鈣基潤滑脂替代鋰基潤滑脂可行性研究

摘 要：鋰基潤滑脂誕生于1946年[1]，早已發展成為一種普遍用于工業各領域的重要潤滑脂。但由于近兩年新能源汽車熱銷，自去年開始電池級碳酸鋰、氫氧化鋰價格持續上漲，鋰基潤滑脂成本日漸升高。尋找一種性價比高的潤滑脂替代鋰基潤滑脂成為當下行業內的急切需要。通過對鈣基潤滑脂和鋰基潤滑脂基礎質量指標、高低溫流變性能考察，研究鈣基潤滑脂替代鋰基潤滑脂可行性。

關鍵詞：潤滑脂；流變；流動壓力；屈服應力

在我國，鈣基潤滑脂的生產已基本定型，工藝條件比較成熟，生產經驗也比較豐富[2]。以往，由于鈣基潤滑脂滴點相對較低，在使用中一直不能與鋰基潤滑脂相提并論。

本文通過流變儀、流動壓力測定儀等測試設備，通過對鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂進行基礎質量指標、流變學性能考察，研究鈣基潤滑脂替代鋰基潤滑脂的可行性。

1 試驗儀器和試樣

1.1 試驗儀器

（1）MCR-302旋轉流變儀：Anton Paar，轉矩分辨率0.1nNm，最大速度314rad/s，頻率范圍10-7-628rad/s，選用圓錐平行板，錐角0°，錐半徑25mm，試樣厚度1mm。

（2）潤滑脂流動壓力測定器（FFK）：瑞士，28-810-0187，溫度30- -60℃，壓力0-300KPa。

1.2 試樣

試樣均采用等比例石蠟基、環烷基混合基礎油分別皂化單金屬鈣、鋰稠化劑，制備成鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂，工作錐入度牌號分別為NGLI 00、1、2、3號，基礎質量指標見表1。

從表1可以看出，鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂對應牌號的1號、2號、3號試樣除滴點外，其它基礎質量指標相近，且鈣基潤滑脂比鋰基潤滑脂表現出更好的抗水性。

2 方法與結果討論

2.1 鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂流變學特性研究

利用MCR-302流變儀，分別按溫度掃描法、觸變環法、振動應力掃描法、靜態應力掃描法對鋰基潤滑脂、鈣基潤滑脂NLGI 1、2、3號進行流變學特性研究。

2.1.1 溫度掃描法研究鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂隨溫度變化趨勢

選用溫度控制方式，在-20℃-190℃，溫升7℃/min，1%剪切應變，剪切頻率1Hz做振蕩實驗，繪制模量與溫度曲線，鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂1號、2號、3號儲能模量隨溫度變化見表2。

經研究，試樣的儲能模量均隨著溫度的升高呈現逐漸降低的趨勢。從表2可以看出，鈣基潤滑脂1號、3號在-20℃、-10℃儲能模量都比鋰基潤滑脂1號、3號小，說明鈣基潤滑脂在低溫下具有更好的流動性，這點在2.2流動壓力試驗中也得到證實；通過對比儲能模量、損耗模量交點的溫度，鈣基潤滑脂1號、2號、3號交點溫度都高于鋰基潤滑脂1號、2號、3號，說明在交點前，鈣基潤滑脂1號、2號、3號具有更好的骨架保持能力；通過對流失溫度點的對比，鈣基潤滑脂1號、2號、3號均在溫度達到140℃以后才發生流失，而且130℃時的儲能模量鈣基潤滑脂1號、2號、3號與鋰基潤滑脂相當，2號、3號鈣基潤滑脂更優秀；通過與00#鋰基潤滑脂25℃儲能模量588Pa對應的模量溫度對比，鈣基潤滑脂1號、2號、3號分別發生在82.6℃、112.7℃、146.1℃。

總之，鈣基潤滑脂1號、3號在-20℃、-10℃比鋰基潤滑脂1號、3號具有更好的低溫流動性；在溫度逐漸升高的條件下，模量交點前鈣基潤滑脂比鋰基潤滑脂具有更好的骨架保持能力，鈣基潤滑脂可以使用于130℃，極限使用溫度可以達到140℃。

2.1.2 觸變環法研究鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂觸變性

設置剪切速率6s內從0線性上升到500s-1，保持剪切速率500s-1持續剪切180s，然后剪切速率在6s內從500s-1線性下降至0。研究鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂1號、2號、3號觸變性。圖1為鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂1號、2號、3號觸變環面積對比。

圖1流變曲線均顯示出，在剪切速率上升階段的曲線中能夠觀察到明顯的屈服應力和剪切稀化行為。試樣在3個階段得到的流變曲線分別形成了一個觸變環，觸變環面積越大表示其結構被剪切破壞后越難恢復[3]，潤滑脂抗剪切能力越差。經比較，鈣基潤滑脂2號觸變環面積小于鋰基潤滑脂2號，鈣基潤滑脂1號、3號觸變環面積與鋰基潤滑脂1號、3號相當，說明鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂抗剪切能力相當。

