阿合波塔·巴合提， 杜雪岭， 鄂红军， 金佳佳
(中国石化润滑油有限公司北京研究院， 北京 100085)
近年来，国内汽车保有量急剧增加，注重汽车节能显得尤为重要。
推动燃油经济性达到最高水平，已成为当今中国汽车制造商面临的最大挑战之一[1，2]。
研究表明，在汽车发动机做功过程中，摩擦副的摩擦损失约占发动机做功的18%，活塞总成摩擦损失为整机摩擦损失的40%～55%，其中活塞环-缸套摩擦副摩擦损失为活塞总成摩擦损失的70%～80%[3-5]。
活塞环-缸套是汽车发动机中最重要的摩擦副之一，减少活塞环-缸套摩擦副的摩擦损失，有助于提高内燃机的动力性、可靠性、耐久性和燃油经济性等，相关研究也越来越受到各国研究人员和工业界的高度关注[6-8]。
发动机润滑油是改善汽车摩擦、磨损问题的另一个重要途径，降低润滑油的摩擦系数被认为是提高燃油经济性的一个有效方法。
通过使用专门设计的润滑油，能够减少摩擦能量损失，明显改善汽车发动机的燃油经济性[9，10]。
目前，API SN/GF-5 0W-20 发动机油得到广泛应用，为发动机各摩擦部位提供了良好的润滑，有效降低了摩擦磨损。
其中，二烷基二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)、二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)及磺酸钙是发动机润滑油添加剂中的典型代表[11-15]。
技术的进步和节能环保要求的不断提高，对润滑油添加剂配伍性能提出了更高的要求，却又少见利用活塞环-缸套摩擦副的相关研究。
因此，深入探究活塞环-缸套摩擦副和润滑油及润滑油油添加剂之间的协同或对抗作用具有重要意义。
德国OPTIMAL 公司生产的SRV®4 型多功能摩擦磨损试验机是一款具有优异稳定性和重复性的通用机型，在往复运动状态下，可以模拟活塞环-缸套摩擦副的实际工作状态[16]。
为了提高汽车发动机的使用性能，降低活塞环-缸套之间的摩擦损耗，延长其使用寿命，本工作采用与真实发动机材质相同的活塞环-缸套，利用SRV®4 型多功能摩擦磨损试验机研究了SN/GF-5 0W-20 润滑油及添加剂MoDTC、ZDDP、磺酸钙清净剂对活塞环-缸套摩擦学性能的影响。
1.1 试验材料及油品
试验所用活塞环-缸套(灰铸铁)为德国OPTIMAL公司SRV®4 型摩擦磨损试验机标准试验件，所用油品及其他添加剂的相关信息见表1。
表1 试验油品及添加剂信息Table 1 Information of test oils and additives
1.2 试验仪器
试验中所用设备相关信息见表2。
表2 试验仪器信息Table 2 Test equipment information
1.3 试验方法
利用SRV®4 型摩擦磨损试验机检测试验过程中活塞环-缸套摩擦副的摩擦系数变化情况，其工作示意图如图1 所示。
试验在大气环境中进行，缸套为下试件，固定在专用油盒中，油盒中装有相应的试验油品；
活塞环为上试件，与缸套接触，在100 N 接触载荷下在缸套表面进行行程为2 mm、往复频率20 Hz 的往复运动，持续试验1 h，实时监测50 ℃实验过程中摩擦系数的变化情况，相同条件下重复3 次，取平均值。
试验结束后，用石油醚轻轻冲洗，以除去表面残留的油品，避免破坏摩擦膜。
利用SEM 对磨损轨迹进行表面分析，观察摩擦膜的形成状况，并用XPS 分析摩擦膜的化学组成。
图1 SRV® 4 型摩擦磨损试验活塞环-缸套工作示意图Fig. 1 Working diagram of piston ring-cylinder liner of SRV® 4 Frictional Wear Test Machine
2.1 SN/GF-5 0W-20 润滑油的摩擦学特性
将不同含量的MoDTC 外加至SN/GF-5 0W-20 润滑油成品油中，形成5 组Mo 元素质量分数分别为:0、0.30%、0.50%、0.70%、1.00%的试验油样，试验过程中的摩擦系数及磨损率如图2 所示。
图2 不同Mo 元素含量SN/GF-5 0W-20 试验过程中的平均摩擦系数和磨损率Fig. 2 Average friction coefficient and wear rate of SN/GF-50W-20 test oils different Mo content
由图2 可以看出，MoDTC 含量会影响体系摩擦系数和磨损率。
对于摩擦系数而言，当体系中无Mo 元素时，油样摩擦系数明显偏高，高达0.177；
随着Mo 元素含量的增多，体系摩擦系数出现不同程度的降低。
当Mo 元素含量为0.50%的油样摩擦系数约0.079，为最低。
对于磨损率而言，Mo 元素含量为0.30%的试验油样磨损率最低，Mo 含量0.50%的试验油样磨损率与之相近，而Mo 元素含量为0 时油样的磨损率最大。
由试验结果可见，对于标准的活塞环-缸套摩擦副，润滑油Mo 元素在0.50%左右时，摩擦磨损综合性能最优。
