（机械设计及理论专业论文）高温润滑脂性能生成及相关机理研究.pdf

1 卜 丫 审 中南大学硕士论文 摘要 随着现代工业中高温、重负荷、高速度机械设备的迅速发展，机 械设备对润滑脂的要求也越来越高，需要兼具优良的高温稳定性和极 压性的多效润滑脂。复合锂基脂兼具耐高温和多效用的特点，是目前 世界润滑脂发展的一个重要的方向。 我国的润滑脂工业起步较晚，虽然发展较快，但是目前高温润滑 脂发展比较落后。同国外润滑脂相比，各项性能指标有较大的差距， 例如耐高温性、摩擦学性能等。因此研究高温润滑脂对于加快我国润 滑脂工业的发展具有重要意义。 本文研究了影响润滑脂滴点、摩擦学性能、铜片腐蚀及蒸发损失 量的因素，并对其影响的机理进行了初步分析，主要工作如下： 通过扫描电镜观察润滑脂的纤维照片发现：纤维的尺寸越大，发 育越好，润滑脂的滴点越高： 研究了影响润滑脂滴点的因素：基础油在润滑脂纤维表面的吸附 强度越大，润滑脂的滴点越高：能够促进纤维对基础油吸附能力的添 加剂，对滴点有促进作用： 研究了超细w s ：粉末和超细铜粉对润滑脂摩擦学性能的影响：在低 载荷下，两种粉末都起到填平摩擦副基材表面凹处的作用，在高载荷 下，摩擦表面生成一层具有低剪切系数的反应膜： 通过x f s 分析了加硫润滑脂摩擦学性能提高的原因：在摩擦过程中， 在摩擦副的表面生成了f e s ，降低了摩擦系数： 研究了影响润滑脂锥入度的因素，讨论了基础油、添加剂、温度和 生产工艺对锥入度的影响：分析润滑脂产生铜片腐蚀的原因：润滑脂 本身不会对铜片产生腐蚀，是润滑脂氧化产物及添加剂产生了腐蚀作 用。 关键词：高温润滑脂，滴点，纤维，二硫化钨 中青大学壤士论文 a b s t r a c t t h e r a p i d l yd e v e l o pm a c h i m z ye q u i p m e n t s u s e di n h i g h t e m p e r a t u r e 、h e a v yl o a da n dh i g hs p e e dn e e dg o o dm u l t i - e f f e c tg r e a s e w i t ha n t i - h i 醢t e m p e r a t u r ea n de x t r e m ep r e s s u r ep r o p e r t i e s 。c o m p l e x l i t h i u mg r e a s ew i t hr e s i s t a n tt oh i g l it e m p e r a t u r ea n dm u l 咖l ee f f i c i e n c y i so n eo f t h eb e s ti na l lg r e a s e s ，a n di t sd e v e l o p m e n ti sa ni m p o r t a n tt r e n d o f g r e a s ew o r l d d e v e l o p m e n to f c h i n e s eg r e a s ei n d u s t r yb e g a nl a t t e rt h a nd e v e l o p e d c o u n t r i e s t h o u g hi td e v e l o p sq u i c k l y , b u tt h eh i 曲t e m p e r a t u r eg r e a s e 盎i l sb c h i n d ，w h i c hp e r f o r m a n c e sa 站m u c hw o r s et h a nf o r e i g ng r e 鑫s e ， s u c ha sr e s i s t a n tt oh i 曲t e m p e r a t u r ea n dt r i b o l o g yp e r f o r m a n c e s o ，i ti s i m p o r t a n tf o rd e v e l o p m e n to fc h i n e s eg r e a s ei n d u s t r yt or e s e f l a c hh i 曲 t e m p e r a t u r eg r e a s e i nt h i s p a p e r , t h ef a c t o r s w h i c he f f e c t d r o pp o i n t 、t h b o l o g y p e r f o r m a n c e 、c o r r o s i v e n e s st oc o p p e ra n dw i m b l ei n - d e g r e e a l e r e s e a r c h e d ；m e c h a n i s m sa r ea n a l y z e da n dm o s t l yw o r ka sf o l l o w s ： l 。