八十年代節(jié)能潤滑劑——硼酸鹽(摘要)
時(shí)間：2018-10-14 02:51:42 瀏覽：858
（中國石油化工科學(xué)研究院）
齒輪油性能隨油品組成和操作條件而變。Pb-S潤滑劑低速有優(yōu)良承載能力，S-P潤滑劑高速比Pb-S型潤滑劑好，但低速性能較差[1]。硼酸鹽潤滑劑低速高負(fù)荷和高速高負(fù)荷下都有效[1]。
一、硼酸鹽潤滑劑組成
硼酸鹽潤滑劑主要由礦物或合成基礎(chǔ)油、水合硼酸鈉或鉀極壓劑、ZDDP抗磨劑和中性磺酸鈣清凈劑及丁二酰亞胺分散劑組成[2,3]。
硼酸鹽潤滑劑的制備是把中性油、中性磺酸鈣和丁二酰亞胺加入反應(yīng)器內(nèi)混合后，再加入硼酸鹽水溶液并劇烈攪動(dòng)，在油中生成微乳化的硼酸鹽溶液，升溫脫水生成穩(wěn)定的微球硼酸鹽分散體[2,3]。然后加到基礎(chǔ)油中即配制成硼酸鹽潤滑劑。它有突出的承載能力、抗磨性、熱穩(wěn)定性及密封適應(yīng)性4]，而且無毒，對(duì)銅無腐蝕，也沒有不愉快氣味[1]。
二、臺(tái)架評(píng)定性能
1．極壓和抗磨性能：用梯姆肯試驗(yàn)機(jī)（ ASTM D 2782 ）評(píng)價(jià)了三種類型齒輪油潤滑劑的承載能力[4,5]。硼酸鹽潤滑劑通過負(fù)荷45.4公斤，平均接觸壓力42000磅/英寸2，幾乎是Pb-S型齒輪油的三倍，是S-P型齒輪油的二倍[4]。
四球機(jī)磨損試驗(yàn)，硼酸鹽潤滑劑的磨損受粘度變化影響不大（圖3）[6]，粘度降到200厘斯以下磨損稍為增加，而S-P型潤滑劑的磨損則增加得相當(dāng)大。
硼酸鹽潤滑劑的一個(gè)最突出特點(diǎn)是它不象其他劑那樣，負(fù)荷及抗磨性能隨粘度降低而變差，相反隨粘度的降低而改善，較低ISO粘度級(jí)別的油可得到100～110磅高的梯姆肯試驗(yàn)通過負(fù)荷[5]。請(qǐng)見圖4[6]。這一奌從四球機(jī)的燒結(jié)點(diǎn)( ASTM D 2783 )也得到證實(shí)（圖5）[6]：粘度在100～200厘斯，硼酸鹽型和S-P型潤滑劑的燒結(jié)負(fù)荷都在250～260公斤，粘度降到100厘斯以下，硼酸鹽潤滑劑的燒結(jié)負(fù)荷迅速地增加，而S-P型潤滑劑則迅速降低。
低粘度硼酸鹽潤滑油在梯姆肯和四球機(jī)試驗(yàn)中都顯示出足夠的極壓抗磨能力。這除了節(jié)省動(dòng)力，獲得較好經(jīng)濟(jì)性，還可減少光亮油摻入量，並有較好的氧化穩(wěn)定性；對(duì)齒輪和軸承的摩擦阻力小，降低了工作油溫，延長了壽命，也降低了基礎(chǔ)油的成本。硼酸鹽潤滑劑已通過了全尺寸的齒輪臺(tái)架L-37和L-42試驗(yàn)，可在汽車齒輪油中應(yīng)用[4-6]。
通過各種試驗(yàn)可以看出，硼酸鹽極壓劑在低速、高速潤滑試驗(yàn)中都有很好的極壓性，這是一般極壓劑難以達(dá)到的，詳見表1[7]。
2.熱氧化安定性：硼酸鹽潤滑劑另一亇突出的特奌，是優(yōu)異的熱氧化安定性。超過120℃高溫，即使最好的S-P型齒輪油也會(huì)分解生出油泥，而硼酸鹽潤滑劑仍很安定[4]，就是超過150℃還能長時(shí)間使用，這比防銹和抗氧油（R&O）或含S-P復(fù)合劑的操作溫度要高得多，見圖6[5]。
硼酸鹽潤滑劑優(yōu)良的熱氧化安定性，通過用改進(jìn)的ASTM D 943氧化法試驗(yàn)也得到了驗(yàn)證：把鐵線圈放入油中通氧氣試驗(yàn)，圖7中，S-P型齒輪油幾天內(nèi)在線圈上就沉積了一層油泥，4～8周潤滑劑的粘度成倍增長；而硼酸鹽潤滑劑氧化超過30周，粘度增長還不到100%，使用周期較S-P型延長4倍[6]。而現(xiàn)代汽車齒輪油潤滑油氧化試驗(yàn)僅要求8周。
