張繼平 孫喆 淮文娟 王鵬 戴媛靜

1清華大學(xué)天津高端裝備研究院2 中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心

微點(diǎn)蝕是齒輪常見(jiàn)的一種疲勞現(xiàn)象。微點(diǎn)蝕一般發(fā)生在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下滾動(dòng)/滑動(dòng)接觸的齒輪上，表現(xiàn)為在靠近齒輪表面產(chǎn)生微小裂縫。這些裂縫以一定角度向表面發(fā)展，形成5～10 μm深的微坑。這些微坑聚合產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的陰暗色表面[1]。在GB/T 3481—1997中給出了低倍（15倍）顯微鏡下的微點(diǎn)蝕外觀表現(xiàn)（見(jiàn)圖1）[2]。通常的機(jī)理認(rèn)為在齒輪嚙合過(guò)程中，由于兩齒面微凸體直接接觸，并在較高的接觸及剪切應(yīng)力和相對(duì)摩擦作用下，導(dǎo)致齒面局部溫度升高，油膜或化學(xué)反應(yīng)膜破裂，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)雜的彈塑性變形，在此過(guò)程中產(chǎn)生了齒輪表面的微小裂紋和材料轉(zhuǎn)移[3]。Errichello[4]將齒輪失效分為兩大組，即潤(rùn)滑相關(guān)失效和潤(rùn)滑無(wú)關(guān)失效，其中微點(diǎn)蝕為潤(rùn)滑相關(guān)失效。微點(diǎn)蝕將導(dǎo)致齒面產(chǎn)生微小的裂縫、坑點(diǎn)，引起噪音和振動(dòng)，影響齒輪嚙合精度。嚴(yán)重的微點(diǎn)蝕往往會(huì)導(dǎo)致齒面磨損，甚至引發(fā)斷齒，因此必須加以避免。

大量的試驗(yàn)研究表明，微點(diǎn)蝕主要受材料特性、表面形貌、載荷、滑滾比、溫度及潤(rùn)滑油的影響[5～7]。本文主要總結(jié)了微點(diǎn)蝕的成因、影響因素、檢測(cè)方法以及潤(rùn)滑油添加劑對(duì)微點(diǎn)蝕的影響，并結(jié)合自己的工作進(jìn)行了論述。

微點(diǎn)蝕成因及影響因素

充分了解微點(diǎn)蝕的形成原因以及影響因素，對(duì)于我們深刻認(rèn)識(shí)微點(diǎn)蝕現(xiàn)象，尋找抑制該現(xiàn)象的方法具有很大的幫助。

Nobuyoshi Yoshida等[8]考察了微點(diǎn)蝕發(fā)生的原因，他們認(rèn)為微點(diǎn)蝕出現(xiàn)的原因是：齒輪表面金屬嚙合時(shí)產(chǎn)生的高摩擦系數(shù)引起的接觸應(yīng)力。

Oila A等[1]使用雙棍試驗(yàn)機(jī)研究了影響微點(diǎn)蝕的7個(gè)因素——材料、表面粗糙度、潤(rùn)滑、載荷、溫度、速度和滑動(dòng)/滾動(dòng)比率。結(jié)果表明：載荷是微點(diǎn)蝕形成的最大影響因素，載荷越高摩擦表面越容易產(chǎn)生微點(diǎn)蝕，降低表面粗糙度可抑制微點(diǎn)蝕的形成；而速度和滑動(dòng)/滾動(dòng)比率是影響微點(diǎn)蝕擴(kuò)展的最大影響因素，在高速試驗(yàn)條件下，無(wú)論其他試驗(yàn)條件如何變化，微點(diǎn)蝕擴(kuò)展的速度都很快。此外，降低滾動(dòng)/滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦牽引力也能減少微點(diǎn)蝕的發(fā)生。

