几种添加剂对水基润滑液性能的影响
来源：中国表面工程
作者：张杰 王成彪 耿志勇 韦淡平 刘家浚
引 言
水基润滑液被广泛用于切削、磨削、拉拔、轧制、液压传动等金属加工过程中，具有节能、阻燃、环保、价廉及比热和导热系数大等优点，同时具有抗磨或极压性能差的缺点。水基润滑液添加剂包括表面活性剂、抗磨添加剂、防锈剂、消泡剂和抗菌剂等，抗磨添加剂的作用是提高水基润滑液极压抗磨性，传统的水基润滑液的制备方法是用表面活性剂将抗磨添加剂分散到水中。主要的极压抗磨酸剂有硫化异丁烯、氯化石蜡、烷基磷酸锌胺盐、磷酯有机硼化物等，这些添加剂改善了油品在高温高载荷下抗擦伤抗磨损的性能。文中阐述了两种提高水基润滑液极压抗磨性能的途径：其一采用5 %葡萄糖水溶液取代水为基础液来提高水基润滑液基体的润滑性能；其二加入乳化剂或极压抗磨剂提高水基润滑液的极压抗磨性能。
试验部分
1、润滑液的选择
试验选取了 16 种不同的溶液作为研究对象，如表 1 所示：
1、2 为水基润滑液基础液；
3、4 为目前润滑油市场上应用较广的两种润滑油基础油；
5、6、7 为水加入 5 %浓度不同种类的乳化剂后得到的乳化液；
8、9、10 为不同浓度同种添加剂加入到水中形成的水基润滑液（8、9 中分别加入了2.5 %、15 %的葡萄糖）；
11、12、13 为不同浓度同种添加剂 F 和 G 加入到水中形成的水基润滑液，F和 G 为乳化油浓缩物，含表面活性剂，不含 S、P极压抗磨剂；
14、15、16 为同浓度不同复配添加剂加入水中形成的水基润滑液(GMOW、G406、G561分别为乳化油浓缩物 G 与有机钼、T406、T561 添加剂的复合物）。
分别对这几组类型相似的溶液进行试验，得出测试结果，比较其润滑性能。
试验材料
试验采用上海钢球厂生产的Ⅱ级钢球，材料为GCr15，直径12.7 mm，洛氏硬度64～66 HRC；
疲劳试验机采用的圆棒尺寸为φ 10×167 mm，材料为65Mn，硬度为58～60 HRC。
试验方法
试验仪器为MS–10JB型四球机和PS–3疲劳试验机，四球机的评定方法参照GB3142–82，PB、PD评定试验条件：转速为1 500 r/min；时间为10 s；温度为室温。长磨评定试验条件：载荷为40 kg(仅7号介质的载荷选用20 kg)；时间为60 min；转速为1 200 r/min；温度为室温。
PS-3疲劳试验机的原理如图1所示。在给定的负荷下，以选定的转速旋转圆棒，使圆棒和钢球之间发生滚动摩擦，直至圆棒产生疲劳点蚀，试验机自动跳停并记录试验时间，进行一系列试验，平均出在此介质中圆棒发生点蚀的时间，反映出此介质的疲劳寿命。
考虑到试验目的是初步比较几种润滑液的疲劳寿命，且评定时间较长，介质较多，故仅把1、2、3、6、13、14、15号介质作为评价比较对象。评定实验条件：1、2、4号介质载荷为200 kg，6、13、14、15号介质载荷为400 kg；转速为1800 r/min；温度为室温。
结果与讨论
1、几种润滑液基础液的试验结果
粗测了 5 %葡萄糖溶液的 PB，水、7#白油和46#机械油的 PB、PD，如图 2 所示，水和葡萄糖溶液的润滑性能很差，低于目前市场上应用较广的两种基础油白油和机械油。测定了水、葡萄糖溶液和7#白油的疲劳寿命，如图 3 所示，同工况下，水和葡萄糖溶液的疲劳寿命不及白油；但葡萄糖溶液在水的基础上得到了很大提高。因此，葡萄糖溶液的润滑性能优于水，疲劳寿命是水的 3 倍左右。
