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润滑油脂基本知识认识 工程部 TonyQiu 目的 学习油脂润滑的知识与物理特性概念学习正确选择润滑油脂 润滑油脂基本知识 润滑的由来 两个物体表面进行接触时就会产生摩擦 对于机械来讲 摩擦直接导致的结果就是机器运转不顺畅 零件的磨损等一系列问题 什么是摩擦 磨损 什么是摩擦 简单地说摩擦就是阻碍运动的现象发生在两个或两个以上的接触面上可分为 1液体摩擦2固体摩擦静摩擦动摩擦滚动摩擦 磨损的类型 粘结 摩擦产生的热量使接触面熔合 焊接研磨 接触面之间有固体颗粒 磨粒 存在腐蚀 同环境物质发生反应疲劳 滚动接触时表面疲劳气蚀 气泡的迅速形成和破裂造成压力的急剧变化 冲击金属表面 解决摩擦 磨损等问题最直接并且是最有效的方法就是对相关接触部位进行润滑 润滑是一门通过在具有相对运动的两个固体之间施加一种叫做润滑剂的物质以减少摩擦的科学 润滑剂的分类 按形态 气体润滑剂 例如 空气 油雾 液体润滑剂 例如 矿物油 合成油 动植物油 半固体润滑剂 例如 润滑脂 固体润滑剂 例如 石墨 二硫化钼 目前应用最广泛的为液体及半固体润滑剂 润滑油脂的组成 润滑油 基础油 添加剂基础油 分五个等级 添加剂 抗氧化剂 抗磨剂 消泡剂等 强化润滑油的性能润滑脂 基础油 添加剂 稠化剂注 基础油占润滑油成分的80 以上 所以基础油质量的高低直接决定了润滑油品质的高低 润滑脂 国际上公认的定义是由美国润滑脂协会 NLGI 提出的 润滑脂是将稠化剂分散于液体润滑剂中形成的一种固体或半流体的产品 其中也可能包含为改善其特性而加入的某些添加剂 润滑脂实质上是一种稠化了的润滑油 由稠化剂以胶团或纤维形式均匀地分散在基础油中 形成胶体分散体系 稠化剂胶团或纤维 其三维中至少有一维或两维的尺寸在0 1 1 m内 它们通过彼此的吸引力组成网状结构 稠化剂的这种结构通过范德华力和毛细管作用 吸附住基础油 形成脂 润滑脂优点 耐压性强 润滑脂在金属表面上的附着能力很强 它能在润滑油无法润滑的部位形成牢同的润滑膜 并承受很大压力 缓冲性能好 润滑脂用于做往复运动的机械中在很大冲击力和震动时能起缓冲作用 减弱或消除机械的震动 保证必要的润滑 粘附性好 由于润滑脂能用于垂直表面或不密封的摩擦部位 能保持足够的厚度 即使在离心力的作用下 也不至于流失 保证可靠的润滑 密封性能和防护性能好 润滑脂的密封性能优于润滑油 它可以防止水分 灰尘 杂质和腐蚀性物质进入摩擦表面 保持摩擦表面清洁 防止其被锈蚀 受环境温度变化的影响小 因而适以用于运动速度和温度变化幅度较大情况下的润滑 润滑脂的缺点 由于润滑脂没有流动性 清洗性差 不能进行循环润滑 导热系数很小 冷却效果差 它的摩擦阻力大 耗能大 影响机械的效率 因此 润滑脂的使用范围受到一定的限制 基础油80 85 稠化剂10 15 添加剂5 10 润滑脂 基础油 矿物油 矿油基础油由原油提炼而成 润滑油基础油主要生产过程有 常减压蒸馏 溶剂脱沥青 溶剂精制 溶剂脱蜡 白土或加氢补充精制 普通矿物油 目前使用得最多的润滑油是以石油馏分为主要原料 成为矿物油 制取这类润滑油的原料充足 价格便宜 生产矿物油的原油一旦选定 就可利用各种组分存在沸点差的特性 通过蒸馏装置分离出各种石油组分 因此 矿物润滑油都是某一沸点范围内的产物 精制矿物油 经过蒸馏后的矿物油其中含有很多非理想组分 其粘温性能 抗氧化性能差 必须通过萃取方法从中除去非理想组分 通过脱脂处理 除去在常温下 15 就会变成固体的烃类 以免影响润滑油的低温流动性 再除去沥青和少量的溶剂 润滑油的质量就基本达到使用要求 深度精制的矿物油 润滑油的深度精制是在精制的基础上通过催化剂的作用 使润滑油与氢气发生各种加氢反应 以除去其中的硫 氧 氮等杂质 以及将部分非理想组分转化为理想组分 硫 氧 氮的存在使润滑剂易于氧化生成酸 胶质 沥青从而腐蚀设备或沉积粘结于设备的工作表面 通过深度精制 可进一步提高润滑油的抗氧化性能 粘温性能 高低温性能 基础油 合成油 采用化工原料 通过化学合成的方法生成的基础油 称之为合成基础油 由于含有其他元素以及其独特的化学结构 在很多性能上 远优于通过石油提炼的矿物油 合成基础油与特选的添加剂调和而成的润滑油 称为合成润滑油 合成基础油加稠化剂及添加剂制备而成的润滑脂 称为合成润滑脂 利用一些化学单体 烯烃 硅氧烷 二元酸 醇类等 在催化剂存在下经化学反应 如聚合 缩合 酯化 水解等 而制成 由于合成工艺不同 