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铝材轧制基础油化学组成对轧制油摩擦性能的影响

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2007年第4期

论文作者:周亚军 王宗宽

文章页码:715 - 715

关键词:铝;轧制基础油;正构烷烃基础油;加氢基础油;摩擦性能

Key words:aluminuium; rolling stock oil; n-alkane stock oil; hydrotreating stock oil; tribological properties

摘    要:选用几种低硫、低芳烃铝材轧制基础油,采用GCMS-QP2010型气相色谱质谱联用仪测定其成分,并与Wylor10,Wylor12和CSA-P这3种常用的添加剂复配,在MRS-10A四球摩擦磨损试验机上测试摩擦性能。实验结果表明,在同类基础油中,正构烷烃基础油的油膜承载能力比加氢基础油的高;在加氢基础油中,随着链烷烃减少,环烷烃增加,基础油的油膜强度降低;但加入润滑添加剂后,含有环烷烃的加氢轧制油的摩擦性能比正构烷烃轧制油的摩擦性能更好,这表明与正构烷烃基础油相比,加氢基础油与润滑添加剂有更好的协同效应。

Abstract: Several commercial stock oils with low content of sulfur and aromatic hydrocarbon were selected. Their compositions were tested by the gas chromatograph-mass spectrometer GCMS-QP2010. The tribological properties of the stock oils and their blends with three commercial lubricating additives were tested using the MRS-10A four-ball tribo-tester separately. The results show that load-carrying capacity of n-alkane stock oil is higher than that of hydrotreating stock oil, the load-carrying capacity of hydrotreating stock oil decreases with the increase of the cyclanes and the reduction of the alkane. However, tribological properties of hydrotreating rolling oil (blend of stock oil and lubricating additive) with some cyclanes exceeds that of n-alkane rolling oil, indicating that the hydrotreating stock oils have better synergistic effects with lubricating additives than the n-alkane stock oils.

基金信息:国家重点基础研究规划项目
长江学者和创新团队发展计划资助项目



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铝材轧制基础油化学组成对轧制油摩擦性能的影响

周亚军,王宗宽

 (中南大学 机电工程学院,湖南 长沙,410083)

摘  要:选用几种低硫、低芳烃铝材轧制基础油,采用GCMS-QP2010型气相色谱质谱联用仪测定其成分,并与Wylor10,Wylor12和CSA-P这3种常用的添加剂复配,在MRS-10A四球摩擦磨损试验机上测试摩擦性能。实验结果表明,在同类基础油中,正构烷烃基础油的油膜承载能力比加氢基础油的高;在加氢基础油中,随着链烷烃减少,环烷烃增加,基础油的油膜强度降低;但加入润滑添加剂后,含有环烷烃的加氢轧制油的摩擦性能比正构烷烃轧制油的摩擦性能更好,这表明与正构烷烃基础油相比,加氢基础油与润滑添加剂有更好的协同效应。

关键词:铝;轧制基础油;正构烷烃基础油;加氢基础油;摩擦性能

中图分类号:TG339; TH117         文献标识码:A         文章编号:1672-7207(2007)04-0715-06

Effects of chemical composition of stock oil used in

 rolling aluminum on tribological properties

ZHOU Ya-jun, WANG Zong-kuan

 (School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Several commercial stock oils with low content of sulfur and aromatic hydrocarbon were selected. Their compositions were tested by the gas chromatograph-mass spectrometer GCMS-QP2010. The tribological properties of the stock oils and their blends with three commercial lubricating additives were tested using the MRS-10A four-ball tribo-tester separately. The results show that load-carrying capacity of n-alkane stock oil is higher than that of hydrotreating stock oil, the load-carrying capacity of hydrotreating stock oil decreases with the increase of the cyclanes  and the reduction of the alkane. However, tribological properties of hydrotreating rolling oil (blend of stock oil and lubricating additive) with some cyclanes exceeds that of n-alkane rolling oil, indicating that the hydrotreating stock oils have better synergistic effects with lubricating additives than the n-alkane stock oils.

Key words: aluminuium; rolling stock oil; n-alkane stock oil; hydrotreating stock oil; tribological properties

                    

目前,铝材轧制业高速发展,轧制速度越来越快,对轧制产品的质量要求也越来越高,这对轧制工艺润滑提出了更高的要求。铝材轧制油由基础油和添加剂组成,而基础油一般占总质量的90%以上,它的理化性能将直接影响轧制润滑剂的性能。目前,国内外学者对铝材轧制油的研究主要偏重于轧制油配方设计原则[1-4]、润滑油添加剂[5-9]、润滑机理[10-13]以及润滑剂的摩擦化学性能[14-15]等方面,而对轧制基础油成分对摩擦性能影响的研究较少。毛大恒等[5, 9, 11]虽对轧制基础油的碳链分布进行了一些分析,但这些基础油是采用酸碱白土工艺生产的,为Ⅰ类基础油,其不饱和烃、芳烃及硫氮含量高,馏程宽。而现在的基础油多采用加氢工艺生产的加氢基础油,还有少量采用分子筛吸附工艺生产的正构烷烃基础油,均为Ⅱ类基础油,几乎全为饱和烃,馏程窄,芳烃及硫氮含量低,基础油的性能有了很大提高[16-17]。在此,本文作者选用几种国内使用的铝材轧制基础油,对其化学成分及碳链分布进行测定,并与3种铝材轧制润滑添加剂配制成轧制油,对轧制油的油膜强度、摩擦因数和磨损性能进行测试,以探讨基础油成分对轧制油摩擦性能的影响。

