润滑油含水时添加剂对轴承性能的影响

李贞，方智敏，王文

(上海大学 机电工程及自动化学院，上海 200072)

工程实际应用表明润滑剂中含水对轴承疲劳寿命的危害非常大，如何消除或减少水对轴承的负面影响是提高其疲劳寿命的关键。合理选用润滑油是解决这一问题的有效途径之一。而不同润滑油添加剂的抗磨减摩和极压性能及对轴承疲劳寿命的影响机理各不相同。

文献[1-2]认为钢球中的微裂纹起着毛细血管的作用，将水吸到裂纹底部，在底部形成氢脆和电化学腐蚀，从而加速裂纹的萌生和扩展，降低轴承的疲劳寿命。文献[3]指出润滑剂中的水达到饱和时样本的疲劳寿命会显著下降,并指出有些添加剂能够阻止润滑油中水的有害影响，如异戊醇和一种咪唑啉衍生物。文献[4]的试验表明，在乳化液压油中添加0.1%的二异丙基氨基乙醇(IPAE)能够消除润滑剂中1%海水的大部分有害影响。文献[5]通过疲劳试验指出硼酸酯能缓和极压添加剂的腐蚀性，有利于提高润滑油的抗疲劳点蚀能力。文献[6]通过研究十八胺对接触疲劳的影响发现，随着十八胺含量的增加，润滑油的抗接触疲劳能力得到提高。

下文针对2种典型的润滑油添加剂：酸性添加剂T202(二烷基二硫代磷酸锌)和碱性添加剂T406(苯三唑十八胺)，通过试验研究在润滑油含水时其对轴承摩擦磨损性能及疲劳寿命的影响。

1 摩擦磨损试验

通过摩擦磨损试验分别在润滑油不含水和含水的工况下研究T202和T406的摩擦磨损特性。对钢球的磨斑进行检测分析，初步得出2种添加剂的摩擦磨损特性及水对其摩擦学特性的影响。

1.1 试验设备、试件及材料

1.1.1 试验设备及方法

试验在MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机上进行，根据GB 3142—1982《润滑剂承载能力测定法(四球法)》选择试验用摩擦副类型为四球式摩擦副，其结构如图1所示。下3球固定不动，加载系统对上、下钢球施加载荷，上球在指定速度下旋转。试验至设定的时间停机，卸下油盒，用显微镜检测下3球的磨斑直径。

1—四球油盒；2—压环；3—锁紧螺母；4—挡油环；5—弹簧夹头；6—钢球垫；7—铂电阻套；8—铂电阻

1.1.2 试验条件

试验使用材料为GCr15且公差等级为G3的钢球,外径为12.7 mm。试验环境温度为25 ℃左右。设定上球转速为1 450 r/min，试验时间为10 s；试验用润滑油组成见表1。

表1 试验用润滑油组成

1.2 试验结果及讨论

当载荷为294 N 时，添加剂摩擦学特性试验结果见表2，D为实测的磨斑直径，pm为接触区平均油膜承载压力。由表2可知，载荷为294 N时T202和T406都表现出一定的耐磨性，磨斑直径及摩擦因数均比不含添加剂时要小。加入5%水对其摩擦性能均有一定的负面影响，磨斑直径及摩擦因数均出现不同程度的增加，但含添加剂的油品性能依然优于不含添加剂的油品。

表2 添加剂的摩擦学特性试验结果

依据GB 3142—1982，通过试验可求得不同润滑状况下油膜强度FB及补偿直径D补。计算可得添加剂承载能力相关参数见表3。

表3 油膜强度 FB试验结果对比

Dh为Hertz接触直径，即钢球变形形成的凹面直径

(1)

当垂直方向载荷为F时，每个球所受载荷为

F1=0.408F，

(2)

校正载荷为

(3)

接触区的平均油膜承载压力pm为

(4)

式中：S为磨损面积。

由表3可以看出，在前3组不含水的工况中，第2组油膜强度最高；第3组油膜强度相对第1组略高。在后3组含5%水的工况下，第5组油膜强度最高；第4组与第6组油膜强度相当。纵向比较水对添加剂性能的影响发现，水对油膜的承载能力有负面影响，加入5%水后油膜的强度均有所下降。结合表2可知，T202在含水的工况下仍有很好的摩擦学性能；T406在含水的工况下摩擦学性能良好，但油膜承载能力一般。

2 疲劳寿命试验

为进一步研究含水工况下添加剂的效能，在滚子-钢球寿命试验机上进行了多组完全疲劳寿命试验。研究水及含水工况下添加剂对轴承疲劳寿命的影响。

2.1 试验条件

2.1.1 试验设备

试验在滚子-钢球寿命试验机(图2)上进行。传动杆与滚子通过键槽连接，传动杆带动滚子旋转，3个钢球在2个锥环形成的滚道内绕滚子做行星运动，通过杠杆加载装置将载荷施加到加载盖上，加载盖压在锥环上，使钢球与滚子产生点接触。

1—支承轴；2—保持架；3—滚子；4—传动杆；5—加载盖；6—加载杆；7—上锥环；8—钢球；9—下锥环；10—载荷

试验机主要通过测试圆柱滚子的磨损情况和疲劳寿命来评价添加剂对疲劳寿命的影响。采用光学显微镜观察点蚀坑形貌;应用扫描电镜(SEM)观察滚子磨损表面;采用能量色散X射线光谱仪(EDS)分析滚子接触表面磨痕的化学成分。

