潤滑液無法滿足生產要求，因此，對潤滑液提出了更為苛刻的標準[1|3].現在常以氯化石蠟與二烷基硫代磷酸鋅(ZDDP)作為極壓劑添加到潤滑油當中以提高潤滑性能.

在一般情況下，氯類、硫類可提高潤滑脂的耐負荷能力，防止金屬表面在高負荷條件下發(fā)生燒結、卡咬、刮傷；而磷類、有機金屬鹽類具有較高的抗磨能力，可防止或減少金屬表面在中等負荷條件下的磨損.一般磷化物具有抗磨性，二氯化物與硫化物具有極壓性[4|5].

氯化石蠟是水混合形成穩(wěn)定的乳液，能溶于大多數有機溶劑，凝固點在130 ℃ 以下，熱分解溫度為120 ℃，遇鋅、鐵等金屬氧化物會促進其分解，生成氯化氫氣體.氯化石蠟可用作高壓潤滑和金屬切削加工的抗磨劑，其作為潤滑油的抗凝劑及抗極壓添加劑具有良好的極壓性能.

ZDDP是一種兼有抗氧、抗磨、減摩、極壓以及抗腐蝕等優(yōu)異性能的有灰型多效潤滑油添加劑, 因其性能優(yōu)良、成本低廉而被廣泛應用.其受熱分解時除放出硫化氫、烷醇、硫化物、二硫化物外，還生成一種高聚物膜，它同樣具有防止磨損的能力[8].

本文通過試驗，研究比較氯化石蠟和ZDDP在潤滑過程中的性能和效果.

1　實驗部分

1.1實驗設備與試樣

本實驗所用試劑潤滑液分為3組，其成分見表1.

表1　試驗組成分　%

實驗在M|2000型多功能摩擦磨損試驗機上進行，將45鋼加工成塊試件，尺寸為30 mm×10 mm×6.5 mm，硬度為HBS200，表面初始粗糙度為0.8 μm.對偶件為40CrNiMo，其形狀及尺寸為外徑φ40 mm、內徑φ16 mm、厚度10 mm的圓環(huán)，硬度為HRC65，表面初始粗糙度為0.725 μm.磨損試驗條件為室溫，摩擦方式為滑動摩擦，潤滑方式為滴油潤滑.摩擦磨損原理如圖1所示.

1.2實驗過程

45鋼作為上試樣，40CrNiMo作為下試樣，在高速(400 r/min)的情況下，進行摩擦試驗10 min.試驗分別使用3組潤滑液作為潤滑劑；每種潤滑條件下所加載荷依次為100，150，200，250，300 N.

在M|2000型試驗機上讀出摩擦力矩T后，換算摩擦系數

(1)

式中：R為摩擦環(huán)半徑，R=20 mm；P為實驗載荷.實驗結束后，將試件取下，用無水乙醇清洗并干燥，用0.001 g電子分析天平測量45鋼試件的磨損失重.絕對磨損量按下式計算

Δm=m-mi,

(2)

式中:Δm為絕對磨損失重，m為試件原始質量，mi為試驗結束后試件的質量.

2　摩擦磨損特性分析

2.1載荷和時間對摩擦系數的影響

圖2為不同條件下載荷對摩擦系數的影響,可以看出，第2組和第3組潤滑液的摩擦系數小于第1組.當載荷在100 N的時候，3組試劑的摩擦系數分別為0.05，0.03，0.02，并隨著載荷的增加摩擦系數也增大.

圖1　摩擦磨損原理圖

圖2　不同條件下載荷對摩擦系數的影響

當載荷達到250 N時，第2組的摩擦系數比第1組的降低8.00%，比第3組增加15.85%；第3組的摩擦系數比第1組的降低15.78%，比第2組的降低8.47%.當載荷達到300 N時，第3組的摩擦系數比第1組的降低16.24%，比第2組的降低13.68%.由此可知，摩擦系數的大小與載荷成正比，并且不同的添加劑將導致其摩擦系數不同.