t h r o u g hs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ep i c t u r e , w ef i n dt h a tt h eb i g f i b e rs i z e ，g r o w t hb e t t e r , t h eh i g h e rd r o pp o i n t 。 2 s t u d yt h ef a c t o r se f f e c tt h ed r o pp o i n t ：t h eb i ga b s o r bi n t e n s i t yo f b a s i co i lt of i b e r , t h em o r eh i 曲d r o pp o i n t t h ea d d m v ew h i c hc a n a c c e l e r a t ea b s o r ba b i l i t yo f f i b e rc a ni n c r e a s et h ed r o pp o 融t 3 w ea n a l y z et h el u b r i c a t i n gm e c h a n i s mo f w s 2 a n dc o p p e rp o w d e r ：i n l o wl o a dc o n d i t i o n , w s 2a n dc o p p e rp o w d e rc a nf i l la n dl e v e lu pt h e c o n c a v eo fm a t e r i a ls u r f a c e ；i nh i 醢l o a dc o n d i t i o n ，t h ef r i c t i o ns u r f a c e c r e a t eaf l a to f 蠡l mw i t hl o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ； 4 w ea n a l y z et h ep r o d u c ti ns t e e lb a h ss u r f a c e ，f m dt h a tf e si sp r o d u c e d i tr e d u c e 掰c t l o nc o e f f i c i e n t ； 5 。r e s e a r c ht h ef a c t o ra f f e c tw i m b l ei n - d e g r e e , s u c ha sb a s i co i l 、 a d d i t i v e 、t e m p e r a t u r ea n dp r o d u c et e c h n i q u e s ；a n a l y z et h e r e a s o n p r o d u c i n gc o r r o s i v e n e s s t o c o p p e r ：l u b r i c a t eg r e a s e i t s e l fc o u l d n t p r o d u c ec o r r o s i v e r l e s s ，b u t t h ea d d i t i v ea n di t so x i d ec a np r o d u c e c o r r o s i v e n e s s 珏 t e m p e r a t u r el u b r i c a t i n gg r e a s e ，d r o pp o i n t ，f i b e r , i i i f i ， ， til ，。够 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：貉咯至日期：翌年厶笪日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：丽嘎巫导师签名丝碰坠日期：2 叠年上月兰缅 中南大学硕士论文概论 第一章概论 1 1 高温润滑脂的现状与发展 1 1 1 国内外润滑脂的生产现状 润滑脂的品种结构是现代润滑脂工业水平的标志之一啪我国润滑脂工业经 过5 0 多年的发展，在产品品种、质量、生产设备、工艺及分析方法、性能评定 等方面经历了一个从无到有、从低到高的过程。目前，润滑脂生产技术已发展到 一个新水平，其产品品种、产量基本满足国内市场需求圆。 国内润滑脂产量多年来稳定在6 5 x 1 0 7 o x l 0 4 吨。