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fyrsummer的博客

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摩擦改进剂在现代润滑油中的应用  

2011-03-03 16:25:34|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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前言:在能源消费与能源价格还在不断攀升的情况下,在社会各界对“绿色GDP”的呼声日益高涨的背景下,节能与环保就越来越成为大众关注和讨论的“议题”。随着在全世界范围内倡导车辆节能,而且尾气排放法规与标准变得越发严格,所有这些进一步提高了润滑油对节能减摩的要求。本文主要对摩擦改进剂和它们的作用机理做出大致的分析,以及它们在内燃机油的应用和发展前景做出简单的论述:

摩擦副表面的润滑方式 

在提到如何降低摩擦副表面的摩擦之前,我们应对主要表面润滑方式有个初步的了解。对润滑表面,摩擦系数的大小与很多因素有关,其中影响最明显的是润滑油与摩擦表面的润滑方式。从实际的情况来看,简单来说有以下三种润滑方式,对内燃机来说也同样如此。

弹性流体动力润滑方式:

 该润滑方式主要以相对厚的润滑膜表征。流体润滑当物体之间的接触面被润滑油膜完全隔开时,此时的润滑称流体润滑。流体润滑时,物体之间的摩擦面没有直接接触,因此摩擦仅发生在润滑油之间,运动阻力仅由润滑油分子间的吸引力(内聚力)形成,摩擦系数取决于润滑油的粘度,因而摩擦系数很小,一般在0.01~0.001的范围内,流体润滑是最理想的润滑方式。

   混合润滑方式:

 混合润滑是弹性流体润滑与边界润滑之间的一种过渡润滑状态,是包括大部分流体润滑和局部边界润滑的一种中间润滑状态,因而也可以说是弹性流体润滑和边界润滑交替出现,而以弹性流体润滑为主的润滑过程。在实际润滑过程中,当连续润滑膜局部破裂时,由流体润滑区向混合润滑区过渡,当油膜厚度下降到流体润滑膜的下限,且不能形成完整的连续膜时,则为混合润滑区域。

边界润滑方式:

 边界润滑是指物体之间摩擦面上存在-层由润滑剂构成的边界膜时的润滑。液体润滑摩擦阻力小,但必须在润滑油粘度与运动零件的转速、负荷配合适当的条件下才能实现。在负荷增大或粘度、转速降低的情况下,液体油膜将会变薄,当油膜厚度变薄到小于摩擦面微凸体的高度时,两摩擦面较高的微凸体将会直接接触,其余的地方被一到几层分子厚的油膜隔开,这时摩擦系数增大到0.05~0.15.并出现能控制住的有限磨损,这种情况叫做边界润滑。边界润滑时的减摩抗磨作用主要取决于润滑油添加剂与金属摩擦表面形成的边界膜(吸附膜或化学反应膜)。我们常用Stribeck曲线表现不同的润滑方式,见下图:(图略,若需要请与博主联系!)

对内燃机来说,发动机在不同的工作条件(载荷、速度和温度)下运行,发动机摩擦会由好些部件产生。因此在发动机运行时,这些部件可能会经历到弹性流体动力润滑、混合润滑和边界润滑的不同组合。在这些润滑区域,许多因素对发动机摩擦起作用。正从上图我们可以看出,油品的粘度、流速以及接触面的压力都对摩擦副表面的摩擦状况有很大的影响。但通常来说,内燃机中的摩擦方式主要以边界摩擦为主。而且由于内燃机技术的不断发展,内燃机不断趋向小型化,大功率化,燃烧室的温度也越来越高,内燃机的使用条件和环境越来越苛刻。在这些情形下,边界润滑就成为最主要的润滑方式。而针对边界润滑方式,加入摩擦改进剂将是减少摩擦的主要和有效的方式。所以我们能注意到,摩擦改进剂在现在内燃机油中使用越来越普遍。例如,在国际主要的添加剂公司提供的各种内燃机有复合剂中,就必须根据润滑油品不同级别和不同用途来添加摩擦改进剂,否则将无法通过相关的台架试验。甚至在某些润滑油调和厂中,对某些对摩擦改进有特殊要求的润滑油品,在调和相应的复合剂量之后,还额外补加一定的摩擦改进剂。因此,摩擦改进剂也成内燃机油中一种必须添加的、非常重要的添加剂。 

