润滑油油膜厚度测定法纳米级的应用探索

文章编号 :100223119 (2002) 0320054203 润滑油油膜厚度测定法(纳米级)的应用探索 魏孔银 ,牛成继 ,代立霞 (中国石油润滑油研究开发中心 ,甘肃 兰州 730060) 摘要 :介绍了利用 N GY22 纳米级油膜厚度仪在不同工况下对选取的油品及添加剂油膜厚度的测定 ,试验表明该 方法可测定润滑油及添加剂在润滑界面形成的油膜厚度。 关键词 :纳米级 ;润滑油 ;油膜厚度 中图分类号 : TE622. 5 　　　文献标识码 :A 1 　前言 90 年代初兴起的纳米科学技术 (Nano ST) 被认 为是面向 21 世纪先进科技的基础。它是在 0. 1～ 100 nm 尺度上研究原子、分子现象 ,揭示各种物理 过程的微观规律 ,并实现按人们需要排布原子 ,制造 性能独特的产品 ,而纳米摩擦学的出现不仅适应整 个纳米科技的需要 ,也是摩擦学发展的必然趋势 ,有 着重要的理论与应用意义[1 ] 。纳米摩擦学 (又称微 观摩擦学或分子摩擦学) 研究的特点通常是在极低 的载荷和滑动速度下 ,考察纳米尺度的表面或界面 分子层的摩擦磨损和滑动行为[2 ] 。本文应用 N GY2 2 纳米级油膜厚度仪对现行的润滑油添加剂、极压 抗磨添加剂、金属清净剂和柴油机油进行润滑时产 生的油膜厚度的测定 ,试验表明 ,运用 N GY22 纳米 级油膜厚度仪可测定润滑油及添加剂的油膜厚度 , 对研究添加剂和润滑油的润滑状态有很好的指导意 义。 2 　基本设备 N GY22 纳米级油膜厚度仪是由清华大学摩擦 学国家重点试验室研究开发的。它包括测量系统、 机械系统、图象采集系统。 测量系统由光反射和干涉形成图像。入射光经 滤光变为单色 ,到达玻璃盘的铬膜表面后分成两束 , 一束从铬膜表面直接反射 ,另一束透过铬膜在钢球 表面反射 ,形成相干光。干涉光经显微镜的物镜和 目镜 ,由 CCD (数字摄像头) 接收单频干涉图像。该 光学信号经 CCD 后转换成电信号并输送到计算机 中的图像采集卡中。在显示器上显示出单频干涉图 像供监视和调节 ,然后采集图像 ,并进行计算机处 理。最后在计算机终端上显示出所测润滑油薄膜的 厚度分布曲线或曲面。光源是采用卤钨灯及冷光处 理系统。 机械系统的主要目的是实现稳定的薄膜润滑状 态。在加载过程中要求钢球可上下浮动以保证运行 过程载荷稳定 ,钢球采用超精细加工 ,玻璃盘的加工 精度要达到 Ⅱ级以上 ,其表面的铬膜采用原子真空 蒸镀的方法实现。为了提高镀膜玻璃盘的使用寿命 以及扩大调速范围 ,要求钢球沿盘的径向可移动和 定位。 图像采集系统包括成像、光电转换、图像实时监 控和处理。图像采集采用 CPE1000 ( P540) 系统 ,它 主要包括两部分 ,即硬件和软件。图像采集速度为 25 帧/ s ,图象传送速度为 60 M/ s。 根据相对光强原理 ,将测出各点干涉光的相对 强度[3 ] ,沿该线上的光强进行光场均匀化处理 ,然 后用相对光强的方法来确定出膜厚 ,并在计算机显 示器上绘制出膜厚曲线图。 油膜厚度仪在油品评定方面有着广泛的应用 , 可进行点接触形式下的润滑薄膜厚度及形状的测 量 ,薄膜厚度随载荷、速度不同工况下的变化规律的 研究 ,特殊介质 (如高水基介质、微极流体)和添加剂 等成膜能力的评价 ,弹流润滑向边界润滑过渡的转 化规律及混合润滑形态的研究 ,润滑膜失效规律及 其准则的研究等。 3 　应用探索 通过油膜厚度仪对我们选取的极压抗磨剂、内 　收稿日期 :2001 - 09 - 29。 　作者简介 :魏孔银 (1973 - ) ,男 ,助工 ,1998 年毕业于哈尔滨工业 大学机电一体化专业 ,现在中国石油润滑油研究开发中心从事润 滑油模拟评定的研究工作。 2002 年 6 月 J un. 2002 　　　　　　　　　　　　　　　　　 润 　滑 　油 Lubricating Oil 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 17 卷第 3 期 Vol. 17 ,No. 3 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 燃机油金属清净剂及柴油机油的油膜厚度进行测 定、分析和比较 ,希望这些探索性试验结果会对从事 润滑油及其添加剂研究的技术人员有帮助。 3 . 1 　油膜厚度仪对极压抗磨剂的区分性考察 在不同转速或不同负荷下 ,对表 1 中的几种极 压抗磨剂油膜厚度进行了测定。在一定负荷 ,不同 转速下测定的极压抗磨剂的油膜厚度的结果如表 2。表 3 是在一定转速 ,不同负荷下测定的极压抗磨 剂的油膜厚度。 表 1 　极压抗磨剂的理化性质 代号 名 称 酸值/ mg KOH·g - 1 S/ % P/ % N/ % 机杂/ % 闪点/ ℃ 水分/ % υ100 ℃/ mm2·s - 1 T314 亚磷酸二正丁酯 0. 04 11. 45 11. 