1 9 9 9 年我国润滑脂产 量为6 5 4 1 5 吨，成为世界上居第三位的润滑脂生产大国嘲。特别是从1 9 8 9 年到 1 9 9 9 年l o 年间，我国锂基脂从占润滑脂生产总量的2 1 9 6 发展到6 0 2 4 ， 到2 0 0 1 年。达到7 0 3 3 ，取得了长足的发展。润滑脂产量大幅度上升，产品结构 发展方向与世界一致。 表1 一i1 9 9 9 年中国及世界润滑脂的产品构成 润滑屠品种中国全世界羹田欧洲印度日本拉丁美洲垂洲中东 铝基磨常规清点 1 8 0 。o 所占比例偏低，仅为9 1 2 0 a 阿，设备关键部位所用的润滑脂仍依 赖进口。 目前，我国的润滑脂品种虽然已超过2 5 0 种溯，但是多效用，高滴点，长寿 命的复合皂基脂和聚脲脂所占比例还比较低从表1 - - 2 m 可以看出，我国5 种高 滴点润滑脂产量在3 年间增长幅度不大，特别是聚脲脂发展缓慢，仅为世界平均 水平的1 0 左右而随着现代工业的发展，机械设备发生了较大的变化，未来 润滑脂使用部门对润滑脂会提出“耐高温、抗极压、抗水淋、抗氧化、长寿命、 低灰分、甚至无灰分”等越来越高的要求，因此，高滴点、多效用润滑脂的开发 显得尤为重要。总之，现在国内润滑脂行业存在以下几个特点伽： 润滑脂总产量增加，其中钙基润滑脂产量降低，锂基润滑脂产量增加，显示 了世界润滑脂产品结构正在向先进水平发展。 与国外相比，我国润滑脂行业仍然存在着。一小、二少、三低”的问题。一 小”即年平均产量较小；“二少”即高性能润滑脂产品品种及产量少，润滑脂性 能评定试验方法标准及设备少；。三低”即润滑脂生产设备硬件质量、多数润滑 脂产品的应用性能、润滑脂包装设备及包装材料质量低于国际同类产品先进水 平 表1 21 9 9 7 1 9 9 9 年我国高滴点润滑脂比率( ) 1 1 3 高滴点、多效用润滑脂品种的发展 近代工业的发展，对润滑脂的品种与质量提出日益苛刻的要求，开发高滴点 2 中南大学硕士论文概论 ( 滴点 1 8 0 0 c ) 、多效用的润滑脂是当今世界润滑脂品种的发展方向，最具代表 性的高滴点、多效用润滑脂品种是复合锂基脂和聚脲润滑脂卧“o 复合锂基脂和聚脲脂是当今机械润滑所需的品种，有很好的发展的前景据 有关资料介绍，美国高滴点、多效用润滑脂发展最好，其高档脂比例已占该国总 产量的5 3 以上；其次是欧洲占2 3 7 ；日本为1 8 2 3 。美国复合锂基脂和聚 脲脂这两个品种所占比例之和已达3 7 以上；日本虽然复合锂基脂产量较低， 仅占总产量的0 2 3 ，但是其聚脲脂的产量却达到了1 4 4 7 而我国复合锂基 脂和聚脲脂这两个品种所占比例之和仅达4 4 8 “”。 脲基稠化剂不同于皂基稠化剂，它是聚脲系有机化合物。基本原料为有机胺 和有机酸酯，分子中不含金属离子，是一类热稳定性很好的稠化剂。由于它的特 殊结构，因而具有良好的耐高温性、抗酸性，抗碱性、抗水能力，以及较好的润 滑性和良好的胶体安定性，分油少，在高速剪切下反而变稠，适用于高转速和超 高转速润滑，燃烧后无灰，结焦少，是润滑脂的全能冠军n 叼。在国外，脲基脂早 已广泛应用于冶金、化工、通用机械、食品加工机械等领域。 欧洲和美国高滴点润滑脂品种的构成与发展 从表l 一3 中数据可以看出，复合锂基脂及高滴点润滑脂在其润滑脂生产 总量中所占的比列逐年增加，而其他类产品所占比例变化不大。 表 1 3 欧洲和美国高温润滑脂的构成 日本高滴点润滑脂品种的构成 日本高滴点润滑脂的发展情况见表1 - 4 n ”日本主要发展聚脲润滑脂，而复 合锂基润滑脂所占的比例很小。在发展高滴点润滑脂品种上，美国以复合锂基脂 为主，日本以聚脲润滑脂为主 我国高滴点润滑脂品种构成 近年来，我国高滴点润滑脂所占比例有所提高o ”，聚脲脂从无到有，逐年发 展但由于我国工业发展及机械设备落后等原因，高滴点、多效能润滑脂起步晚， 发展慢，且以复合钙基脂和复合铝基脂为主，品种结构至今还不够理想。 3 中南大学硕士论文概论 表1 4日本高温润滑脂构成 1 2皂基润滑脂的结构理论及观点 1 2 1 皂基润滑脂的理论 国内外的学者对皂基润滑脂的结构进行了大量的研究，提出了以下几种观 点：( 1 ) 皂油凝胶粒分散体理论 皂油凝胶粒分散体的概念是我国润滑行业先驱陈绍澧先生提出的【，其基 本观点如下： 皂基润滑脂是一个以油为分散介质和以含油的皂油凝胶粒子为分散相的二相 结构分散体系皂油凝胶粒子仍然是一个以油为分散介质的结构分散体系，但是 以皂分子聚结体为分散相。 基础油在润滑脂中以三种不同形式存在，即膨化油、毛细管吸附油和游离油。 皂基润滑脂结构的形成和皂一油体系相状态和聚结过程有密切的关系皂油 体系可以划分为四个相状态，即溶胶、凝胶、伪凝胶和悬浮体。 皂分子的羟基端在纤维内部相互吸引，羟基端指向纤维的表面，因而使纤维 的表面具有亲油性，皂纤维靠分子力和离子力互相吸引( 主要为分子力) 而形成 交错的网格骨架，使油被固定在结构骨架的空隙中，吸附在皂纤维的表面和膨化 在皂纤维的内部，从而形成润滑脂。 