铁路轮轨润滑脂的研制_潘蒙
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润滑脂的制备采用分步皂化法： 将硬脂酸、12 － 羟基硬脂酸、防锈剂和 1 /3 基础油全部投入四口烧瓶 内，开动搅拌，并加热升温到 90 ℃ ，加入氢氧化锂
水溶液进行皂化反应，保温 105 ～ 110 ℃ 皂化时间为 1. 5 ～ 2 h。皂化反应完毕后，再加入 1 /3 的基础油， 升温到 210 ℃ 高温炼制，加入剩下的 1 /3 基础油急 冷。停止加热，当 温 度 冷 却 到 160 ℃ 时，加 入 抗 氧 剂、抗磨极压剂、结构改善剂以及增黏剂，待降至室 温时停止搅拌、研磨出料。 3. 2 性能分析
由表 1 可以看出，自制的润滑脂分油率比外购润 滑脂要低，即自制润滑脂的胶体安定性好。这可能是 因为有增黏剂的加入，导致润滑脂的黏度增大，胶体 安定性增强。但是润滑脂样品的分油率都大于 5，根 据润滑脂质量指标规定，胶体安定性还有待提高。这 可能是基础油不同造成的，因为基础油黏度对分油也 有影响，一般来说，基础油黏度越小，所制的润滑脂 越易分油［12］。
图 1 中，3. 363 3、1. 678 9、2. 033 4 这 3 个峰的 存在证明样品中有石墨 C 的存在； 2. 818 6、2. 707 3、 1. 867 5 这 3 个峰说明存在 Zn2 SiO4 。图 2 中出现了 C、 O、Si 元素，且石墨 C 的含量很大，而 O、Si 元素只 占很小的比例。图 3 中出现的层片状结构也验证了石 墨与硅酸锌的存在。石墨在润滑脂制备中常作为结构 改善剂，同时也可以改善润滑脂的摩擦学性能。付传 起等［8］对石墨 / 铜铁基自润滑复合材料的摩擦学性能
称取一定质量的外购铁路轮轨润滑脂样品，放入 坩埚中，在马弗炉中 800 ℃ 下焙烧 2 h，得到灰分， 收集灰分，计算得到灰分约占原有机物总量的 10% 。 润滑脂样品进行 IR 表征，灰分进行 XRD，SEM-EDS
2012 年第 1 期
潘 濛等： 铁路轮轨润滑脂的研制
83
表征。 1. 2. 2 润滑脂的制备及分析
表 1 列出了自制的铁路轮轨润滑脂与外购的铁路 轮轨润滑脂的一些性能。
表 1 自制润滑脂与外购润滑脂的性能 Table 1 Performance comparison of grease made in laboratory and purchased grease
项目 外观 滴点 t /℃ 针入度 （ 25 ℃ /0. 1 mm） 腐蚀 （ Cu，100 ℃ ，3 h） 钢网分油 w /% 水分 w /% pB /N pD /N
（ 1. 武汉理工大学化学工程学院 湖北武汉 430070； 2. 浙江宝晟铁路新材料科技有限公司 浙江嵊州 312400）
摘要： 采用 IR、XRD、SEM-EDS 等手段，对常用铁路轮轨润滑脂进行剖析，得到润滑脂的基础油种类和添加剂组 成。研制一种新型铁路轮轨润滑脂，并与常用铁路轮轨润滑脂的性能进行比较。结果表明： 研制的润滑脂的最大无卡咬 负荷为 863 N，比常用铁路轮轨润滑脂的大一倍多，其摩擦因数为 0. 008 ～ 0. 032，明显小于常用铁路轮轨润滑脂的 0. 039 ～ 0. 051，但烧结负荷小于常用铁路轮轨润滑脂； 研制的润滑脂具有更好的胶体稳定性和耐热性。
KeyworLeabharlann s： grease； analysis； mineral oil； railway wheel / rail
合理有效的轮轨润滑可减少轮轨磨损，对节能和 提高机车牵引效率也有重要意义，同时可提高列车运 行的安全性［1 －2］。当前，我国润滑脂工业正处于一个 充满机遇的关键时期，机车运行速度和载重量的不断 提高，使得对高性能润滑脂的需求迅速增加。而国内 润滑脂工业仍存在着或多或少的问题，如平均年产量 较小、高性能润滑脂产品品种及产量少等［3 －4］。我国 现在使用的锂基型铁路轮轨润滑脂虽然是一种用途广 泛的润滑脂，但也有不足之处，尤其是在铁路运输趋 向高速、重载且检修期延长的情况下，需进一步提高 润滑脂的综合性能。
如表 1 所示，自制润滑脂的 pB 值为 863 N，大于 外购成品的 pB 值为 431 N； 自制润滑脂摩擦因数在 0. 008 ～ 0. 032 之间，而外购的润滑脂摩擦因数数值 在 0. 039 ～ 0. 051 之间； 这说明实验制得的润滑脂样 品的承载能力和抗磨性比外购的好。原因是自制润滑 脂中添加了抗磨极压剂和增黏剂。当润滑脂使用温度 超过了抗磨极压剂的分解温度时，能够分解出改善摩
摩擦因数 μ
自制润滑脂 黑色半固体纤维状砖型油膏
205 285 1b 7. 53 合格 863 1 961 0. 008 ～ 0. 032
