喬琦 周婷

中海油氣（泰州）石化有限公司

為滿足應(yīng)力過大的動力傳動齒輪的潤滑需求，本文通過對硫/磷極壓抗磨劑的性能考察和復配篩選，并加入摩擦改進劑，輔以其他類型添加劑，開發(fā)了具有優(yōu)異極壓抗磨性能的L-CKD220/320工業(yè)齒輪油。研發(fā)產(chǎn)品與市場同類產(chǎn)品性能基本相當，且梯姆肯OK 值更優(yōu)（達334 N），已應(yīng)用于水泥、鋼鐵行業(yè)的減速機等設(shè)備的潤滑。

極壓劑、抗磨劑、摩擦改進劑為齒輪油的主劑，近幾年，用戶對齒輪油的使用性能提出了更高的要求，主要是提高齒輪油的耐久性，即在不影響極壓劑、抗磨劑、摩擦改進劑的極壓、抗磨和減摩性能的前提下，提高耐久性。極壓抗磨劑是為了防止磨損燒結(jié)而在潤滑油中使用的一種添加劑，在齒輪油中發(fā)揮重要的作用[1～3]。主要包括含硫極壓抗磨劑、磷系極壓抗磨劑、氯系極壓抗磨劑以及金屬極壓抗磨劑。硫-磷型極壓抗磨劑在齒輪油中被廣泛使用，通常認為硫-磷型齒輪油中的硫元素是提高油品極壓抗磨性的關(guān)鍵[4～6]。含硫極壓劑可以與摩擦副的金屬表面發(fā)生化學反應(yīng)，生成硫化鐵或硫化亞鐵，從而不使金屬表面擦傷、膠合、燒結(jié)。含磷化合物則通過物理吸附或化學反應(yīng)生成磷酸鐵膜，起到抗磨作用[7～8]。含硫極壓抗磨劑包括硫化油脂、硫化烯烴、多硫化物等，其中使用最多的是硫化異丁烯（SIB），它是含硫極壓抗磨劑中最大的一類產(chǎn)品。含磷極壓抗磨劑有亞磷酸酯、磷酸酯、酸性磷酸酯胺鹽（PN 劑）、硫代磷酸酯（SPN）等[9]。

極壓齒輪油通常需要達到美國鋼鐵公司224#規(guī)格，此規(guī)格要求的工業(yè)齒輪油梯姆肯OK 值不低于267 N(60 lb)。國內(nèi)外資料顯示，高負荷、超載狀態(tài)下運行的齒輪箱對工業(yè)齒輪油的極壓承載能力提出了更高的要求，規(guī)定該類油品的梯姆肯OK 值不低于334 N(75 lb)，普通工業(yè)閉式齒輪油L-CKD 系列產(chǎn)品無法滿足部分特高載荷下的設(shè)備用油需求。針對設(shè)備對潤滑油高極壓承載能力的要求，提高工業(yè)齒輪油的梯姆肯OK 值可以更好的滿足高承載齒輪擦傷和膠合的問題。

為滿足應(yīng)力過大的動力傳動齒輪的用油需求，本文考察了不同類型極壓抗磨劑對工業(yè)齒輪油的抗磨和極壓性能的影響，通過不同類型的極壓抗磨劑的篩選及復配，以梯姆肯OK 值、燒結(jié)負荷PD考察其極壓性能的差異，篩選出適宜的極壓補強配方，最終開發(fā)出梯姆肯OK 值達到334 N[高于GB 5903—2011 要求的267 N，且高于市場某同類產(chǎn)品的性能表現(xiàn)（312 N）]的極壓性能良好的齒輪油，同時產(chǎn)品的其他性能指標均能符合GB 5903—2011 要求。

供圖/喬琦

配方研究

含硫添加劑考察

硫化烯烴極壓劑具有優(yōu)良極壓性能，在高速沖擊作用下能有效防止齒面損傷，在齒輪油中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調(diào)配，余量）中分別加入一定質(zhì)量分數(shù)（0.4%～3.2%）的含硫功能劑硫化異丁烯S1、有機硫化物S2（低氣味），采用梯姆肯OK 值（GB/T 11144，下文皆同）和燒結(jié)負荷PD（GB/T 3142，下文皆同）評價其極壓性能。2 種劑的理化性質(zhì)見表1，測試結(jié)果如圖1、圖2 所示。

表1 S1/S2基礎(chǔ)理化性質(zhì)

