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八十年代节能润滑剂——硼酸盐(摘要)
浏览: 发布日期:2017-02-28
黄文轩
(中国石油化工科学研究院)
齿轮油性能随油品组成和操作条件而变。Pb-S润滑剂低速有优良承载能力,S-P润滑剂高速比Pb-S型润滑剂好,但低速性能较差[1]。硼酸盐润滑剂低速高负荷和高速高负荷下都有效[1]
一、硼酸盐润滑剂组成
硼酸盐润滑剂主要由矿物或合成基础油、水合硼酸钠或钾极压剂、ZDDP抗磨剂和中性磺酸钙清净剂及丁二酰亚胺分散剂组成[2,3]
硼酸盐润滑剂的制备是把中性油、中性磺酸钙和丁二酰亚胺加入反应器内混合后,再加入硼酸盐水溶液并剧烈搅动,在油中生成微乳化的硼酸盐溶液,升温脱水生成稳定的微球硼酸盐分散体[2,3]。然后加到基础油中即配制成硼酸盐润滑剂。它有突出的承载能力、抗磨性、热稳定性及密封适应性4],而且无毒,对铜无腐蚀,也没有不愉快气味[1]
二、台架评定性能
1.极压和抗磨性能用梯姆肯试验机( ASTM D 2782 )评价了三种类型齿轮油润滑剂的承载能力[4,5]。硼酸盐润滑剂通过负荷45.4公斤,平均接触压力42000磅/英寸2,几乎是Pb-S型齿轮油的三倍,是S-P型齿轮油的二倍[4]

四球机磨损试验,硼酸盐润滑剂的磨损受粘度变化影响不大(图3)[6],粘度降到200厘斯以下磨损稍为增加,而S-P型润滑剂的磨损则增加得相当大。

硼酸盐润滑剂的一个最突出特点是它不象其他剂那样,负荷及抗磨性能随粘度降低而变差,相反随粘度的降低而改善,较低ISO粘度级别的油可得到100~110磅高的梯姆肯试验通过负荷[5]。请见图4[6]。这一奌从四球机的烧结点( ASTM D 2783 )也得到证实(图5)[6]:粘度在100~200厘斯,硼酸盐型和S-P型润滑剂的烧结负荷都在250~260公斤,粘度降到100厘斯以下,硼酸盐润滑剂的烧结负荷迅速地增加,而S-P型润滑剂则迅速降低。

低粘度硼酸盐润滑油在梯姆肯和四球机试验中都显示出足够的极压抗磨能力。这除了节省动力,获得较好经济性,还可减少光亮油掺入量,並有较好的氧化稳定性;对齿轮和轴承的摩擦阻力小,降低了工作油温,延长了寿命,也降低了基础油的成本。硼酸盐润滑剂已通过了全尺寸的齿轮台架L-37和L-42试验,可在汽车齿轮油中应用[4-6]
通过各种试验可以看出,硼酸盐极压剂在低速、高速润滑试验中都有很好的极压性,这是一般极压剂难以达到的,详见表1[7]
2.热氧化安定性:硼酸盐润滑剂另一亇突出的特奌,是优异的热氧化安定性。超过120℃高温,即使最好的S-P型齿轮油也会分解生出油泥,而硼酸盐润滑剂仍很安定[4],就是超过150℃还能长时间使用,这比防锈和抗氧油(R&O)或含S-P复合剂的操作温度要高得多,见图6[5]

硼酸盐润滑剂优良的热氧化安定性,通过用改进的ASTM D 943氧化法试验也得到了验证:把铁线圈放入油中通氧气试验,图7中,S-P型齿轮油几天内在线圈上就沉积了一层油泥,4~8周润滑剂的粘度成倍增长;而硼酸盐润滑剂氧化超过30周,粘度增长还不到100%,使用周期较S-P型延长4倍[6]。而现代汽车齿轮油润滑油氧化试验仅要求8周。
3.其他性能:硼酸盐润滑剂在高温下对铜不腐蚀,能通过新鲜水锈蚀试验;对鼠急性口服和家兔急性皮肤毒性试验,14天后解剖没有引起明显病理变化,初步证明没有毒性,也没有气味[2,4];浸泡密封试验,硼酸盐润滑剂在121℃,与腈、甲基乙烯基硅酮、丙烯酯等橡胶没有发生明显的反应,动态轴封试验也表明硼酸盐润滑剂没有漏损[4],证明了硼酸盐润滑剂对密封件有好的适应性。
概括地说,各种评定试验证明,新的硼酸盐润滑剂具有S-P型润滑剂所没有的一些优良使用性能,见表2[5]