05 0. 003 132 0. 05 T308 异辛基酸性磷酸十八盐 158 5. 32 0. 09 138 痕迹 T307 硫磷酸复酯胺盐 1. 42 10. 45 9. 36 > 2. 0 0. 03 痕迹 T306 磷酸三甲酚酯 NSPN 硫代磷酸酯 94. 7 6. 03 6. 30 2. 5 0. 04 138 痕迹 41. 07 表 2 　不同转速下测定的极压抗磨剂的油膜厚度 　nm 速度/ r·min - 1 T314 T308 T306 T307 NSPN 0. 1 3. 1 11. 9 2. 62 9. 72 4. 84 0. 5 8. 06 14. 68 4. 88 18. 14 10. 8 1 10. 96 13. 82 14. 36 13. 9 12. 18 4 13. 06 12. 06 15. 98 8. 92 16 表 3 　不同负荷下测定的极压抗磨剂的油膜厚度 　nm 负荷/ N T314 T308 T306 T307 NSPN 5 10. 6 13. 14 11. 92 12. 36 14. 88 7 7. 52 4. 56 8. 96 8. 42 10. 56 11 4. 92 7. 76 5. 62 8. 84 8. 48 16 4. 58 8. 34 5. 28 8. 16 5. 78 21 3. 16 11. 02 3. 42 9. 1 5. 94 　　从表 2 中可见 , T308、T314 和 NSPN 在一定的 负荷、不同的转速下 ,油膜厚度变化范围较小 , T306 和 T307 的油膜厚度变化相对较大。可见不同结构 性质的抗磨剂在不同转速下的成膜能力不同 ,从而 影响到对介质的润滑和润滑介质之间的摩擦。 　　由表 3 可见 , T307 和 T314 在一定转速、不同 负荷下油膜厚度变化范围较小 , T306 和 T308 的变 化范围较大。可见在一定转速、不同负荷下 ,抗磨剂 在润滑体表面上的成膜能力显示出一定的区分性。 3 . 2 　油膜厚度仪对金属清净剂的区分性考察 在不同转速或不同负荷下 ,对表 4 中几种典型 清净剂油膜厚度进行了测定 ,在一定负荷 ,不同转速 下测定的极压抗磨剂油膜厚度的结果见表 5。表 6 是在一定转速 ,不同负荷下测定的极压抗磨剂的油 膜厚度。 表 4 　不同烷基水杨酸盐的理化性质 名 称 υ100 ℃/ mm2·s - 1 TB N / mg KOH·g - 1 Mg/ % Ca/ % 超高碱值烷基水杨酸镁 ≈100 > 400 > 8 超高碱值烷基水杨酸钙 100 > 350 > 12. 5 改性烷基水杨酸钙 (改性 T109) ≈70 ≈160 ≈6 高碱值烷基水杨酸钙 ( T109B) 45～70 279 9. 71 混合基质的钙盐 3 > 300 > 350 > 12. 5 　注 : 3 为磺酸和烷基水杨酸盐。 　　从表 5 中可以看出 ,在一定的负荷、不同的转速 下 ,不同类型的烷基水杨酸盐金属清净剂在润滑体 表面形成的润滑膜的厚度随润滑体转速的变化不 大 ,表明这类分子结构的金属清净剂在润滑体表面 形成的润滑膜在一定的负荷、不同的转速下 ,表现有 良好的稳定性。 表 5 　不同转速下测定的金属清净剂的油膜厚度 　nm 速度/ r . min - 1 超镁 超钙 改性 T109 T109B 混合基质 0. 5 65. 4 82. 1 77. 6 72. 9 70. 4 1 72. 2 71 73. 9 69. 3 71. 9 4 87. 7 80. 5 80. 9 89. 1 85. 7 8 95. 4 89. 4 91. 7 92. 2 82. 8 表 6 　不同负荷下测定的金属清净剂的油膜厚度 　nm 负荷/ N 超镁 超钙 改性 T109 T109B 混合基质 5 76. 7 84. 2 83. 7 76. 9 90. 5 7 84. 2 82. 5 89 79. 2 82. 8 11 86. 1 84. 4 83. 2 82. 9 93. 5 16 87. 2 87. 5 86. 2 82 88. 2 21 87. 9 84. 3 83. 5 84. 1 92 　　从表 6 中可以看出 ,在一定的转速、不同的负荷 下 ,T109B 和超高碱值烷基水杨酸钙的油膜厚度的 变化范围较小 ,而混合基质和超高碱值烷基水杨酸 55第 3 期 　　　　　　　　　　　　　魏孔银等. 润滑油油膜厚度测定法 (纳米级)的应用探索 　　　　　　　　　　　　　　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 镁的油膜厚度变化范围较大 ,说明不同结构的金属 清净剂在不同的负荷下 ,在润滑体表面的成膜能力 不同。 3 . 3 　油膜厚度仪对柴油机油的区分性考察 选取 3 种柴油机油进行试验 ,性质见表 7。在 不同转速或不同负荷下 ,对柴油机油油膜厚度进行 了测定 ,在一定负荷 ,不同转速下测定的柴油机油油 膜厚度的结果见表 8。