由圖1、圖2 可以看出，與未添加極壓抗磨劑的基礎(chǔ)油(梯姆肯OK 值123 N，燒結(jié)負荷PD1 580 N)相比，添加劑極壓抗磨劑后，油品的梯姆肯OK 值均大幅度增大。因此， S1 對油品極壓性能的改善優(yōu)于S2。

圖1 添加含硫添加劑后油品梯姆肯OK值對比

圖2 添加含硫添加劑后油品燒結(jié)負荷PD 對比

含硫磷氮抗磨劑考察

含硫磷氮抗磨劑具有良好抗磨和承載性能，在高扭矩苛刻運轉(zhuǎn)條件下能防止齒面磨損、點蝕和剝落，在齒輪油中同樣得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)含硫磷氮抗磨劑的結(jié)構(gòu)類型大體可分為亞磷酸酯、磷酸酯及其胺鹽、硫代磷酸酯及其胺鹽、硫磷酸復酯胺鹽等。本文在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調(diào)配，余量）中分別加入一定質(zhì)量分數(shù)（0.10%～0.40%）的2 種含硫磷氮抗磨劑P1、P2，采用磨斑直徑（NB/SH/T 0189，下文皆同）評價抗磨性，采用梯姆肯OK 值（GB/T 11144，下文皆同）、燒結(jié)負荷PD、 綜 合 磨 損 指 數(shù)ZMZ（GB/T 3142，下文皆同）測試極壓性能。2 種劑的理化性質(zhì)見表2，測試結(jié)果如圖3～圖6 所示。

表2 P1/P2基礎(chǔ)理化性質(zhì)

由圖3 可以看出，添加含硫磷氮抗磨劑后，油品的抗磨性得到很好的改善。添加含硫磷氮抗磨劑后，隨著添加劑加劑量的增加，油品的磨斑直徑一直呈減小的趨勢，但加劑量大于0.30%以后，隨著含硫磷氮抗磨劑加劑量的增加，對油品的抗磨性能影響不大。單獨使用時，P1 對油品抗磨性能的改善稍優(yōu)于P2。

圖3 添加含硫磷氮抗磨劑后油品磨斑直徑對比

由圖4 可以看出，添加含硫磷氮抗磨劑后，油品的梯姆肯OK 值均有所提高，但提高的幅度不大。單獨使用時， P1 對油品梯姆肯OK值的改善稍優(yōu)于P2。

圖4 添加含硫磷氮抗磨劑后油品梯姆肯OK值對比

由圖5 和圖6 可以看出，添加含磷氮添加劑后，油品的PD值和綜合磨損指數(shù)均有所提高。添加0.4%P1 油品的PD達到1 401.4 N，綜合磨損指數(shù)達到529.2 N，而添加0.4%P2 油 品 的PD略 低 于P1，為1 185.8 N，綜合磨損指數(shù)為438 N。綜上，含P1 對油品極壓性能的改善優(yōu)于P2。

圖5 添加含硫磷氮抗磨劑后油品燒結(jié)負荷PD 對比

圖6 添加含硫磷氮抗磨劑后油品綜合磨損指數(shù)對比

硫化異丁烯S1 與含硫磷氮抗磨劑P1、P2 的配伍

硫化異丁烯S1 分別與P1、P2單獨配伍試驗

研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的極壓抗磨劑有不同的特點，兩種以上的極壓抗磨劑復合使用會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使油品性能更優(yōu)。在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調(diào)配，余量）中，選擇對油品極壓性能改善更好的硫化異丁烯S1，試驗考察了當S1加劑量分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%時分別與P1、P2 的配伍性。

S1 與P1 的配伍性試驗結(jié)果如圖7、圖8 所示。

由圖7 可知， S1 復配P1 后，隨著P1 加劑量的加大，油品的抗磨性能逐漸提高。P1 加劑量相同水平時，油品的磨斑直徑隨S1 加劑量的提高而逐漸減小，S1 加劑量為1.6 %時磨斑直徑相對最低。同時由于含硫磷氮抗磨劑會對金屬產(chǎn)生一定的腐蝕，且P1 加劑量0.2%時對油品磨斑直徑效果明顯，故本文選取P1加劑量0.2%， S1 加劑量1.6%油品的磨斑直徑為0.33 mm。

圖7 S1與P1配伍的磨斑直徑對比

由圖8 與圖1 對比可知， P1復配S1 后，隨著S1 加劑量的增加，梯姆肯OK 值有增大趨勢，油品具有更好的極壓性能。當P1 加劑量為0.2%時，加入0.4% S1 油品的梯姆肯OK 值為155.75 N，而加入1.6%S1 油品的梯姆肯OK 值為267 N。

