Theo dõi hoạt động lưu huỳnh trong dầu bánh răng EP

Theo dõi hoạt động lưu huỳnh trong dầu bánh răng EP

Dầu bánh răng áp suất cực (EP) được sử dụng để giảm thiểu hao mòn và sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và ô tô trong điều kiện tải trọng cao, đặc biệt là khi gặp phải tải cao điểm hoặc sốc. Dầu bánh răng EP hiện đại được pha chế với các chất phụ gia có chứa lưu huỳnh hoạt tính, thường được kết hợp với phốt-pho, để cung cấp chất bôi trơn không bền nhiệt, ổn định với khả năng chịu tải cao.

Phân tích dầu bánh răng EP thích hợp là quan trọng trong việc xây dựng thành phẩm để đảm bảo số lượng phụ gia được chỉ định có mặt và theo dõi tình trạng của tác nhân đang hoạt động được sử dụng. Tương tự, trong phân tích dầu đã qua sử dụng, có thể cần đánh giá hiệu suất phụ gia trong một số trường hợp nhất định, đặc biệt nếu khả năng của phụ gia hoạt động như mong đợi dường như bị xâm phạm.

Vì lý do này, điều quan trọng là phải hiểu hóa dầu EP, các ứng dụng của dầu bánh răng EP, và các công cụ phân tích được sử dụng để đo nồng độ phụ gia.

Dầu bánh răng là gì?

Gear lubricants thực hiện vô số các chức năng. Trong số những thứ khác, chúng được thiết kế để giảm ma sát và mài mòn, thường dưới điều kiện bôi trơn biên, hoạt động như các chất truyền nhiệt, và bảo vệ chống ăn mòn và rỉ sét. Ngoài ra, chúng còn chứa các chất phụ gia để giảm thiểu quá trình oxy hóa dầu, ức chế tạo bọt và nước dễ dàng. Dầu bánh răng cho các ứng dụng trên đường cũng có thể chứa các polyme VI ổn định cho các dải nhiệt độ hoạt động rộng.

Ngược lại, dầu bánh răng công nghiệp thường là dầu nhờn đơn. Độ nhớt được chọn dựa trên các yêu cầu của hệ thống. Nó phải đủ cao để “đệm” răng bánh răng và bảo vệ chống lại sự thất bại, nhưng không quá cao như để tạo ra nhiệt quá mức và mất điện từ khuấy.

Khi chọn độ nhớt yêu cầu, điều quan trọng là không nên xem xét độ nhớt theo tiêu chuẩn ISO của dầu, mà là độ nhớt của dầu ở nhiệt độ hoạt động của hộp số, vì đây là thông số xác định khả năng của dầu để cung cấp một bộ phim dầu thích hợp.

Dầu bánh răng công nghiệp được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu vận hành của bộ bánh răng. Chúng được xây dựng cho:

Tốc độ cao, hoạt động tải thấp trong bộ bánh răng kèm theo. Yêu cầu này có thể được đáp ứng với các loại dầu bị ức chế có chứa chất ức chế rỉ sét và oxy hóa, chất chống tạo bọt và chất chống mài mòn, thường được gọi là dầu R & O.

Tốc độ tải thấp, tải trọng cao, sốc tải hoặc hoạt động liên tục tải trong bộ bánh răng kèm theo. Điều này đòi hỏi các phụ gia ổn định nhiệt, lưu huỳnh-photpho hoặc các vật liệu tương tự có khả năng sản xuất một bộ phim cung cấp áp suất cực (EP) và bảo vệ chống ăn mòn trong điều kiện bôi trơn biên. Dầu bánh răng cũng phải có bộ điều chỉnh ma sát, chất chống mài mòn, bộ khử kích hoạt kim loại và chất phân tán trong một gói cân bằng cẩn thận.

Bánh răng sâu (đồng trên thép) thường yêu cầu pha trộn dầu gốc với 3% đến 10% dầu béo tổng hợp hoặc béo để cung cấp độ dầu và độ bôi trơn cho chuyển động trượt dưới áp suất nặng.

