工業(yè)潤(rùn)滑劑的三個(gè)基本要求
陶德華 張建華 付尚發(fā)
(上海大學(xué)澗滑化學(xué)研究室，上海市延長(zhǎng)路149號(hào)，200072)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的大發(fā)展，機(jī)械對(duì)工業(yè)潤(rùn)滑劑的要求越來(lái)越高。合適的潤(rùn)滑劑能保障機(jī)械的正常運(yùn)行、較低的能耗和延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。
對(duì)工業(yè)潤(rùn)滑劑的要求不僅光考慮粘度或者摩擦學(xué)問(wèn)題，對(duì)于它們的要求會(huì)有很多很多。如果忽略某種要求，也許就不被工廠采納，或者采用后將會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。由于目前工業(yè)潤(rùn)滑劑90％以上以流體為主，所以這里主要討論潤(rùn)滑油的問(wèn)題。我們仔細(xì)考慮丁工業(yè)對(duì)滑油的眾多要求．將其歸納為以下三大類(lèi)：l流動(dòng)性能、2摩擦特性和應(yīng)用特性。
一、潤(rùn)滑劑(油)的流動(dòng)性(流體動(dòng)力學(xué))
眾所周知潤(rùn)滑油要有足夠的粘度使運(yùn)動(dòng)中的摩擦副隔離。潤(rùn)滑油粘度過(guò)小，則起不了潤(rùn)滑，粘度過(guò)火，則會(huì)造成能耗損失。合適的粘度，得取決于設(shè)備的工況和摩擦副材料。較精確的粘度獲取可按道遜(Dawson)公式計(jì)算，一般情況下則參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。工業(yè)實(shí)際中按設(shè)備卡指定的數(shù)值最可靠。潤(rùn)滑油粘度通常以ISOVG規(guī)格表征，即40~C時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度大小。
由于潤(rùn)滑劑(油)的粘度不是一成不變的，它受溫度、剪切應(yīng)力等因素會(huì)有變化，以至機(jī)械運(yùn)動(dòng)也會(huì)受之影響。這就對(duì)潤(rùn)滑劑提出了流變性要求。
1、溫度的影響
溫度升高粘度會(huì)下降，這種變化特性，在40℃以上的波動(dòng)一般以vl粘度指數(shù)表示。石蠟基油(大慶油)V1可以達(dá)到90，可以滿(mǎn)足熱帶、亞熱帶行駛的卡車(chē)或室內(nèi)運(yùn)行的普通軸承、齒輪液壓基礎(chǔ)件潤(rùn)滑的要求。環(huán)烷基油(新疆油)的基礎(chǔ)粘度要低得多，對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)要差一些。精密機(jī)械、轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、航空液壓起落架、精密液壓系統(tǒng)的潤(rùn)滑油v1則要求100以上。vl越高，運(yùn)行越平穩(wěn)。
2、低溫流動(dòng)性
0℃以下的環(huán)境，油的粘溫性能不能以vI表征，必須以低溫粘度和傾點(diǎn)表示�！皟A點(diǎn)”僅表示在此溫度下油品將失去流動(dòng)性，是低溫流動(dòng)性的最低要求。在傾點(diǎn)以上潤(rùn)滑油可以流動(dòng)和潤(rùn)滑。低溫環(huán)境下潤(rùn)滑油流變性確切的表達(dá)應(yīng)以低溫粘度表示。
工業(yè)潤(rùn)滑中，汽車(chē)機(jī)油為保證迅速啟動(dòng)，其低溫粘度(不大于3500C. P.)的要求是：SAE5W≯25℃，SAE10W≯-20℃：航空液壓油V-50℃≯2000C．P．在上述二例中對(duì)潤(rùn)滑油的粘溫特性要求是相當(dāng)高的，石油基油單組份是達(dá)不到。
生產(chǎn)這些高粘溫性油品，目前主要是采用低傾點(diǎn)、低粘度礦油再添加線性高聚物(即粘度指數(shù)添加劑)來(lái)制成的。該類(lèi)稠化油品比較經(jīng)濟(jì)，但屬于典型的非牛頓流體(又稱(chēng)稠化油或多級(jí)油)。稠化油的粘度增高是靠高聚物分子的彈力，當(dāng)載荷或剪應(yīng)力大干彈力時(shí)，增高的粘度就會(huì)傷失。添加的高聚物越多，vI越高(甚至可制成高于266的航空液壓油)。在分子彈性范圍內(nèi)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)可以非常平穩(wěn)。但必須注意．超載荷下它們就失效了，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械損壞。