由于在润滑油界,特别是对一些消费者来说,由于极压抗磨剂和摩擦改进剂有联系也有区别,常常对它们有些混淆不清,因此我们有必要先来大致看看摩擦改进剂和极压抗磨剂之间的区别和联系。 

摩擦改进剂与极压抗磨剂的区别 

关于摩擦改进剂和极压抗磨剂之间的区别经常会引起一些争论,原因是摩擦改进剂和极压抗磨剂都主要是在边界润滑条件时发生作用,都会在边界润滑的摩擦副表面形成物理或者化学反应保护膜。 

极压抗磨剂和摩擦改进剂的主要区别在于它们的作用机理和发挥性能不同。极压抗磨剂一般来说是一些含有硫、磷元素的化合物,这些化合物具有在苛刻的载荷条件下形成坚固润滑层的能力。边界润滑一般会在摩擦表面产生较高的温度,这些化合物就会在摩擦副表面形成半塑性的沉积物保护膜,不易剪切,因此抗磨极压剂保护紧密接触的金属表面,使对应的表面不受凸起损害。它们的主要作用在于提高润滑油品的载荷和极压性能,也就是业界常提到的最大无卡咬负荷(PB值)和烧结负荷(PD值),同时保护发动机摩擦表面。但是,从许多试验和实践中得知,大多数极压抗磨剂几乎没有改善摩擦、降低摩擦系数的性能。 

 摩擦改进剂通常是由多个碳原子组成的直链和末端有极性集团的分子,其中极性基团是摩擦改进剂分子起作用的主要因素之一。一般说来,摩擦改进剂通过物理吸附和化学反应膜来发挥作用。通过物理吸附发挥作用的摩擦改进剂的润滑膜是由有序的、紧密排列的多分子层相互松散地粘附在一起,分子的极性紧密吸附在金属表面,物理吸附层的形成是由于分子的极性,溶于油中的摩擦改进剂,通过强吸附力与金属表面发生作用,极性基顶端吸附在金属表面,烃基尾端溶于油中,在金属表面定向排列。所有的分子整齐地排列成行,与金属表面垂直,形成摩擦改进剂的多层矩阵。这种摩擦改进剂的吸附层难以压缩,但烃基尾段在摩擦接触的过程中很容易被剪断,所以能提供较低的摩擦系数。而通过化学反应膜来发挥作用的摩擦改进剂,一般是一些含金属元素的化合物,这些化合物在边界润滑产生高温条件下,能在润滑表面产生化学反应生产保护膜。虽然迄今为止,润滑理论界对它们具体的反应机理还没有定论,但从实际使用的效果来看,这些化学反应膜同样具有优异的减摩性能。在加剂量很低的情况下,摩擦系数能大大降低。并且这种化学保护膜也具有良好的剪切性能,而且被剪断层很容易得到补充,能够不断在润滑表面形成一种保护膜的“动态平衡”。另一方面,这种摩擦改进剂也常常具有一定的增强极压抗磨的性能,同时与其他的极压抗磨剂能体现较好的协同性能,对提高油品的PB值和PD值也很有帮助。 

对于摩擦改进剂来说,我们不能忽视的一个影响因素是摩擦副的表面温度,因为温度能影响摩擦改进剂的膜的厚度和弹性。对物理吸附膜来说,摩擦改进剂随金属表面的吸附发生在相对较低的温度,如果温度太高,那环境提供的足够的能量可以使摩擦改进剂分子从金属表面脱附而失去作用。相反,而对化学反应保护膜来说,发生减少摩擦效果的时候需要有足够的表面温度,也可以是瞬间的、较高的摩擦表面温度,只有在较高的温度条件下才能通过化学反应来形成保护层。在内燃机小型化和高功率化和燃烧室高温的趋势下,能产生化学保护膜的摩擦改进剂将会越来越得到重视和广泛使用。 

   下表对摩擦润滑表面与摩擦系数做简单而形象的对比: 

 润滑模式与摩擦系数 

润滑模式

摩擦系数

        比喻

未润滑表面

0.5-7

在岩石表面拖动不规则的石块

抗磨/极压膜

0.12-0.18

在光滑岩石上拖动光滑的石块

摩擦改进膜

0.06-0.08

滑冰

弹性流体动力润滑

0.001-0.01

打滑

 润滑油摩擦改进剂的主要种类 

常用的摩擦改进剂可分为以下几类: 