1 实验部分

1.1  实验材料

实验选用7种铝材轧制基础油,其中:1~5号油为铝箔轧制基础油,黏度为1.5~1.7 mm2/s;6号和7号油为铝板轧制基础油,黏度为2.1 mm2/s左右;1号油为C12和C13正构烷烃按一定的质量比调配而成;6号油为正构烷烃轧制基础油,其余是由国内厂家提供的加氢低芳烃、低硫的铝材轧制基础油,其主要理化性能见表1。选用国内外普遍使用的3种添加剂,即Wylor10,Wylor12和CSA-P,其主要理化性能见表2。

表1 轧制基础油的理化性能

Table 1  Physicochemical properties of rolling stock oils

表2 添加剂的主要理化性能

Table 2 Physicochemical properties of lubricating additives

1.2  实验方法

轧制基础油的化学成分采用气相色谱-质谱联用技术测定,测试仪器为GCMS-QP2010型气相色谱质谱联用仪,其中色谱部分为岛津GC-17A型气相色谱仪,质谱部分为QP2010质谱仪(质量分析器为四极杆分析器)。氦气为载气,OV-1通用型毛细管色谱柱  (30 m×0.25 mm×1.0 μm)。汽化室温度为280 ℃, 按以下程序升温:初始温度为100 ℃,以3 ℃/min的速率升到180 ℃。电离方式为EI(70 eV),离子源温度为200 ℃;芳烃含量采用SH/T0409液体石蜡中芳烃含量测定法(紫外分光光度法) 测定;摩擦性能在济南试金集团制造MRS-10A 四球摩擦试验机上进行测试;钢球为上海钢球厂出品的二级轴承钢球,材质为GCr15,直径为12.70 mm。油膜强度采用GB/T3142润滑剂承载能力测定法(四球法)测定,转速为1 450 r/min,运行时间为10 s;参照SH/T0189润滑油抗磨损性能测定法测定耐磨性,转速为1 200 r/min,载荷为186 N,运行时间为30 min,在光学显微镜上测定3个钢球的平均磨斑直径;摩擦因数采用ASTM D5183-95润滑剂摩擦因数测定法测定。

2  实验结果

2.1  轧制基础油化学组成

目前,工厂实际使用的铝材轧制基础油多为低黏度、轻质矿物油,其化学组成非常复杂,一般分为链烷烃、环烷烃及芳香烃三大类。链烷烃又分为正构烷烃和异构烷烃。矿物油的组成不同导致其在物理化学性质、润滑效果存在差异。基础油样品的化学成分见表3。

表3  轧制基础油的化学成分

Table 3  Chemical composition of rolling stock oils 

 

从表3可以看出,现在工厂中使用的铝材轧制基础油几乎没有烯烃,芳香烃含量也非常低。1和6号油几乎全由链烷烃组成,均为正构烷烃,为正构基础油。其他基础油为加氢基础油,主要由链烷烃和环烷烃组成,不同加氢基础油的链烷烃和环烷烃含量也有较大的差异。

2.2  轧制基础油碳链分布

轧制基础油的碳链分布见表4。从表4可看出,目前使用的铝箔轧制基础油(2~5号)主要由C12和C13烷烃组成,它们的含量在70%以上;而铝板基础油(6号和7号)主要由C13,C14和C15烷烃组成,三者含量之和为90%左右。

2.3  轧制基础油的油膜强度测试

轧制基础油的油膜强度测试结果如图1所示。基础油本身的油膜强度不高,承载能力有限,润滑性能差,不能满足铝材轧制工工艺的需要。这主要是由于轧制基础油为非极性的烃类物质,且硫氮杂质含量极低,分子间是无序排序的,只能在金属表面上形成吸附强度低的物理吸附层[1]

2.4  轧制油摩擦性能测试

在7种油样中分别加入质量分数为5%的不同润滑添加剂,均匀搅拌,配成轧制油,其摩擦性能测试结果见图1~3。可见,加入添加剂后,油品的油膜强度明显提高,摩擦性能显著提高。这是由于添加剂中的长链脂肪醇、脂肪酸酯等极性分子吸附在金属表面上,形成了一层有序排列分子吸附膜,提高了边界润滑膜的强度。但由于不同添加剂的配方各异,用同种基础油不同添加剂配制的轧制油的摩擦性能也表现出一定差异。从图1~3还可以看出,同种添加剂加入不同基础油中,其油膜强度、磨斑直径和轧制油的摩擦因数也不相同,这表明基础油成分和结构对轧制油的摩擦性能也有很大的影响。

图1  基础油和轧制油的油膜强度

Fig.1  Oil-film strength of rolling oil and its stock

表4 轧制基础油的碳原子数分布

Table 4 Distribution of carbon atomicity of rolling stock oils

图2  轧制油的磨斑直径

Fig.2  Wear scar diameters of rolling oil

图3  轧制油的摩擦因数

Fig.3  Frictional coefficients of rolling oil

3  分析与讨论

3.1  轧制基础油的组成与摩擦性能的关系

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