外购润滑脂 黑色半固体纤维状砖型油膏
184 310 1b 10. 10 合格 431 3 089 0. 039 ～ 0. 051
质量指标 —
不小于 170 265 ～ 310 不大于 3 不大于 5 不大于 1. 5 不小于 372
2012 年 1 月 第 37 卷 第 1 期
润滑与密封
LUBRICATION ENGINEERING
DOI： 10. 3969 / j. issn. 0254 － 0150. 2012. 01. 019
铁路轮轨润滑脂的研制
Jan. 2012 Vol. 37 No. 1
檿檿檿檿檿 檿檿檿檿檿檿
潘 濛1 胡 萍1，2 袁继勇2 黄樟华2 罗琴琴1 熊先江1 舒 婷1
本文作者在对外购的常用铁路轮轨润滑脂进行剖 析的基础上，设计和改进其配方体系，研制一种新型 的铁路轮轨润滑脂，并与外购润滑脂的性能进行了
收稿日期： 2011 － 07 － 27 作者简介： 潘濛 （ 1988—） ，男，硕士，主要从事精细化学品合 成工艺学的研究． E-mail： lq198516@ 126. com．
— —
试验方法 目测
GB / T 3498 － 2008 GB / T 269 － 1991 GB / T 5096 － 1985 SH / T 0324 － 1992 GB / T 512 － 1965 SH / T 0204 － 1992 SH / T 0204 － 1992 SH / T 0204 － 1992
图 3 外购润滑脂灰分的扫描电镜图 Fig 3 SEM image of purchased grease’s ash
2. 2 红外分析 图 4 示出了外购润滑脂和矿物油 500SN 的红外图
谱。分析外购润滑脂的红外波峰可知： 2 950、1 457、 722 cm －1 处 有 3 个 很 强 的 吸 收 峰， 它 们 分 别 属 于 C—H的伸缩、弯曲和摇摆振动； 在 2 854、2 924 以 及 2 950 cm －1 处出现叠加峰是由于 CH3 和 CH 的伸缩 振动与 CH2 的振动叠加在一起； 1 560、1 579 cm －1 处 这些峰说明有脂肪族胺的存在； 1 377 cm －1 处是甲基 的弯曲 振 动 谱 带。对 比 矿 物 油 500SN 的 红 外 图 谱， 可以发现许多相似之处，由此可以判断外购润滑脂所 用的基础油是矿物油。
比较。 1 试验部分 1. 1 试验仪器与测试标准
滴点试验仪 SYA-4929，上海安德仪器设备有限 公 司 生 产， GB / T 3948-2008； 针 入 度 试 验 器 SYD2801A，上海安德仪器设备有限公司生产，GB / T 2691991； 铜腐蚀试验仪，上海安德仪器设备有限公司生 产，GB / T 5096-1985； MRS-10A 型四球摩擦试验机， 济南试金集团公司生产，SH / T 0204； 差热和失重分 析仪 （ STA 449C） ，德国 NETZSCH 公司生产，N2 氛 围，10 ～ 1 000 ℃ ，升温速率为 10 ℃ / min； 605XB 型 红外吸收光谱机，美国 NICOET。 1. 2 实验步骤 1. 2. 1 样品剖析
关键词： 润滑脂； 剖析； 矿物油； 铁路轮轨 中图分类号： TE626. 4； TQ646 文献标识码： A 文章编号： 0254 － 0150 （ 2012） 1 － 082 － 4
Development of Railway Wheel / Rail Grease
Pan Meng1 Hu Ping1，2 Yuan Jiyong2 Huang Zhanghua2 Luo Qinqin1 Xiong Xianjiang1 Shu Ting1
参照外购润滑脂的剖析结果，设计新型铁路轮轨 润滑脂的配方，并采用分步皂化法［5 －7］来制备，对 2 种润滑脂的性能进行对比。 2 常用铁路轮轨润滑脂的剖析 2. 1 SEM-EDS、XRD、SEM 分析
图 1 ～ 3 分别示出了外购润滑脂灰分的 XRD 图、 EDS 图谱和扫描电镜图。
进行了研究。层状硅酸盐在润滑脂中的应用在一些文 献中也有报道。陈文刚等［9］对硅酸盐粉体作为润滑油 添加剂对摩擦副耐磨性的影响做了较多的研究。孙玉 秋等［10 －11］对层状硅酸盐材料在润滑脂中的摩擦学性 能进行了研究。石墨与硅酸锌均为层状结构，在摩擦 过程中层与层之间产生滑移，表面能高，镶嵌入对偶 件的缝隙中，在金属表面形成自修复保护膜，磨损表 面比较平整光滑，阻碍了金属表面的直接接触，有效 地降低了金属的摩擦磨损。同时在润滑脂中加入硅酸 盐 （ Mg、Zn、Ca） 后，可以明显地提高其承载能力 和烧结负荷。
图 4 外购润滑脂和矿物油 500SN 的红外图谱 Fig 4 IR images of purchased grease and mineral oil 500SN
