通用万向节润滑脂的研究.pdf

合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期0引言汽车等速万向节润滑脂是汽车用量最大的润滑脂之一，国内等速万向节润滑脂市场主要集中在浙江，约有10 kt的需求量，如浙江的冠盛、欧迪恩、万向集团等万向节龙头企业，年需求量均在 1 kt以上。汽车等速万向节是由外球笼和内球笼组成，由于外球笼和内球笼所处位置和工况条件的差异，汽车零部件企业通常选用两种不同性能的润滑脂来分别满足内球笼和外球笼的差异性润滑要求1。为了简化品种，越来越多的万向节生产企业考虑将内球笼和外球笼润滑脂合二为一。为此，从某终端用户的实际需求出发，研制出一款能够同时满足内球笼和外球笼润滑要求的通用万向节润滑脂（代号TBF-30）作为万向节企业的初装用脂和维护用脂。1等速万向节对润滑脂性能的要求汽车等速万向节（Constant Velocity Joint，CVJ）是连接变速箱和车轮的重要传动部件，能够将发动收稿日期：2023-01-05著者简介：褚铭铭，硕士，高级工程师，现主要从事润滑脂的研发及科研管理工作，已公开发表论文6篇。DOI：10.3969/j.issn.1672-4364.2023.02.002推荐引用格式：褚铭铭，刘春光，王立军，等.通用万向节润滑脂的研究 J.合成润滑材料，2023，50（2）：5-9.通用万向节润滑脂的研究褚铭铭1，刘春光2，王立军2，汪利平1，冯青姣1（1.无锡中石油润滑脂有限责任公司，无锡 214096；2.浙江欧迪恩传动科技股份有限公司，嘉兴 314200）摘要：等速万向节润滑脂是汽车用量最大的润滑脂之一。汽车等速万向节由外球笼等速万向节（BJ）和内球笼等速万向节（TJ）组成，由于外球笼等速万向节和内球笼等速万向节润滑的差异性，需要使用两种润滑脂。为了简化品种，对能够同时满足内球笼万向节和外球笼等速万向节润滑要求的通用万向节润滑脂进行了研制。通用万向节润滑脂的基础油为调合基础油（环烷基油+石蜡基油），稠化剂为锂皂/钙皂（12-羟基硬脂酸锂皂 12-羟基硬脂酸钙皂=70 30），并添加有4.2%的复合抗磨/极压剂（1.5%锌盐+2.0%含硫剂+0.7%含磷剂）。研制的通用万向节润滑脂的理化性能，摩擦学特性（摩擦因数及抗磨损性能）及耐久性试验均达到或超过了主流竞品润滑脂，能够满足内球笼等速万向节和外球笼等速万向节的润滑要求，实现了等速万向节润滑脂的通用化。（图2表8参考文献4）关键词：锂皂/钙皂稠化剂 摩擦学特性 耐久性试验中图分类号：TE 626.4文献标志码：A文章编号：1672-4364（2023）02-0005-05Research on Freezer Oil for Green RefrigerantWang Kaiming，Wang Yan，Luo Qinghua，Wei Feng，Luo Xiang（PetroChina Karamay Petrochemical Co.Ltd.，Karamay 834003，China）Abstract：Propane refrigerant（R290 refrigerant）is a green refrigerant with zero ozone depletion potential（ODP），low global warming potential（GWP），excellent environmental performance and low price.It is one of themainstream refrigerants in commercial refrigerating equipment.At present，the freezer oil matching with propanerefrigerant is synthetic ester type freezer oil，which is expensive.In order to reduce cost and enhance marketcompetitiveness，mineral oil type propane freezer oil was developed to replace synthetic ester type freezer oil，soas to broaden the