Cardis A B等[9]用模擬試驗(yàn)設(shè)備和FVA齒輪試驗(yàn)臺(tái)架研究了齒輪的微點(diǎn)蝕行為。結(jié)果表明：無(wú)論是模擬試驗(yàn)還是臺(tái)架試驗(yàn)，如果所有其他變量保持不變，齒輪油的組成對(duì)微點(diǎn)蝕有直接的影響，通常在齒輪油中使用的抗擦傷添加劑對(duì)微點(diǎn)蝕有消極的影響；需要仔細(xì)選擇抗擦傷添加劑以平衡齒輪油抗擦傷和抗微點(diǎn)蝕的需要；齒輪制造工藝和表面粗糙度對(duì)微點(diǎn)蝕有明顯的影響，應(yīng)盡量降低表面粗糙度。

Jao T C等[10]考察了潤(rùn)滑油黏度和齒輪表面粗糙度對(duì)齒輪摩擦接觸層的影響。結(jié)果表明：低的黏度和高的齒輪表面粗糙度減少摩擦層厚度，高的黏度和低的齒輪表面粗糙度增加摩擦層厚度。摩擦層厚度減少是較大微點(diǎn)蝕的結(jié)果（因?yàn)槲Ⅻc(diǎn)蝕去除表面材料）。較大的微點(diǎn)蝕意味著：由于許多新鮮材料暴露到摩擦負(fù)載表面，摩擦表面經(jīng)歷較短的摩擦負(fù)載歷史。

從以上的論述可知，高的載荷、摩擦系數(shù)、表面粗糙度、速度、滑滾比、油品黏度和油品配方的性能等是引起和影響微點(diǎn)蝕的主要因素。

圖1 低倍顯微鏡下齒面的微點(diǎn)蝕

微點(diǎn)蝕測(cè)試方法簡(jiǎn)介

為了有效抑制微點(diǎn)蝕現(xiàn)象，通常有3種做法：

◇降低齒輪表面粗糙度；

◇改變?cè)O(shè)備工作條件；

◇選擇合適的齒輪油（極壓抗磨劑）。

其中，第3種做法的性價(jià)比最高。要選用齒輪油（極壓抗磨劑），就需要有相應(yīng)的測(cè)試評(píng)價(jià)方法。目前常用的方法主要分為臺(tái)架試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，其中臺(tái)架試驗(yàn)主要用于油品定型檢驗(yàn)、認(rèn)證檢驗(yàn)等。

FZG微點(diǎn)蝕臺(tái)架試驗(yàn)

FZG微點(diǎn)蝕臺(tái)架試驗(yàn)是業(yè)界普遍認(rèn)可的齒輪油抗點(diǎn)蝕/微點(diǎn)蝕性能測(cè)試方法。試驗(yàn)用臺(tái)架由德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)齒輪研究中心（FZG）開(kāi)發(fā)，德國(guó)施特瑪公司（STRAMAMPS）生產(chǎn)。FZG微點(diǎn)蝕測(cè)試臺(tái)架（簡(jiǎn)稱FZG試驗(yàn)臺(tái)）外觀見(jiàn)圖2。

FZG試驗(yàn)臺(tái)需要3相供電電源，配備調(diào)速直流電機(jī)的FZG試驗(yàn)臺(tái)功率12 kW，速度可調(diào)范圍為100～3 000 r/min，適用于在不同速度范圍內(nèi)的所有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。FZG試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行微點(diǎn)蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是FVA 54/I-IV。

FVA 54/I-IV試驗(yàn)程序分為：

◇負(fù)荷級(jí)試驗(yàn)： 5、6、7、8、9、10級(jí)，試驗(yàn)時(shí)間16 h/級(jí)。

◇耐久性試驗(yàn)： 8 和 10級(jí)，試驗(yàn)時(shí)間80 h/級(jí)， 10級(jí)條件下最多運(yùn)轉(zhuǎn)5×80 h。

FVA54/ I-IV抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)條件和參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告失效負(fù)荷及耐久性能。

