朱雅男，王茁，閆瑾，許揚(yáng)，李凱

(中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、驅(qū)動(dòng)橋等總成在臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)過程中，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)方法及道路試驗(yàn)大綱等規(guī)定，對(duì)使用的潤(rùn)滑油進(jìn)行理化性能分析，判定潤(rùn)滑油的變質(zhì)程度，可以從側(cè)面了解各總成的工作狀態(tài)是否存在異?，F(xiàn)象，為總成工作狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)測(cè)提供有力的判據(jù)，同時(shí)杜絕變質(zhì)潤(rùn)滑油對(duì)總成造成的潛在危害。

銅元素作為驅(qū)動(dòng)橋主要磨損元素之一，定期分析試驗(yàn)油中銅元素是監(jiān)控試驗(yàn)油的抗磨損性能和在行駛過程中零部件的磨損情況，銅元素含量主要來源為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪摩擦副和軸承等主要磨損件。通過道路試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)齒輪油中銅元素含量嚴(yán)重超標(biāo)，應(yīng)查找齒輪油中銅元素的主要來源，并分析產(chǎn)生的原因。

1 實(shí)驗(yàn)背景

為防止驅(qū)動(dòng)橋運(yùn)轉(zhuǎn)過程中關(guān)鍵零部件直接接觸而導(dǎo)致表面磨損，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件之間往往依據(jù)滑動(dòng)軸承原理設(shè)計(jì)墊片或襯套。如差速器齒輪與差速器殼之間設(shè)計(jì)有差速器齒輪墊片、主動(dòng)圓柱齒輪與主動(dòng)圓柱齒輪軸之間設(shè)計(jì)有主動(dòng)圓柱齒輪襯套、后錐齒輪與主動(dòng)圓柱齒輪軸之間設(shè)計(jì)有后錐齒輪襯套。墊片或襯套一方面具有減摩作用，另一方面可調(diào)整齒輪接觸區(qū)。

墊片或襯套的材質(zhì)多使用鋼，因?yàn)殇摰挠捕鹊任锢硖匦?，?dǎo)致鋼墊片會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋關(guān)鍵零部件造成較嚴(yán)重的磨損，進(jìn)而導(dǎo)致差速器齒輪接觸區(qū)嚙合印跡不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，并具有油溫過高的風(fēng)險(xiǎn)。圖1所示為軸間差速器行星齒輪鋼墊片對(duì)差速器殼的嚴(yán)重磨損。

圖1 軸間差速器行星齒輪鋼材質(zhì)墊片對(duì)差速器殼的嚴(yán)重磨損

某型商用車上的驅(qū)動(dòng)橋差速器齒輪墊片及部分襯套的材質(zhì)由鋼改為銅合金鍍層材料，在保證差速器齒輪墊片及襯套作用不變的前提下，降低差速器齒輪墊片及襯套對(duì)驅(qū)動(dòng)橋差速器殼及主動(dòng)圓柱齒輪軸等重要部件的磨損。使用銅合金鍍層零部件的驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行齒輪疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行拆解，考察銅合金鍍層襯套的磨損情況。臺(tái)架試驗(yàn)當(dāng)量5萬公里、9萬公里和10萬公里后錐齒輪襯套的磨損情況見圖2。由圖2可知，當(dāng)量5萬公里的后錐齒輪襯套表面銅鍍層基本全部覆蓋襯套內(nèi)表面，當(dāng)量9萬公里、10萬公里的后錐齒輪襯套表面的銅鍍層部分覆蓋襯套內(nèi)表面，且銅鍍層分布基本一致(由于光線等因素造成些許色差)，疲勞壽命結(jié)果符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

5萬公里 9萬公里 10萬公里

使用銅合金鍍層零部件的驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行道路試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)油性能進(jìn)行檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率、水分及關(guān)鍵添加劑元素含量變化不大，說明試驗(yàn)油狀態(tài)良好；齒輪油中銅元素含量達(dá)到900 mg/kg以上，銅元素含量嚴(yán)重超標(biāo)，應(yīng)查找齒輪油中銅元素的主要來源，并分析產(chǎn)生的原因。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

實(shí)驗(yàn)儀器：石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀(大連特安技術(shù)有限公司，TSY-1109A型)、電子天平(瑞士METTLER TOLEDO有限公司，MS304S型)、電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀(美國(guó)PerkinElmer股份有限公司，OPTIMA 5300DV型)、常溫低速離心機(jī)(安徽嘉文儀器裝備有限公司，JW-1032型)、電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司，101A-2E型)、金相顯微鏡(德國(guó)ZEISS公司，Axio Imager A2m型)、能譜儀(美國(guó)EDAX有限公司，PV9830/10型)、石油產(chǎn)品銅片腐蝕試驗(yàn)儀(湖南津市石油化工儀器有限公司，JSR2101型)、X射線衍射儀(日本理學(xué)公司，D/max-2500型)。