圖3為300 N載荷下摩擦系數隨時間的變化曲線.按每30 s取值1次，可以看出，第1組的摩擦系數明顯大于第3組，同時也略大于第2組.因為潤滑方式為滴油潤滑，并且無任何添加劑，潤滑效果較差.每次滴油時潤滑條件的改變和摩擦過程中試件與環(huán)塊之間摩擦力的變化都會導致其摩擦系數的波動，且波動較大.第2組潤滑液開始時，由于油膜形成較少且無法連續(xù)產生，所以摩擦系數僅比第1組的略小，隨著摩擦進行，油膜形成斷斷續(xù)續(xù)，從而導致其摩擦系數產生波動.而第3組潤滑液潤滑時，摩擦面連續(xù)不斷地形成油膜，兩接觸面間作用力很小，所以摩擦系數較為平穩(wěn)，波動較小.

2.2載荷對摩擦磨損性能的影響

圖4為不同條件下載荷對磨損量的影響.從圖4可以看出，第1組潤滑液起到的潤滑作用很小，試件和試塊間接近于干摩擦，因此，磨損量很大，遠高于其他兩組，并且當載荷從100 N增加到300 N時，磨損量相應地從0.2 g增加到了0.25 g.其他兩組試驗，雖然隨著載荷的增加，其試件的磨損量也逐漸增加，且在載荷為300 N時，第2組的磨損量為0.003 g，第3組的磨損量為0.002 g，但是由于其潤滑效果較好，相對于無添加劑的條件下，在同載荷時磨損量都遠遠小于第1組的磨損量.由試驗可知：以ZDDP和氯化石蠟作為添加劑條件下的磨損量遠低于不添加任何添加劑條件下的磨損量，并且隨著載荷的增加，磨損量的增加很小.

圖3　300 N載荷下摩擦系數隨時間的變化曲線

圖4　不同條件下載荷對磨損量的影響

3　試樣磨損后的表面形貌分析

圖5為各實驗組在300 N載荷條件下45鋼試件的摩擦表面形貌圖.

圖5　在300 N載荷條件下各實驗組試件的摩擦表面形貌圖(300×)

潤滑劑在減少摩擦、降低磨損的過程中, 與潤滑的外部條件密切相關.在流體潤滑和彈性流體動力潤滑條件下,起決定性作用的是潤滑劑的主體性質，如黏度性質；在邊界和混合潤滑條件下，主要是邊界膜起潤滑作用.邊界膜主要靠油中的活性物質, 后者可在固體金屬表面由物理吸附、化學吸附或化學反應形成邊界膜.

從圖5(a)可以看出，試件的摩擦表面有深淺不一的條狀犁溝痕跡和吸附于邊緣的金屬殘留物.當兩摩擦面間有第1組潤滑液時，潤滑液將把從金屬表面剝離的磨屑帶走，但是由于其流動性太好，沒有足夠的黏性，所以無法帶走所有磨屑，因形成游離的顆粒而發(fā)生磨料磨損，在金屬表面出現溝壑.同時因為形成的油膜無法覆蓋所有的摩擦面，游離顆粒在摩擦界面上很可能形成粘著點.當摩擦面發(fā)生相對滑動時，產生粘著磨損，粘著點在剪切力作用下變形以致斷裂，使材料從一個表面遷移到另一個表面而產生金屬殘留物，從而形成此表面形貌.

從圖5(b)可以看出，試件的摩擦表面比第1組潤滑液的摩擦表面平整，沒有明顯的溝壑.這是由于ZDDP的熱分解產物形成的磷酸鹽在金屬表面的化學吸附起一定的抗磨作用，ZDDP在金屬表面形成主要包括ZDDP中的P的化學吸附膜和活性元素S與金屬Fe反應形成的FeS反應膜的邊界膜.而隨著摩擦的進行，ZDDP在高溫下(>160 ℃)其分子會急劇裂解，從而引起化學磨損[5|8]，導致輕微的磨損.

