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：
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：
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
从表1和图1可看出，1~5号油黏度接近，为铝箔轧制基础油。其中1号油由正构烷烃组成的正构基础油，油膜强度为186 N，2~5号油由链烷烃和环烷烃组成的加氢基础油，其油膜强度为108~147 N；6号和7号油黏度相近，为铝板轧制基础油；6号油为正构烷烃组成的正构基础油，油膜强度为206 N，而7号油是由链烷烃和环烷烃组成的加氢基础油，其油膜强度只有167 N。从以上结果可得出，在黏度相当的基础油中，无论铝箔轧制基础油，还是铝板轧制基础油，正构烷烃基础油的油膜强度要明显高于由链烷烃和环烷烃组成的加氢基础油的油膜强度。
2~4号油均为加氢基础油，随着链烃含量的减少，环烷烃含量的增加，加氢基础油的油膜承载能力降低。这是因为基础油的油膜强度主要由分子的有效碳链长度决定[4]，由于存在链烷烃异构体及环烷烃，分子的有效碳链长度减小。
5号油虽链烷烃含量最低，环烷烃含量最高，但油膜强度并不是最低，这与其含有较多的C16和C17的烷烃有关，表明加氢基础油的承载能力不仅取决于链烷烃与环烷烃的质量比例，还与其碳链分布有关[1]。
3.2 轧制油的组成与摩擦性能的关系
在实际生产中，一般认为轧制油的摩擦性能主要由添加剂决定，基础油主要起载体、冷却和洗涤作用[1]，工厂中添加剂的用量(质量分数)为2%~8%，实验中选择添加剂的用量为5%。从图1可以看出，基础油中加入添加剂后摩擦性能明显提高，但是，不同添加剂加入同一基础油时，摩擦性能不同；同一添加剂加入不同基础油时，摩擦性能也不同，这也表明基础油的组成对轧制油的摩擦性能有很大影响。
从图1可看出，往基础油中加入5%添加剂后，油膜强度均提高。在1号正构基础油中加入3种添加剂后，油膜强度从186 N分别增加到225 N和245 N，增加39~59 N，平均增幅为46 N；6号正构基础油从206 N分别增加到245 N和274 N，平均增加58 N，对于加氢基础油，2号油烷烃含量为90%，环烷烃含量低于10%，油膜强度平均增加52 N，而环烷烃含量超过20%时的3号、4号、5号和7号油，油膜强度平均增加110 N以上，提高的幅度是正构基础油的2倍多；从磨斑直径和摩擦因数看，它们并没有多大差异。这表明由环烷烃和链烷烃构成的加氢基础油，当环烷烃质量分数大于20%时，对润滑添加剂有更好的协同效应，能弥补加氢基础油摩擦性能的不足。但是，环烷烃含量并不是越高越好，环烷烃含量过高，对油品的氧化安定性及轧制油的退火清洁性产生不利影响。
3.3 轧制油的平均碳原子数与摩擦性能的关系
为了便于分析轧制基础油的碳链分布与摩擦性能的关系，计算了每种基础油的加权几何平均碳原子数，计算公式为：
平均碳原子数(Cave)与基础油、轧制油的平均油膜强度(PB)的关系见图4。其中，将样品分为2组：正构基础油(从左至右依次为1号和6号油)和加氢基础油(从左至右依次为2号、4号、3号、5号和7号油)。
1—加氢基础油；2—正构基础油；
3—加氢轧制油；4—正构轧制油
图4 平均碳原子数与油膜强度的关系
Fig.4 Relationship between oil film strength and average carbon atomicity
从图4可看出，对于正构基础油和加氢基础油，随着平均碳原子数的增大，油膜强度都增大，且当平均碳原子数一定时，正构基础油的油膜强度明显高于加氢基础油的油膜强度；而对于轧制油，油膜强度随着平均碳原子数的增大而增加。当平均碳原子数一定时，正构烷烃类的油膜强度明显低于加氢基础油的油膜强度。从以上分析可知，无论是正构基础油还是加氢基础油，随着平均碳原子数的增大，基础油和其配制的轧制油的油膜承载能力提高。在轧制基础油的生产过程中，当黏度、闪点、馏程满足工业生产的需要时，可以适当减少低馏分部分而增加高馏分部分，以提高平均碳原子数，提高轧制油的摩擦性能。当基础油烃类成分相当时，平均碳原子数可以很好地反映碳原子数分布情况，在一定程度上弥补了以前分析碳原子数分布方法的不足，可以更直观地进行油品性能分析。但是，由于轧制基础油成分及化学结构的复杂性，如何协调它们之间的关系还有待进一步研究。
4 结 论
a. 铝材轧制加氢基础油的油膜强度低于正构烷烃基础油的油膜强度。但是，加入轧制润滑添加剂配制的轧制油，加氢基础油配制的轧制油的摩擦性能与正构基础油配制的轧制油的摩擦性能相当，甚至更好。这表明含有适量的环烷烃可以提高基础油与添加剂的协同效应。
b. 无论是正构基础油还是加氢基础油、以及它们配制的轧制油，其油膜承载能力均随着平均碳原子数的增大而增大。
c. 对于铝材轧制加氢轧制油，可以通过适当调配链烷烃与环烷烃的比例、调节碳链分布，提高其摩擦性能。
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收稿日期：2006-12-10
基金项目：国家重点基础研究规划项目(199064906); 长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0549)
作者简介：周亚军(1965-)，男，湖南望城人，博士研究生，副研究员，从事金属塑性加工摩擦润滑理论及应用研究
通讯作者：周亚军，男，博士研究生，副研究员；电话：0731-8879044; E-mail:yjs-com@mail.csu.edu.cn