2、水乳化后的润滑性能
水乳化后在摩擦表面形成物理和化学吸附膜，起润滑作用，减小摩擦和磨损。因此乳化液的润滑性能通常要高于水。将 5 %脂肪醇与环氧乙烷缩合物乳化剂 O–10、O–20 和 OP–7 加入水中得到的乳化液，其 PB、PD提高的程度很小；如含 OP-7 的乳化液的最大无卡咬负荷 PB仅为 254.8 N(表 1)，所以长磨无法在392 N载荷下进行，改用较低载荷196 N 进行评定，结果如表 2 所示，摩擦因数和磨斑直径都很大，说明其润滑性能很差，乳化剂提高水的PB、PD和疲劳寿命的作用都不明显。
3、两种不同添加剂浓度水基润滑液的性能
抗磨添加剂与金属表面作用生成一层表面反应膜，因表面膜与基体的结合强度较高，与吸附膜相比，抗磨性能更好。因此，含硫、磷等元素的抗磨添加剂提高水基润滑液性能的效果要高于一般的表面活性剂。
如表 3 所示，整体上，水基润滑液的摩擦学性能表征值较乳化液全面提高，PB、PD的提高明显，部分已经超过润滑油基础油，长磨的摩擦因数及磨斑直径较小，疲劳寿命也较基础液水有成倍的增长；同种类之间，润滑液性能的表征值的提高并不与添加剂浓度的增加成正比，当达到一定值后，提高很困难。
4、 同浓度添加剂复配的水基润滑液的性能
单一的添加剂只在某方面提高润滑液的性能，试验采用 5 %同种添加剂与含钼、磷、硫的添加剂Mo W、苯三唑脂肪酸胺盐 T406、噻二唑衍生物 T561复配。如图 4 和表 4 所示，含钼、磷、硫添加剂的水基润滑液 PB、PD均大幅提高；长磨试验的摩擦因数低，磨斑相对较小；疲劳寿命也得到相应的提高，增效作用明显。
讨论
润滑油的润滑性能跟其碳链长短和羟基多少有关，葡萄糖为五羟基己醛，因此润滑性能优于水；但相对润滑油基础油，水和葡萄糖溶液的润滑性能很差。另外，一些葡萄糖酸盐是一类高效水基润滑液防锈剂，如葡萄糖酸钠，使用葡萄糖溶液取代基础液还能提高水基润滑液的防锈性能。
乳化剂降低水的表面张力，使之形成稳定的油水共存乳化体。乳化剂分子中含有亲水极性基团醚基等和亲油的碳氢钠非极性基团，能在油水界面形成一定强度的界面膜，在摩擦过程中提高水基润滑液的承载能力和抗烧结能力。
典型的抗磨添加剂一般含有S–S、C–S、C–Cl、O–P 等共价键结构，在摩擦作用下S、P、Cl具有较高的活性而在金属表面上生成一层与金属基体结合牢固而本身又具有低剪切性能的FeS、FeSO4、FeCl2、FeCl3、FePO4 等表面膜，避免了金属与金属间的直接接触，从而极大地降低了金属材料的磨损。且这些表面膜与基体的结合强度很高，较乳化液在摩擦表面形成的吸附膜性能更好。润滑性能的提高与表面膜的质量有关，与添加剂的浓度非正比关系。因此，抗磨添加剂对水基润滑液性能提高的程度要高于乳化液，添加剂的浓度与性能无线性关系。
抗磨剂以适当比例复配，作用机理与各单剂的作用机理相似，但可有效克服使用单剂时的缺点，通过复合增效作用大幅度提高极压抗磨性能。
结论
(1) 水基基础液润滑性能差，葡萄糖溶液润滑性能优于水。
(2) 脂肪醇与环氧乙烷缩合物等乳化剂小幅度提高水的承载能力和抗烧结能力。
(3) 抗磨添加剂能较大幅度提高水基润滑液的极压抗磨性能，但单剂的提高程度有限，且与添加剂浓度无线性关系。
(4) 复合抗磨剂可有效克服使用单剂时的缺点，全面提高极压抗磨性能。