ii一 4 中南大学硕士论文概论 ( 2 ) 皂基润滑脂晶体理论 由于使用了电子显微镜技术，x - - 射线衍射技术及热分析技术，证明润滑脂 以皂晶体形式存在，皂在晶化过程中，形成皂纤维的大小、形状及数且，皂纤维 本身的强度及皂纤维接触点的强度都影响润滑脂结构骨架的强度。皂纤维的长度 和直径决定着润滑脂的最后结构特征单位体积的纤维表面积直接决定稠化能 力，稠化剂颗粒和皂纤维越细小，其稠化能力越强。 ( 3 ) 复合皂基润滑脂共结晶理论嘲 传统观点认为，复合皂是多价金属原子上连接着的两个不同的酸根。随着复 合锂的出现，认识到复合锂是单独脂肪酸皂同低分子盐，通过共结晶所形成的一 种胶体结构该共结晶理论是复合皂晶体和脂肪酸晶体在一定条件下在其有机羟 酸盐的极性晶体界面上发生强烈作用，这种晶体界面上的作用是负电子的羟基上 氧原子同锂离子问发生的静电引力，其结果使它在垂直方向上形成一层或者多层 共结晶，使纤维更加稳定，以至于复合皂晶体在高于脂肪酸皂晶体熔点很多时仍 不会熔化，从而使润滑脂获得高滴点的性质。n l g i 关于复合皂的定义忸1 卜嘲是； 在这种皂中，皂晶体或皂纤维是由两种或多种化合物共结晶形成的。这些化合物 中包括普通皂( 如硬脂酸的金属皂) 和复合剂( 如短链有机酸的金属盐) 。由复 合引起润滑脂的特性改变通常可由滴点的增加显示 i 2 2 锂基脂和复合锂基脂的特点 ( 1 ) 锂基脂的特点 锂皂由硬脂酸或1 2 一羟基硬脂酸与氢氧化锂反应即得锂皂，锂皂稠化基础油制一 成锂基脂。其特点如下： 锂基润滑脂，特别是1 2 一羟基硬脂酸锂皂稠化的润滑脂滴点较高，一般在 1 8 0 0 c 以上其使用温度比钙基脂高很多。因为锂基腊只有两个相变温度，第一 相变温度( 从伪凝胶态到凝胶态) 一般在1 7 0 。c 以上，第二个相交温度( 从凝胶 态到溶胶态) 一般在2 0 0 0 c 以上嘲。 锂基润滑脂，特别是1 2 一羟基硬脂酸锂稠化的润滑脂具有良好的机械安定 性。可以通过电子显微镜观察到其纤维形成双股、缠结在一起的带状。 锂基润滑脂具有较好的胶体安定性。通过气相色普法测定1 2 - - 羟基硬脂酸锂 皂和硬脂酸锂皂对烷烃的吸附热，发现1 2 - - 羟基硬脂酸锂对皂纤维表面液相的 结合强度，及对晶格内液相结合强度较大 碱金属中的锂对水的溶解度比较小，因此，锂基脂具有较好的抗水性，可以 使用于潮湿和与水接触的机械部位。 锂皂，特别是1 2 一羟基硬脂酸锂皂，对矿物油或合成油的稠化能力都比较强， 因此，与钙基脂、钠基脂相比，稠化剂用量可以减少约1 3 ，而使用寿命可以 5 中南大学硕士论文概论 延长一倍以上并且。皂的稠化能力越强，所制的润滑脂的滴点越高，所以，可 以获得高滴点的润滑脂。 锂基润滑脂的摩擦系数较低，具有良好的减摩抗磨作用。表l 一6 伽列出几种 润滑脂的摩擦系数 表l 一6几种脂的摩擦系数 ( 2 ) 复合锂基脂的特点 复合锂皂大约分为三类：一类是脂肪二元酸( 主要是癸二酸、壬二酸、己 二酸) 同1 2 一羟基硬脂酸的复合锂皂；二类是无机酸如硼酸、磷酸同1 2 - - 羟基 硬脂酸的复合锂；三类是在上述两种基础上又加入芳香酸如水杨酸、苯甲酸等。 但是在工业上取得最大进展的是第一类复合锂皂嘲同锂皂一样，复合锂皂不仅 对矿物油具有良好的稠化能力，而且对硅油、酯类油，聚醚、聚a 一烯烃均具有 良好的稠化能力嘲 复合锂基脂具有以下优点： 具有良好的耐高温性能，一般滴点大于2 6 0 。c ，比锂基润滑脂的滴点大约高 8 0 。c 左右并且在高温下具有一定的稠度，甚至在3 1 5o c 时，表观粘度还大于 1 p s s 口刀，而普通锂基脂在2 0 4o c 以下成为流体。这表明，当轴承填充复合锂 基脂时，可以承受高达3 1 5o c 的高温，而不发生严重的流失问题。 复合锂基脂具有较长的轴承运转寿命无论在高温还是在常温下，复合锂基 脂均具有较长的轴承寿命。国外有人进行复合锂基脂，有机膨润土脂、复合铝基 脂的轴承运转寿命试验嘲，结果如表1 7 渊试验证明；在三种高温润滑脂中， 复合锂基脂具的轴承寿命最长。 表1 7 三种润滑脂的轴承寿命试验( 小时) 复合锂基脂具有良好的抗微动磨损性能近年来对微动磨损的研究非常重视， 在现有的润滑材料中，发现复合锂基脂具有良好的抗微动磨损性能。中国石化重 庆一坪公司测试了六种稠化剂在三种基础油中所形成的润滑脂的抗微动磨损的 能力，结果见表l 一8 呻m ”美国人j p r o b e r t s 研究了四种高熔点稠化剂在合 成油中形成的润滑脂，发现复合锂基脂的微动磨损最小，结果见表l 一9 嘲 6 中南大学硕士论文概论 表1 9 几种高滴点的润滑脂抗微动磨损性能( f a f n i r ) ，嘴 复合锂基脂对添加剂感受性较好当加入适量抗氧剂、防锈剂和极压添加剂 后，使用性能可以得到明显的改善 复合锂基脂同锂基脂一样，具有良好的机械安定性和良好的泵送性，复合锂 基脂的耐高速性比锂基脂要好 1 3 常用高温固体润滑剂及其润滑机理 固体润滑剂中最常用的是石墨和二硫化铝。