2.2 MoDTC、ZDDP、磺酸钙清净剂的摩擦学特性
2.2.1 摩擦学性能
SN/GF-5 0W-20 润滑油中含有ZDDP、磺酸钙等添加剂。
研究表明，MoDTC、ZDDP、磺酸钙3 种添加剂在摩擦油膜中具有协同、对抗作用，会对摩擦学性能产生影响[17]。
为进一步研究SN/GF-5 0W-20 润滑油添加剂对活塞环-缸套摩擦副的减摩机理，在Yu4+基础油中引入了MoDTC、ZDDP 和磺酸钙3 种润滑油添加剂，形成:(1)Mo 元素(0.50%，质量分数，下同)、(2)Mo 元素(0.50%)+Zn 元素(0.95%)、(3)Mo 元素(0.50%)+Zn 元素(0.95%)+Ca 元素(1.54%)的3 组润滑体系，利用SRV®4 型摩擦磨损试验机检测摩擦系数，其摩擦系数变化情况如图3 所示。
从图3 可以看出，Yu4+ -MoDTC 润滑体系摩擦系数最高，在试验结束时，约为0.225左右；
当ZDDP 与MoDTC 复配后， 体系摩擦系数大幅降低，试验开始10 min 后降至0.080，与MoDTC 相比，摩擦系数减少约64%。
这可能是因为ZDDP 吸附于摩擦表面，形成垫状磷酸盐摩擦膜，并与MoDTC 形成良好的协同效应，促进MoDTC 的分解，加速MoS2的形成，而MoS2具有层晶格结构，剪切强度低，从而降低了摩擦系数。
Yu4+ -MoDTC-ZDDP-磺酸钙润滑体系的摩擦系数在试验开始约6 min 后逐渐降低，直至实验结束降至0.130 左右，较Yu4+ -MoDTC 润滑体系减少约42%。
图3 试验油样摩擦系数的变化情况Fig. 3 Change of friction coefficient of test oils
2.2.2 磨损表面形貌
采用SEM 观察缸套的磨损轨迹，以确定摩擦膜的形成情况，结果如图4 所示。
可以看出，Yu4+ -MoDTCZDDP 体系摩擦表面的摩擦膜成膜面积最大，分布最为均匀；
而Yu4+ -MoDTC 的体系摩擦表面摩擦膜覆盖率较低，已出现明显块状磨痕及局部剥落。
图4 3 组试验体系缸套表面磨损轨迹SEM 形貌Fig. 4 SEM diagram of wear track of cylinder liner surface
2.2.3 摩擦膜化学结构
为进一步研究润滑油摩擦学性能，确定活塞环-缸套摩擦副形成的摩擦膜的化学组成，采用XPS 对磨损轨迹进行分析，确定了Mo 元素和S 元素的化学结构。XPS 谱分析结果分别如图5、图6 所示。
研究表明，MoDTC 会吸附于摩擦表面，并在摩擦过程中发生分解，生成MoS2(Mo4+)和MoO3(Mo6+)，其中酸钙体系:2.85。
这与Yu+ -MoDTC 体系摩擦系数最高，Yu+ -MoDTC-ZDDP-磺酸钙次之，Yu+ -MoDTCMoS2摩擦膜的形成有利于降低摩擦系数[18]。
根据XPS 谱对3 组体系摩擦膜中Mo 元素及S 元素进行了定性及定量的分析。
由图5 可知，3 组润滑体系形成的摩擦膜中均有MoS2(Mo4+)和MoO3(Mo6+)生成，但所占比例大小不同，可得MoS2(Mo4+)/MoO3(Mo6+)的比值分别为(a) Yu4+ -MoDTC 体系:1.69；
(b) Yu4+ -MoDTC-ZDDP 体系:6.59；
(c) Yu4+ -MoDTC-ZDDP-磺ZDDP 体系摩擦系数最低的试验结果完全对应。
结合图6 中S 元素的价态及对应峰强，可以证明体系中ZDDP 的引入会促进MoDTC 分解生成MoS2，抑制MoO3的产生，从而使体系摩擦系数降低。
加入磺酸钙后，与Yu4+-MoDTC-ZDDP 体系相比，其MoS2(Mo4+)的含量占比降低至70.08%，这是由于清净剂与MoDTC、ZDDP在摩擦副表面发生竞争吸附，清洗掉了部分吸附在摩擦副表面的含MoS2摩擦膜，因而使体系摩擦系数升高。
图5 3 组试验体系摩擦膜中不同价态Mo 元素XPS 谱Fig. 5 XPS diagram of Mo elements with different valences in friction film
图6 3 组试验体系摩擦膜中不同价态S 元素XPS 谱Fig. 6 XPS diagram of S elements with different valences in friction film
(1)采用与真实发动机材质相同的活塞环-缸套，利用SRV®4 型多功能摩擦磨损试验机研究了不同含量MoDTC 对SN/GF-5 0W-20 润滑油摩擦学性能的影响。
研究结果表明，MoDTC 的含量会影响其摩擦学性能，当Mo 元素含量为0.50%时，摩擦学性能最优。
(2)ZDDP 与MoDTC 复配具有良好的协同效应，能明显降低摩擦系数；
在ZDDP、MoDTC、磺酸钙配伍，会明显减少摩擦膜中的MoS2生成，使体系摩擦系数升高。
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