structure of freezer oil.The developed propane freezer oil was composed of a blended base oil（N4 paraffin oil+N6 naphthenic oil），0.3%phenol antioxidant，2.2%phosphorus anti-wear additive and 10.0 g/gsilicone oil anti-foam agent，which had good oxidation resistance，wear resistance and foam characteristics，andcould meet the lubricating requirements of propane refrigerant commercial compressor and could replace thesynthetic ester type freezer oil.（Charts5 Tables4 References8）Keywords：propane refrigerant；mineral oil；compressor rig test5合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期机产生的驱动力以等角速度的方式传递给车轮，转化为车辆的转动力和扭转力2。汽车等速万向节通常分为外球笼等速万向节和内球笼等速万向节两种，依次见图1和图2。图1外球笼等速万向节图2内球笼等速万向节外 球 笼 等 速 万 向 节（Ball Constant VelocityJoint，BJ）称为固定节，安装于前轴外侧，是车轮转动力和扭转力的直接传递者。外球笼的结构类似于滚动轴承，但与滚动轴承相比，其结构，运转以及受力状况要更加复杂。外球笼滚动体和内外滚道一直处于滑动和滚动的混合摩擦状态，滚动体、滑道表面的接触压力极高。内球笼等速万向节（Tripod Constant VelocityJoint，TJ）也称为移动节或滑动节，安装于前轴内侧和后轴两端，是差速器输出动力的承受者，在偏移一定角度下旋转，同时又轴向移动，在传递动力的同时承受非平面的轴向冲击力。汽车CVJ的工况特点及润滑要求如下：（1）汽车在行驶过程中，CVJ受到的作用力及其复杂，有路面颠簸产生的强冲击，也有转动时产生的滑移、滚动、振动、往复运动以及微动等，常处于高负荷和冲击负荷的工况下，因此要求CVJ润滑脂应有较好的抗磨损性能，耐极压性能和低的摩擦因数；（2）随着CVJ的小型化和轻量化，CVJ运转时的温度会急剧上升（可高达100 以上），过高的温度会引起润滑脂变稀，分油加速以及降低使用寿命等，因此要求CVJ润滑脂应具有良好的耐温性能以及良好的润滑性能，能抑制摩擦导致的温升；（3）CVJ常使用氯丁橡胶或丁腈橡胶保护罩来保护内外球笼不受外界粉尘、水等污染物的侵蚀，同时也能减少润滑脂的流失，CVJ 橡胶保护罩和润滑脂会直接接触，要求润滑脂在CVJ运行时产生高温作用下，不能引起橡胶件的溶胀、收缩及硬化等问题，应与橡胶护套、尼龙材料等具有良好的相容性；（4）CVJ运行时对润滑脂剪切力极强，需要润滑脂具有极其优异的剪切安定性（机械安定性），避免润滑脂因剪切变稀而被甩出，失去润滑作用。2通用万向节润滑脂的研制2.1稠化剂的选择稠化剂是等速万向节润滑脂的重要组成部分，占到润滑脂总质量分数的10%左右，直接影响到润滑脂的耐温性能、抗剪切性能及抗水性能等2 13-16。市场上主流的万向节润滑脂主要有锂皂润滑脂和聚脲润滑脂两种。锂皂润滑脂优势在于有良好的结构稳定性和机械安定性，但近年来受新能源汽车的影响，氢氧化锂成本一路走高，其性价比优势逐渐减弱；聚脲万向节润滑脂具有耐高温氧化的优势，在抗磨减摩方面也不亚于锂基CVJ润滑脂，但聚脲润滑脂的储存稳定性较差和硬化，在一定程度上也影响到其使用寿命。锂皂/钙皂混合皂综合了锂皂润滑脂优异的胶体安定性、剪切安定性以及钙皂润滑脂优异的抗水性和黏附性等特点，是近年来研究较多的稠化剂。为此，对锂皂/钙皂组成的混合皂稠化剂进行了研究，考察了12-羟基硬脂酸锂皂（简称12-羟酸锂皂），12-羟基硬脂酸钙皂（简称12-羟酸钙皂）的不同比例对润滑脂性能的影响，结果见表1。