从表面上看，他们都具有相似的 结构和较高的熔点，但是，在有氧的高温状态下，它们有不同的特性。温度对石1 譬 墨的摩擦特性有很大的影响，温度在5 5 0 。c 以下，石墨具有良好的润滑性和稳定 性，高于5 4 0 。c 时，石墨开始急剧氧化，氧化物为二氧化碳或一氧化碳，摩擦系 数突然增高，随着温度的继续上升，摩擦系数又逐渐降低，原因是石墨在9 5 0 0 c 高温时。晶间的键能变弱的缘故，或者是晶体有发生蠕变的倾向嘲二硫化铝在 高温的环境中虽然能保持很好的摩擦性能，但是高温下二硫化钼附着于金属表面 的能力比常温下低，因此在高温下应用二硫化钼时，必须考虑提高二硫化钼对金 属表面的粘附能力。 当固体润滑剂粉末接触到摩擦部位时，由于其剪切强度小，在摩擦过程中会 吸附到基材表面并形成润滑膜，并且会转移到对偶材料表面形成转移膜使原来摩 擦副之间的干摩擦变成润滑膜和转移膜之间的摩擦，由于摩擦是发生在低剪切系 数的极薄的润滑膜内部，所以使摩擦和磨损都大大降低。固体润滑膜润滑能否成 功，有赖于基材表面上润滑膜的形成和补充，也依赖于由基材向对偶材料形成转 移膜。好的固体润滑材料能牢固的附着在基材的表面，在摩擦时不易脱落，并能 稳定持久的向对偶材料转移，形成转移膜。 7 中南大学硕士论文 概论 1 4本文的研究背景 1 4 1冶金行业对高温润滑脂的要求 冶金行业一直是润滑脂用量最大的行业。由于冶金行业生产流程较长，设备 比较复杂，再加上其他的工况条件( 高温、多水，多尘、重载) ，使其对润滑脂 的要求相当苛刻咖各种冶金设备对润滑脂的要求也不尽相同。例如最常见的连 铸机，采用润滑脂的有钢包回转台、结晶器、引锭杆、二冷区夹棍、测导辊、拉 矫机、传送辊道及切割机等部位这些部位共使用内径为5 0 1 5 0 m m 的自动调心 滚动轴承3 0 0 4 0 0 个口1 1 轴承受表面温度高达8 0 0 。c 以上的铸坯的辐射热及传 导热，每小时几百立方米的冷却水以及大量的氧化鳞皮及尘埃侵入的影响，润滑 条件相当恶劣。同时，导辊部位由于钢的自重和矫直过程中还需承受相当的负荷。 普通的润滑脂是无法适应这种特殊条件的。在这种条件下要求润滑脂必须具有以 下几个特点嘲： 泵送性 这一性能的关键，在于保证润滑脂的稠度和粘温性。润滑脂的稠度和粘温性 一般是用锥入度和相似粘度指标来表示，锥入度太小，泵送性就差，无法使高压 泵将脂送到润滑部位，造成润滑部位无脂润滑；但是，当锥入度过大，超过3 0 0 时，润滑脂的流失现象就比较严重，在高温下更是如此，造成润滑脂太稀不能形 成油膜，起不到润滑作用因此，锥入度控制在2 7 0 3 0 0 ( 1 l o m m ) 之间最好。 耐高温性 铸机工作中的润滑部位尽管采取了冷却降温措施，但是温度仍高达2 6 0 。c 以 上，因此要求润滑脂必须具有较好的耐高温性能和胶体安定性。否则润滑脂会因 高温变软和析油，在润滑部位流失，使润滑脂失去润滑作用若脂的胶体安定性 较差，对于铸机的集中供脂系统，在高温高压和离心力的作用下，使析油现象加 剧，进而引起皂油分离，破坏了润滑脂的结构，脂将变成稠状物质，不仅失去应 有的润滑功能，而且还会导致油路堵塞，造成设备损坏。所以要求铸机用润滑脂 的滴点要高于3 0 0 。c ，钢网分油量在1 5 3 之间。 清洁性 铸机设备的润滑系统对所用的润滑脂的清洁度的要求较高如果润滑脂内的 机械杂质含量过高，颗粒过大，当它随着润滑脂进入润滑部位时，不但会降低润 滑脂的减磨作用，还会破坏油膜，加剧工作面的磨损，同时，润滑脂中的大颗粒 杂质还会使油路堵塞。铸机润滑脂的机械杂质应控制在：1 01 1m 以上应少于5 0 0 0 个c 以2 5 l l m 以上少于3 0 0 0 个c 一，7 5 u m 以上少于5 0 0 个c 3 伽 抗水淋性 8 r l 中南大学硕士论文概论 铸机在工作时，钢坯的温度高达9 0 0 1 2 0 0 。c 钢坯和辊子靠水淋来降温，若 是润滑脂的抗水淋性不好，遇水后在高温的情况下，将会形成稳定的水乳体，破 坏了脂的结构，起不到润滑作用还会造成设备的锈蚀，缩短设备寿命水淋流 失量一般应控制在1 5 3 之间 氧化安定性 铸机辊子一直处于高温水淋的工作条件下，在这个过程中，润滑脂很容易被 氧化。脂被氧化后产生各种有机酸，进而降低脂中游离碱的含量，改变润滑脂的 结构，降低油皂互渗能力，从而使脂的滴点下降，同时，稠度、强度、相似粘度 也随之下降，使润滑脂丧失原有的特性。脂被氧化后产生的腐蚀性产物对金属也 有腐蚀作用。 1 4 2 高温润滑脂在使用中存在的问题 目前国内冶金行业用作轧辊轴承脂最多的是复合锂基脂，但是关键设备用的 是进口的润滑脂，这说明在高端的润滑脂产品中，国内还远远落后通过国内的 各大冶炼厂、钢铁厂的反馈信息看，国内高温润滑脂的普遍问题是使用寿命短， 更换周期短，并且很容易出现“烧”轴承现象造成很大的损失。