試驗(yàn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)如下：

◇負(fù)荷級(jí)試驗(yàn)：平均齒面輪廓偏差不大于7.5μm。

◇耐久性試驗(yàn)：平均齒面輪廓偏差不大于20μm。

模擬微點(diǎn)蝕檢測(cè)設(shè)備

FZG臺(tái)架試驗(yàn)雖然準(zhǔn)確，但也存在試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、費(fèi)用高等問(wèn)題。為此人們又開(kāi)發(fā)了模擬微點(diǎn)蝕檢測(cè)設(shè)備，如英國(guó)PCS公司生產(chǎn)的MPR試驗(yàn)機(jī)（圖3）。該試驗(yàn)機(jī)專門(mén)用于檢測(cè)在特定模擬試驗(yàn)條件下產(chǎn)生的微點(diǎn)蝕（點(diǎn)蝕），尤其適用于檢測(cè)模擬齒輪、滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)部件的微點(diǎn)蝕（點(diǎn)蝕）。它的獨(dú)特設(shè)計(jì)使得每小時(shí)可實(shí)現(xiàn)106次的疲勞接觸，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間，尤其適用于考察極壓抗磨劑對(duì)微點(diǎn)蝕的影響。試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度能夠自動(dòng)控制。該試驗(yàn)機(jī)可以建立評(píng)價(jià)齒輪油（極壓抗磨劑）抗微點(diǎn)蝕性能的模擬試驗(yàn)方法。MPR試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

圖2 FZG微點(diǎn)蝕測(cè)試臺(tái)架

◇最大試驗(yàn)負(fù)荷：1 250N；

◇滑滾比（SRR）：0%（純滾動(dòng)）～±200%（純滑動(dòng)）；

◇最大速度：4 m/s（取決于SRR）；

◇最大試驗(yàn)溫度：135 ℃；

◇最大滾子力矩：20 N·m（共3個(gè)接觸面）；

◇測(cè)試樣品體積：150 mL；

◇接觸壓力：0～3.2 GPa。

齒輪油和極壓抗磨劑對(duì)齒輪抗微點(diǎn)蝕性能的影響

使用合適的齒輪油（極壓抗磨劑）是控制微點(diǎn)蝕現(xiàn)象的最經(jīng)濟(jì)的方法。隨著添加劑合成和齒輪油配方技術(shù)的提高，齒輪油和極壓抗磨劑在抑制齒輪微點(diǎn)蝕方面發(fā)揮的作用越來(lái)越大。

表1 FVA54/ I-IV抗微點(diǎn)蝕試驗(yàn)條件和參數(shù)

美 國(guó) Lubrizol公 司 的 Brain O’Connor[11]對(duì)加入不同類(lèi)型抗磨劑、極壓劑以及金屬鈍化劑的油品在 FZG 齒輪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了配方篩選試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)試樣中單獨(dú)加入極壓劑、抗磨劑或兩者同時(shí)加入時(shí)，金屬鈍化劑的加入對(duì)油品抗微點(diǎn)蝕/點(diǎn)蝕性能是有利的。配方篩選還發(fā)現(xiàn)含磷8.5%的中鏈烷基磷酸酯銨鹽具有良好的極壓抗磨性。用它和極壓劑、金屬鈍化劑復(fù)配后調(diào)合的油品進(jìn)行微點(diǎn)蝕試驗(yàn)，比其他配方油品表現(xiàn)出較好的抗微點(diǎn)蝕性能。

圖3 MPR試驗(yàn)機(jī)及其接觸系統(tǒng)

黃華梁等[12]考察了ZDDP（二烷基二硫代磷酸鋅）、硫化烯烴、磷酸三丁酯對(duì)齒輪點(diǎn)蝕的影響。結(jié)果表明，ZDDP的效果最差，磷酸三丁酯的效果最好。這說(shuō)明磷酸酯類(lèi)（以下簡(jiǎn)稱磷類(lèi)）添加劑是性能良好的抗點(diǎn)蝕添加劑。在基礎(chǔ)油中加入磷類(lèi)添加劑是提高齒輪抗點(diǎn)蝕疲勞性能和使用壽命的有效途徑。其機(jī)理如下：

◇油中加入磷類(lèi)添加劑后，在金屬接觸表面上形成一層致密絕緣的磷酸鐵膜。磷酸鐵膜起到緩沖二次壓力峰的作用，延遲表面裂紋的產(chǎn)生，減緩裂紋的擴(kuò)展，從而提高接觸疲勞壽命。