Bộ thiết bị mở thường đòi hỏi độ nhớt cao, thường là nhựa đường, chất bôi trơn có áp suất cực cao và phụ gia chống mài mòn cho hoạt động tải trọng cao, tốc độ chậm. Chúng thường chứa các tác nhân tackiness để giúp chúng “dính” vào các bánh răng.

Dầu EP Gear bảo vệ chống mài mòn như thế nào?

Dầu bánh răng EP có chứa các chất phụ gia ngăn chặn bề mặt kim loại khỏi hàn lạnh trong điều kiện áp suất cực đoan được tìm thấy trong các tình huống mà bôi trơn biên giới chiếm ưu thế.

Ở nhiệt độ cao của địa phương kết hợp với tiếp xúc kim loại với kim loại, một phụ gia EP kết hợp hóa học với kim loại để tạo thành một màng bề mặt đủ dẻo để ngăn chặn sự gia tăng cường độ đối lập và ngăn chặn hoặc tải cao. Các hợp chất phản ứng hóa học của lưu huỳnh, photpho và đôi khi là clo, được sử dụng để tạo thành các màng vô cơ này.

Phụ gia EP thường hoạt động bằng cách hấp thụ trên bề mặt kim loại hoặc bằng cách thu hút vật lý hoặc hóa học. Sau khi gắn vào, chúng phản ứng với vật liệu bề mặt răng ở nhiệt độ cao, cục bộ được hình thành khi độ nhám (các điểm thô nhỏ bằng kính hiển vi) tiếp xúc dưới điều kiện bôi trơn biên. Các chất phụ gia tạo thành một eutectic điểm nóng chảy thấp với công thức chung FeSxPyOz mềm hơn bản thân kim loại. Bề mặt này biến dạng khi tiếp xúc và ngăn các bề mặt kim loại hàn tại các điểm tiếp xúc.

Trong lịch sử, các chất phụ gia EP đã được thực hiện với xà phòng chì, lưu huỳnh hoạt động và các hợp chất clo sau đó. Vào giữa những năm 1950, xà phòng chì đã được loại bỏ khỏi các gói phụ gia và thay thế bằng các chất phụ gia kẽm và phốt pho. Phụ gia bôi trơn bánh răng hiện đại có chứa các thành phần lưu huỳnh-phốt pho ổn định nhiệt và không ăn mòn đồng và các kim loại màu khác.

Hoạt động so với lưu huỳnh không hoạt động

Lưu huỳnh xảy ra trong dầu nhờn dưới nhiều hình thức. Phần chưng cất dầu mỏ của các loại dầu gốc tinh luyện dung môi chứa các hợp chất organosulfur có trong quá trình tinh chế. Ngược lại, các cổ phiếu gốc có chứa hydrocracked chứa ít hoặc không có lưu huỳnh do quá trình xúc tác nghiêm trọng mà chúng được tạo ra.

Tương tự, dầu gốc tổng hợp cũng thường không chứa các thành phần lưu huỳnh. Tuy nhiên, nhiều chất phụ gia bôi trơn có chứa hợp chất lưu huỳnh. Chúng được tìm thấy ở nhiều trạng thái hóa học khác nhau như được chỉ ra trong Bảng 1.

Thuật ngữ hoạt động lưu huỳnh đề cập đến khả năng tương đối của một hợp chất chứa lưu huỳnh để phản ứng hóa học với một bề mặt kim loại để tạo thành một sunfua kim loại. Các hợp chất lưu huỳnh không hoạt động không tạo thành sunfua kim loại trong các điều kiện thử nghiệm hoặc vận hành. Xu hướng của phụ gia chứa lưu huỳnh để phản ứng với bề mặt kim loại phụ thuộc vào thành phần của phụ gia, nhiệt độ phản ứng và trạng thái ôxi hóa của lưu huỳnh trong hợp chất.

Sulfua và lưu huỳnh nguyên tố là các dạng lưu huỳnh giảm và sẽ tạo thành sunfua kim loại dễ dàng ở nhiệt độ đủ cao. Sulfates là các dạng ôxit lưu huỳnh và ít phản ứng với kim loại để hình thành các sunfua kim loại. Chỉ định hoạt động và không hoạt động phụ thuộc vào phản ứng hóa học của hợp chất và các điều kiện thử được sử dụng để phân loại các chất phụ gia.

