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用四球試驗機研究潤滑油添加劑的作用機理
發布時間 : 2021/04/20
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用四球試驗機研究潤滑油添加劑的作用機理
潤滑劑中的添加劑可以抵抗油粘度的變化和氧化，減少磨損和摩擦，從而提高每個潤滑系統的使用壽命。添加劑和油分子之間的協同作用對于它們作為潤滑劑的作用至關重要。協同效應應根據潤滑系統的需求選擇性地激活和吸附添加劑，例如，系統需求觸發減摩添加劑的吸附以穩定摩擦，抗磨添加劑以減少磨損，以及極壓（EP）添加劑的激活以抵抗卡滯。這種協同作用的另一個關鍵要求是，它可以防止添加劑的消耗，從而延長潤滑劑的使用壽命。在完全配方的潤滑劑中實現這種協同作用是一門藝術。
它是由分子結構、分子量、官能團、介電常數和表面能控制的極性函數。雖然分子模型被用來研究分子物種之間通過其在表面上的化學和物理吸附作用形成保護層的競爭，但當涉及機械剪切（或機械力化學）時，這些模型的預測能力太弱。為了克服分子模擬中的這一局限性，我們依靠在摩擦學試驗機上進行的實驗室規模的補充實驗觀察。
Ducom四球摩擦磨損試驗機（FBT-3）是一種基于潤滑油特性自動精密測量系統的臺式摩擦磨損試驗機。FBT-3支持數據的可再現性，從而在科學研究中提供生產力和效率。
四球摩擦試驗機（FBT-3，一個上球和三個下球之間的接觸）是一種在摩擦學實驗室廣泛使用的用于研究潤滑油中分子物種間協同作用和競爭的臺式摩擦試驗機。在這項研究中，我們使用FBT-3測試了三種不同的礦物基礎油潤滑劑。A型潤滑油是不含添加劑的礦物基礎油，B型潤滑油中含有二烷基二硫代磷酸鋅-ZDDP添加劑（5%至10%），C型潤滑油中含有多硫化物添加劑（10%至25%）。ZDDP是一種抗氧化劑、緩蝕劑和抗磨添加劑，用于馬達和液壓油（也用于潤滑脂）。聚硫是一種極壓添加劑，用于切削、沖壓、擠壓等金屬加工液中。
ASTM D2783試驗方法從FBT-3中的試驗方法列表中選擇。負荷、轉速、試驗時間、溫度等運行參數按D2783要求自動設定。每次測試持續10秒。在這10秒內，FBT-3軟件顯示并存儲了負載、速度、溫度和摩擦力的實時變化。每次試驗后，使用圖像采集系統測量底部三個球在其自然狀態下的磨痕直徑。然后計算平均磨痕直徑（MWSD）。D2783圖和MWSD與載荷（Kg）圖用于確定初始咬合載荷、載荷磨損指數和焊接載荷。初始咬合載荷區表示機械剪切過程中由于化學反應而形成的保護層破裂的載荷范圍，焊接載荷表示表層在極端壓力下無法保護系統的載荷。載荷磨損指數決定了表面保護層的能力，以盡量減少由于施加載荷的磨損。載荷磨損指數是修正載荷的平均值，即（赫茲直徑/MWSD）x施加載荷。
圖1。根據ASTM D2783試驗方法，基礎油（不含添加劑）的FBT-3結果。根據試驗載荷（Kg）繪制平均鋼球磨痕直徑（MWSD，千分尺）和摩擦系數（CoF）。對于每個試驗載荷，都有一個MWSD值、磨損圖像和摩擦系數。
圖1顯示了隨著礦物基礎油施加載荷的增加，鋼球磨損形貌、MWSD和摩擦系數的變化。初期發作區域（負荷范圍為40 kg至63 kg）由MWSD和摩擦系數的突然增加表示。超過63 Kg的載荷區域被指定為立即卡住，并且在施加126 Kg的載荷時，潤滑劑由于極端壓力而失效，這是由焊球確定的。試驗期間的最大赫茲接觸壓力和剪切應力分別為2.5gpa和350mpa。礦物基礎油的負荷磨損指數為25kg。對于使用ZDDP添加劑配制的基礎油（見圖2），初始卡住延遲（負載范圍為100 Kg至163 Kg），潤滑劑在400 Kg時失效。負荷磨損指數為80kg（是基礎油的3.5倍）。最大赫茲應力和剪切應力分別為2.75gpa和600mpa。對于作為基礎油添加劑的聚硫化合物（見圖3），初始卡住進一步延遲（負載范圍為250 Kg至400 Kg），并且潤滑劑即使在900 Kg的極端負載下也不會失效。最大赫茲應力和剪切應力分別為4gpa和400mpa。載荷磨損指數為202kg（是ZDDP基礎油的2.5倍）。
圖2。FBT-3基礎油中ZDDP的結果符合ASTM D2783試驗方法。根據試驗載荷（Kg）繪制平均鋼球磨痕直徑（MWSD，千分尺）和摩擦系數（CoF）。對于每個試驗載荷，都有一個MWSD值、磨損圖像和摩擦系數。
本研究通過對FBT-3添加劑形成的保護層的研究，提高了基礎油的耐磨性和承載能力。在聚硫中，在極壓下硫的活化與鋼表面發生化學反應，形成硫化鐵，從而保護觸點不被立即卡死和焊接。ZDDP中，由于ZDDP在高壓下的化學反應，形成了磷酸基薄膜（如磷酸鋅和磷酸鐵）。然而，這些磷酸鹽薄膜在極壓下無法抵抗癲癇發作。鋅離子使薄膜的形成率相對于磨損率更高。因此，ZDDP更適合作為抗磨添加劑。注：如本FBT-3摩擦研究所示，ZDDP的摩擦系數高于聚硫，這是由于在ZDDP上使用MTM、AFM和球在圓盤上進行的其他摩擦學研究所示，磷酸鹽薄膜粗糙、片狀。
圖3。FBT-3基礎油中聚硫的結果，符合ASTM D2783試驗方法。根據試驗載荷（Kg）繪制平均鋼球磨痕直徑（MWSD，千分尺）和摩擦系數（CoF）。對于每個試驗載荷，都有一個MWSD值、磨損圖像和摩擦系數。
研究在極端壓力下機械剪切過程中，化學和物理吸附形成的保護層的性能需要600秒。FBT-3是一種快速、經濟的試驗方法，它補充了用于預測潤滑劑中分子組分協同和競爭的理論分子模型。
