氮元素對變速箱油性能影響的試驗研究

張涵 胡杰

上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心 廣西柳州市 545007

1 引言

從元素角度上來看，潤滑油中大部分都是C、H元素，少量是N、S、P、Ca、Zn等微量元素。其中，N元素作為潤滑油中必不可少的一種重要元素，其含量多少對潤滑油性質有著一定的影響。研究表明N元素在摩擦過程中能夠有助于形成具有高效抗磨減摩性能的保護膜，也是影響潤滑油氧化安定性的重要因素，可以有效減緩活性元素硫對金屬表面的腐蝕，同時有些含氮化合物又是很好的油品抗氧化劑。夏延秋等認為含氮化合物作為潤滑油添加劑能有效改善潤滑油的抗磨減摩性能[1]；馮新瀘等通過研究不同功能元素對潤滑油高溫清凈性能的影響，得出氮和磷對油品的高溫清凈性能的影響較小的結論[2]；鄧文安認為含氮化合物對潤滑油基礎油的光安定性的影響十分顯著[3]；Chibber V.K等認為含有活性元素（如N，S等）的雜環化合物及其衍生物具有優異的抗磨性、減摩性、極壓性、抗氧化性及抗腐蝕性[4]。從這些學者的研究里面，我們可以看到，潤滑油中氮元素對潤滑油的性質影響涵蓋了各個方面，影響效果也不盡相同。

本文通過測量5款變速箱油N元素含量，并結合SRV摩擦系數試驗和電鏡掃描試驗，分析N元素對變速箱油摩擦磨損性質的影響。

2 變速箱油中氮含量測定

2.1 試驗原理

儀器采用化學發光檢測原理，樣品經高溫氧化反應，其中的氮化物定量地轉化為NO2.樣品氣經過膜式干燥器脫去其中的水份，進入反應室。亞穩態的NO在反應室內與來自臭氧發生器的O3反應，轉化為激發態的NO2。當激發態的NO2躍遷到基態時發射出光子，光信號由光電倍增管按特定波長檢測接收。再以微電流放大、計算機數據處理，即可轉換為與光強度成正比的電信號。此化學發光的強度與NO成正比，而NO的生成量又與樣品中的總氮含量成正比，故可以通過測定化學發光的強度來測定樣品中的的總氮含量。

2.2 試驗儀器及工作參數

試驗儀器采用的是LECO TN-2000化學發光定氮儀元素分析儀，設定電源AC220V，50HZ，1500W；試驗標準采用國家標準GB/T 17674-2012。

圖1 LECO TN-2000化學發光定氮儀元素分析儀

2.3 試驗油樣

本文選取同一牌號的粘度相差不大的5種成品變速箱油進行測試。各油樣的理化指標見表1。

2.4 試驗結果分析

通過對5種變速箱油N元素含量測定試驗，確定了各變速箱油中N元素的含量與所占百分比，試驗結果見表2。

由表2可以看出5種變速箱油中；測試油2#的N元素含量最低，占比0.052%；其他4種測試油N元素含量差別相差不大。

3 SRV摩擦磨損試驗

3.1 摩擦系數測定原理

SRV摩擦磨損試驗是測定材料抵抗磨損能力的一種材料試驗，可以用來測定摩擦系數隨時間的變化。SRV摩擦磨損試驗測定摩擦系數的原理是采用滑動物體的摩擦力與正壓力之比，試驗過程中控制載荷不變，即正壓力不變，通過測定摩擦力隨時間的變化來測定摩擦系數。試驗儀器如圖2所示：

3.2 摩擦系數測定

SRV摩擦磨損實驗采用的是行業標準SH/T 0847-2010。試驗準備階段要預熱試驗機和記錄儀15分鐘，在試驗開始前要控制試驗溫度為50℃，并在整個試驗過程中一直維持此溫度，試驗載荷控制為300N。試驗樣件為試驗球和試驗盤，試驗接觸形式為點接觸。試驗數據如圖3-7：

表1 潤滑油理化性質

表2 氮元素測定試驗結果

圖2 SRV摩擦系數試驗機

對各種潤滑油的摩擦系數圖可以看出，所有變速箱油開始時的摩擦系數都很大，測試油1#和測試油5#的摩擦系數隨著試驗進行變化不大，測試油2#的摩擦系數隨著試驗進行有一定的波動，但波動不大，測試油3#和4#隨著試驗的進行摩擦系數先減小再增大。

另外，由于開始試驗時靜摩擦力的影響對摩擦系數的測試油很大的影響，致使所有試驗開始階段的摩擦系數都偏大，因此此時的摩擦系數是不能準確反映潤滑油的性質的，所以在進行數據處理是要將0秒時的摩擦系數值舍棄，再對其他測試值求平均值，則最后的結果就能在一定程度上反映潤滑油改善摩擦的性質，結果如圖8所示：

由圖8可以看出，測試油2#的摩擦系數明顯高于其他潤滑油，且其他4種潤滑油的摩擦系數相差不大，且將平均摩擦系數圖與潤滑油氮元素含量表結合進行分析，可以發現摩擦系數的變化與N元素的變化有著一定的相關性，N元素含量的降低會明顯導致摩擦系數的增加，由此我們可以得到N元素在摩擦過程中能有效的起到減摩的作用。

圖3 測試油1#摩擦系數

圖4 測試油2#摩擦系數

圖5 測試油3#摩擦系數

3.3 電鏡掃描試驗

我們可以通過電鏡掃描試驗來判斷潤滑油的防磨損性能，主要判斷指標就是試驗球和試驗盤的磨損情況，也就是試驗后的試驗球和試驗盤的表面形貌，即磨斑直徑，電鏡掃描照片里的直徑為放大一定倍數后的直徑，求其實際直徑需要除以放大倍數。

圖6 測試油4#摩擦系數

圖7 測試油5#摩擦系數

圖8 5種變速箱油平均摩擦系數

試驗儀器是SEM電鏡掃描儀，試驗過程是將做過SRV摩擦磨損試驗的試驗球和試驗盤用SEM電鏡掃描儀進行觀察并拍下試驗球和試驗盤的磨損形貌特征照片，再通過軟件測量出照片中磨斑的直徑大小，示例如圖所示：

圖9 試驗球表面電鏡掃描圖

圖10 試驗盤表面電鏡掃描圖

5種變速箱潤滑油的實驗球和試驗盤的磨斑直徑如表3：

由圖可以看到，測試油2#的磨斑直徑最大，且對比分析磨斑平均直徑和潤滑油的平均摩擦系數，我們可以發現兩者的趨勢基本保持一致，由此說明隨著摩擦力的增大，磨損也會加劇，摩擦和磨損具有正相關的關系；與N元素含量圖進行對比分析，發現測試油2#的N元素含量最低，其試驗樣件的磨損也最嚴重，其他4種測試油的磨損相差不大，所以我們可以得到N元素含量的減少會導致摩擦副磨損加劇。

表3 電鏡掃描試驗結果

圖11 5種變速箱油平均磨斑直徑

4 結語

（1）由SRV摩擦磨損試驗可以得到變速箱油N元素含量的降低會導致潤滑油摩擦系數的增加。

（2）由電鏡掃描試驗可以得到變速箱油N元素含量的降低會導致摩擦副磨損加劇。