表112-羟基硬脂酸锂皂/12-羟基硬脂酸钙皂比例考察项目工作锥入度/单位滴点/钢网分油（100，24 h），%滚筒试验（80，4 h）后微锥入度变化值/单位四球烧结负荷/N12-羟酸锂皂 12-羟酸钙皂=100 02782051.883.8196012-羟酸锂皂 12-羟酸钙皂=90 102751981.634.3245062023年第50卷第2期从表1的数据中可以看出，随着12-羟基硬脂酸钙皂比例的不断增加，润滑脂的滴点有所下降，但极压性能有所提高且稳定，当12-羟基硬脂酸钙皂的占比达到50%时，润滑脂的滴点，胶体安定性（钢网分油），剪切安定性（滚筒试验）下降明显。综合考虑等速万向节润滑脂的性价比和可靠性，采用12-羟基硬脂酸锂皂 12-羟基硬脂酸钙皂为70 30质量比的混合皂可作为研制的通用万向节润滑脂的稠化剂。2.2基础油的选择基础油约占润滑脂总质量分数的 90%，其类型、组成及黏度等理化特性对润滑脂的高低温性能、分油性能及橡胶相容性等有着决定性的作用。从基础油的类型、黏度以及低温性能三个方面对通用万向节润滑脂的基础油进行了配方设计，首先考虑润滑脂在极端低温条件下的起动性能，确保润滑脂在-30 及以上能正常运转和提供润滑；其次考虑基础油类型，深度精制的环烷基油能极大地改善油皂的相容性、胶体安定性以及添加剂感受性，加入一定比例石蜡基油可以改善润滑脂的黏温特性和油膜强度。综合考虑，选择了中低黏度的环烷基油和少量石蜡基油进行调合，得到的调合基础油（环烷基油+石蜡基油）的典型数据见表2。表2调合基础油典型数据项目40 运动黏度/（mm2s-1）100 运动黏度/（mm2s-1）黏度指数倾点/苯胺点/氯丁橡胶体积变化率*，%典型数据98.210.893-259010.2方法GB/T265GB/T265GB/T1995GB/T3535GB/T262GB/T1690注：*橡胶相容性试验条件为120，168 h。从表2的数据中可以看到，调合基础油具有较好的低温性能，黏温特性及橡胶相容性，可以作为研制的通用万向节润滑脂的基础油。2.3添加剂的选择为了满足外球笼等速万向节和内球笼等速万向节通用性的润滑要求和苛刻的抗磨要求，添加剂主要考虑有胺/酚复合抗氧剂、防锈抗腐蚀剂，抗磨/极压剂，胶体石墨，二硫化钼及结构改进剂等，其中最为关键的是抗磨/极压剂的筛选3。通过 L4（2，3）正交试验选定了 3种抗磨/极压剂进行考察，结果见表3。表3抗磨/极压剂的考察项目1.5%锌盐+2.0%含硫剂+0.7%含磷剂1.5%锌盐+2.5%含硫剂+1.0%含磷剂2.0%锌盐+2.0%含硫剂+1.0%含磷剂2.0%锌盐+2.5%含硫剂+0.7%含磷剂最大无卡咬负荷/N70506060四球烧结负荷/N315250250250四球磨斑直径/mm0.500.580.560.56摩擦因数*0.0940.0960.1040.106注：*摩擦因数试验条件为50，0.67 Hz，45 N，50 mm。项目工作锥入度/单位滴点/钢网分油（100，24 h），%滚筒试验（80，4 h）后微锥入度变化值/单位四球烧结负荷/N12-羟酸锂皂 12-羟酸钙皂=70 302791951.524.5245012-羟酸锂皂 12-羟酸钙皂=50 503021553.64232450注：锥入度以0.1 mm为单位，以下同。续表112-羟基硬脂酸锂皂/12-羟基硬脂酸钙皂比例考察从表 3中可以看出，1.5%锌盐+2.0%含硫剂+0.7%含磷剂组成的复合抗磨/极压剂（4.2%质量分数）的抗磨损性能与抗极压性能达到了最佳的平衡，因此选择4.2%的复合抗磨/极压剂（1.5%锌盐+2.0%含硫剂+0.7%含磷剂）作为TBF-30通用万向节润滑脂的抗磨/极压剂。3通用万向节润滑脂的性能下面将对研制的通用万向节润滑脂的理化性能，摩擦学特性及耐久性等进行评价。3.1理化性能表 4（见下页）是研制的通用万向节润滑脂的理化性能及与市场主流竞品润滑脂的对比。褚铭铭，等.通用万向节润滑脂的研究7合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期从表4的评价与对比中可以看出，研制的通用万向节润滑脂的抗磨/极压性能（磨斑直径/烧结负荷）明显优于竞品润滑脂；滴点，抗腐蚀性能（铜片腐蚀），胶体安定性（钢网分油），抗剪切性能（滚筒试验）及与橡胶的兼容性（氯丁橡胶体积变化率）等均与竞品润滑脂相当。