八十年代節能潤滑劑——硼酸鹽(摘要)
時間：2018-10-14 02:51:42 瀏覽：841
（中國石油化工科學研究院）
齒輪油性能隨油品組成和操作條件而變。Pb-S潤滑劑低速有優良承載能力，S-P潤滑劑高速比Pb-S型潤滑劑好，但低速性能較差[1]。硼酸鹽潤滑劑低速高負荷和高速高負荷下都有效[1]。
一、硼酸鹽潤滑劑組成
硼酸鹽潤滑劑主要由礦物或合成基礎油、水合硼酸鈉或鉀極壓劑、ZDDP抗磨劑和中性磺酸鈣清凈劑及丁二酰亞胺分散劑組成[2,3]。
硼酸鹽潤滑劑的制備是把中性油、中性磺酸鈣和丁二酰亞胺加入反應器內混合后，再加入硼酸鹽水溶液并劇烈攪動，在油中生成微乳化的硼酸鹽溶液，升溫脫水生成穩定的微球硼酸鹽分散體[2,3]。然后加到基礎油中即配制成硼酸鹽潤滑劑。它有突出的承載能力、抗磨性、熱穩定性及密封適應性4]，而且無毒，對銅無腐蝕，也沒有不愉快氣味[1]。
二、臺架評定性能
1．極壓和抗磨性能：用梯姆肯試驗機（ ASTM D 2782 ）評價了三種類型齒輪油潤滑劑的承載能力[4,5]。硼酸鹽潤滑劑通過負荷45.4公斤，平均接觸壓力42000磅/英寸2，幾乎是Pb-S型齒輪油的三倍，是S-P型齒輪油的二倍[4]。
四球機磨損試驗，硼酸鹽潤滑劑的磨損受粘度變化影響不大（圖3）[6]，粘度降到200厘斯以下磨損稍為增加，而S-P型潤滑劑的磨損則增加得相當大。
硼酸鹽潤滑劑的一個最突出特點是它不象其他劑那樣，負荷及抗磨性能隨粘度降低而變差，相反隨粘度的降低而改善，較低ISO粘度級別的油可得到100～110磅高的梯姆肯試驗通過負荷[5]。請見圖4[6]。這一奌從四球機的燒結點( ASTM D 2783 )也得到證實（圖5）[6]：粘度在100～200厘斯，硼酸鹽型和S-P型潤滑劑的燒結負荷都在250～260公斤，粘度降到100厘斯以下，硼酸鹽潤滑劑的燒結負荷迅速地增加，而S-P型潤滑劑則迅速降低。
低粘度硼酸鹽潤滑油在梯姆肯和四球機試驗中都顯示出足夠的極壓抗磨能力。這除了節省動力，獲得較好經濟性，還可減少光亮油摻入量，並有較好的氧化穩定性；對齒輪和軸承的摩擦阻力小，降低了工作油溫，延長了壽命，也降低了基礎油的成本。硼酸鹽潤滑劑已通過了全尺寸的齒輪臺架L-37和L-42試驗，可在汽車齒輪油中應用[4-6]。
通過各種試驗可以看出，硼酸鹽極壓劑在低速、高速潤滑試驗中都有很好的極壓性，這是一般極壓劑難以達到的，詳見表1[7]。
2.熱氧化安定性：硼酸鹽潤滑劑另一亇突出的特奌，是優異的熱氧化安定性。超過120℃高溫，即使最好的S-P型齒輪油也會分解生出油泥，而硼酸鹽潤滑劑仍很安定[4]，就是超過150℃還能長時間使用，這比防銹和抗氧油（R&O）或含S-P復合劑的操作溫度要高得多，見圖6[5]。
硼酸鹽潤滑劑優良的熱氧化安定性，通過用改進的ASTM D 943氧化法試驗也得到了驗證：把鐵線圈放入油中通氧氣試驗，圖7中，S-P型齒輪油幾天內在線圈上就沉積了一層油泥，4～8周潤滑劑的粘度成倍增長；而硼酸鹽潤滑劑氧化超過30周，粘度增長還不到100%，使用周期較S-P型延長4倍[6]。而現代汽車齒輪油潤滑油氧化試驗僅要求8周。
3.其他性能：硼酸鹽潤滑劑在高溫下對銅不腐蝕，能通過新鮮水銹蝕試驗；對鼠急性口服和家兔急性皮膚毒性試驗，14天后解剖沒有引起明顯病理變化，初步證明沒有毒性，也沒有氣味[2,4]；浸泡密封試驗，硼酸鹽潤滑劑在121℃，與腈、甲基乙烯基硅酮、丙烯酯等橡膠沒有發生明顯的反應，動態軸封試驗也表明硼酸鹽潤滑劑沒有漏損[4]，證明了硼酸鹽潤滑劑對密封件有好的適應性。
概括地說，各種評定試驗證明，新的硼酸鹽潤滑劑具有S-P型潤滑劑所沒有的一些優良使用性能，見表2[5]。
硼酸鹽添加劑微溶于水，若用在接觸大量水并定期排水的地方會使潤滑油中的硼酸鹽添加劑消耗掉[1,4]，因此不適合在這樣的部位使用。耐水性差是硼酸鹽添加劑的一個不足之處。
三、現場試驗及應用