84
润滑与密封
第 37 卷
3 铁路轮轨润滑脂的制备及性能分析 3. 1 新型铁路轮轨润滑脂的配方设计及制备
根据对外购铁路轮轨润滑脂的剖析，设计了润滑 脂的基本配方，包括硬脂酸、12 － 羟基硬脂酸、防锈 剂、氢氧化锂、矿物基础油以及少量的抗氧剂、抗磨 极压剂、结构改善剂以及增黏剂等。
Abstract： IR，XRD，SEM-EDS and other means were used to analyze the general railway wheel / rail grease，and the type of base oil and composition of additive were obtained． A new railway wheel / rail grease was prepared，and the performance was compared with that of the general railway wheel / rail grease． The results show that the maximum no seizure load of selfmade grease is 863 N，which is two times more than railway wheel / rail grease’s． The friction coefficient of self-made grease is 0. 008 ～ 0. 032，significantly less than the general railway wheel / rail grease’s 0. 039 ～ 0. 051． However，the sintering load of self-made grease is less than that of the railway wheel / rail grease． The colloidal stability and heat resistance of self-made grease is better than that of the general railway wheel / rail grease．
水溶液进行皂化反应，保温 105 ～ 110 ℃ 皂化时间为 1. 5 ～ 2 h。皂化反应完毕后，再加入 1 /3 的基础油， 升温到 210 ℃ 高温炼制，加入剩下的 1 /3 基础油急 冷。停止加热，当 温 度 冷 却 到 160 ℃ 时，加 入 抗 氧 剂、抗磨极压剂、结构改善剂以及增黏剂，待降至室 温时停止搅拌、研磨出料。 3. 2 性能分析
由表 1 可以看出，自制的润滑脂分油率比外购润 滑脂要低，即自制润滑脂的胶体安定性好。这可能是 因为有增黏剂的加入，导致润滑脂的黏度增大，胶体 安定性增强。但是润滑脂样品的分油率都大于 5，根 据润滑脂质量指标规定，胶体安定性还有待提高。这 可能是基础油不同造成的，因为基础油黏度对分油也 有影响，一般来说，基础油黏度越小，所制的润滑脂 越易分油［12］。
图 1 中，3. 363 3、1. 678 9、2. 033 4 这 3 个峰的 存在证明样品中有石墨 C 的存在； 2. 818 6、2. 707 3、 1. 867 5 这 3 个峰说明存在 Zn2 SiO4 。图 2 中出现了 C、 O、Si 元素，且石墨 C 的含量很大，而 O、Si 元素只 占很小的比例。图 3 中出现的层片状结构也验证了石 墨与硅酸锌的存在。石墨在润滑脂制备中常作为结构 改善剂，同时也可以改善润滑脂的摩擦学性能。付传 起等［8］对石墨 / 铜铁基自润滑复合材料的摩擦学性能
称取一定质量的外购铁路轮轨润滑脂样品，放入 坩埚中，在马弗炉中 800 ℃ 下焙烧 2 h，得到灰分， 收集灰分，计算得到灰分约占原有机物总量的 10% 。 润滑脂样品进行 IR 表征，灰分进行 XRD，SEM-EDS
2012 年第 1 期
潘 濛等： 铁路轮轨润滑脂的研制
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表征。 1. 2. 2 润滑脂的制备及分析
表 1 列出了自制的铁路轮轨润滑脂与外购的铁路 轮轨润滑脂的一些性能。
表 1 自制润滑脂与外购润滑脂的性能 Table 1 Performance comparison of grease made in laboratory and purchased grease
项目 外观 滴点 t /℃ 针入度 （ 25 ℃ /0. 1 mm） 腐蚀 （ Cu，100 ℃ ，3 h） 钢网分油 w /% 水分 w /% pB /N pD /N