3.其他性能：硼酸鹽潤滑劑在高溫下對(duì)銅不腐蝕，能通過新鮮水銹蝕試驗(yàn)；對(duì)鼠急性口服和家兔急性皮膚毒性試驗(yàn)，14天后解剖沒有引起明顯病理變化，初步證明沒有毒性，也沒有氣味[2,4]；浸泡密封試驗(yàn)，硼酸鹽潤滑劑在121℃，與腈、甲基乙烯基硅酮、丙烯酯等橡膠沒有發(fā)生明顯的反應(yīng)，動(dòng)態(tài)軸封試驗(yàn)也表明硼酸鹽潤滑劑沒有漏損[4]，證明了硼酸鹽潤滑劑對(duì)密封件有好的適應(yīng)性。
概括地說，各種評(píng)定試驗(yàn)證明，新的硼酸鹽潤滑劑具有S-P型潤滑劑所沒有的一些優(yōu)良使用性能，見表2[5]。
硼酸鹽添加劑微溶于水，若用在接觸大量水并定期排水的地方會(huì)使?jié)櫥椭械呐鹚猁}添加劑消耗掉[1,4]，因此不適合在這樣的部位使用。耐水性差是硼酸鹽添加劑的一個(gè)不足之處。
三、現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用
1974年以來，現(xiàn)場試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，硼酸鹽齒輪油潤滑劑顯著地延長了齒輪的大修時(shí)間、密封壽命、換油期和提高了抗擦傷能力?，F(xiàn)場試驗(yàn)的磨損小、沒有擦傷、甚至在高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)后零件還是干凈的。現(xiàn)場試驗(yàn)的油槽溫度，硼酸鹽潤滑劑與相同粘度的傳統(tǒng)潤滑劑相比，下降了6～30℃，見表3[1]。由30輛新車組成的車隊(duì)，以最大負(fù)荷越野山區(qū)，十個(gè)月累積行程3,100,000公里。在行車中硼酸鹽潤滑劑與參考油在每一個(gè)雙車軸中交替進(jìn)行，以消除卡車和氣候可變性的差異。結(jié)果硼酸鹽潤滑劑與相同粘度（SAE 80W-90）的S-P型潤滑劑相比燃料經(jīng)濟(jì)性提高了1.1%[1]。
目前硼酸鹽工業(yè)潤滑劑已在許多工業(yè)部門應(yīng)用。幾乎沒有例外，凡應(yīng)用硼酸鹽潤滑劑后都降低了操作溫度，延長了密封壽命和降低了磨損率，或延長了潤滑劑的使用壽命亡[5]。
雪弗隆化學(xué)公司已生產(chǎn)有兩個(gè)牌號(hào)的硼酸鹽添加劑[7]：OLOA9750-分散在油中的硼酸鹽，主要由硼酸鉀及分散劑組成，適用于工業(yè)齒輪油等方面；OLOA9150-工業(yè)齒輪油復(fù)合劑。這種新的硼酸鹽潤滑劑每年生產(chǎn)約1,000,000磅[5]。
四、硼酸鹽潤滑劑的極壓原理
Pb-S型在低速時(shí)有優(yōu)良的載荷能力，是因?yàn)樵诨瑒?dòng)表面上沉積了固休的硫酸鉛膜所起的作用。但在高速高負(fù)荷下該膜是經(jīng)受不住的，因?yàn)槟サ裟け仍诒砻嫔赡た?/span>[1]。
S-P型潤滑劑生成的膜是與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)生成硫化鐵和磷酸鐵，并加速氧化鐵的生成[8-9]。這些膜是鐵的腐蝕產(chǎn)物[1]。
硼酸鹽的極壓機(jī)理與普通潤滑劑不同。普通潤滑劑的極壓膜是由于齒輪表面滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱和壓力下與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的。硼酸鹽潤滑劑在極壓狀態(tài)下，不與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)，不是生成化學(xué)膜來起潤滑作用，而是在摩擦表面生成半固體（彈性的）、粘著力強(qiáng)的、“非犧牲”（nonsacrificial）的膜[1]。