◇磷酸鐵膜是一種低熔點(diǎn)膜，在負(fù)荷作用下有一定塑性，能使金屬表面突起部位流向低凹處，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)的磷酸鐵膜向低凹處流動(dòng)后，擴(kuò)大了受載面積，減少齒輪表面形成裂紋的可能性，從而提高接觸疲勞壽命。

◇磷酸酯可提高表面膜強(qiáng)度，使?jié)櫥瑺顩r得到改善，提高其抗磨損性能。四球機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，磷類(lèi)添加劑的抗磨損效果好，磨痕長(zhǎng)度最小。磨損率與接觸疲勞壽命有很大關(guān)系：磨損率大，接觸疲勞壽命低；磨損率小，壽命長(zhǎng)。

◇磷類(lèi)添加劑可在摩擦表面形成聚合型厚分離層。不同類(lèi)型的含磷酸酯類(lèi)在各種溫度下都形成聚合物膜，光干涉法測(cè)試結(jié)果證實(shí)油中加入磷酸酯可提高膜厚。這樣可大大減少微峰接觸，從而提高接觸疲勞壽命。

◇磷酸酯具有抗腐蝕性，可防止金屬表面腐蝕，不易生成初始裂紋，當(dāng)油中存在極少量的水時(shí)，磷酸酯還可起到破乳化劑的作用，又可緩解裂紋的發(fā)展。

◇同時(shí)加入磷、硫類(lèi)添加劑，潤(rùn)滑效果反而不如單獨(dú)加入磷類(lèi)添加劑的高。究其原因，主要是油中加入磷、硫類(lèi)添加劑時(shí)，表面膜為磷化膜，但硫化膜占據(jù)表面的微峰部位，使得磷類(lèi)添加劑提高抗點(diǎn)蝕壽命的性能未能得到充分發(fā)揮，硫類(lèi)添加劑對(duì)金屬有腐蝕作用，在金屬表面造成不規(guī)則的微凹坑，裂紋很容易在這些微凹坑形成和發(fā)展。

夏延秋等[13]通過(guò)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：潤(rùn)滑油對(duì)疲勞點(diǎn)蝕的影響是通過(guò)改變摩擦力，即降低摩擦系數(shù)來(lái)減緩裂紋的擴(kuò)展；減少裂紋源的萌生。

陳銘[14]研究了潤(rùn)滑油添加劑的復(fù)合作用對(duì)接觸疲勞的影響。試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，硼酸酯與氯化石蠟和ZDDP復(fù)配，在保證油品極壓性能的前提下，因減摩、緩蝕作用而提高金屬材料的接觸疲勞壽命。并指出，研究復(fù)合功能添加劑各種性能之間的相互作用和綜合效果，是改善潤(rùn)滑油添加劑影響零件接觸疲勞壽命的有效手段。

宋世遠(yuǎn)等[15]用改裝的四球機(jī)考察了不同類(lèi)型的添加劑對(duì)接觸疲勞的影響。試驗(yàn)證明，潤(rùn)滑油的PB（最大無(wú)卡咬負(fù)荷））、PD（燒結(jié)負(fù)荷）、ZMZ（綜合磨損值）與接觸疲勞性能沒(méi)有關(guān)系，而長(zhǎng)時(shí)間的磨斑直徑越小，抗接觸疲勞的性能越好。

丁津原等[16]研究了十八胺對(duì)接觸疲勞的影響，認(rèn)為含氮添加劑提高接觸疲勞壽命的機(jī)理是添加劑在摩擦表面形成聚合物，從而起到保護(hù)摩擦表面的作用，氮原子與鐵形成的金屬化合物 FeN 在表面聚合，胺基可以與添加劑中的極性基團(tuán)結(jié)合，從而降低對(duì)金屬的腐蝕，減弱極性物質(zhì)對(duì)金屬的作用，起到延緩疲勞裂紋的形成、擴(kuò)展的作用。

Hong H-S等[17]通過(guò)對(duì)GL-5齒輪油的FZG微點(diǎn)蝕試驗(yàn)得出結(jié)論：含磷的AW（抗磨）添加劑是抗微點(diǎn)蝕的關(guān)鍵，磷酸鹽/亞磷酸鹽-氧化物層的形成可以增強(qiáng)齒輪的抗微點(diǎn)蝕能力。