1974年以來，現場試驗已經證實，硼酸鹽齒輪油潤滑劑顯著地延長了齒輪的大修時間、密封壽命、換油期和提高了抗擦傷能力?，F場試驗的磨損小、沒有擦傷、甚至在高溫下運轉后零件還是干凈的?，F場試驗的油槽溫度，硼酸鹽潤滑劑與相同粘度的傳統潤滑劑相比，下降了6～30℃，見表3[1]。由30輛新車組成的車隊，以最大負荷越野山區，十個月累積行程3,100,000公里。在行車中硼酸鹽潤滑劑與參考油在每一個雙車軸中交替進行，以消除卡車和氣候可變性的差異。結果硼酸鹽潤滑劑與相同粘度（SAE 80W-90）的S-P型潤滑劑相比燃料經濟性提高了1.1%[1]。
目前硼酸鹽工業潤滑劑已在許多工業部門應用。幾乎沒有例外，凡應用硼酸鹽潤滑劑后都降低了操作溫度，延長了密封壽命和降低了磨損率，或延長了潤滑劑的使用壽命亡[5]。
雪弗隆化學公司已生產有兩個牌號的硼酸鹽添加劑[7]：OLOA9750-分散在油中的硼酸鹽，主要由硼酸鉀及分散劑組成，適用于工業齒輪油等方面；OLOA9150-工業齒輪油復合劑。這種新的硼酸鹽潤滑劑每年生產約1,000,000磅[5]。
四、硼酸鹽潤滑劑的極壓原理
Pb-S型在低速時有優良的載荷能力，是因為在滑動表面上沉積了固休的硫酸鉛膜所起的作用。但在高速高負荷下該膜是經受不住的，因為磨掉膜比在表面生成膜快[1]。
S-P型潤滑劑生成的膜是與金屬表面起化學反應生成硫化鐵和磷酸鐵，并加速氧化鐵的生成[8-9]。這些膜是鐵的腐蝕產物[1]。
硼酸鹽的極壓機理與普通潤滑劑不同。普通潤滑劑的極壓膜是由于齒輪表面滑動時產生的熱和壓力下與鐵發生化學反應生成的。硼酸鹽潤滑劑在極壓狀態下，不與金屬表面起化學反應，不是生成化學膜來起潤滑作用，而是在摩擦表面生成半固體（彈性的）、粘著力強的、“非犧牲”（nonsacrificial）的膜[1]。
Adams和Godfrey認為[1]，兩個滑動表面會產生電荷，膠體的帶電離子顆粒（如硼酸鹽分散體）朝一個表面或另一個表面移動并沉積。這樣就在齒輪表面和軸承表面生成了硼酸鹽膜，而滑動又會改善膜對金屬的粘附性。硼酸鹽膜的厚度為過去的極壓劑形成的極壓膜厚度的10～20倍[10]。這種膜能承受金屬與金屬的接觸，特別能承受沖擊負荷。用硼酸鹽潤滑劑和S-P型潤滑劑的電泳試驗證實了這一理論。在電場中，陰極表面較快地生成了硼酸鹽膜，S-P型潤滑劑在陰極或陽極都沒有沉積。在低粘度的基礎油中，硼酸鹽粒子移動得較快，既進一步證實了硼酸鹽添加劑的電泳理論，也解釋了為什么硼酸鹽添加劑在低粘度油中有較高的載荷能力。
用X射線和電子衍射分析發現硼酸鹽膜是非晶體或無定形的。還發現其膜在沸騰的蒸餾水中是不溶的，甚至在空氣中溫度升至400℃時膜還是穩定的。硼酸鹽膜的水不溶性與硼酸添加劑本身相反，這也解釋了在很多濕氣系統中硼酸鹽膜有滿意的極壓性能[1]。
電子光譜化學分析（ESCA）指出[1]，因為硼酸鹽膜與鋼表面的水合氧化鐵相互作用，使硼酸鹽膜不僅是半固體的，而且與摩擦表面有較強的化學結合力。硼酸鹽分散體結構是每個三硼酸鉀含有二個至三個可提供氫鍵的羥基。硼酸鹽的羥基與金屬表面的水合氧化鐵生成氫鍵。用單離子質譜（SIMS）[1]掃描梯姆肯塊上的膜作電子激發解吸試驗，與硼酸鉀一道產生了一個大的氫鍵峰，認為這是膜里的羥基。
五、結束語
臺架和現場使用試驗證實，硼酸鹽極壓劑在低速高負荷和高速高負荷下都有很好的極壓性能，這是一般的極壓劑難以達到的，而且熱氧化穩定性很好，能耐150℃的高溫，這也是其它齒輪油達不到的。目前硼酸鹽潤滑劑已在一定的工業部門中得到了廣泛的應用，今后，將會在更廣的范圍內使用[7]。
參考文獻
[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]與雪弗龍化學公司（添加劑部）技術座談資料（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]志賀 三千男，日本字....