（ 1. 武汉理工大学化学工程学院 湖北武汉 430070； 2. 浙江宝晟铁路新材料科技有限公司 浙江嵊州 312400）
摘要： 采用 IR、XRD、SEM-EDS 等手段，对常用铁路轮轨润滑脂进行剖析，得到润滑脂的基础油种类和添加剂组 成。研制一种新型铁路轮轨润滑脂，并与常用铁路轮轨润滑脂的性能进行比较。结果表明： 研制的润滑脂的最大无卡咬 负荷为 863 N，比常用铁路轮轨润滑脂的大一倍多，其摩擦因数为 0. 008 ～ 0. 032，明显小于常用铁路轮轨润滑脂的 0. 039 ～ 0. 051，但烧结负荷小于常用铁路轮轨润滑脂； 研制的润滑脂具有更好的胶体稳定性和耐热性。
KeyworLeabharlann s： grease； analysis； mineral oil； railway wheel / rail
合理有效的轮轨润滑可减少轮轨磨损，对节能和 提高机车牵引效率也有重要意义，同时可提高列车运 行的安全性［1 －2］。当前，我国润滑脂工业正处于一个 充满机遇的关键时期，机车运行速度和载重量的不断 提高，使得对高性能润滑脂的需求迅速增加。而国内 润滑脂工业仍存在着或多或少的问题，如平均年产量 较小、高性能润滑脂产品品种及产量少等［3 －4］。我国 现在使用的锂基型铁路轮轨润滑脂虽然是一种用途广 泛的润滑脂，但也有不足之处，尤其是在铁路运输趋 向高速、重载且检修期延长的情况下，需进一步提高 润滑脂的综合性能。
如表 1 所示，自制润滑脂的 pB 值为 863 N，大于 外购成品的 pB 值为 431 N； 自制润滑脂摩擦因数在 0. 008 ～ 0. 032 之间，而外购的润滑脂摩擦因数数值 在 0. 039 ～ 0. 051 之间； 这说明实验制得的润滑脂样 品的承载能力和抗磨性比外购的好。原因是自制润滑 脂中添加了抗磨极压剂和增黏剂。当润滑脂使用温度 超过了抗磨极压剂的分解温度时，能够分解出改善摩
摩擦因数 μ
自制润滑脂 黑色半固体纤维状砖型油膏
205 285 1b 7. 53 合格 863 1 961 0. 008 ～ 0. 032
外购润滑脂 黑色半固体纤维状砖型油膏
184 310 1b 10. 10 合格 431 3 089 0. 039 ～ 0. 051
质量指标 —
不小于 170 265 ～ 310 不大于 3 不大于 5 不大于 1. 5 不小于 372
2012 年 1 月 第 37 卷 第 1 期
润滑与密封
LUBRICATION ENGINEERING
DOI： 10. 3969 / j. issn. 0254 － 0150. 2012. 01. 019
铁路轮轨润滑脂的研制
Jan. 2012 Vol. 37 No. 1
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潘 濛1 胡 萍1，2 袁继勇2 黄樟华2 罗琴琴1 熊先江1 舒 婷1
本文作者在对外购的常用铁路轮轨润滑脂进行剖 析的基础上，设计和改进其配方体系，研制一种新型 的铁路轮轨润滑脂，并与外购润滑脂的性能进行了
收稿日期： 2011 － 07 － 27 作者简介： 潘濛 （ 1988—） ，男，硕士，主要从事精细化学品合 成工艺学的研究． E-mail： lq198516@ 126. com．
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试验方法 目测
GB / T 3498 － 2008 GB / T 269 － 1991 GB / T 5096 － 1985 SH / T 0324 － 1992 GB / T 512 － 1965 SH / T 0204 － 1992 SH / T 0204 － 1992 SH / T 0204 － 1992
图 3 外购润滑脂灰分的扫描电镜图 Fig 3 SEM image of purchased grease’s ash
2. 2 红外分析 图 4 示出了外购润滑脂和矿物油 500SN 的红外图
谱。分析外购润滑脂的红外波峰可知： 2 950、1 457、 722 cm －1 处 有 3 个 很 强 的 吸 收 峰， 它 们 分 别 属 于 C—H的伸缩、弯曲和摇摆振动； 在 2 854、2 924 以 及 2 950 cm －1 处出现叠加峰是由于 CH3 和 CH 的伸缩 振动与 CH2 的振动叠加在一起； 1 560、1 579 cm －1 处 这些峰说明有脂肪族胺的存在； 1 377 cm －1 处是甲基 的弯曲 振 动 谱 带。对 比 矿 物 油 500SN 的 红 外 图 谱， 可以发现许多相似之处，由此可以判断外购润滑脂所 用的基础油是矿物油。
比较。 1 试验部分 1. 1 试验仪器与测试标准
