水分子對潤滑脂和燃料潤滑性的影響

由于空氣/濕度和密封系統(tǒng)不良，柴油燃料和油脂會受到水污染。柴油燃料和潤滑脂中的關(guān)鍵元素會影響水對柴油燃料噴射系統(tǒng)和軸承壽命的影響。在潤滑脂中，水根據(jù)其增稠劑被吸收或保留在表面上。例如，與鋰復(fù)合型增稠劑相比，磺酸鈣增稠劑可以吸收八倍以上的水。

吸收的水會改變潤滑脂的性能，如硬度和薄膜厚度，盡管潤滑脂最好吸收水而不是將其保留在表面上，以提高耐腐蝕性。它還可以改變潤滑脂的摩擦性能。然而，被水污染的潤滑脂的磨損性能和摩擦力還有待進(jìn)一步研究。

在柴油燃料中，水分子的溶解度取決于燃料的親水性質(zhì)和濕度。與柴油相比，具有極性基團(tuán)的生物柴油親水性更強(qiáng)，可以容納2.5倍以上的水分子。這種情況會降低燃料中添加劑的表面活性，并且由于邊界潤滑不良而增加磨損。燃料中的含水量也可能受到溫度的影響，例如，燃料中的含水量隨著溫度的升高而降低。因此，濕度和溫度是能夠影響柴油水污染及其潤滑性的兩個(gè)主要參數(shù)。

本文比較了兩種市售潤滑脂的抗磨損和極壓性能。每種類型的潤滑脂都在不加水或加水的情況下進(jìn)行了測試。此外，還對添加生物燃料的柴油在受控環(huán)境(溫度和濕度)下的摩擦行為進(jìn)行了測試。涉及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，如低溫扭矩測試、四球測試和高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)（HFRR）用于摩擦測量，使用光學(xué)顯微鏡對磨痕進(jìn)行成像和測量?？傮w而言，試驗(yàn)通過來自潤滑脂和柴油燃料的摩擦和磨損數(shù)據(jù)來評估水分子在潤滑中的作用。

材料和方法

潤滑脂.本文采用NLGI2級的磺酸鈣潤滑脂（Optimax CSC2，Optimax USA，弗吉尼亞州，美國）和NLGI 0級的鋰潤滑脂（Optimax 7700，Optimax USA，弗吉尼亞州，美國）。以50%、20%和10%重量的潤滑脂加入水。

然后，用水和油脂手動混合，直到達(dá)到飽和。不含水的潤滑脂，鋰基潤滑脂和磺酸鈣基潤滑脂共分為4種類型。

柴油.本文采用殼牌V-Power柴油（殼牌加油站，荷蘭格羅寧根）。通過增加測試環(huán)境中的溫度和濕度來控制柴油的水污染。

潤滑脂的摩擦系數(shù)

使用Ducom四球試驗(yàn)機(jī)（見圖1）和Ducom低溫扭矩測試儀（見圖2）來確定潤滑脂的摩擦系數(shù)。四球試驗(yàn)機(jī)和低溫扭矩測試儀的摩擦系數(shù)分別按照ASTM D2266和ASTM D1478進(jìn)行測量。此外，還使用四球試驗(yàn)機(jī)根據(jù)ASTM D2596測試方法測試潤滑脂的承載性能或極端壓力。

圖 1.帶有圖像采集系統(tǒng)的Ducom四球測試儀（FBT-3）。

采用基于Labview的Winducom 2010軟件和MOOHA - Digital Lab Assistant進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。對磺酸鈣潤滑脂（0%，10%，20%，50%水在w/w）和鋰潤滑脂（0%，10%，20%，50% w/w）進(jìn)行了四球測試（ASTM D2596和ASTM D2266）。在30℃下用0%、10%和20%的水對磺酸鈣潤滑脂進(jìn)行低溫扭矩試驗(yàn)。

圖 2.Ducom 低溫扭矩試驗(yàn)機(jī)，帶有ASTM 和IP雙重測試標(biāo)準(zhǔn)的單獨(dú)腔室。電機(jī)驅(qū)動軸裝配在ASTM腔室（A）中，皮帶輪通過無縫皮帶排列在IP室（B）中。

表 1 提供了本文中使用的測試參數(shù)的更多說明。

表 1.用于潤滑劑摩擦和磨損表征的測試參數(shù)。

柴油的摩擦系數(shù)

殼牌V-Powe的摩擦系數(shù)是使用Ducom高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)測量的（見圖3）。測試方法符合ISO 121561：2006。在三種不同的溫度（30°C，60°C，80°C）和濕度（35%Rh，50%Rh，75%Rh）條件下測量柴油燃料的摩擦系數(shù)。溫度（變化的濕度）和濕度（變化的溫度）分別固定在30°C和35%Rh。表 1 提供了本文中使用的測試參數(shù)的更多說明。