實(shí)驗(yàn)材料：該型商用車驅(qū)動(dòng)橋使用的齒輪油(下文稱試驗(yàn)油)、粒徑尺寸約為38 μm的CuPb10Sn10(下文稱銅合金顆粒)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

參照GB/T 5096進(jìn)行齒輪油銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)：把一塊已磨光好的銅片浸沒在一定量的試驗(yàn)油中，分別加熱到(121±1) ℃、(150±1) ℃的溫度，保持3 h±5 min的時(shí)間，待實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)，取出銅片。銅片經(jīng)洗滌后與腐蝕標(biāo)準(zhǔn)色板進(jìn)行比較，確定腐蝕級(jí)別；試驗(yàn)油進(jìn)行能譜、元素含量等性能分析。

3 實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

該型商用車驅(qū)動(dòng)橋中含銅元素的零部件包括后錐齒輪襯套，如圖2所示；中橋軸間差速器、中后橋輪間差速器的半軸齒輪墊片和行星齒輪墊片等，如圖3、圖4所示。以上零部件表面均覆蓋一層CuPb10Sn10鍍層(下文稱銅合金鍍層)。

圖3 半軸齒輪墊片

圖4 行星齒輪墊片

具有銅合金鍍層的墊片及襯套的驅(qū)動(dòng)橋，銅合金鍍層零部件因?yàn)槟p作用使銅合金顆粒進(jìn)入齒輪油中；銅合金鍍層零部件長(zhǎng)期浸泡在試驗(yàn)油中，需確認(rèn)試驗(yàn)油對(duì)銅合金鍍層材料是否存在腐蝕作用。磨損作用或腐蝕作用導(dǎo)致銅元素進(jìn)入試驗(yàn)油后，是否可以被電感耦合等離子體發(fā)射光譜檢測(cè)到，也有待考察。

3.1 磨損作用是否導(dǎo)致銅元素進(jìn)入齒輪油

將行駛里程7萬公里的中橋齒輪油過濾得到一些雜質(zhì)，使用金相顯微鏡測(cè)量雜質(zhì)大小，如圖5所示，雜質(zhì)的粒徑尺寸約為5～100 μm。使用能譜測(cè)定雜質(zhì)成分，如圖6所示，雜質(zhì)成分含有C、O、S、Fe、Cu等元素。金相顯微鏡及能譜的檢驗(yàn)結(jié)果說明：驅(qū)動(dòng)橋中材質(zhì)含有Fe和Cu的零部件在嚙合和正常行駛的過程中，含有Fe和Cu的金屬顆粒存在于試驗(yàn)油中，金屬顆粒的粒徑尺寸約為5～100 μm。

圖5 金相顯微鏡檢驗(yàn)結(jié)果

圖6 能譜檢驗(yàn)結(jié)果

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的粒徑尺寸約為38 μm銅合金顆粒均勻分散到試驗(yàn)油中，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(未將樣品硝化處理)進(jìn)行元素含量的測(cè)定，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，試驗(yàn)油與加入銅合金顆粒的試驗(yàn)油的銅元素含量相同。檢驗(yàn)結(jié)果說明磨損作用不會(huì)導(dǎo)致銅元素進(jìn)入試驗(yàn)油中而被電感耦合等離子發(fā)射光譜檢測(cè)到。標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T 17476-1998(2004)規(guī)定的范圍為：本標(biāo)準(zhǔn)適用于測(cè)定油溶性金屬，而不意味著可定量測(cè)定或檢出不溶性的金屬粒子，其分析結(jié)果取決于顆粒度的大小，當(dāng)金屬顆粒大于幾個(gè)微米時(shí)，就會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏低[1]。檢驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定的范圍相符合。

表1 齒輪油中混入銅合金顆粒元素含量檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 腐蝕作用是否導(dǎo)致銅元素進(jìn)入齒輪油