总结其原因如 下： 抗高温性能达不到要求。国内高温润滑脂的滴点经过实测，一般只有2 6 0 。c 2 8 0 ，而轴承的工作温度短时间内可以达到3 0 0 。c 以上，当温度超过脂的滴点时， 润滑脂就会迅速析油，破坏脂的结构这时，脂中的抗磨极压剂若不能迅速起到 补充作用，就会造成轴承被“烧坏” 在高温和潮湿的工况条件下，含有硫、磷化合物的润滑脂很容易腐蚀摩擦部位， 使得摩擦副的基材表面出现腐蚀斑点，而腐蚀的产物可能会成为磨料，使得摩擦状 况恶化，使得轴承寿命减短。 在重载的条件下，润滑脂的抗极压性能达不到要求，使得油膜遭到破坏，引起润 滑状况恶化，造成轴承烧结。 润滑脂的寿命较短，润滑脂更换频繁。 1 5 研究的目的及任务 近几十年来，由于科学技术特别是军事工业的迅速发展，对润滑脂的各种性 能要求也日益苛刻例如近代冶金、矿山、交通、电力、化工、军事、机械和汽 车制造行业等，要求润滑脂能在高温高负荷高速高辐射强氧化强腐蚀等极端苛刻 环境下长期可靠稳定工作。普通的皂基润滑脂已经不适宣这些苛刻的环境，因此 迫切需要高性能的润滑脂。对于我国的润滑脂行业来说，普通润滑脂基本上能满 足需求，但是对于高性能的润滑脂，大部分依赖进口。因此，迫切需要自己生产 高性能的润滑脂。考虑到实际的应用情况，在一部分行业中，润滑脂的工作温度 9 i 甜1 j 中南大学硕士论文概论 经常超过3 0 0 。c ，需要在持续供脂的情况下保证润滑脂的顺利工作，滴点在2 6 0 。c 以下的高温润滑脂已经不能满足要求，因此需要研制滴点在3 0 0 ( 2 以上的超高温 润滑脂，甚至是无明显滴点的润滑脂。由此提出了超高温的润滑脂概念 在高温的情况下，润滑脂的结构基本上已经被破坏，在这个时候起润滑作用 的是里面的添加剂。我们常见的固体润滑剂是石墨，二硫化钼等。天然的石墨和 辉钼矿常常含有与之伴生的共脉石，因而其纯度难以提高，难以满足机器的润滑 性能；当二硫化钼中混有千分之五的二氧化硅时，虽然摩擦系数上升很小，但是 磨损的增加却很明显。 二硫化钨作为一种新型的固体润滑剂，具有优良的性能。不仅能够用于通常 的润滑条件，而且可以用于高温、高压、高真空、高负荷、有辐射及有腐蚀性介 质的苛刻环境中二硫化钨与二硫化铝的性能十分相似但是其在空气中加热时 比二硫化铝的抗氧化性更好 本文的主要研究任务有以下几点： ( 1 ) 研制出超高滴点甚至无明显滴点并且具有良好理化性能指标的润滑脂。研 究生产工艺对润滑脂性能的影响确定一套有效的生产工艺。 ( 2 ) 通过电镜照片，分析润滑脂的微观结构，研究其具有高滴点的机理。研究 润滑脂纤维的特点对滴点的影响：分析几种添加剂的微观结构及对其进行理化分 析，研究这些添加剂在提高滴点和抗磨减摩时所起的作用。 ( 3 ) 研究润滑脂的摩擦学性能。研究添加剂对摩擦学性能的影响，分析其机理。 ( 4 ) 通过x p s 试验，分析润滑脂在润滑后的生成物，确定这些生成物在摩擦过 程中的作用。 ( 5 ) 研究影响润滑脂锥入度的原因：研究影响润滑脂铜片腐蚀的因素：研究润滑 脂蒸发损失量。 1 6 本章小结 本章主要论述了当前世界上润滑脂工业发展的现状及发展趋势，并且对中 国润滑脂工业的现状进行了描述，比较了中国润滑脂行业与世界润滑脂行业的差 距近代工业的飞速发展，对润滑脂的要求越来越高，高滴点、多效用的润滑脂 是润滑脂的发展方向，而复合锂基脂和聚尿脂是其中的佼佼者。与世界发达国家 相比，中国的润滑脂的问题在于润滑脂生产总量较多，基本满足需求，但是高温 润滑脂的产量较少，一些设备的关键部位所用润滑脂需要进口，而且高温润滑脂 的性能指标与国外相比有较大差距 论述了有关锂基脂及复合锂基脂的理论复合锂基脂在很多性能方面都优 于其他润滑脂，是润滑脂中的高档产品，适用于高温、高速、及重载等恶劣环境 1 0 壹盔兰堡主丝奎 一二! 至鱼 提出了本文的主要研究任务：研制出一种耐高温、多效用的复合锂基脂，并且对 提高润滑脂的主要性能指标，比如滴点、摩擦学性能、锥入度、铜片腐蚀及蒸发 损失量等进行了初步分析研究。 中南大学硕士论文 高温复合锂基脂的制备及试验方法 第二章高温复合锂基脂的制备及试验方法 2 1高温复合锂基脂的研制 2 1 1 制备原料 ( 1 ) 基础油 基础油是润滑腊的主要组成部分，占润滑脂组成的7 0 9 0 ，对润滑脂的 各种理化性能指标有着重要的影响。润滑脂的低温性能，在很大程度上受基础油 的低温粘度，凝点，和粘温性能的影响；润滑脂的高温性能受基础油的闪点、氧 化安定性、热分解温度和蒸发性的影响，润滑脂的稠度和泵送性受基础油粘度的 影响。基础油的粘度还影响润滑脂的分油程度。基础油粘度小，制成的润滑脂滴 点低，分油量大、蒸发损失大，相似粘度小；基础油粘度大，制成的脂滴点高、 分油小、蒸发损失小但相似粘度大。基础油的闪点越高，制成的脂滴点就越高。 