硼酸盐添加剂微溶于水,若用在接触大量水并定期排水的地方会使润滑油中的硼酸盐添加剂消耗掉[1,4],因此不适合在这样的部位使用。耐水性差是硼酸盐添加剂的一个不足之处。
三、现场试验及应用
1974年以来,现场试验已经证实,硼酸盐齿轮油润滑剂显著地延长了齿轮的大修时间、密封寿命、换油期和提高了抗擦伤能力。现场试验的磨损小、没有擦伤、甚至在高温下运转后零件还是干净的。现场试验的油槽温度,硼酸盐润滑剂与相同粘度的传统润滑剂相比,下降了6~30℃,见表3[1]。由30辆新车组成的车队,以最大负荷越野山区,十个月累积行程3,100,000公里。在行车中硼酸盐润滑剂与参考油在每一个双车轴中交替进行,以消除卡车和气候可变性的差异。结果硼酸盐润滑剂与相同粘度(SAE 80W-90)的S-P型润滑剂相比燃料经济性提高了1.1%[1]

目前硼酸盐工业润滑剂已在许多工业部门应用。几乎没有例外,凡应用硼酸盐润滑剂后都降低了操作温度,延长了密封寿命和降低了磨损率,或延长了润滑剂的使用寿命亡[5]
雪弗隆化学公司已生产有两个牌号的硼酸盐添加剂[7]:OLOA9750-分散在油中的硼酸盐,主要由硼酸钾及分散剂组成,适用于工业齿轮油等方面;OLOA9150-工业齿轮油复合剂。这种新的硼酸盐润滑剂每年生产约1,000,000磅[5]
四、硼酸盐润滑剂的极压原理
Pb-S型在低速时有优良的载荷能力,是因为在滑动表面上沉积了固休的硫酸铅膜所起的作用。但在高速高负荷下该膜是经受不住的,因为磨掉膜比在表面生成膜快[1]
S-P型润滑剂生成的膜是与金属表面起化学反应生成硫化铁和磷酸铁,并加速氧化铁的生成[8-9]。这些膜是铁的腐蚀产物[1]
硼酸盐的极压机理与普通润滑剂不同。普通润滑剂的极压膜是由于齿轮表面滑动时产生的热和压力下与铁发生化学反应生成的。硼酸盐润滑剂在极压状态下,不与金属表面起化学反应,不是生成化学膜来起润滑作用,而是在摩擦表面生成半固体(弹性的)、粘着力强的、“非牺牲”(nonsacrificial)的膜[1]
Adams和Godfrey认为[1],两个滑动表面会产生电荷,胶体的带电离子颗粒(如硼酸盐分散体)朝一个表面或另一个表面移动并沉积。这样就在齿轮表面和轴承表面生成了硼酸盐膜,而滑动又会改善膜对金属的粘附性。硼酸盐膜的厚度为过去的极压剂形成的极压膜厚度的10~20倍[10]。这种膜能承受金属与金属的接触,特别能承受冲击负荷。用硼酸盐润滑剂和S-P型润滑剂的电泳试验证实了这一理论。在电场中,阴极表面较快地生成了硼酸盐膜,S-P型润滑剂在阴极或阳极都没有沉积。在低粘度的基础油中,硼酸盐粒子移动得较快,既进一步证实了硼酸盐添加剂的电泳理论,也解释了为什么硼酸盐添加剂在低粘度油中有较高的载荷能力。
用X射线和电子衍射分析发现硼酸盐膜是非晶体或无定形的。还发现其膜在沸腾的蒸馏水中是不溶的,甚至在空气中温度升至400℃时膜还是稳定的。硼酸盐膜的水不溶性与硼酸添加剂本身相反,这也解释了在很多湿气系统中硼酸盐膜有满意的极压性能[1]
电子光谱化学分析(ESCA)指出[1],因为硼酸盐膜与钢表面的水合氧化铁相互作用,使硼酸盐膜不仅是半固体的,而且与摩擦表面有较强的化学结合力。硼酸盐分散体结构是每个三硼酸钾含有二个至三个可提供氢键的羟基。硼酸盐的羟基与金属表面的水合氧化铁生成氢键。用单离子质谱(SIMS)[1]扫描梯姆肯块上的膜作电子激发解吸试验,与硼酸钾一道产生了一个大的氢键峰,认为这是膜里的羟基。
五、结束语
台架和现场使用试验证实,硼酸盐极压剂在低速高负荷和高速高负荷下都有很好的极压性能,这是一般的极压剂难以达到的,而且热氧化稳定性很好,能耐150℃的高温,这也是其它齿轮油达不到的。目前硼酸盐润滑剂已在一定的工业部门中得到了广泛的应用,今后,将会在更广的范围内使用[7]
 
参考文献
[1]Adams,J.H.&Godfrey,D,“Borate gear lubricant-EP film analysis and perfomance ”, Lubr. Eng. , Vol.37 ,16(1981).
[2]U.S.P.3.313.727(1967)
[3]U.S.P.3.997,454(1976)
[4]Adams, J.H., “Borate – a new generation EP gear lubricant” Lubr. Eng., Vol.33.241(1977).
[5]Warren,R.E., “An experience in marketing a borate industrial gear lubricant for the energy conscious 80’s ...... and beyond”, NLGI (Natl.Lubr.Grease inst.) Spokesman, Vol.45,No.11,359(Feb.1982)
[6]Adams, J.H. “Conservation potential with borate gear lubricant”, Lubr. Eng. Vol.34.12(1978).
[7]与雪弗龙化学公司(添加剂部)技术座谈资料(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]志贺 三千男,日本字....

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