對(duì)試驗(yàn)油進(jìn)行銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)，將半軸齒輪墊片加工成標(biāo)準(zhǔn)Cu2銅片尺寸的試驗(yàn)片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，監(jiān)控實(shí)驗(yàn)前后試驗(yàn)片的質(zhì)量變化并測(cè)定實(shí)驗(yàn)后試驗(yàn)油澄清部分中的銅元素含量。參照評(píng)定車輛齒輪油的CRC臺(tái)架試驗(yàn)(L-33-1銹蝕性臺(tái)架試驗(yàn)，L-37承載能力臺(tái)架試驗(yàn)，L-42抗擦傷臺(tái)架試驗(yàn)，L-60-1熱氧化安定性臺(tái)架試驗(yàn))規(guī)定的齒輪油的試驗(yàn)溫度，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件121 ℃的基礎(chǔ)上，加嚴(yán)實(shí)驗(yàn)條件150 ℃，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，在121 ℃、3 h試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)油對(duì)銅合金鍍層材料存在較輕的腐蝕作用，實(shí)驗(yàn)后試驗(yàn)油中含有一定量的銅元素；在150 ℃、3 h試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)油對(duì)銅合金鍍層材料的腐蝕作用加劇，實(shí)驗(yàn)后試驗(yàn)油中銅元素含量明顯升高。銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果說明齒輪油中的銅元素增長(zhǎng)是由于試驗(yàn)油對(duì)銅合金鍍層材料腐蝕，使銅元素進(jìn)入試驗(yàn)油中；在一定的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，相同試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)油溫度越高，對(duì)銅合金鍍層材料腐蝕越嚴(yán)重，試驗(yàn)油中銅元素含量越多。

表2 銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)油在進(jìn)行150 ℃、3 h加嚴(yán)實(shí)驗(yàn)條件后，試管狀態(tài)如圖7所示，試驗(yàn)油中有黑色懸浮物，黑色懸浮物與試驗(yàn)油互溶；試驗(yàn)片表面覆蓋一層黑色片狀物質(zhì)，經(jīng)機(jī)械攪拌可從銅片表面剝落，黑色片狀物質(zhì)與試驗(yàn)油不互溶。分別測(cè)定澄清的1#試驗(yàn)油、含黑色懸浮物的2#試驗(yàn)油、含黑色懸浮物及黑色片狀物質(zhì)的3#試驗(yàn)油的銅元素含量，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，黑色懸浮物和黑色片狀物質(zhì)均為齒輪油對(duì)銅合金鍍層材料腐蝕作用的產(chǎn)物，電感耦合等離子發(fā)射光譜能夠檢測(cè)到腐蝕產(chǎn)物，腐蝕作用會(huì)導(dǎo)致銅元素進(jìn)入齒輪油中。

圖7 加嚴(yán)銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)試管狀態(tài)

表3 加嚴(yán)銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果

使用X射線衍射儀測(cè)定黑色片狀物質(zhì)成分，X射線衍射檢驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，主要成分是Cu7S4、Cu2S和CuS，這說明齒輪油的銅腐蝕產(chǎn)生的黑色片狀物質(zhì)主要是由齒輪油中的活性硫或使用過程中產(chǎn)生的活性硫與銅合金鍍層反應(yīng)生成的物質(zhì)，銅的主要價(jià)態(tài)為正一價(jià)及正二價(jià)。

圖8 黑色片狀物質(zhì)的X射線衍射檢驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)油對(duì)銅合金鍍層材料的腐蝕作用主要來自以下幾個(gè)方面：潤(rùn)滑油添加劑中的銅緩蝕劑與銅表面的介質(zhì)發(fā)生置換反應(yīng)吸附在銅表面，Cu被氧化成一價(jià)銅，使少量一價(jià)銅進(jìn)入油中[2]；潤(rùn)滑油添加劑中的含硫添加劑都可能成為活性硫的來源，活性硫與銅反應(yīng)，生成CuxSy，常見的含硫添加劑包括：ZDDP等的含硫抗氧劑、硫化烷基酚鹽等的含硫清凈劑、硫代磷酸胺鹽等的含硫極壓抗磨劑等[3]；潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的氧化產(chǎn)物主要是酸類產(chǎn)物，酸類產(chǎn)物腐蝕銅部件[4]。

商用車使用銅合金鍍層的墊片及襯套的驅(qū)動(dòng)橋所用的重負(fù)荷車輛齒輪油在使用過程中，銅元素含量是否對(duì)試驗(yàn)油的其他理化性能產(chǎn)生負(fù)面影響，是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)該型商用車驅(qū)動(dòng)橋使用銅合金鍍層的墊片及襯套，在嚙合過程中，磨損作用使銅合金顆粒進(jìn)入試驗(yàn)油中，但是電感耦合等離子發(fā)射光譜不能夠檢測(cè)到銅合金顆粒，銅合金顆粒僅是增加了銅合金鍍層在試驗(yàn)油中的表面積。

(2)試驗(yàn)油對(duì)銅合金鍍層材料存在腐蝕作用，腐蝕作用會(huì)導(dǎo)致銅元素進(jìn)入試驗(yàn)油中，可以被電感耦合等離子發(fā)射光譜檢測(cè)到。在一定的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，相同試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)油溫度越高，對(duì)銅合金鍍層材料腐蝕越嚴(yán)重，試驗(yàn)油中銅元素含量越多。

(3)銅合金鍍層材料通過與試驗(yàn)油中的銅緩蝕劑、含硫添加劑、酸類氧化產(chǎn)物等物質(zhì)作用，使銅元素進(jìn)入試驗(yàn)油中。