Dầu khoáng lưu huỳnh

Dầu khoáng lưu huỳnh, được tạo ra bằng cách hòa tan lưu huỳnh nguyên tố trong dầu bằng cách nung nóng, là dạng lưu huỳnh tích cực nhất do liên kết S-S tương đối yếu trong lưu huỳnh nguyên tố. Lưu huỳnh nguyên tố tồn tại trong vòng tám thành viên hoặc chuỗi dài. Dầu khoáng lưu huỳnh sẽ dễ dàng bị đồng trong các điều kiện của thử nghiệm ăn mòn đồng (ASTM D130), sử dụng dải thử đồng, được ngâm trong dầu thử ở 100 ° C trong ba giờ như một dấu hiệu phản ứng hóa học với kim loại màu vàng.

Axit béo lưu huỳnh

Axit béo lưu huỳnh được tạo ra bởi lưu huỳnh phản ứng hóa học với các axit béo chuỗi dài. Chúng có nhiệt độ phân hủy nhiệt cao hơn lưu huỳnh nguyên tố, thường khoảng 265 ° C. Như vậy, chúng không dễ dàng nhuộm các dải đồng trong thử nghiệm ăn mòn dải đồng.

Phụ gia EP Sulphur-Phosphorus EP và Sulfide tự nhiên xảy ra

Nhiều phụ gia EP sulfur-photpho bị phân hủy nhiệt ở 250 ° C đến 275 ° C và một lần nữa sẽ dễ dàng vượt qua thử nghiệm ăn mòn dải đồng.

Các hợp chất lưu huỳnh trong các loại dầu gốc tinh luyện dung môi, cũng thường là sunphít, thậm chí còn ổn định về mặt hóa học hơn. Cả chất phụ gia EP và gốc gốc đều không hoạt động dựa trên thử nghiệm ăn mòn đồng tiêu chuẩn. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cục bộ cao hơn nhiều được tạo ra dưới sự bôi trơn biên, cả hai loại axit béo lưu huỳnh và các phụ gia EP sulfur-photpho sẽ phân hủy và tạo thành sunfua kim loại. Trong những điều kiện này, cả hai chất phụ gia thường hoạt động.

Dầu khoáng lưu huỳnh và các dạng lưu huỳnh có tính phản ứng cao khác có lợi thế là tạo màng kim loại bảo vệ ở nhiệt độ thấp hơn các phụ gia chứa lưu huỳnh khác. Mặt khác, chúng ăn mòn các hợp kim kim loại và kim loại nhất định, đặc biệt là các kim loại màu vàng, có chứa đồng như một nguyên tố hợp kim chính.

Dầu bánh răng EP hiện đại có chứa các chất phụ gia ổn định nhiệt giúp tăng cường hệ thống làm sạch và không ăn mòn kim loại màu vàng trong điều kiện hoạt động vừa phải. Mục tiêu trong việc hình thành các loại dầu bánh răng EP hàng đầu là phát triển các hóa chất phụ gia sẽ mang tải trọng cao trong điều kiện biên và bảo vệ bề mặt giao phối khỏi hao mòn trong khi giảm thiểu sự ăn mòn kim loại màu vàng và giữ các thành phần bánh răng thép sạch.

Các xét nghiệm xác định thành phần hoạt tính lưu huỳnh trong dầu bánh răng EP

Hầu hết các bài kiểm tra phân tích dầu đo tính chất vật lý hoặc hóa học của một chất bôi trơn hoặc một số lượng lớn tài sản như thành phần nguyên tố. Ví dụ, các nhà hóa học phân tích có thể chọn từ 17 phương pháp thử ASTM khác nhau để xác định tổng lưu huỳnh trong nhiên liệu hoặc chất bôi trơn.1 Tuy nhiên, tương đối ít thử nghiệm trực tiếp đo nồng độ của các chất phụ gia cụ thể và cách chúng thay đổi theo thời gian.