Adams和Godfrey認(rèn)為[1]，兩個(gè)滑動(dòng)表面會(huì)產(chǎn)生電荷，膠體的帶電離子顆粒（如硼酸鹽分散體）朝一個(gè)表面或另一個(gè)表面移動(dòng)并沉積。這樣就在齒輪表面和軸承表面生成了硼酸鹽膜，而滑動(dòng)又會(huì)改善膜對(duì)金屬的粘附性。硼酸鹽膜的厚度為過去的極壓劑形成的極壓膜厚度的10～20倍[10]。這種膜能承受金屬與金屬的接觸，特別能承受沖擊負(fù)荷。用硼酸鹽潤滑劑和S-P型潤滑劑的電泳試驗(yàn)證實(shí)了這一理論。在電場中，陰極表面較快地生成了硼酸鹽膜，S-P型潤滑劑在陰極或陽極都沒有沉積。在低粘度的基礎(chǔ)油中，硼酸鹽粒子移動(dòng)得較快，既進(jìn)一步證實(shí)了硼酸鹽添加劑的電泳理論，也解釋了為什么硼酸鹽添加劑在低粘度油中有較高的載荷能力。
用X射線和電子衍射分析發(fā)現(xiàn)硼酸鹽膜是非晶體或無定形的。還發(fā)現(xiàn)其膜在沸騰的蒸餾水中是不溶的，甚至在空氣中溫度升至400℃時(shí)膜還是穩(wěn)定的。硼酸鹽膜的水不溶性與硼酸添加劑本身相反，這也解釋了在很多濕氣系統(tǒng)中硼酸鹽膜有滿意的極壓性能[1]。
電子光譜化學(xué)分析（ESCA）指出[1]，因?yàn)榕鹚猁}膜與鋼表面的水合氧化鐵相互作用，使硼酸鹽膜不僅是半固體的，而且與摩擦表面有較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合力。硼酸鹽分散體結(jié)構(gòu)是每個(gè)三硼酸鉀含有二個(gè)至三個(gè)可提供氫鍵的羥基。硼酸鹽的羥基與金屬表面的水合氧化鐵生成氫鍵。用單離子質(zhì)譜（SIMS）[1]掃描梯姆肯塊上的膜作電子激發(fā)解吸試驗(yàn)，與硼酸鉀一道產(chǎn)生了一個(gè)大的氫鍵峰，認(rèn)為這是膜里的羥基。
五、結(jié)束語
臺(tái)架和現(xiàn)場使用試驗(yàn)證實(shí)，硼酸鹽極壓劑在低速高負(fù)荷和高速高負(fù)荷下都有很好的極壓性能，這是一般的極壓劑難以達(dá)到的，而且熱氧化穩(wěn)定性很好，能耐150℃的高溫，這也是其它齒輪油達(dá)不到的。目前硼酸鹽潤滑劑已在一定的工業(yè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用，今后，將會(huì)在更廣的范圍內(nèi)使用[7]。
參考文獻(xiàn)
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[6]Adams, J.H. “Conservation potential with borate gear lubricant”, Lubr. Eng. Vol.34.12(1978).
[7]與雪弗龍化學(xué)公司（添加劑部）技術(shù)座談資料（1979）。
[8]Godfrey, D., “Chemical Changes in steel surfaces during extreme pressure lubrication”, ASLE Trans., 5, 57(1963).
[9]Sakurai, T.,Sato,M.,“Chemical reactivity and load-parrying capacity of lubricating Oils containing organic phosphorous compounds” ASLE Trans., 13, 252(1979).
[10]志賀 三千男，日本字....