而且基础油的摩擦学性能还直接影响润滑脂的摩擦学性能 润滑脂的基础油可以分为两大类，一类是矿物油，一类是合成油。合成油又 包括合成烃类油、酯类油、醚类油和硅油等。矿物油作为基础油的最大缺点是对 润滑脂的高低温性能不能兼顾。石蜡基基础油不易稠化，制成脂的胶体安定性差， 但是剪切性好；环烷基油稠化能力强，制成脂的胶体安定性较好，但剪切性差。 因此，要制成高滴点的润滑脂，基础油的闲点和粘温性能是考虑的重要因素之一。 试验所用的基础油的性能指标如表2 - 1 所示： ( 2 ) 稠化剂 羟基酸类是具有特殊性质和用途的一类油脂，它除有一般油脂的共性外，因在脂 肪酸中含有羟基，所以还具有一些特殊的性质。1 2 - 羟基硬脂酸是制造优质锂基 胎的主要啜料。1 2 - 羟基硬脂酸的分子式为c l ，h 3 “o d c o o h 。其结构式为c 码 一( c h 2 k c h ( o 田一( c l h ) l o - - c o o h 。1 2 一羟基硬脂酸的主要理化指标见表2 一 l 。用1 2 - - 羟基硬脂酸在相同制造工艺下，在耐高温性能上远优于其它硬脂酸， 在稠化能力和高温胶体安定性上也优于其它硬脂酸制的复合锂基脂。1 2 - 羟基硬 脂酸比其他硬脂酸好的原因可能与羟基对复合锂皂的内部结构和皂纤维搭结状 态有关 ( 3 ) 氢氧化锂 氢氧化锂是白色四方结构晶体，它的熔点为4 5 0 c ，沸点为9 2 5 ，在高温下 分解为氧化锂和水。l i o h ( 常为一水化物l i o h h 2 0 ) 的相对分子量为2 3 9 4 ( 一 中南大学硕士论文高温复合锂基脂的制各及试验方法 表2 21 2 一羟基硬脂酸的主要理化指标 项目质量指标 外观 酸值( m g k o h g ) 皂化值( m g k o h g ) 羟值( m g k o i - i g ) 碘值鼬 1 0 0 9 ) 熔点 水分 蜡黄色固体 1 7 2 1 8 3 1 7 8 1 8 8 1 4 5 7 2 妈 水化物为4 1 9 4 ) 。在碱金属中，氢氧化锂在水中的溶解度是最小的。由于它通常 以带一份结晶水的形式存在，因而商品氢氧化锂的纯度一般为5 4 5 6 ，纯度越 高，对制成锂皂的稠化能力越好此外，对商品氢氧化锂的杂质含量要予以注意， 杂质过多会影响锂基脂的抗水性，含有过量氯离子和硫酸根离子会影响锂基脂的 腐蚀性。 ( 4 ) 添加剂 添加剂对于润滑脂来说是很重要的一个方面，适量的、恰当的添加剂可以提 高润滑脂的性能指标，延长使用寿命。一些含磷、氯、硫的化合物具有抗磨和极 压性一般磷化合物具有抗磨性，而氯化物和硫化物具有极压性。滑脂生产中常 用的减磨剂包括油性剂和极压剂。油性剂会在金属表面形成物理吸附膜而改善润 滑条件，极压剂则是在金属表面生成化学反应膜而改善边界润滑条件润滑脂生 产中常用的极压荆为硫、磷、氯等有机化合物、有机金属化合物、金属皂、脂肪 酸等。硫氯化合物可提高润滑脂的耐负荷能力，而对降低磨损的效果不明显，氯 中南大学硕士论文高温复合锂基脂的制各及试验方法 化物还有使润滑脂变软的倾向，而酸性磷酸酯和脂肪酸等则有较强的腐蚀性。在 金属磨擦表面上，润滑脂添加剂中的氯可以把硫置换出来，因此，在含硫、氯极 压剂复合使用时，含氯极压剂在高温或遇水时会分解生成氯化氢( h c l ) ，给润滑 脂带来较强的腐蚀性，因此，含氯极压剂在润滑脂中很少使用。大多数极压润滑 脂生产中所用的极压剂是由d t c 盐和硫化烯烃配合而成嘲 含硫化合物首先在金属表面上吸附，减少金属面之间的磨擦，随着负荷增加， 金属之间的接触点温度升高，使油膜破坏，金属表面与有机硫化物迅速发生反应， 生成金属硫化铁膜，起到极压润滑作用。硫化铁膜水解安定性好，熔点高达7 0 0 不失效。 含磷化合物在金属表面突起点的高温表面磨擦作用下进行分解，使之生成磷 化铁而磷化物在磨擦表面经高温作用下，金属表面形成易熔的亚磷酸铁的混合 物，这种物质在高负荷作用下又分解成磷酸、磷化氢。它们与金属表面相互作用 生成金属磷化物、磷酸酯和磷酸盐的混合物或者生成无机亚磷酸铁膜嘲。 关于硼酸盐的抗磨极压作用机理呻】，研究认为，在低载荷下硼酸盐主要通 过电泳现象在金属表面形成微球膜，它增加了基础脂的润滑能力，并降低摩擦副 的摩擦和磨损；在高载荷下，摩擦副产生的机械能、热能使硼酸盐分解，离析出 的活性硼渗入金属表面，形成较硬、耐磨的一层极压膜。硼酸盐具有以下优点： 抗磨极压效果好。 硼酸盐极压剂的使用寿命长因为硼酸盐的作用机理是由渗硼形成的f e 。b ， 形式的极压膜，这种表面膜具有较高硬度、较好的抗磨性、较好的抗高温氧化、 耐腐蚀性。而含磷、硫、氯活性元素的极压剂，作用机理主要是活性元素同金属 起化学反应生成一层膜，这种膜抗剪切强度低，因此在使用过程中容易被磨掉。 