Những thuận lợi và bất lợi của các xét nghiệm để đo lưu huỳnh hoạt động

Đo trực tiếp phụ gia EP

ASTM D1662 được sử dụng để xác định lượng lưu huỳnh hoạt động trong chất bôi trơn bằng cách đo tổng lưu huỳnh trước và sau khi lưu huỳnh phản ứng được loại bỏ bằng phản ứng với kim loại đồng. Mẫu được xử lý bằng bột đồng thừa ở 150 ° C cho đến khi dầu không có vết bẩn trên một dải đồng (ASTM D130). Hoạt tính lưu huỳnh phản ứng với bột đồng để tạo thành sunfua đồng. Thử nghiệm này thường được sử dụng với dầu cắt và có thể không hữu ích khi đo lưu huỳnh phản ứng trong dầu bánh răng EP được kích hoạt ở nhiệt độ cao hơn nhiều.

Dự trữ EP Khả năng kiểm tra

Kiểm tra khả năng EP dự trữ là một thử nghiệm phi tiêu chuẩn đã được sử dụng bởi một công ty dầu nhờn để chứng minh hiệu suất của các loại dầu bôi trơn công nghiệp. Xét nghiệm này đo lường khả năng chịu tải của dầu nhờn theo thời gian, dựa trên khả năng của phụ gia EP để chống lại quá trình oxy hóa. Ban đầu, tổng nồng độ của một phần tử chỉ thị trong gói EP, phospho trong trường hợp này, được đo.

Sau đó, chất bôi trơn được thực hiện thông qua Kiểm tra oxy hóa S-200 của Hoa Kỳ đã được sửa đổi (đặc điểm kỹ thuật thép của Hoa Kỳ 224). Khi kết thúc kiểm tra quá trình oxy hóa, lượng photpho được bù đắp để kiểm tra sự suy giảm. Theo nhà sản xuất dầu bôi trơn, hàm lượng phốt pho càng cao vào cuối thử nghiệm thì khả năng EP dự trữ càng cao.

Độ ổn định oxy hóa là một tính năng quan trọng của bất kỳ thành phần chất bôi trơn nào. Tuy nhiên, thử nghiệm này không thiết lập yêu cầu chính của phụ gia EP – khả năng mang tải của nó như là một chức năng của thời gian sử dụng. Trong khi sự vắng mặt của phốt pho trong bánh răng bôi trơn ở phần cuối của một thử nghiệm oxy hóa nghiêm trọng cho thấy sự suy giảm phụ gia, sự hiện diện của phốt pho ở phần cuối của thử nghiệm không chứng minh rằng nó ở dạng một tác nhân EP hiệu quả.

Fourier Transform hồng ngoại quang phổ

Phép biến đổi hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là một kỹ thuật phân tích không phá hủy, có thể được sử dụng để phát hiện các thành phần riêng biệt trong dầu bôi trơn định lượng hoặc nửa số. Nó cũng được sử dụng trong phân tích “vân tay” để so sánh một chất bôi trơn không xác định với một sản phẩm đã biết hoặc để xác định các chất gây ô nhiễm trong một lube đã hoàn thành. FTIR thay thế các xét nghiệm đắt tiền hơn để nhanh chóng xu hướng tích tụ bồ hóng, pha loãng nhiên liệu và các sản phẩm oxy hóa trong dầu.

Kỹ thuật này dựa trên thực tế là các nguyên tử liên kết hóa học hấp thụ bức xạ trong vùng hồng ngoại của quang phổ từ khoảng 2,5 đến 17 micron ở bước sóng hoặc tần số trong phạm vi 4000 cm-1 đến 450 cm-1. Năng lượng của bức xạ hấp thụ phụ thuộc vào cấu trúc hóa học và các liên kết có mặt trong mỗi phân tử. Như vậy, FTIR có thể được sử dụng để giúp xác định sự hiện diện của các phân tử cụ thể, chẳng hạn như phụ gia lưu huỳnh, trong dầu và giúp xác định nếu sự suy giảm phụ gia đáng kể đã xảy ra.