圖 3.Ducom 高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī) （HFRR 4.2）。

磨損分析

使用光學(xué)顯微鏡測量柴油燃料和潤滑脂摩擦測試后球的磨損。使用光學(xué)顯微鏡內(nèi)置的相機(jī)來捕獲球上磨損軌跡的二維圖像。在對磨損軌跡進(jìn)行成像之前，根據(jù)ISO 121561:2006測試方法對所有樣品進(jìn)行了清潔。球上的平均磨損疤痕直徑（MWSD）由方程（1）計(jì)算，

MWSD = （x+y）/2 （1）

其中 x 是垂直于振蕩方向的磨痕尺寸（以 pm 為單位），y是平行于振蕩方向的磨痕尺寸（以 pm 為單位）。疤痕尺寸（x或y）是三個(gè)讀數(shù)的平均值。

結(jié)果

磺酸鈣潤滑脂（CaS）和鋰基潤滑脂（Li）的四球測試結(jié)果如圖4所示。在沒有添加水的情況下，與Li相比，CaS顯示出更低的摩擦力（圖4A和B）。添加水會擾亂穩(wěn)定的摩擦曲線，使 CaS 和 Li 潤滑脂都不穩(wěn)定和更粗糙。一般來說，與CaS潤滑脂的摩擦曲線相比，加入水的Li潤滑脂（10-50%）的摩擦曲線更粗糙。在加水之前，CaS的磨痕直徑高于Li潤滑脂（圖4C）。對于 CaS 和 Li 潤滑脂，添加水會導(dǎo)致磨損增加，在 50% 水中分別達(dá)到 0.77 + 0.056 和 0.75 + 0.016 的最大磨痕。根據(jù)強(qiáng)壓試驗(yàn)，CaS潤滑脂的承載能力高于Li潤滑脂（圖4D）。

圖 4.在0%、10%、20%和50%的水條件下，磺酸鈣和鋰離子潤滑脂的四球測試結(jié)果。A、實(shí)時(shí)采集不同磺酸鈣潤滑脂的摩擦曲線。B.實(shí)時(shí)采集不同鋰潤滑脂的摩擦曲線。C.不同磺酸鈣和鋰基潤滑脂的磨痕直徑比較。D.不同磺酸鈣和鋰基潤滑脂的極端壓力（或承載能力）。

與U型潤滑脂相比，CaS潤滑脂的承重能力不受加水20%以上的影響。在50%的水中，CaS的承重能力比不添加水下降1.6倍。鋰潤滑脂的承重能力隨著添加水量的增加而降低。三個(gè)獨(dú)立測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差用誤差線表示。CaS在30℃下與0%，10%和20%水的摩擦行為如圖5所示。通常，在測試開始時(shí)摩擦力很高（稱為摩擦運(yùn)行），隨后減小并穩(wěn)定，直到測試結(jié)束，如圖5A所示。摩擦力隨添加的含水量呈線性增加（圖5B）。

圖 5.磺酸鈣潤滑脂在30°C下的低溫轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)?；撬徕}潤滑脂與0%、10%和20%水的摩擦實(shí)時(shí)變化。B.摩擦扭矩與添加含水量（w/w） 中游隙率之間的關(guān)系。

圖6顯示了使用HFRR獲得的柴油燃料在不同溫度和相對濕度下的摩擦磨損結(jié)果。圖6A顯示摩擦曲線受濕度影響，其輪廓在75%Rh時(shí)比35%或50%Rh時(shí)更粗糙。圖6B顯示了溫度對摩擦曲線的影響。隨著溫度從30℃提高到80℃，摩擦系數(shù)從0.28增加到0.37。與 30℃或 60℃ 相比，80 ℃時(shí)的摩擦曲線t更粗糙。利用球上的磨痕輪廓（如圖6C所示）測量平均磨痕直徑，并將其與濕度和溫度進(jìn)行比較（圖6D）。球上的磨損隨著溫度和濕度的增加而增加。殼牌V-power柴油機(jī)在 60℃和 50% Rh 時(shí)的最大平均磨損疤痕直徑分別為335μm 和310μm。

圖 6.殼牌V-Power柴油HFRR潤滑性測試結(jié)果。A.實(shí)時(shí)采集35% Rh、50% Rh和75% Rh下的摩擦系數(shù)。實(shí)時(shí)獲取30℃、60℃和80℃下的摩擦系數(shù)。在不同的濕度和溫度條件下球的磨痕圖像。D.磨痕直徑與溫度和濕度的關(guān)系。

