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潤(rùn)滑油油膜到底有多重要？

2024-03-23

潤(rùn)滑油油膜是保護(hù)機(jī)器內(nèi)部組件減少磨損的重要性能之一，而油膜的強(qiáng)度主要取決于潤(rùn)滑油使用的基礎(chǔ)油和添加劑。本文將帶你一起來看看潤(rùn)滑劑油膜強(qiáng)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(rùn)滑，你會(huì)想到什么？它應(yīng)該是先產(chǎn)生一層有厚度的膜，從而去分離兩個(gè)金屬表面的基礎(chǔ)油，因?yàn)闈?rùn)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(gè)支撐因素——相對(duì)速度、基礎(chǔ)油粘度和負(fù)荷量。這三個(gè)因素也會(huì)受到溫度、污染以及其它因素的影響。當(dāng)油膜厚度平衡了這些因素，即借助于相對(duì)速度產(chǎn)生粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開，由流體膜產(chǎn)生的壓力來平衡外載荷，就稱為流體動(dòng)力潤(rùn)滑。

在具有滾動(dòng)接觸（可忽略的相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)）的應(yīng)用中，即使具有較大的局部壓力點(diǎn)，也可能會(huì)影響金屬表面間的油膜厚度。其實(shí)這些壓力點(diǎn)也起著重要作用。基礎(chǔ)油的壓力和粘度關(guān)系允許油品粘度因較高的壓力而暫時(shí)性增加，這稱為彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑，盡管油膜會(huì)很薄，但依然能產(chǎn)生一個(gè)完整的油膜分離。

在實(shí)踐當(dāng)中，機(jī)器表面理想的狀態(tài)就是能實(shí)現(xiàn)完全分離，薄膜厚度就是為減少摩擦和磨損提供好的保護(hù)。但是如果不具有滿足這些油膜厚度的條件，例如當(dāng)相對(duì)流速不足、粘度不足或負(fù)載過大時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況呢？其實(shí)大多數(shù)機(jī)器的設(shè)計(jì)和操作參數(shù)都允許速度不足的情況存在，比如在啟動(dòng)、停止或方向運(yùn)動(dòng)變化時(shí)。當(dāng)溫度過高也會(huì)導(dǎo)致粘度降低，過度污染同樣會(huì)使得油膜間隙中的磨粒接觸。

當(dāng)流體動(dòng)力學(xué)或彈性流體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑的先決條件未滿足時(shí)，基礎(chǔ)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(chǔ)油和添加劑就被調(diào)和在一起生產(chǎn)出符合特定需求的潤(rùn)滑油脂產(chǎn)品，從而減輕預(yù)期會(huì)產(chǎn)生的邊界潤(rùn)滑，該潤(rùn)滑劑就具有油膜強(qiáng)度和邊界潤(rùn)滑性能。

2　說說油膜的作用

油膜的強(qiáng)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(dòng)力學(xué)和彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑中，粘度是影響油膜厚度的關(guān)鍵。當(dāng)基礎(chǔ)油粘度不足以克服金屬間表面摩擦?xí)r，就需要基礎(chǔ)油和添加劑產(chǎn)生化學(xué)協(xié)同效應(yīng)，形成表面保護(hù)機(jī)理。在這些邊界條件下，邊界潤(rùn)滑也會(huì)受到機(jī)械表面化學(xué)和物理性質(zhì)以及其它任何環(huán)境因素的影響，所以即使在負(fù)載較重、溫度較高或相對(duì)表面速度較低時(shí)，油膜強(qiáng)度也會(huì)有所提高。

3　無潤(rùn)滑的表面相互作用

如果你在顯微鏡狀態(tài)下的分子水平觀察機(jī)械接觸表面，你將發(fā)現(xiàn)即使它們被加工得非常光滑，但實(shí)際依然是相對(duì)粗糙的。這就如同宇航員從遙遠(yuǎn)的空間角度看，地球是一個(gè)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?yàn)?，?dāng)兩個(gè)金屬表面接觸時(shí)，實(shí)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點(diǎn)，低的粗糙面接觸率較低。這些粗糙表面會(huì)因金屬的相應(yīng)剪切強(qiáng)度而出現(xiàn)彈性變形。因此初始接觸點(diǎn)首先產(chǎn)生彈性變形，之后更多的接觸點(diǎn)將連接起來，實(shí)際接觸面積會(huì)隨著負(fù)荷強(qiáng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)受到幾個(gè)影響參數(shù)而產(chǎn)生阻力的過程。大多數(shù)人認(rèn)為表面粗糙度是產(chǎn)生摩擦的主要因素，然而，當(dāng)考慮到實(shí)際接觸面積可能小于表觀接觸面積的1%時(shí)，實(shí)際的粗糙度就變得不太重要了。造成摩擦的原因應(yīng)該是在粗糙接觸的分子水平上發(fā)生粘結(jié)的結(jié)果。