该试验机的滚子最高转速可达4 100 r/min，滚子和钢球处的最大应力为5.3 GPa。给润滑油中加入不同的添加剂，采用油瓶循环滴油润滑方式将油滴到滚子与钢球的接触部位上，通过振动信号的最大振动幅值自动控制试验机的停机。

2.1.2 试件

试验机中的滚子、钢球和锥环均选用标准件。其中钢球是上海钢球厂生产的直径20 mm的轴承钢钢球，锥环为31305圆锥滚子轴承外圈，滚子是SKF生产的Φ18 mm×26 mm的圆柱滚子。

2.1.3 润滑油添加剂

试验用润滑油为32#矿物油，添加剂选用T202和T406。试验分4组，每组测试5次。第1组为32#矿物油；第2组为32#矿物油+5%水；第3组为32#矿物油+5%水+2%T202；第4组为32#矿物油+5%水+1%T406。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 疲劳寿命及其Weibull分布

表4给出了试验测试滚子的完全疲劳寿命时间，其疲劳寿命Weibull分布图如图3所示。

表4 试验滚子完全疲劳寿命时间 h

图3 疲劳寿命试验Weibull分布图

求解得出Weibull分布统计参数见表5。从疲劳寿命试验结果看，水的加入会明显降低滚子的疲劳寿命，降幅约为52%。T202的加入不能提高含水工况下滚子的疲劳寿命；相反，加入T202后滚子的疲劳寿命降低了约19%。而T406的加入则可以使滚子的疲劳寿命有明显的提高，其寿命基本与加水之前相当。

表5 疲劳寿命试验Weibull统计参数

2.2.2 试样表面及成分分析

对滚子的磨痕表面进行SEM分析，试验后滚子表面形貌如图4所示。由图4可以看出，含水时滚子表面的磨损情况比不含水时严重。

图4 滚子表面形貌(SEM照片)

对滚子表面进行EDS成分分析时发现，第1，2，4组只发现Fe，Cr和C等试件本身所含元素，并未发现O元素，也就是说并没有发现由水引起的氧化反应。对第3组试样磨痕表面进行EDS分析时发现了T202的特征元素P，S和Zn(表6)，说明在试验过程中T202在滚子的表面形成了较为稳定的化学反应膜；对第4组试样磨痕表面进行EDS分析时没有发现T406的特征元素N(表7)，说明润滑油中的添加剂没有在滚子表面生成稳定的化学反应膜。

表6 第3组滚子磨痕处EDS分析

表7 第4组滚子磨痕处EDS分析

2.2.3 添加剂对滚子寿命影响机理分析

T406是含氮添加剂，其中的氮原子与金属可以形成配位键，或在摩擦过程中发生化学反应生成有机氮化合物及聚合物等，形成较为稳定的保护膜，这种吸附膜十分牢固，其失效温度较高，因此其具有较好的抗磨性能。但在采用能量色散X射线光谱仪分析(EDS)滚子接触表面磨痕的化学成分时，并没有发现N元素，说明滚子表面没有生成化学反应膜。因此，T406的作用机理是由于其具有弱碱性，可以中和油中H+，从而减小水对金属的腐蚀作用，起到延缓疲劳裂纹形成和扩展的作用，从而提高滚子的疲劳寿命。

试验结果显示，在润滑油含水的工况下T202降低了滚子的疲劳寿命，降幅为19%。这可能是由于T202在摩擦产生的高温下会分解出羧酸基(RCOOH)，其含有的腐蚀性因子可促使微裂纹扩展，进而降低轴承的疲劳寿命。

由于T406显碱性可以中和一部分H+，而T202显酸性增加了H+含量，从润滑油含水工况下2种添加剂对滚子疲劳寿命影响的试验结果来看,T406提高了润滑油含水工况下滚子的疲劳寿命，而T202却降低了含水工况下滚子的疲劳寿命,由文献[7-8]知，H+是影响滚子疲劳寿命的一个重要因素。原因是在含水工况下，水分先于比它大很多的油分子通过毛细作用力被吸附到微小的疲劳裂纹表面，水中的H+通过微裂纹进入滚子表层产生氢脆直接导致滚子疲劳失效。

3 结论

(1) 水对32#矿物油、32#矿物油+2%T202及32#矿物油+1%T406的摩擦学性能均有一定的负面影响，可降低轴承的疲劳寿命。

(2) T202的摩擦学性能优越，有很好的抗磨性及极压性能，并且在含水的工况下依然表现出良好的摩擦学性能。但是T202对含水工况下轴承的疲劳寿命有负效应，可能是由于T202呈酸性，增加了润滑油中的H+离子,而H+有一定的腐蚀性。

(3) T406摩擦学性能良好，可以在一定程度上改善润滑环境。在含水工况下T406的极压性能一般，与不含添加剂时油膜的承载能力相当。但在含水工况下T406能够显著地提高轴承的疲劳寿命，这可能是因其含有碱性基团，对H+起到一定的中和作用，降低了H+对轴承寿命的负面影响，从而可提高轴承的疲劳寿命。