討論

水和油脂相互作用。向潤滑脂中添加水會阻礙其潤滑并增加磨損和摩擦，如四球測試和低溫扭矩測試所確定的那樣。磺酸鈣（CaS）和鋰（Li）增稠劑是極性的，被認(rèn)為是水分子相互作用的優(yōu)先來源。結(jié)果表明，增加CaS潤滑脂中的含水量將減少其滲油率，EHL薄膜的柔軟度和厚度，而Li基潤滑脂則觀察到相反的效果。對于 CaS 潤滑脂，出油率減少可能是導(dǎo)致摩擦曲線粗糙和磨損增加的原因，如本文所示，本文假設(shè)了水引起的 CaS 基潤滑脂變化的以下機(jī)制。CaS基潤滑脂是由懸浮在礦物油中的極性磺酸鈣表面活性劑穩(wěn)定的CaCos顆粒（天然邊界潤滑劑）制成的，為了發(fā)展以CaCo為核心的膠束狀結(jié)構(gòu)，極性磺酸鈣與CaCo通過陰離子-陽離子相互作用的方式相互作用。水與CaCo相互作用形成Ca(OH)層，并且還與磺酸鹽基團(tuán)的親水尾部相互作用，從而增加穩(wěn)定性。CaS的穩(wěn)定性隨水濃度的增加而增加。此外，它可以防止CaCo的表面活性，還可以減少導(dǎo)致金屬接觸增加的有效滲油。因此，添加了水的CaS潤滑脂的摩擦學(xué)性能較差。然而，由于含水量增加，鋰基潤滑脂的滲油量增加卻不足以提高鋰基潤滑脂的摩擦學(xué)性能。

還需要注意的是，承載能力（定義為由于金屬接觸增加和潤滑劑不足而發(fā)生焊接時(shí)的負(fù)載）不受CaS潤滑脂高達(dá)20%的水濃度的影響。承載試驗(yàn)（或極壓試驗(yàn)）在160 N至800 N的范圍內(nèi)進(jìn)行（根據(jù)ASTM D2596），這與CaS在40 N下的摩擦和磨損測試（根據(jù)ASTM D2266）不同。在高載荷下，至少比摩擦和磨損試驗(yàn)中使用的載荷高四倍，CaCo有足夠的滲油和表面活性不受添加水的影響。

潤滑脂剛度通常在低溫下增加，導(dǎo)致高摩擦，從而對軸承造成損壞。對于CaS潤滑脂，含水量的增加導(dǎo)致其剛度的增加，從而增加摩擦力。此外，它證明CaS中加入水的增加將增加其乳液穩(wěn)定性（如前所述），從而減少油的滲出，在低溫運(yùn)行條件下阻礙脂潤滑。

燃料和水的相互作用。燃料中的水溶性（或燃料中的水含量）隨樣品溫度降低而降低，隨環(huán)境濕度增加而增加。水可以與燃料中的極性分子相互作用，盡管它增加了更多的氧分子，可以提高燃料燃燒效率。極性分子吸附在表面，減少摩擦磨損，但由于水的存在，極性分子影響最小化，因此磨損增加。隨著濕度的增加，磨損也會增加，但摩擦沒有增加，除了在高濕度（或高含水量）下有更粗糙的摩擦曲線。結(jié)果表明，燃料的摩擦力隨樣品溫度的增加而增加。在80℃的高溫下，摩擦曲線更粗糙，但與60℃相比，其磨損更低。 溫度的升高會增加氧化，降低含水量，也會降低燃料粘度。80℃時(shí)的低磨損可歸因于燃料中的低含水量（允許極性分子顯示其潤滑行為）和保護(hù)性氧化物層（燃料添加劑和氧化亞鐵）的行程。由于在剪切過程中微凸體的斷裂和重組，在80℃溫度下，粗糙輪廓的高摩擦可能會發(fā)生。

結(jié)論

在本文中，潤滑劑的摩擦和磨損行為受到添加水的阻礙。低溫轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)機(jī)、四球試驗(yàn)機(jī)和高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1. 水污染的標(biāo)志性影響是，正如在燃料和潤滑脂中觀察到的那樣，由于金屬接觸的增加，它將穩(wěn)定的摩擦曲線轉(zhuǎn)變?yōu)楦植诤筒环€(wěn)定的摩擦曲線。

2.  CaS潤滑脂（ASTM D2266）的摩擦學(xué)性能損失可能與水污染增加（10%、20%和50%）導(dǎo)致的CaCos添加劑的滲油減少和表面活性差有關(guān)。

3. CaS潤滑脂的承重能力（ASTM D2596）不受水污染的影響，最高可達(dá)其重量的20%。這可以歸因于高工作負(fù)荷，其中滲油率不受高達(dá)20%的水污染的影響。

4. 在30℃時(shí)，對于CaS潤滑脂，運(yùn)行摩擦扭矩隨加水濃度呈線性增加。這證明水對低滲油和摩擦學(xué)性能的影響在30°C時(shí)也很普遍。

5. 對于殼牌V-power柴油燃料，濕度的增加會妨礙其潤滑性。這與燃料中水（由于濕度）和極性基團(tuán)之間的相互作用增加有關(guān)，這使得很少的極性基團(tuán)與金屬表面相互作用，顯示出不良的邊界潤滑。

6.對于殼牌V-power柴油，溫度從60℃提高到80℃，會增加磨損并減少摩擦。較低的摩擦可歸因于含水量降低，而較低的磨損可歸因于溫度升高而形成的保護(hù)性氧化層。