從圖5(c)可以看出，試件的摩擦表面光滑、平整.這是由于第3組潤滑液通過與金屬表面的化學吸附或金屬表面反應，或分解的元素氯和HCl與金屬表面反應，使金屬表面生成FeCl2或 FeCl3的保護膜，顯現出抗磨和極壓作用.氯化鐵膜為層狀結構，臨界剪切強度低，摩擦系數小，大大降低了磨損.隨著摩擦的進行，油膜不斷產生[8]，同時使用后的潤滑液帶走磨屑，減少了磨料磨損的發(fā)生.

4　結論

1)“5%氯化石蠟+95%150SN基礎油”配合液具有良好的潤滑性能.其潤滑時的摩擦系數明顯小于無添加劑的基礎油和“5%ZDDP+95%150SN基礎油”.當載荷不斷增大時，潤滑時的摩擦系數逐漸趨于平緩，適用于高載荷等較為嚴峻的條件下.

2)在3 種潤滑條件下，摩擦系數和磨損量均隨載荷的增加而增加.以氯化石蠟為添加劑條件下，摩擦系數比無添加劑條件下降低16.24%，磨損量降低77.5%；比以ZDDP為添加劑條件下降低13.68%，磨損量降低33.3%.

3)無添加劑條件下，摩擦面有較明顯的犁溝痕跡并有殘留磨屑；以ZDDP為添加劑條件下，表面出現較淺的溝痕，較為平整； 以氯化石蠟為添加劑條件下，摩擦表面沒有明顯的犁溝和凹坑，較光滑、平整.

4)在潤滑油中加入添加劑可以有效地增加潤滑液的潤滑性能.氯化石蠟添加劑在同等情況下磨損量比ZDDP添加劑的少33%~50%，摩擦系數少13.68%~16.24%，且摩擦系數較為平穩(wěn)，數值較小，潤滑性能更好.

參考文獻：

[1] 付興國.潤滑油及添加劑技術進展與市場分析[M].北京:石油工業(yè)出版社,2004.

[2] 秦鶴年,李曉明.國內主導工業(yè)潤滑油的使用現狀與發(fā)展[J].潤滑油,2013(2):1|8.

[3] 李久盛.潤滑油合成基礎油的現狀及發(fā)展趨勢[C].蘭州:第十一屆全國摩擦學大會論文集,2013:1|8.

[4] 張新民,李銘.二烷基二硫代磷酸鋅化工藝優(yōu)化研究[J].石油煉制與化工,1998,29(10):27|30.

[5] 王永剛,李久盛.二烷基二硫代磷酸鋅的研究應用現狀及發(fā)展趨勢[J].潤滑油與燃料,2005(15):15|18.

[6] 孟言俊,李桂云,吳肇亮,等.用XPS研究ZDDP的抗磨作用機理[J].潤滑油,2001,16(3):41|44.

[7] Zhang Z,Yamaguchi E S, Kasrai M,et al.Tribofilms generated from ZDDP and DDP on steel surfaces:Part 1,growth,wear and morphology[J].Tribology Letters,2005,19(3):211|220.

[8] Asadauskas S J,Biresaw G,McClure T G.Effects of chlorinated paraffin and ZDDP concentrations on boundary lubrication properties of mineral and soybean oils[J].Tribology Letters,2010,37(2):111|121.

Study on the Lubrication Performance of Chlorinated Paraffin and ZDDP

LIU Liguo, GUO Zhenqin, YU Bingqian, ZHOU Qianbo, WANG Yating, LI Lingxue

(School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122,China)

Abstract:Taking 150SN as base oil without adding additives,5% chlorinated paraffin and 5% ZDDP as additives,this paper changed the load to the 40CrNiMo ring block and 45# steel specimens in order to test their sliding frictions，compared their friction and wear properties and analyzed their lubricating properties.The results showed that compared to ZDDP,the friction coefficient with chlorinated paraffin as additive is decreased by 13.68% and the wear volume by 33.3%.The lubricating property only with the chlorinated paraffin as additive is better than that only with ZDDP.

Key words:ZDDP; chlorinated paraffin; lubricating property; oiling; frictional wear

(編輯武峰)