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潤滑油膜到底有多重要?
時間:2018-10-29

潤滑油油膜是保護機器內部組件減少磨損的重要性能之一,而油膜的強度主要取決于潤滑油使用的基礎油和添加劑。本文將帶你一起來看看潤滑劑油膜強度的重要性及影響油膜效果的主要因素。

1.油膜的厚度

說到潤滑,你會想到什么?它應該是先產生一層有厚度的膜,從而去分離兩個金屬表面的基礎油,因為潤滑油的作用就是為了避免金屬間的表面接觸。所以在這種需求下,油品就必須能提供摩擦表面分離的能力,這就需要三個支撐因素——相對速度、基礎油粘度和負荷量。這三個因素也會受到溫度、污染以及其它因素的影響。當油膜厚度平衡了這些因素,即借助于相對速度產生粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開,由流體膜產生的壓力來平衡外載荷,就稱為流體動力潤滑。


在具有滾動接觸(可忽略的相對滑動運動)的應用中,即使具有較大的局部壓力點,也可能會影響金屬表面間的油膜厚度。其實這些壓力點也起著重要作用。基礎油的壓力和粘度關系允許油品粘度因較高的壓力而暫時性增加,這稱為彈性流體動力潤滑,盡管油膜會很薄,但依然能產生一個完整的油膜分離。


在實踐當中,機器表面最理想的狀態就是能實現完全分離,薄膜厚度就是為減少摩擦和磨損提供最好的保護。但是如果不具有滿足這些油膜厚度的條件,例如當相對流速不足、粘度不足或負載過大時,會發生什么情況呢?其實大多數機器的設計和操作參數都允許速度不足的情況存在,比如在啟動、停止或方向運動變化時。當溫度過高也會導致粘度降低,過度污染同樣會使得油膜間隙中的磨粒接觸。


當流體動力學或彈性流體動力學潤滑的先決條件未滿足時,基礎油將要在所謂的邊界接觸條件下尋求支撐,這種支撐因素就需要尋找具有摩擦磨損控制性能的添加劑。因此,基礎油和添加劑就被調和在一起生產出符合特定需求的潤滑油脂產品,從而減輕預期會產生的邊界潤滑,該潤滑劑就具有油膜強度和邊界潤滑性能。


2.說說油膜的作用

油膜的強度是除了油膜厚度以外,用以減輕摩擦和控制磨損的重要因素。如上所述,在流體動力學和彈性流體動力潤滑中,粘度是影響油膜厚度的關鍵。當基礎油粘度不足以克服金屬間表面摩擦時,就需要基礎油和添加劑產生化學協同效應,形成表面保護機理。在這些邊界條件下,邊界潤滑也會受到機械表面化學和物理性質以及其它任何環境因素的影響,所以即使在負載較重、溫度較高或相對表面速度較低時,油膜強度也會有所提高。


3.無潤滑的表面相互作用

如果你在顯微鏡狀態下的分子水平觀察機械接觸表面,你將發現即使它們被加工得非常光滑,但實際依然是相對粗糙的。這就如同宇航員從遙遠的空間角度看,地球是一個完美光滑的球體,而站在地球表面的人則看到地球是充滿了高高低低的山脈和山谷一樣。


這是因為,當兩個金屬表面接觸時,實際接觸面積將顯著低于表觀接觸面積。從顯微鏡下的“微觀山”看,這些接觸表面都是凹凸的最高點,低的粗糙面接觸率較低。這些粗糙表面會因金屬的相應剪切強度而出現彈性變形。因此初始接觸點首先產生彈性變形,之后更多的接觸點將連接起來,實際接觸面積會隨著負荷強度的增加而增加。


4.什么是摩擦

摩擦就是相互作用的表面滑動運動受到幾個影響參數而產生阻力的過程。大多數人認為表面粗糙度是產生摩擦的主要因素,然而,當考慮到實際接觸面積可能小于表觀接觸面積的1%時,實際的粗糙度就變得不太重要了。造成摩擦的原因應該是在粗糙接觸的分子水平上發生粘結的結果。


5.磨損是怎樣產生的

在金屬表面潤滑膜厚度不足的情況下,粗糙接觸點可能會導致冷焊,這是膠著磨損的先決因素。這些粗糙點上的粘附經歷了加固硬化過程,因此,剪切點一般發生在金屬未被強化的粗糙接觸點以下層面。作為金屬剪切,粗糙的尖端要么被轉移到另一個表面,要么被分解成一個磨粒。


粘附通常被認為是機械磨損的初始形式。由于除了磨粒本身的磨損外還存在外部來源的磨損,導致磨粒磨損變得更具破壞性,這種形式的磨損稱為三體磨損。而兩體磨損則是由于切割或刨削產生鋒利的表面接觸點而引起。


在滾動接觸時會產生表面疲勞,疲勞機理來源于工作表面或表層內部形成裂紋并擴展而成,表面軋制條件下的高應力會導致疲勞磨損。


6.如何控制摩擦磨損?

摩擦磨損控制添加劑在基礎油中加入少量調配,具有促進金屬表面吸附的極性。由于相互作用的條件,這些吸附力與表面發生化學反應,與產生足夠的油膜厚度條件成反比:較高的壓力和較高的溫度。


當機器表面與較高的壓力和溫度相互作用時,添加劑則通過在機器表面產生更具延展性的初始分子層來減輕金屬對金屬接觸(磨損)的影響,這些摩擦控制層直接降低接觸過程中的剪切強度,成為“犧牲品”。初始層可以通過使潤滑劑的較弱分子鍵與金屬和金屬間粗糙邊界條件作用產生強鍵的力釋放,從而減輕摩擦。低剪切強度薄膜的形成也受基本原料的類型和機械表面冶金的影響。


有三種類型的潤滑油添加劑有助于減少摩擦和控制磨損,它們分別是摩擦改進劑、抗磨添加劑和極壓添加劑。


① 摩擦改進劑

極性化合物如添加到基礎油中的脂肪酸,通過形成皂膜,在低滑動速度下減少摩擦。它們通常用于對燃油經濟性有要求的部件,以減少低速時的摩擦和粘滑,如在發動機或變速器中使用。它們有抗磨添加劑的作用,但在輕負荷時比抗磨劑更有效,并且不要求高溫條件。然而,當金屬表面對脂肪酸反應更強生成金屬皂時,分解溫度會更高。


② 抗磨添加劑

這些極性化合物通常是以硫或磷為主,如二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)類型的添加劑,它們被研制成只在邊界條件下與金屬表面發生化學反應。抗磨添加劑在更高的溫度下卻更有效,高溫下它們會變得更活躍并產生阻隔膜。ZDDP添加劑已被廣泛用于磨損保護,也可作為油中的抗氧化劑。


③ 極壓添加劑(抗磨添加劑)

當表面溫度過高時,摩擦改進劑甚至抗磨添加劑的作用都開始減弱。極壓添加劑也是以硫和磷為主,是高溫條件下最好的選擇。這些添加劑能形成低剪切強度的皂狀薄膜與金屬表面發生反應,并能承受相當高的溫度。雖然這個反應有利于油膜的生成,但也有可能導致更多反應性金屬的化學腐蝕,所以需謹慎操作。

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