硼酸盐极压剂的抗磨性对金属材料的选择性不敏感它对各种金属材料都比 较适应，而含磷、硫、氯的极压剂，抗磨性的好坏受金属材料性能影响很大 硼酸盐极压剂一般不会造成金属的腐蚀而含磷、硫、氯的极压剂，若使用 不当，往往造成金属腐蚀。硼酸盐一般没有什么毒性。 硼酸盐极压剂同其他含磷、硫、氯的极压剂具有很好的配伍性，它们在一起 复合使用时能较大的提高抗磨极压性能。硼酸盐极压剂的唯一缺点是抗水性能较 差这可以通过添加其它添加剂来改善。 经过大量的试验比较。为了更好的满足润滑脂的通用性和高温适用性，我们选择了硼酸 2 1 2 试验采用的制备条件 ( 1 ) 1 2 一羟基硬脂酸与复合剂的摩尔比 1 4 中南大学硕士论文高温复合锂基脂的制各及试验方法 由表2 - - 3 可见，摩尔比为l ：0 5 时，润滑脂滴点最高，胶体安定性最好。 表2 3 脂肪酸和复合剂的摩尔比对复合锂基脂性能的影响 摩尔比滴点 微锥( 1 1 0 m m ) 钢网分油 l ：01 8 55 83 5 l ：0 2 5 2 3 2 6 4 3 8 l ：0 52 8 8 5 82 1 1 ：0 7 52 7 65 72 6 1 ：l2 8 25 83 2 ( 2 ) 锂基脂最高炼制温度 复合皂的形成需要在一定温度下炼制一定时间，否则难以形成复合皂。不同 复合皂其炼制温度是不同的，复合锂基脂的最适合炼制温度为2 2 0 1 2 油1 ，如果低 于此温度成脂，则脂的滴点偏低。但在此温度下，时间不可过长，否则基础油中 组分会大量挥发，而且急剧氧化，影响脂的外观。同时，抗氧剂也因挥发变质而 失去作用 ( 3 ) 锂基脂冷却方式 锂基润滑脂的胶体安定性和机械安定性不仅受皂含量的影响，而且也受皂纤 维的形状和大小所影响3 皂纤维形状和大小的生成条件，是受制脂工艺中冷 却速度控制的。快速冷却，生成的皂纤维较小、比面积大、脂的稠度大，分油少， 但机械安定性差；慢冷则生成的皂纤维较大、比面积小、脂的稠度小、分油量大， 而机械安定性较好所以，要获得胶体安定性和机械安定性都满意的产品，应严 格控制冷却速度。 ( 4 ) 均化研磨 均化研磨是润滑脂生产的最后步骤，也是关键步骤。均化研磨不仅可以改善 润滑脂的外观，更主要的是可以将胶体安定性和机械安定性稳定在最适宜程度 上， 使其具有理想的使用性能。本研究所使用的的研磨设备是山东廊坊通用机械有限 公司生产的g m - 8 0 胶体磨。它是两个高速转动的磨盘之间对润滑脂进行研磨的设 备，它的转速高达5 0 0 0 r m i n 以上，研磨间隙可在l 5 岫之间调节。胶体磨研 磨润滑脂的特点是速度快，产量大，而且可以回流进行二次研磨。 2 。2 试验设备及试验方法 ( 1 ) 对润滑脂油膜强度和摩擦系数的测定采用了济南试验设备厂生产的 m r s - - 1 0 a 型四球极压实验机( 图2 - - 1 ) 。实验用球为g bi i 级标准g c t l 5 轴承 钢球( m1 2 7 m m ) ，硬度为h r c 5 9 。试验标准采用a s t md 2 2 6 6 。 中南大学硕士论文 高温复合锂基脂的制各及试验方法 试验方法：用溶剂汽油清洗钢球、油盒、夹具及其它在试验过程中与试样 接触的部件，再用石油醚清洗两次，然后吹干，清洗后的钢球应光洁无锈斑。 在油盒中放入足够的润滑脂。把球嵌入润滑脂中，放上压环，拧紧螺帽紧固油盒， 试样中不能有空穴存在把装好试样和球的油盒安放在上球座下面，并把规定 的负荷加到球上，加载时应避免冲击加载后，启动电机，实验时间为1 0 秒， 实验时记录摩擦力的大小，每次试验后，测量油盒内每一个钢球的纵横两个方向 的磨痕直径。用摩擦力除以加载的负荷即得试样的摩擦系数。测定r 时要求在 p 。下的磨痕直径不得大于相应补偿线上的磨痕直径( 即补偿直径) 的5 ，如果测得 某负荷下的磨痕直径比相应的补偿线上的磨痕直径大于5 ，则下次试验在较低 的负荷下做，继续这种操作，直到确定最大无卡咬负荷p 。为止。 图2 1m r s - - 1 0 a 型四埠板压实验机图2 2s y d 一4 9 2 9 润滑脂滴点实验仅 ( 2 ) 对润滑脂滴点的测定采用了上海森地科学仪器设备有限公司生产的s y d 一4 9 2 9 润滑脂滴点实验仪( 图2 2 ) ；试验标准采用g b 4 9 2 9 8 5 。 试验方法：装配实验仪器时，将软木塞套在温度计上，调节软木塞位置， 使温度计球的顶端离脂杯底约3 m ，在油浴中吊挂第二支温度计，使其球部与试 管中温度计的球位于大致一样的水平面上。取下脂杯，并在脂杯大口压入试样， 直到装满为止，用刮刀刮去多余的试样在底部小孔垂直位置拿着脂杯，向下穿 抛光金属棒，直到棒伸出约2 5 m 使棒接触杯的上下圆周边的方式压向脂杯。保 持这样的接触，用食指旋转棒上脂杯，使其螺旋状向下运动，以除去棒上附着呈 圆锥型的试样，当脂杯最后滑出棒的末端时，在脂杯内侧应留下一层厚度可重复 的光滑脂膜将脂杯和温度计放入试管中，把试管挂在油浴里，使油面距试管 1 7 中南大学硕士论文 高温复合锂基脂的制