表 9 是在一定转速 ,不同负 荷下测定的柴油机油的油膜厚度。 表 7 　柴油机油的理化性质 粘度 级别 质量 级别 υ100 ℃ TB N / mg KOH·g - 1 Ca / % Zn / % TA N / mg KOH·g - 1 总剂量 / % 15W/ 40 CF 13. 97 9. 58 0. 34 0. 045 7. 8 15W/ 40 CF 13. 97 9. 58 0. 34 0. 045 9. 58 5. 8 15W/ 40 CD 15. 62 2. 37 0. 55 0. 093 8. 94 6. 5 表 8 　不同转速下测定的柴油机油的油膜厚度 nm 速度/ r . min - 1 1 # 2 # 3 # 0. 1 1. 74 1. 3 3. 22 0. 5 4. 38 6. 18 5. 6 1 6. 7 6. 6 8. 26 4 11. 34 11. 64 16. 08 8 14. 28 17. 34 13. 68 　　从表 8 中可以看出 ,在一定的负荷、不同的转速 下 ,1 # 、2 # 、3 # 柴油机油都表现出随着速度的增加 , 润滑膜厚度呈现增加趋势 ,反映了同一粘度级别、不 同质量等级的柴油机油在负荷一定、速度不同的情 况下 ,在润滑体表面形成的油膜厚度变化不明显。 对不同粘度级别的柴油机油有待于进一步的考察。 从表 9 中可以看出 ,在一定的转速、不同的负荷 下 ,1 # 、2 # 、3 # 柴油机油的润滑膜厚度在一个较小 的范围内波动并有减小的趋势 ,说明在转速一定、负 荷不同的情况下 ,相同粘度级别、不同质量等级的柴 油机油的润滑膜厚度有一定的差异。 表 9 　不同负荷下测定的柴油机油油膜厚度 nm 负荷/ N 1 # 2 # 3 # 5 9. 84 10. 2 8. 82 7 9. 28 10. 5 11. 32 11 6. 1 8. 44 8. 06 16 5. 16 7. 44 6. 54 21 4. 96 5. 46 6. 42 　　总之 ,润滑油及其添加剂在润滑体表面形成的 润滑膜的厚度 ,随速度的变化不大 ,随载荷的增加而 有微弱的减小的变化趋势。而且还与表观粘度、时 间效应、润滑油的作用历史等因素有关[4 ] ,有待于 进一步考察。 4 　结论 利用 N GY22 油膜厚度仪对不同结构的添加剂 及不同质量级别的柴油机油油膜厚度的测定 ,表明 油和剂成膜能力与润滑体的转动速度、承受的负荷 等因素有关 ,从而影响其润滑体之间的摩擦和擦伤 , 需进一步的探索 ,期望得出其相互联系 ,出规 律 ,从而有助于润滑油及添加剂的研究开发工作。 5 　参考文献 : [1 ] 温诗铸 . 纳米摩擦学进展 - 95 纳米摩擦学研讨会论文集 [ C] .清华大学出版社 . 1 - 2. [2 ] J F Belak. Nanotribology[J ] . MRS Bulletin ,1993 ,18(5) . [3 ] 雒建斌 ,沈瀛生 ,史兵 ,等. 薄膜润滑 (三) —纳米摩擦学 进展[ M ] . 清华大学出版社 . 114 - 118. [4 ] 雒建斌 ,黄平 ,温诗铸 . 薄膜润滑机理研究 [J ] . 清华大学 学报 ,1994. APPL ICATION OF L UBRICATION FILM THICKNESS MEASUREMENT METHOD AT NANOMETER SCAL E WEI Kong - yin ,N IU Cheng - ji ,DAI Li - xia ( Pet roChina L ubricating Oil Research and Development Institute , L anz hou 730060 , China) 　　Abstract : The oil film thickness of selected lubricant and additive were measured with the nano - film measurer N GY - 2 at different conditions. The experiment showed that the oil film thickness of lubricant and ad2 ditive forming on lubricating boundary surface can be measured by this method. 　　Key Words : nanometer scale ; lubricant ; oil f ilm thickness 65　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　润 　滑 　油 　　　　　　　　　　　　　　　　　　2002 年第 17 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.