5　磨損是怎樣產(chǎn)生的

在金屬表面潤(rùn)滑膜厚度不足的情況下，粗糙接觸點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致冷焊，這是膠著磨損的先決因素。這些粗糙點(diǎn)上的粘附經(jīng)歷了加固硬化過程，因此，剪切點(diǎn)一般發(fā)生在金屬未被強(qiáng)化的粗糙接觸點(diǎn)以下層面。作為金屬剪切，粗糙的尖端要么被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，要么被分解成一個(gè)磨粒。

粘附通常被認(rèn)為是機(jī)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(dǎo)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(chǎn)生鋒利的表面接觸點(diǎn)而引起。

在滾動(dòng)接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面疲勞，疲勞機(jī)理來源于工作表面或表層內(nèi)部形成裂紋并擴(kuò)展而成，表面軋制條件下的高應(yīng)力會(huì)導(dǎo)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(chǔ)油中加入少量調(diào)配，具有促進(jìn)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與產(chǎn)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(dāng)機(jī)器表面與較高的壓力和溫度相互作用時(shí)，添加劑則通過在機(jī)器表面產(chǎn)生更具延展性的初始分子層來減輕金屬對(duì)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(qiáng)度，成為“犧牲品”。初始層可以通過使?jié)櫥瑒┑妮^弱分子鍵與金屬和金屬間粗糙邊界條件作用產(chǎn)生強(qiáng)鍵的力釋放，從而減輕摩擦。低剪切強(qiáng)度薄膜的形成也受基本原料的類型和機(jī)械表面冶金的影響。

有三種類型的潤(rùn)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(jìn)劑、抗磨添加劑和極壓添加劑。

① 摩擦改進(jìn)劑

極性化合物如添加到基礎(chǔ)油中的脂肪酸，通過形成皂膜，在低滑動(dòng)速度下減少摩擦。它們通常用于對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性有要求的部件，以減少低速時(shí)的摩擦和粘滑，如在發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器中使用。它們有抗磨添加劑的作用，但在輕負(fù)荷時(shí)比抗磨劑更有效，并且不要求高溫條件。然而，當(dāng)金屬表面對(duì)脂肪酸反應(yīng)更強(qiáng)生成金屬皂時(shí)，分解溫度會(huì)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)?？鼓ヌ砑觿┰诟叩臏囟认聟s更有效，高溫下它們會(huì)變得更活躍并產(chǎn)生阻隔膜。ZDDP添加劑已被廣泛用于磨損保護(hù)，也可作為油中的抗氧化劑。

③ 極壓添加劑（抗磨添加劑）

當(dāng)表面溫度過高時(shí)，摩擦改進(jìn)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，是高溫條件下好的選擇。這些添加劑能形成低剪切強(qiáng)度的皂狀薄膜與金屬表面發(fā)生反應(yīng)，并能承受相當(dāng)高的溫度。雖然這個(gè)反應(yīng)有利于油膜的生成，但也有可能導(dǎo)致更多反應(yīng)性金屬的化學(xué)腐蝕，所以需謹(jǐn)慎操作。

寫在文后

當(dāng)潤(rùn)滑不良或潤(rùn)滑不良的機(jī)器表面滑動(dòng)接觸時(shí)，實(shí)際接觸壓力點(diǎn)上的物理分子相互作用是需要注意的。在機(jī)器表面的這種分子作用下，邊界條件會(huì)受到許多物理和化學(xué)原理的約束。當(dāng)添加劑化合物被選擇用于油膜強(qiáng)度保護(hù)時(shí)，必須注意機(jī)器表面氧化、腐蝕、化學(xué)吸收和其它化學(xué)反應(yīng)作用的平衡。

金屬表面上的這些摩擦和磨損控制添加劑膜降低了接觸點(diǎn)處的剪切強(qiáng)度。低剪切強(qiáng)度膜在物理相互作用中被“犧牲”，用以保護(hù)表面不受粘著、磨粒和疲勞磨損的影響。這些亞微米薄膜隨著它們更接近金屬表面而具有從液體到固體的特性。雖然基礎(chǔ)油是流體動(dòng)力學(xué)和彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑用來保護(hù)機(jī)器表面的首選材料，但邊界條件依然存在。因此，為了不受邊界條件的限制，應(yīng)使用合適的并具有摩擦和磨損控制性能的添加劑配方來調(diào)和潤(rùn)滑劑，才能在合理的限度范圍內(nèi)保證與機(jī)械相互作用成比例的油膜強(qiáng)度。

來源：潤(rùn)滑圈

（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）