Để có một bản tóm tắt tuyệt vời về lý thuyết và thực hành của FTIR, xem bài viết có tiêu đề “Fourier Transform Infrared Spectroscopy” xuất hiện trên tạp chí Practicing Oil Analysis’s March-April 2002.2 Bài báo liên quan của Jay Powell, cũng xuất hiện trong phân tích dầu thực hành tạp chí, thảo luận về sự cạn kiệt phụ thuộc xu hướng bằng FTIR và xác định một số lợi ích và cạm bẫy của kỹ thuật này.5

Thu được quang phổ của dầu tươi chứa phụ gia quan tâm là bước đầu tiên trong việc theo dõi sự suy giảm phụ gia của FTIR. Các nhà phân tích có thể xác định tần số hồng ngoại cụ thể để theo dõi bằng cách làm cho một giải pháp phụ gia EP trong dầu gốc được sử dụng trong dầu thành phẩm hoặc bằng cách thu thập thông tin này từ nhà sản xuất dầu. Tiếp theo, nhà phân tích thực hiện phổ FTIR của dầu đã qua sử dụng. Sự khác biệt giữa dầu được sử dụng và tham chiếu quang phổ của dầu mới cho sự suy giảm phụ gia EP.

Đây có thể là thông tin hữu ích nếu nó được kết hợp với các thông tin khác về tình trạng của chất bôi trơn và các chất gây ô nhiễm tích tụ trong dầu. Sự suy giảm phụ gia một mình không phải là thước đo sự mất đi tính chất EP của dầu. Ví dụ, phụ gia EP ban đầu có thể bị thay đổi bởi các điều kiện hoạt động của hệ thống (phân hủy do nhiệt, phản ứng với oxy trong không khí và các thành phần khác trong chất bôi trơn, phản ứng với bề mặt kim loại) và vẫn có thể giữ lại một số hoặc tất cả EP của nó tính chất.

Việc xác định sự suy giảm phụ gia EP của FTIR có thể tạo ra các báo động để phân tích thường xuyên hơn hoặc phân tích rộng hơn (như phổ phát xạ nguyên tử, phân tích số hạt, quang phổ và quang phổ huỳnh quang tia X trên các hạt lớn) giới hạn cho dầu bánh răng hoặc để xác định các vấn đề cơ học với hộp số hoặc hộp số.

Một biến chứng khác của việc sử dụng FTIR để theo dõi sự suy giảm phụ gia là phổ dầu mới (tham chiếu) nên được chạy trên dầu được sản xuất bởi cùng một nhà sản xuất, lý tưởng từ cùng một mẻ dầu, như dầu đã qua sử dụng. Một tham chiếu đường cơ sở mới sẽ được chạy bất cứ khi nào một lô mới của dầu bôi trơn được thêm vào dầu

Đo trực tiếp phụ gia EP

Đồng ăn mòn thử nghiệm

Thử nghiệm ăn mòn đồng, ASTM D130, là một thước đo định tính, không đặc hiệu về độ ăn mòn của dầu nhờn đối với đồng. Nó có thể được sử dụng để chỉ ra sự hiện diện của lưu huỳnh tương đối hoạt động nếu các nhà phân tích hoặc nhà điều hành thiết bị biết rằng các thành phần bôi trơn khác hoặc các chất gây ô nhiễm ăn mòn đồng vắng mặt. Điều quan trọng là phải hiểu rằng không có mối tương quan giữa một phản ứng dương tính trong thử nghiệm ăn mòn đồng và hiệu quả của phụ gia EP trong dầu bánh răng.

Kiểm tra độ bền nhiệt

Kiểm tra độ ổn định nhiệt, ban đầu được phát triển như là kiểm tra độ bền nhiệt Cincinnati Milacron – A, là một thử nghiệm ăn mòn định lượng hơn ASTM D130. Khi tiến hành phép thử này, một cốc chứa chất lỏng thử nghiệm có chứa các thanh đồng và sắt được nung nóng đến 135 ° C trong 168 giờ. Vào cuối của thử nghiệm, các thanh được đánh giá trực quan cho sự đổi màu.