滴点试验仪 SYA-4929，上海安德仪器设备有限 公 司 生 产， GB / T 3948-2008； 针 入 度 试 验 器 SYD2801A，上海安德仪器设备有限公司生产，GB / T 2691991； 铜腐蚀试验仪，上海安德仪器设备有限公司生 产，GB / T 5096-1985； MRS-10A 型四球摩擦试验机， 济南试金集团公司生产，SH / T 0204； 差热和失重分 析仪 （ STA 449C） ，德国 NETZSCH 公司生产，N2 氛 围，10 ～ 1 000 ℃ ，升温速率为 10 ℃ / min； 605XB 型 红外吸收光谱机，美国 NICOET。 1. 2 实验步骤 1. 2. 1 样品剖析
关键词： 润滑脂； 剖析； 矿物油； 铁路轮轨 中图分类号： TE626. 4； TQ646 文献标识码： A 文章编号： 0254 － 0150 （ 2012） 1 － 082 － 4
Development of Railway Wheel / Rail Grease
Pan Meng1 Hu Ping1，2 Yuan Jiyong2 Huang Zhanghua2 Luo Qinqin1 Xiong Xianjiang1 Shu Ting1
参照外购润滑脂的剖析结果，设计新型铁路轮轨 润滑脂的配方，并采用分步皂化法［5 －7］来制备，对 2 种润滑脂的性能进行对比。 2 常用铁路轮轨润滑脂的剖析 2. 1 SEM-EDS、XRD、SEM 分析
图 1 ～ 3 分别示出了外购润滑脂灰分的 XRD 图、 EDS 图谱和扫描电镜图。
进行了研究。层状硅酸盐在润滑脂中的应用在一些文 献中也有报道。陈文刚等［9］对硅酸盐粉体作为润滑油 添加剂对摩擦副耐磨性的影响做了较多的研究。孙玉 秋等［10 －11］对层状硅酸盐材料在润滑脂中的摩擦学性 能进行了研究。石墨与硅酸锌均为层状结构，在摩擦 过程中层与层之间产生滑移，表面能高，镶嵌入对偶 件的缝隙中，在金属表面形成自修复保护膜，磨损表 面比较平整光滑，阻碍了金属表面的直接接触，有效 地降低了金属的摩擦磨损。同时在润滑脂中加入硅酸 盐 （ Mg、Zn、Ca） 后，可以明显地提高其承载能力 和烧结负荷。
图 4 外购润滑脂和矿物油 500SN 的红外图谱 Fig 4 IR images of purchased grease and mineral oil 500SN
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润滑与密封
第 37 卷
3 铁路轮轨润滑脂的制备及性能分析 3. 1 新型铁路轮轨润滑脂的配方设计及制备
根据对外购铁路轮轨润滑脂的剖析，设计了润滑 脂的基本配方，包括硬脂酸、12 － 羟基硬脂酸、防锈 剂、氢氧化锂、矿物基础油以及少量的抗氧剂、抗磨 极压剂、结构改善剂以及增黏剂等。
Abstract： IR，XRD，SEM-EDS and other means were used to analyze the general railway wheel / rail grease，and the type of base oil and composition of additive were obtained． A new railway wheel / rail grease was prepared，and the performance was compared with that of the general railway wheel / rail grease． The results show that the maximum no seizure load of selfmade grease is 863 N，which is two times more than railway wheel / rail grease’s． The friction coefficient of self-made grease is 0. 008 ～ 0. 032，significantly less than the general railway wheel / rail grease’s 0. 039 ～ 0. 051． However，the sintering load of self-made grease is less than that of the railway wheel / rail grease． The colloidal stability and heat resistance of self-made grease is better than that of the general railway wheel / rail grease．