长碳链脂肪酸、脂肪醇及其盐类 

该类摩擦改进剂对降低静摩擦系数效果显著,因此润滑性好,但油溶性不佳,长期储存可能产生沉淀,对金属还有一定的腐蚀作用,所以目前在内燃机油中很少用到。 

脂肪胺及其衍生物 

该类化合物吸附热大,磨损量小,而且分解温度高,常用于齿轮油中。有些胺盐还是具有减摩、防锈和抗氧的多效能添加剂,它们不仅可以减摩,而且和一些含硫的添加剂复合有很好的协同效果,可以提高齿轮油的Timken OK负荷。 

有机硼酸酯和硼酸盐 

  有机硼酸酯早期是作为抗氧剂加入到润滑油中,但后来许多的研究发现该类化合物具有很好的抗磨减摩效果,特别是含咪唑啉以及酰胺的硼酸酯能体现更佳的减摩抗磨效果。 

有机钼化合物 

油溶性有机钼化合物具有很好的减摩性能,能显著降低运动接触部件的摩擦系数,是很好的摩擦改进剂。现在研发出来的有机钼产品主要有二烷基二硫代硫酸钼(MoDDP), 二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)和三核钼化合物。尽管它们的减摩机理还没有定论,但大多数的观点是认为他们在润滑区与金属表面产生化学反应生产化学反应膜。在表面上形成次级结构膜(<50 Dm),MoS 、MoO 进入金属表面。MoDTC、MoDTP和三核钼化合物在润滑过程中会在摩擦表面微凸体顶分解出MoS:和MoO ,分解出的MoS 聚集在表面的微凹谷内,从而使摩擦表面光滑,故能持久有效地减小摩擦因数。也有人认为,油溶性钼化合物在摩擦区较高热能的影响下,裂解为有机基团和金属钼,钼扩散在摩擦表面上,与其它金属形成低熔点物质,使摩擦因数降低,减小摩擦损失。

由于有机钼摩擦改进剂的减摩性能突出,与其他的摩擦改进剂具有协同效应,在全球主要的添加剂公司和润滑油生产厂家已经广泛使用,所以下面主要看看油溶性有机钼的摩擦改进性能。 

油溶性有机钼化合物的减摩性能 

有机钼POUPC1001的抗磨减摩性能试验 

试验用油 API/ CF-4(15W/40),其配方如下: 

基础油:400SN 20w%;150SN 50w%; 150BS 10w%;

 PPT-248(Romhax公司) 0.3w%;

SV260(Infineum 公司) 11.6w%;

HITEC1275(Alfton公司) 8.2w% , 

试验结果如以下图示

表一:有机钼POUPC 1001的减摩性能

 

 


0.0% 加剂量

0.3% 加剂量

0.5%加剂量

35kgf

40kgf

35kgf

40kgf

35kgf

40kgf

最大摩擦力

4.23

43分钟油膜破裂

3.409

3.516

3.303

3.462

平均摩擦力

3.73

3.226

3.317

3.021

3.285

最大摩擦系数

0.305

0.097

0.088

0.053

0.051

平均摩擦系数

0.196

0.086

0.084

0.047

0.041

磨斑直径(mm)

0.464

0.338

0.394

0.326

0.342

 

在全球范围内,对有机钼摩擦改进剂大量的模拟试验和行车试验,测试结果表明油溶性有机钼添加剂确实能达到3-5%的燃油节省效果。

  有机钼化合物与其他有机摩擦改进剂的复配效果

    正如上文提到,现在常用的两种摩擦改进剂,分别产生物理吸附保护膜和化学反应保护膜。尽管这两类摩擦改进剂的作用机理不同,但复配后会产生很好的协调效果。MoDTC是最常见的有机钼摩擦改进剂,而油酸甘油酯(GMO)是内燃机油中应用较多的无灰摩擦改进剂之一,如果在油品中同时加入这两种摩擦改进剂,它们能产生良好的协同减摩效应,程序VIB试验结果如下:

 

                             表2: 程序VIB试验结果

                                                                  单位:%

项目

油1

油2

油3

油4

油5

参比油

GMO

0

0

1

0

1

--

MoDTC

0

0.3

0.3

1.5

0.3

--

ZDDP

1.2

1.2

1.2

1.2

0.6

--

燃油经济性

-0.596

-0.048

0.113

0.096

0.262

0

 

由上表可以看出,1%的GMO与0.3%的MoDTC以及0.6%的ZDDP复合使用可以达到很好的燃料经济效果。

将二乙氧基胺加入到内燃机油与MoDTC复合使用,也可以起到减摩的效果,提高燃料经济性增长率,试验结果如下表:

                        

 表 3:程序VIB试验结果

______________________________________________________________________________

      项目                              油1                           油2

  _______________________________________________________________________________

 磺酸钙(TBN300)                0.50                            0.50

     水杨酸钙(TBN 70)              0.90                            0.90

     水杨酸镁 (TBN 270)            1.60                            1.60

     MoDTC                          1.10                            1.10

     二乙氧基胺                         --                             0.40

    燃料经济增长率                    4.4                              4.9

 ________________________________________________________________________________

 摩擦改进剂在润滑油中的发展前景

 节约能源、降低环境污染是世界共同关注的目标,汽车作为能源消耗的重要消费品,它的节能变得尤为重要,在发动机燃料燃烧所产生的热量中,大约有20-30%的能源都是以摩擦的形式白白浪费了,其中摩擦损失最大的是部件是活塞缸套/活塞环接触面之间。因此发动机润滑油的燃料经济性也成为重要的性能要求之一,ILSAC汽油机油从GF一3、GF-4发展到今天的GF一5,其燃料经济性要求可以说是一步一个台阶。发动机评价试验也从MS程序VI、VIA发展到VIB、VID,需要通过的指标也越来越苛刻。对GF-4级别的润滑油来说,程序VIB由于采用特殊的凸轮挺杆滑动气门组系和强调燃料经济性的维持能力(强化试验条件,增加等效行驶6400~9700 km的老化阶段),扩大了边界润滑和混合润滑区域,使其评价的功能更加客观。对GF-5级别的油品来说,VID台架试验的标准越发苛刻。因此,如何在现有配方技术的基础上,通过合适的摩擦改进剂,加强油品的节能效果,已成为添加剂研究工作者的一项重要任务。

 下表列出从GF-3 到GF-4和GF-5标准对节能要求的不断提高的过程:

                      表四:不同等级油品的节能指标(FEI)要求 

油品等级

 GF-3(VIB 台架)

GF-4(VIB 台架)

GF-5(VI D台架)

0W/20 与

5W/20

>2.0% (16小时后)

>2.3% (16小时后)

>2.6%(前100小时)

>1.7% (96小时后)

>2.0% (96小时后)

>1.2%(100小时后)

0W/30 与

5W/30

>1.6%(16小时后)

>1.8% (16小时后)

>1.9%(前100小时)

>1.3%(96小时后)

>1.5% (96小时后)

>0.9%(100小时后)

10W/30

> 0.9%(16小时后)

>1.1% (16小时后)

>1.5%(前100小时)

> 0.6%(96小时后)

>0.8% (96小时后)

>0.6%(100小时后)

    注:GF-5使用VID台架试验来代替以前的VIB台架试验,其试验条件更为苛刻。VID使用的是GM 3.6升/V-6发动机;而VIB台架使用的是FORD 4.6升/V-8发动机。 

内燃机油质量的提高,一方面需要提高基础油的等级和性能;另一方面,也需要相应的添加剂技术的发展。改善内燃机油的性能,摩擦改进剂扮演这相当重要的角色,其发展趋势及研究动向主要表现在以下几方面: 

(1)开发不仅具有减摩功能,还具有良好减摩节能持续性的摩擦改进剂。对GF-4和GF-5油品,对减摩节能持续性尤为关注。

(2单剂功能的加强与扩展,向多功能方向发展。有些摩擦改进剂不仅减摩节能,还提高极压抗磨性,增强抗氧化性。

(3)无灰添加剂的开发以及功能的加强,如氮或硼化合物, 代替或部分代替目前的有灰金属添加剂;

(4)研究能够替代金属硫、磷酸盐的添加剂.以尽量减少硫、磷元素对发动机系统和尾气排放系统的负面影响;

(5)加强添加剂复合与协同性能的研究与相关产品的开发,以符合更好的经济原则,达到更好的综合性能效果。 

 伴随着节能环保的不断升级,摩擦改进剂在润滑油品中将愈发显得重要。一方面加强对摩擦改进剂的研发和相关试验,推出高性能、多功能、有持久节能的产品。另一方面,结合汽车内燃机、以及基础油和其他添加剂的发展,让摩擦改进剂在整个润滑油配方中发挥更理想的作用。

<因版式问题,文章中提到的所有图例均省略,如需要请与博主联系!>

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