圖8 S1與P1配伍的梯姆肯OK值對比

S1 與P2 的配伍性試驗結(jié)果如圖9、10 所示。

由圖9 可以看出，0.8%的S1復配0.2%的P2，磨斑直徑減小到0.40 mm。添加相同加劑量的P2，油品的磨斑直徑隨S1 加劑量的提高而逐漸減小。在P2 加劑量大于0.2%時，S1 的加入會使磨斑直徑比不加入S1 時大（對比圖3，不加入S1，P2 加劑量0.3%或0.4%，磨斑直徑在0.34 mm 左右），故選取P2 加劑量為0.2%，復配0.4%S1，油品的磨斑直徑為0.48 mm，而加入1.6% S1 油品的磨斑直徑為0.35 mm，相較于圖7（1.6%S1+0.2%P1，磨斑直徑0.33 mm），磨斑直徑略大。

圖9 S1與P2配伍的磨斑直徑對比

由圖10 與圖1 對比可知，S1復配P2 后，隨著P2 加劑量的增加，梯姆肯OK 值有增大趨勢，油品具有更好的極壓性能。0.8% S1 復配0.2% P2 后，與0.8% S1 復配0.1%P2 時相比，油品梯姆肯OK 值不變。添加相同加劑量的P2，油品的梯姆肯OK 值隨S1 添加量的提高有增大趨勢。當P2 加劑量為0.2%時，加入1.6% S1 油品的梯姆肯OK 值為267 N。

圖10 S1與P2配伍的梯姆肯OK值對比

硫烯功能劑S1 同時與含硫磷氮抗磨劑P1、P2 的復配

文獻報道[10]，硫烯功能劑與兩種以上的抗磨劑復合使用協(xié)同效應(yīng)更大，使油品的極壓性能更優(yōu)。根據(jù)P1 抗磨劑與硫烯功能劑S1 復配磨斑直徑0.33 mm、梯姆肯OK值267 N，P2 抗磨劑與硫烯功能劑S1 復配磨斑直徑0.35 mm、梯姆肯OK 值267 N，2 種含硫磷氮抗磨劑與硫烯功能劑S1 的復配結(jié)果可知，含硫磷氮抗磨劑P1 的效果稍稍優(yōu)于含硫磷氮抗磨劑P2。P1、P2 分別在與S1 單獨復配時，相同加劑量水平下，P2 抗磨效果改善不如P1（但0.1%時好于P1），其極壓性能相當，且P2 的加劑量大于0.1%效果不大，綜合考慮性價比因素，實驗室在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N和API Ⅰ150BS 調(diào)配，余量）中，以添加S1（加劑量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%）和0.1%P2 為基準，再復配P1（加劑量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%），測定油品的磨斑直徑和梯姆肯OK 值，試驗結(jié)果如圖11、12 所示。

圖11 與圖7、圖9 對比可知，S1 同時復配P1、P2 后，油品的磨斑直徑呈現(xiàn)減小的趨勢，油品的抗磨性能得到改善。1.6% S1 與0.1%P2、0.2% P1 復配后，油品的磨斑直徑0.30 mm，較只復配0.1%P2 油品的磨斑直徑0.35 mm 減小0.05 mm。

圖11 S1同時與P1、P2配伍的磨斑直徑

圖12 與圖8、圖10 對比可知，S1 與P1、P2 同時復合后，梯姆肯OK 值有所提高，油品的極壓性能得到改善。0.8% S1 與0.1% P2、0.2%P1 復配后，油品的梯姆肯OK 值為267 N。在保證磨斑直徑和梯姆肯OK 值合格的同時盡量減少含硫磷氮抗磨劑的加劑量及成本，且綜合考慮齒輪油標準（GB 5903—2011）要求的前提下，本研究齒輪油極壓抗磨劑組合選用0.8%S1 復配0.1%P2 以及0.2% P1。