高質(zhì)量的合成油、聚a烯油、多元醇酯，也有優(yōu)良的粘溫性(VI>100)和低溫流動(dòng)性，價(jià)格要比稠化油貴4倍以上，但它們是牛頓型流動(dòng)，隨載荷或剪應(yīng)力升高粘度基本不受影響，因此可以彌補(bǔ)“稠化油”的缺點(diǎn)。
在特殊場(chǎng)合，如美空軍第三代第四代戰(zhàn)斗機(jī)的起落架已不采用“稠化”型液壓油，而是采用多元醇酯合成油。高品質(zhì)的德國(guó)高級(jí)轎車(chē)機(jī)油也不采用稠化油。最近我們以植物油為原料臺(tái)成了新型可生物降解的合成油，它比多元醇酯油有更好的低溫性(傾點(diǎn)一45℃．VG100)，也同屬牛頓流體，其實(shí)用效果尚待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。
此外，潤(rùn)滑脂是特例，它是典型的“非牛頓型”流體．受載瞬時(shí)有流動(dòng)性，停轉(zhuǎn)時(shí)即凝固，非常適用于滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑。通常在它的基礎(chǔ)油傾點(diǎn)以F(20℃以?xún)?nèi))能夠啟動(dòng)。
廣泛用于切削加工的潤(rùn)滑劑多數(shù)采用水基。鋼廠防火抗燃液壓系統(tǒng)也有采用高分子稠化的水乙二醇液壓液、其粘液性非常好，但非牛頓性太強(qiáng)，其高分子提供的粘度幾乎沒(méi)有承載能力， 水基潤(rùn)滑主要是取其冷卻和抗燃效果好。它的潤(rùn)滑效果主要依靠摩擦學(xué)添加劑。
由以上可知，潤(rùn)滑劑的流體力學(xué)特性是工業(yè)潤(rùn)滑首選必要的特性。
二、摩擦學(xué)特性
輕載荷或比壓小的機(jī)械，例如精密機(jī)械儀表、普通機(jī)床、高速低載齒輪、汽輪機(jī)滑動(dòng)軸承以及低壓油泵等場(chǎng)合，只要潤(rùn)滑油粘溫性臺(tái)直，摩擦副不大會(huì)發(fā)生磨損等機(jī)械損傷(也就是通常所說(shuō)的流體潤(rùn)滑條件．膜厚比λ=h／6，λ≥3)。此時(shí)摩擦力、動(dòng)力消耗僅取決于滑油粘度，但是機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)107循環(huán)后，疲勞點(diǎn)蝕仍有可能發(fā)生。
載荷比壓較大的機(jī)械(當(dāng)膜厚比λ＜1＝，高壓油泵、發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸凸輪．中載以上齒輪、滾動(dòng)軸承、切削加工等工況，由于邊界摩擦?xí)r摩擦力明顯升高，且有機(jī)械磨損、擦傷、膠合等機(jī)械損傷發(fā)生可能．單依靠提高潤(rùn)滑油粘度己無(wú)法避免。
在這種潤(rùn)滑條件卜采用摩擦學(xué)添加劑非常有效，但添加劑必須按其特性“對(duì)癥下藥”．切忌濫用。
1、降低摩擦系數(shù)添加劑(節(jié)能劑)
工業(yè)實(shí)際中分為以下幾類(lèi)具體情況：A)輕載條件下，有動(dòng)植物油脂，脂肪胺等油性添加劑：B)中載以上機(jī)械可采用層狀結(jié)構(gòu)納米添加劑(如30納米以F的M占。．石墨、聚四氟乙烯、氟化石墨等)，其減摩節(jié)能效果明顯，但有不穩(wěn)定易分層聞?lì)}； c)可發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，能生成鉬硫化物的有機(jī)添加劑(如氨磺酸鑰等)．或能生成摩擦聚合物的添加劑等。
2、抗磨劑