2.1.3 振動應力掃描研究鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂動態屈服應力

在振蕩模式下，25℃，振動剪切應力0.1-1500Pa，繪制儲能模量、損耗模量與振動應力的關系曲線，橫縱坐標采用對數關系表達，結果見表3。

經研究，振動應力在0.1-200Pa之間變化時，曲線變化緩慢，幾乎為直線，但當振動應力超過200Pa時，模量變化較快，并形成一個交點，該交點對應的振動應力值即為振動狀態下的屈服應力[4]。通過比較，鈣基潤滑脂2號、3號與鋰基潤滑脂2號、3號振動狀態下的屈服應力相當。

2.1.4 靜態屈服應力掃描研究鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂靜態屈服應力

屈服應力是使潤滑脂從靜止到流動需要的最小應力值，也稱為靜態屈服應力。對試樣做控制剪切應力1-1500Pa的穩態試驗，采用對數坐標軸繪制粘度與剪切應力曲線，測試試樣屈服應力值。若兩數據點之間粘度發生突變，說明樣品已經從靜止狀態變為流動狀態，粘度突變的平坦區域對應的剪切應力值即為靜態屈服應力[5]。從圖2可以看出，6個試樣均發生粘度突變，其中鈣基潤滑脂2號、3號靜態屈服應力分別為385Pa、977Pa，鋰基潤滑脂2號、3號靜態屈服應力分別為422Pa、977Pa。鈣基潤滑脂2號、3號與鋰基潤滑脂2號、3號靜態屈服應力相當。

2.2 鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂低溫流動壓力隨溫度變化趨勢

按DIN51805方法要求，起始壓力0hpa，壓力每30s上升25hpa，保溫7500s，研究鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂-30℃-0℃流動壓力隨溫度變化趨勢，結果見圖3、4、5。

潤滑脂流動壓力，為潤滑脂的屈服剪應力，其物理意義為潤滑脂在外力下從靜止到產品流動所形成的最大剪應力，比較直觀的反映外界克服潤滑脂從靜止到開始流動時的能量輸出。從圖3、4、5可以看出，隨著溫度的降低，鈣基潤滑脂、鋰基潤滑脂的流動壓力均呈現明顯升高的趨勢。溫度的降低會使潤滑脂的稠度增大，流動時分子之間的摩擦力增加，流動壓力相應升高[6]。

從圖3看出，鈣基潤滑脂1號在-30℃、-10℃、0℃流動壓力小于鋰基潤滑脂1號；從圖5看出，鈣基脂在-30℃-0℃流動壓力均小于鋰基潤滑脂；即，在-30℃-0℃溫度下，1號、3號鈣基潤滑脂低溫流動性優于鋰基潤滑脂。

3 結論

（1）鈣基潤滑脂與鋰基潤滑脂相比，具有良好抗水性、低溫流動性、抗剪切性以及高溫骨架保持能力，在-20℃-130℃，甚至極限140℃，鈣基潤滑脂可以替代鋰基潤滑脂使用。

（2）鈣基潤滑脂3號隨剪切速率增加剪切應力急劇上升一段后又呈階梯式下降，分析原因可能是3#試樣皂量較高，細膩程度不如鋰基潤滑脂，經剪切產生了增稠后又稀化的現象。若將鈣基潤滑脂3號做的更加細膩，鈣基潤滑脂的綜合性能將更好。

參考文獻

[1]姚立丹，楊海寧.中國汽車工程學會燃料與潤滑油分會第十二屆年會論文集[A].中國汽車工程學會燃料與潤滑油分會[C].重慶：2006.

[2]潤滑脂協會技術委員會.潤滑脂教材[M].潤滑脂協會技術委員會，1991：1.

[3]Schramm.Gebrueder HAAKE GmbH[M].Karlsruhe：Maemillan，

1998：25-28.

[4]Comeliu Balan ROger Fosdick ARheologicalmodel forma terials which support coexistent shear rate[J].Intemational Joumal of Nonline

ar Mechanics.2000，35：1023-1043.

[5]孫全淑.潤滑性能及應用[M].北京：烴加工出版社，1988：55-79.

[6]吳寶杰，劉慶廉，李興林，等.對潤滑脂流動壓力相關性能的研究[A].全國第十二屆潤滑脂技術交流會論文集[C].中國石油學會，

2003：38-42.

作者簡介：孫輝（1982，2-），男，籍貫：遼寧省鞍山市，現職稱：中級工程師，學歷：本科，研究方向：技術研發與售后服務。