圖12 S1同時與P1、P2配伍的梯姆肯OK值

摩擦改進劑考察

由上文可知，當0.8%S1與0.1%P2 以及0.2% P1 組合使用時，油品的梯姆肯OK 值為267 N，雖然滿足了GB 5903—2011 的要求，但尚未達到目標梯姆肯OK 值334 N 的目標。文獻[7]中提到，含硫劑與含磷劑復合作為極壓抗磨主劑使用時，補加摩擦改進劑可以增強油品的抗磨性。本文在VG220 基礎(chǔ)油（由API Ⅱ500N 和API Ⅰ150BS調(diào)配，余量）中，組合使用0.8%S1、0.1% P2、0.2% P1，分別選用苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1、有機鉬類摩擦改進劑F2 進行配伍試驗（F1、F2 加劑量0.05%、0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%），考察配伍后油品的磨斑直徑、摩擦系數(shù)（SH/T 0762—2005 ）與梯姆肯OK 值，結(jié)果如圖13～圖15 所示。

圖13 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的磨斑直徑

圖14 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的摩擦系數(shù)

圖15 硫-磷功能劑與F1、F2配伍后油品的梯姆肯OK值

由圖11 和圖13 可以看出，當F1 加劑量大于等于0.12%時，對油品的抗磨性有改善。添加0.12%F1，油品的磨斑直徑由0.30 mm 減小到0.28 mm；此后隨著F1 加劑量的提高，油品的磨斑直徑基本不變。隨著F2 加劑量增大，沒有起到提高油品抗磨性的作用。

由圖14 可見，添加F1 油品較添加F2 油品的摩擦系數(shù)更優(yōu)。

由圖12 可見，加入一定量的摩擦改進劑后，油品的梯姆肯OK 值明顯提高，說明摩擦改進劑也可以提高油品的極壓性能。兩種摩擦改進劑的加入對油品梯姆肯OK 值的影響基本一致，但當加劑量為0.14%時，添加F1 的油品的梯姆肯OK 值更好。

綜上所述，硫-磷型功能劑中輔加少量摩擦改進劑后，既可以改善油品的抗磨性能，也可以提高油品的極壓性能。通過試驗數(shù)據(jù)可知，苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1 對油品極壓抗磨性能的改善優(yōu)于有機鉬類摩擦改進劑F2。此外，從經(jīng)濟因素考慮，有機鉬類摩擦改進劑F2 成本較苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1 高。因此，本研究采用苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1，加劑量為0.14%。

防銹防腐性能考察

硫磷極壓劑在高溫、高壓下會產(chǎn)生活性硫，對黃銅產(chǎn)生一定的腐蝕。本文在VG220 基礎(chǔ)油（由APIⅡ500N和APIⅠ150BS調(diào)配，余量）中，組合使用0.8%S1、0.1% P2、0.2% P1、0.14%F1（加防銹劑和銅腐劑之前），復配0.1%（質(zhì)量分數(shù)）防銹劑烷基琥珀酸衍生物與0.05%（質(zhì)量分數(shù)）銅腐抑制劑苯三唑，考察油品的防銹性能，結(jié)果見表3。

由表3 可知，復配防銹劑、銅腐抑制劑后，油品的防銹性與銅片腐蝕均合格。

表3 防銹性能考察

與市場同類產(chǎn)品性能對比

以篩選出的硫烯功能劑S1（加劑量0.8%），復配含硫磷氮抗磨劑P1（加劑量0.2%）、P2（加劑量0.1%）、苯三唑胺鹽類摩擦改進劑F1（加劑量0.14%）、防銹劑烷基琥珀酸衍生物（0.1%）、金屬減活劑苯三唑（0.05%）、破乳劑胺與環(huán)氧乙烷縮合物（0.05%）、抗泡劑T 922（30 mg/kg）及其他輔劑調(diào)制后的產(chǎn)品與市場同類產(chǎn)品進行性質(zhì)對比，以工業(yè)閉式齒輪油L-CKD220/320 為示例，產(chǎn)品典型數(shù)據(jù)具體見表4。

由表4 數(shù)據(jù)對比可知，本文所開發(fā)的工業(yè)齒輪油產(chǎn)品性能比市場上知名品牌同類產(chǎn)品具有更優(yōu)的梯姆肯OK 值。本文所開發(fā)的產(chǎn)品目前已成功應(yīng)用于水泥、鋼鐵行業(yè)、冶金、礦山、海上鉆井平臺、石油煉化等行業(yè)潤滑。

表4 工業(yè)閉式齒輪油與市場同類產(chǎn)品性能對比

結(jié)論

通過對不同類型極壓抗磨劑的篩選，并添加摩擦改進劑、防銹劑和其他添加劑，研制了具有比市場同類產(chǎn)品更突出的極壓承載能力的L-CKD 工業(yè)齒輪油，可滿足高負荷、超載狀態(tài)下齒輪箱的潤滑要求。