3.2摩擦学特性等速万向节润滑脂的摩擦学特性（摩擦因数和磨斑直径）评价通常有两种方法，一种是用RFT-2摩擦磨损试验机在一定温度，频率和负荷下测定润滑脂的摩擦因数；另一种是用SRV摩擦磨损试验机在设定的负荷，温度，振幅，频率和时间下测定润滑脂的摩擦因数和磨斑直径4。3.2.1RFT-2摩擦磨损试验在设定的温度和负荷下，用RFT-2摩擦磨损试验机对研制的通用万向节润滑脂的摩擦因数及摩擦寿命进行了测定，并与竞品润滑脂进行了对比，结果见表5。表5RFT-2摩擦磨损试验*项目低温摩擦因数（22）低温摩擦寿命（22）/s高温摩擦因数（50）高温摩擦寿命（50）/s竞品润滑脂0.105720.150526TBF-30润滑脂0.0961250.0941000注：*试验频率为0.67 Hz，负荷为44.1 N。从表5的数据中可以看出，无论是高温（50）还是低温（22），研制的通用万向节润滑脂的摩擦因数及摩擦寿命均优于竞品润滑脂。3.2.2SRV摩擦磨损试验用SRV摩擦磨损试验机对研制的通用万向节润滑脂的摩擦因数及磨斑直径进行了测定，并与竞品润滑脂进行了对比，结果见表6。表6SRV摩擦磨损试验*项目高负荷摩擦因数1）高负荷磨斑直径1）/mm低负荷摩擦因数2）低负荷磨斑直径2）/mm竞品润滑脂0.1920.790.1730.53TBF-30润滑脂0.1280.570.1230.36注：1）试验条件200 N，50，1.0 mm，50 Hz，120 min；2）试验条件50 N，50，0.5 mm，16 Hz，120 min。从表6的数据中可以看出，研制的通用万向节润滑脂的摩擦因数及磨斑直径均小于竞品润滑脂，说明TBF-30通用万向节润滑脂具有更加优异的减摩性能和抗磨损性能，具有更加优异的摩擦学特性。3.3耐久性台架试验在浙江某公司的JZ-330周期循环寿命台架上对研制的通用万向节润滑脂与竞品润滑脂的耐久性进行了试验（BJ+TJ总成），试验参数见表7。表7耐久性台架试验参数项目循环次数循环扭矩/（Nm）循环转速/（rmin-1）1挡10 00012002402挡80 0009004003挡25 00006006004挡430 0004209805挡600 0002201400注：所有档位的静扭矩为3500 Nm，角度为5.5。表4通用万向节润滑脂的理化性能及与竞品脂的对比项目外观工作锥入度/单位滴点/铜片腐蚀（100，3 h）钢网分油（100，24 h），%滚筒试验（80，4 h）后微锥入度变化值/单位氯丁橡胶体积变化率（120，168 h），%四球磨斑直径/mm四球烧结负荷/N竞品润滑脂黑色均匀油膏275202合格2.515.210.50.562452TBF-30润滑脂黑色均匀油膏280198合格2.424.310.30.503920方法目测GB/T269GB/T4929SH/T0331NB/SH/T0324SH/T0122GB/T1690SH/T0204SH/T020282023年第50卷第2期表8耐久性台架试验结果对比项目研制润滑脂竞品润滑脂第1次试验温度正常（45）无磨损（磨损等级5级）运行76 h温度异常（120）轴承圈炸裂运行45 h第2次试验温度正常（45）无磨损（磨损等级5级）运行76 h温度异常（120）轴承圈炸裂运行28 h第3次试验温度正常（45）无磨损（磨损等级5级）运行76 h温度异常（120）轴承圈炸裂运行36 h第4次试验温度正常（45）无磨损（磨损等级5级）运行76 h研制润滑脂的等速万向节总成（BJ+TJ）耐久性试验结果及与竞品润滑脂的对比见表8。从表8的对比试验结果中可以看到，研制的通用万向节润滑脂具有良好的抗磨损性能，其耐久性超过了竞品润滑脂，说明研制的通用万向节润滑脂有更长的使用周期。4结束语通过对锂皂/钙皂混合皂稠化剂，基础油（环烷基油+石蜡基油）及复合抗磨/极压剂（1.5%锌盐+2.0%含硫剂+0.7%含磷剂）的考察，研制了通用万向节润滑脂（代号TBF-30）。研制的通用万向节润滑脂的理化性能，摩擦学特性及耐久性均达到或超过了主流的竞品润滑脂，能够满足内球笼等速万向节和外球笼等速万向节的润滑要求，实现了内球笼等速万向节和外球笼等速万向节润滑脂的通用化，简化了润滑脂品种。参考文献：1 李科，何志兵，沈海.等速万向节的摩擦与润滑 J.轴承，2006（10）：39-42.2 李文杰，高艳青，张兰英，等.球笼式等速万向节润滑脂的研制 J.