六十年前就發(fā)現(xiàn)環(huán)烷酸鉛和硫化鯨魚(yú)油用在極壓齒輪油具有明顯的抗磨性，近年來(lái)因?yàn)榄h(huán)保問(wèn)題現(xiàn)已禁止使用。“xx霸”公司的與之類(lèi)型相似。二戰(zhàn)至今，仍有效在用的是二烷基硫磷鋅(zDTP)，至今仍在抗磨液壓油，齒輪油和車(chē)用機(jī)油中繼續(xù)廣泛使用。添加ZDTP的液壓油，高壓油泵試驗(yàn)總磨損可自1000mg下降至50mg。另外．ZDTP與硫化烯烴極壓劑復(fù)合后可在極壓齒輪油中有效防止磨損膠合。它們?cè)?jīng)使首批“上海牌轎車(chē)”雙曲線齒輪的壽命由2000公里壽命延長(zhǎng)至25000公里。但ZDTP有遇水易分解、不耐高溫(80℃開(kāi)始分解)、易乳化等缺點(diǎn)。八十年代之后發(fā)展的硫磷型無(wú)灰劑(Lubrizol C0)以及磷氨型無(wú)灰抗磨劑(上大)克服了ZDTP的問(wèn)題，高壓油泵試驗(yàn)總磨損進(jìn)一步降到30mg以下。這些添加劑的作用原理是在邊界摩擦接觸的局部高溫不斷產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)保護(hù)膜和抗磨的無(wú)機(jī)沉積屠。沉積層的厚度可由數(shù)納米到數(shù)十納米，它們有效地抵抗了摩擦。
眾多的抗磨劑反應(yīng)后產(chǎn)生的沉積層種類(lèi)很多。有軟金屬型(鋅、錫、銅等)、硫化鉬減磨型、硫化鐵、氯化亞鐵、磷酸鐵極壓型。這些有機(jī)抗磨或極壓劑在油中透明穩(wěn)定，摩擦反應(yīng)產(chǎn)生的納米沉積層經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)其實(shí)際效果比預(yù)先制成的相應(yīng)納米荊更好。近期不斷有報(bào)道采用超硬質(zhì)的納米材料作為抗磨減摩劑，它們有納米金剮石和稀十，確一定的效果．其作用可能是拋光和沉積物鑲嵌在摩擦面縫隙中起提高硬度和降低粗糙度的效果。
但必須指出，多數(shù)的抗磨極壓添加劑，對(duì)于錒對(duì)鋼摩擦副是有效的，而對(duì)于有色金屬摩擦副不一定有效。特別是臺(tái)硫的添加劑通常對(duì)銅摩擦副易腐蝕或效果不佳，它們對(duì)于工程塑料之類(lèi)的非金屬副更無(wú)作用。
對(duì)于非金屬材料、有邑金屬的潤(rùn)滑，采用某些納米減磨添加劑，摩擦聚臺(tái)型添加劑有顯著的抗磨或節(jié)能作用。
抗磨極壓劑的適用場(chǎng)合有：①汽輪機(jī)滑動(dòng)軸承用油不加任何添加劑；②80kg／cm2壓力以上油泵采用抗磨液壓油潤(rùn)滑．應(yīng)添加ZDTP或無(wú)灰型磷氨抗磨劑；③中、高極壓齒輪油應(yīng)添加硫磷型抗磨極壓添加劑或納米型硼粉鹽抗磨劑：④發(fā)動(dòng)機(jī)油需添加ZDTP抗磨劑；⑤金屬冷擠壓加工或切削油可采用油性和含氯極壓劑；⑥極壓潤(rùn)滑脂可添加Mo2S、累四氟乙烯、石墨、軟金屬粉等。
三、應(yīng)用要求的特性
在工業(yè)潤(rùn)滑現(xiàn)場(chǎng)，除了粘度、摩擦學(xué)特性之外還有許許多多的特殊要求，統(tǒng)稱(chēng)為應(yīng)用要求。歸納之下可分下面幾個(gè)主要部分：
l安全性應(yīng)符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：考核指標(biāo)主要有燃點(diǎn)、閃點(diǎn)、毒性等；
2抗腐蝕性：對(duì)摩擦副材料(銅、鐵等)無(wú)腐蝕；防銹性、酸僵等指標(biāo)要合格；
3環(huán)保要求：如對(duì)尾氣排放影響，切削液排放標(biāo)準(zhǔn)等：
4抗氧化性：同油品壽命有關(guān)
5高溫抗結(jié)焦性一清凈分散性，此為發(fā)動(dòng)機(jī)油主要指標(biāo)
6油水分離性—抗乳度。鋼鐵廠、采礦廠有特殊要求，要求油水分離快
7抗泡沫性好
8具體應(yīng)用單位的其他要求等。
應(yīng)用性要求隨工廠、氣候工況、地域等而多種多樣。工業(yè)潤(rùn)滑劑的應(yīng)用必須了解這些特殊要求并主動(dòng)配合，正確選擇。
現(xiàn)代工業(yè)潤(rùn)滑劑的實(shí)際應(yīng)用必須同現(xiàn)場(chǎng)密切配臺(tái)。初選潤(rùn)滑油時(shí)，只有當(dāng)上述三項(xiàng)基本要求都能符臺(tái)才能進(jìn)入試用．但有時(shí)可能還有不可預(yù)料情況發(fā)生，屆時(shí)應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)找出原因．對(duì)選用的潤(rùn)滑劑作進(jìn)一步修正，甚至專(zhuān)門(mén)配制，以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求。
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