Ngoài ra, sự thay đổi độ nhớt của dầu, lượng bùn được hình thành trong dầu và giảm cân của thanh đồng được xác định. Quy trình này hữu ích hơn cho việc mô tả các xu hướng ăn mòn của dầu bánh răng EP mới hơn so với dầu đã qua sử dụng. Thời hạn bảy ngày của thử nghiệm này giới hạn việc sử dụng nó trong phân tích xu hướng của dầu đã qua sử dụng. Giống như thử nghiệm ăn mòn dải đồng, ASTM D2070 không nhất thiết phải tương quan với lượng phụ gia EP hiệu quả trong dầu đã qua sử dụng.

Ma sát và thử nghiệm mặc

Các thử nghiệm ma sát và mài mòn, được xác định trong Bảng 2, được sử dụng phổ biến hơn để mô tả hiệu suất EP và chống mài mòn của dầu bánh răng mới.

Chúng tương đối tốn thời gian và tốn kém để chạy và không được sử dụng thường xuyên trong phân tích xu hướng bôi trơn. Tuy nhiên, có thể hữu ích khi theo dõi đặc tính EP và chống mài mòn của các chất bôi trơn được sử dụng trong các ứng dụng quan trọng để thiết lập mối tương quan giữa nồng độ phụ gia EP trong dầu đã qua sử dụng với các đặc tính dầu và chất gây ô nhiễm khác tích tụ trong hệ thống. Tương tự như vậy, chúng có thể là các bài kiểm tra hướng dẫn khi gặp khó khăn khi chụp các vấn đề cụ thể liên quan đến hiệu năng EP.

Kiểm tra tuần tự bốn quả bóng

Các nhà khoa học tại Đại học bang Penn đã phát triển thử nghiệm bốn quả cầu liên tục (SQFBT), một biến thể của các thử nghiệm ma sát bốn mặt ASTM đã được thiết lập.4 Quy trình ba bước này bắt đầu với 30 phút đầu tiên chạy trên chất lỏng thử nghiệm. Sau giai đoạn này, vết sẹo mặc ban đầu được đo. Chất lỏng sau đó được thử nghiệm thêm 30 phút và thay đổi kích thước vết sẹo được ghi lại.

Sự khác biệt này là thước đo hiệu suất chống ăn mòn của chất bôi trơn trong trường hợp không có vết sẹo ban đầu “chạy” ban đầu thường xảy ra. Trong bước cuối cùng, dầu trắng phụ gia thay thế chất bôi trơn thử nghiệm trong thời gian 30 phút cuối cùng sau đó vết sẹo được đo lại.

Giai đoạn này đánh giá khả năng phụ gia lắng đọng trên bề mặt thép để bảo vệ kim loại không bị mòn hoặc sẹo. Một chất bôi trơn AW hoặc EP hiệu quả nên cung cấp bảo vệ lâu dài bằng cách gửi phụ gia lên bề mặt kim loại.

Thử nghiệm này dường như cung cấp một số ưu điểm so với các thử nghiệm ma sát và mài mòn ASTM truyền thống ở chỗ nó đánh giá hiệu suất lâu dài của các bộ phận chống mài mòn và bánh răng dầu. Cần phát triển bổ sung để xác định xem thử nghiệm có tương quan với các chỉ số khác về tuổi thọ chất bôi trơn hữu ích hay không.

Tuy nhiên, các thử nghiệm mặc bốn quả bóng không nên dựa vào quá nhiều khi xác định nội dung phụ gia EP và tuổi thọ hữu ích. Trong một nghiên cứu sử dụng một bộ máy bóng trên đĩa với tốc độ trượt chậm, các nhà điều tra phát hiện ra rằng các sản phẩm của quá trình oxy hóa dầu, có thể là axit cacboxylic, góp phần làm giảm mức độ cào. Các axit này, tuy nhiên, có thể làm tăng sự ăn mòn, đẩy nhanh sự hao mòn phụ gia và hình thành bùn và lắng đọng.

Bài viết liên quan