合成润滑材料，2021，48（3）：13-16.3 张兰英，王立军，周伟东，等.聚脲型汽车球笼等速万向节润滑脂的研制与应用 J.石油商技，2015（5）：35-41.4 朱廷彬.润滑脂技术大全 M.北京：中国石化出版社，2005：418.Research on General Purpose Universal Joint GreaseChu Mingming1，Liu Chunguang2，Wang Lijun2，Wang Liping1，Feng Qingjiao1（1.Wuxi PetroChina Lubricating Grease Co.，Ltd.，Wuxi 214096，China；2.Zhejiang ODM Transmission Technology Co.，Ltd.，Jiaxing 314200，China）Abstract：Constant velocity joint grease was one of the most widely used greases for automobiles.Theautomobile constant velocity joint consisted of ball constant velocity joint（BJ）and tripod constant velocity joint（TJ）.Due to the difference in lubrication between the ball constant velocity joint and tripod constant velocityjoint，two types of grease were required.In order to simplify the variety，a general purpose universal joint greasethat could meet the lubrication requirements of both ball and tripod constant velocity joints had been developed.The base Stock of general purpose universal joint grease was mixed base Stock（naphthenic base Stock+paraffinbase Stock），the thickener was lithium soap/calcium soap（lithium 12-hydroxystearate soap：calcium 12-hydroxystearate soap=70：30），and a 4.2%complex antiwear/extreme pressure additive（1.5%zinc salt+2.0%sulfur containing agent+0.7%phosphorus containing agent）was added.The physicochemical performance，tribological characteristics（frictional coefficient and wear resistance），and durability tests of the developeduniversal joint grease had reached or exceeded those of mainstream competitive greases.It could meet thelubrication requirements of the ball constant velocity joint and the tripod constant velocity joint，realizing theuniversalization of the constant velocity universal joint grease.（Charts2 Tables8 References4）Keywords：lithium soap/calcium soap thickener；tribological characteristic；durability test褚铭铭，等.通用万向节润滑脂的研究9