用四球試驗(yàn)機(jī)研究潤滑油添加劑的作用機(jī)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(gè)潤滑系統(tǒng)的使用壽命。添加劑和油分子之間的協(xié)同作用對于它們作為潤滑劑的作用至關(guān)重要。協(xié)同效應(yīng)應(yīng)根據(jù)潤滑系統(tǒng)的需求選擇性地激活和吸附添加劑，例如，系統(tǒng)需求觸發(fā)減摩添加劑的吸附以穩(wěn)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(xié)同作用的另一個(gè)關(guān)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(shí)現(xiàn)這種協(xié)同作用是一門藝術(shù)。

它是由分子結(jié)構(gòu)、分子量、官能團(tuán)、介電常數(shù)和表面能控制的極性函數(shù)。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(xué)和物理吸附作用形成保護(hù)層的競爭，但當(dāng)涉及機(jī)械剪切（或機(jī)械力化學(xué)）時(shí)，這些模型的預(yù)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(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)觀察。

Ducom四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（FBT-3）是一種基于潤滑油特性自動(dòng)精密測量系統(tǒng)的臺(tái)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。FBT-3支持?jǐn)?shù)據(jù)的可再現(xiàn)性，從而在科學(xué)研究中提供生產(chǎn)力和效率。

四球摩擦試驗(yàn)機(jī)（FBT-3，一個(gè)上球和三個(gè)下球之間的接觸）是一種在摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的用于研究潤滑油中分子物種間協(xié)同作用和競爭的臺(tái)式摩擦試驗(yàn)機(jī)。在這項(xiàng)研究中，我們使用FBT-3測試了三種不同的礦物基礎(chǔ)油潤滑劑。A型潤滑油是不含添加劑的礦物基礎(chǔ)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(dá)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(yàn)方法從FBT-3中的試驗(yàn)方法列表中選擇。負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)時(shí)間、溫度等運(yùn)行參數(shù)按D2783要求自動(dòng)設(shè)定。每次測試持續(xù)10秒。在這10秒內(nèi)，F(xiàn)BT-3軟件顯示并存儲(chǔ)了負(fù)載、速度、溫度和摩擦力的實(shí)時(shí)變化。每次試驗(yàn)后，使用圖像采集系統(tǒng)測量底部三個(gè)球在其自然狀態(tài)下的磨痕直徑。然后計(jì)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(shù)和焊接載荷。初始咬合載荷區(qū)表示機(jī)械剪切過程中由于化學(xué)反應(yīng)而形成的保護(hù)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(hù)系統(tǒng)的載荷。載荷磨損指數(shù)決定了表面保護(hù)層的能力，以盡量減少由于施加載荷的磨損。載荷磨損指數(shù)是修正載荷的平均值，即（赫茲直徑/MWSD）x施加載荷。

圖1。根據(jù)ASTM D2783試驗(yàn)方法，基礎(chǔ)油（不含添加劑）的FBT-3結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)載荷（Kg）繪制平均鋼球磨痕直徑（MWSD，千分尺）和摩擦系數(shù)（CoF）。對于每個(gè)試驗(yàn)載荷，都有一個(gè)MWSD值、磨損圖像和摩擦系數(shù)。

圖1顯示了隨著礦物基礎(chǔ)油施加載荷的增加，鋼球磨損形貌、MWSD和摩擦系數(shù)的變化。初期發(fā)作區(qū)域（負(fù)荷范圍為40 kg至63 kg）由MWSD和摩擦系數(shù)的突然增加表示。超過63 Kg的載荷區(qū)域被指定為立即卡住，并且在施加126 Kg的載荷時(shí)，潤滑劑由于極端壓力而失效，這是由焊球確定的。試驗(yàn)期間的最大赫茲接觸壓力和剪切應(yīng)力分別為2.5gpa和350mpa。礦物基礎(chǔ)油的負(fù)荷磨損指數(shù)為25kg。對于使用ZDDP添加劑配制的基礎(chǔ)油（見圖2），初始卡住延遲（負(fù)載范圍為100 Kg至163 Kg），潤滑劑在400 Kg時(shí)失效。負(fù)荷磨損指數(shù)為80kg（是基礎(chǔ)油的3.5倍）。最大赫茲應(yīng)力和剪切應(yīng)力分別為2.75gpa和600mpa。對于作為基礎(chǔ)油添加劑的聚硫化合物（見圖3），初始卡住進(jìn)一步延遲（負(fù)載范圍為250 Kg至400 Kg），并且潤滑劑即使在900 Kg的極端負(fù)載下也不會(huì)失效。最大赫茲應(yīng)力和剪切應(yīng)力分別為4gpa和400mpa。載荷磨損指數(shù)為202kg（是ZDDP基礎(chǔ)油的2.5倍）。

圖2。FBT-3基礎(chǔ)油中ZDDP的結(jié)果符合ASTM D2783試驗(yàn)方法。根據(jù)試驗(yàn)載荷（Kg）繪制平均鋼球磨痕直徑（MWSD，千分尺）和摩擦系數(shù)（CoF）。對于每個(gè)試驗(yàn)載荷，都有一個(gè)MWSD值、磨損圖像和摩擦系數(shù)。

本研究通過對FBT-3添加劑形成的保護(hù)層的研究，提高了基礎(chǔ)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硫化鐵，從而保護(hù)觸點(diǎn)不被立即卡死和焊接。ZDDP中，由于ZDDP在高壓下的化學(xué)反應(yīng)，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(fā)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(shù)高于聚硫，這是由于在ZDDP上使用MTM、AFM和球在圓盤上進(jìn)行的其他摩擦學(xué)研究所示，磷酸鹽薄膜粗糙、片狀。

圖3。FBT-3基礎(chǔ)油中聚硫的結(jié)果，符合ASTM D2783試驗(yàn)方法。根據(jù)試驗(yàn)載荷（Kg）繪制平均鋼球磨痕直徑（MWSD，千分尺）和摩擦系數(shù)（CoF）。對于每個(gè)試驗(yàn)載荷，都有一個(gè)MWSD值、磨損圖像和摩擦系數(shù)。

研究在極端壓力下機(jī)械剪切過程中，化學(xué)和物理吸附形成的保護(hù)層的性能需要600秒。FBT-3是一種快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)方法，它補(bǔ)充了用于預(yù)測潤滑劑中分子組分協(xié)同和競爭的理論分子模型。