Brian O Connor[18]在FZG微點(diǎn)蝕試驗(yàn)機(jī)上研究了極壓、抗磨、微點(diǎn)蝕添加劑對(duì)齒輪微點(diǎn)蝕的影響。結(jié)果表明，合理復(fù)配3種添加劑可以有效抑制齒輪微點(diǎn)蝕的發(fā)生。

Inacker O Beckmann P[19]研究發(fā)現(xiàn)，抗磨添加劑的烷基鏈增長(zhǎng)以及抗磨添加劑陽(yáng)離子由鋅變?yōu)殇@可以提高齒輪抗微點(diǎn)蝕能力。

Laine E等[20]研究了潤(rùn)滑油對(duì)微點(diǎn)蝕和磨損的影響。結(jié)果表明，含有相同濃度ZDDP添加劑的潤(rùn)滑油在MPR試驗(yàn)中的結(jié)果與在高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)上的結(jié)果相反。造成這種現(xiàn)象的原因是抗磨添加劑（ZDDP）阻止了粗糙表面的跑合。

從以上結(jié)果可知，增強(qiáng)油品的抗腐蝕性能、極壓抗磨減摩性能可以提高其抗微點(diǎn)蝕性能；含磷極壓抗磨劑也可提高齒輪抗微點(diǎn)蝕性能。

含磷極壓抗磨劑的抗微點(diǎn)蝕性能考察

筆者將4種含磷極壓抗磨劑（AW-1，磷酸三甲酚酯；AW-2，酸性磷酸酯胺鹽；AW-3，二烷基二硫代磷酸衍生物；AW-4，分散型酸性磷酸酯胺鹽）以1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的加劑量調(diào)入到基礎(chǔ)油中，制備了GO-1～GO-4共 4個(gè)油樣，使用MPR試驗(yàn)機(jī)考察了它們的抗微點(diǎn)蝕性能。結(jié)果見(jiàn)表2。

在MPR試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，使用輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓蕘?lái)區(qū)分不同試樣的抗微點(diǎn)蝕性能優(yōu)劣。這是由于MPR試驗(yàn)中微點(diǎn)蝕裂紋、凹坑的產(chǎn)生可造成材料表面出現(xiàn)塑性變形和材料轉(zhuǎn)移，造成摩擦軌道寬度的變化，表面產(chǎn)生微點(diǎn)蝕越多，相對(duì)于初始1 mm軌道的形變率便越大，因此可以用試樣試驗(yàn)結(jié)束后的輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓试u(píng)價(jià)試樣的抗微點(diǎn)蝕性能好壞[21]。輥?zhàn)幽Σ淋壍缹挾茸兓试叫?，表明試樣的抗微點(diǎn)蝕性能越好。從表2的結(jié)果可知，分散型酸性磷酸酯胺鹽GO-4具有較好的抗微點(diǎn)蝕性能。

考察了GO-1～GO-4的承載、抗磨、減摩和抗腐蝕性能，結(jié)果見(jiàn)表3和圖4。

從表3和圖4的結(jié)果可知，GO-2、GO-4兼具良好的極壓抗磨減摩和抗腐蝕能力，結(jié)合表2的結(jié)果可知，相應(yīng)的GO-2、GO-4在試驗(yàn)中具有較好的抑制微點(diǎn)蝕產(chǎn)生的能力。這些試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)的結(jié)論一致。

表2 不同含磷極壓抗磨劑的微點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

表3 不同含磷極壓抗磨劑的性能對(duì)比

圖4 不同含磷極壓抗磨劑的摩擦系數(shù)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)

結(jié)論

☆影響微點(diǎn)蝕形成和發(fā)展的主要因素包括表面粗糙度、載荷、邊界摩擦系數(shù)、溫度、速度、滑滾比、油品性能等。

☆增強(qiáng)齒輪油的承載、抗磨損能力，降低齒輪油的摩擦系數(shù)和腐蝕性，可以提高其抗微點(diǎn)蝕性能。

☆兼具極壓、抗磨、減摩和抗腐蝕性能的含磷極壓抗磨劑是較為有效的抗微點(diǎn)蝕添加劑。

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