性能有差异 但与石油润滑油相比 基本上都具有优异的热稳定性 低温性能和抗氧化性 由于原料及工艺的复杂性 价格大大高于矿油 只有在矿物油作润滑脂基础油而某些性能达不到时才采用 基础油分类 I类基础油通常是由传统的 老三套 工艺生产制得 从生产工艺来看 I类基础油的生产过程基本以物理过程为主 不改变烃类结构 生产的基础油质量取决于原料中理想组分的含量和性质 因此 该类基础油在性能上受到限制 II类基础油是通过组合工艺 溶剂工艺和加氢工艺结合 制得 工艺主要以化学过程为主 不受原料限制 可以改变原来的烃类结构 因而II类基础油杂质少 芳烃含量小于10 饱和烃含量高 热安定性和抗氧性好 低温和烟炱分散性能均优于I类基础油 III类基础油是用全加氢工艺制得 与II类基础油相比 属高黏度指数的加氢基础油 又称作非常规基础油 UCBO III类基础油在性能上远远超过I类基础油和II类基础油 尤其是具有很高的黏度指数和很低的挥发性 某些III类油的性能可与聚 烯烃 PAO 相媲美 其价格却比合成油便宜得多 IV类基础油指的是聚 烯烃 PAO 合成油 常用的生产方法有石蜡分解法和乙烯聚合法 PAO依聚合度不同可分为低聚合度 中聚合度 高聚合度 分别用来调制不同的油品 这类基础油与矿物油相比 无S P和金属 由于不含蜡 所以倾点极低 通常在 40 以下 黏度指数一般超过140 但PAO边界润滑性差 另外 由于它本身的极性小 对溶解极性添加剂的能力差 且对橡胶密封有一定的收缩性 但这些问题都可通过添加一定量的酯类得以克服 V类 除I IV类基础油之外的其他合成油 合成烃类 酯类 硅油等 植物油 再生基础油等统称V类基础油 与矿物油相比 合成润滑油具有以下优点 良好的耐高温性能 合成润滑油比矿物油的热氧化安定性好 热分解温度高 在高温下不易裂解 从而生成助燃小分子 粘度指数高 粘温性能好 合成润滑油的粘温性能要比矿物油好 在温度变化条件下 粘度变化小 能使用于工作温度变化较大的场合 耐低温性能好 与矿物油相比 合成润滑油具有更低的倾点 在极低的温度条件下 仍能保持良好的流动性而不结晶或凝结 较低的挥发性 合成润滑油一般是一种纯化合物 起沸点范围窄 挥发性低 因此挥发损失小 可延长油品的使用寿命 而矿物油是某一沸点范围内的产物 容易挥发 闪点和燃点高 合成润滑油的闪点和自燃点高 相同的高温条件下 不容易发生燃烧 使用安全性好 稠化剂 作用 1 通过对油的吸附和结合组成脂的结构 2 给脂提供不同的性质和性能类型 耐温性 抗水性 流动性 稠度等 3 增强润滑膜 稠化剂分为两大类 皂基稠化剂非皂基稠化剂目前皂基稠化剂制成的脂仍占总量的90 添加剂 添加剂的基本作用改善 提高和赋予润滑油基础油原本不具备的某些性质和使用性能 改变润滑油的物理性质 粘度指数改进剂 降凝剂 油性剂 抗泡剂等就是使润滑油分子变形 吸附 增溶而改变其物理性能的 改变化学性质 抗氧抗腐剂 极压抗磨剂 防锈剂 清净分散剂等就是使润滑油增加或增强了某些化学性能 添加剂 润滑脂常用的添加剂有 1 结构改善剂 改善脂的皂油结构 提高机械安定性 胶体安定性等脂已有性质 进入脂结构中形成一体 常用的有甘油 环烷酸 高级醇 乙二醇 水等 2 功能添加剂 可赋予原来不具有的性质而不改变其结构的添加剂 主要种类用抗氧剂 防锈剂 抗磨剂 极压剂 金属钝化剂 增粘拉丝剂等 3 填充剂 指固态微细分散 且本身具有固体润滑剂特性的物质 加入的目的是对基础脂的润滑膜遭重负荷 振动 冲击负荷或高温情况下起补强作用 常用二硫化钼 石墨 氮化硼 铜 铅 铝等金属粉末 润滑脂工作机理 润滑脂的作用可以简单的比作海绵 受到挤压时释放出稀油 当然 实际情况比这要复杂得多 静态时 稠化剂因分子引力而聚集在一起 形成相对稳定的固体结构 所以常温与静态条件下润滑脂粘附在被润滑的表面 当受压或受热时 稠化剂之间的联结逐渐松开 润滑脂会变软以至流动 从而润滑摩擦表面 外力停止作用之后 稠化剂之间的联结重新形成 润滑脂逐渐恢复原来的稠度 如果润滑脂受到太大的外力作用 稠化剂会完全破碎 润滑脂则彻底被破坏 润滑脂工作机理 静止状态 流动状态 纤维分离 纤维顺向排列 恢复静止 纤维重新联结 润滑脂的分类 组成分类 按应用分类 润滑脂按主要作用分为 润滑 防护 密封润滑脂 按适用范围分为 普用 专用 多效润滑脂 按适用的部件分为 滚动轴承脂 齿轮脂 阀门脂 螺纹脂等 按适用温度范围分为 低温 高温 宽温脂 按应用于领域分为 汽车脂 航空脂 船用脂 钢铁工业用脂 食品机械用脂等 按承受负荷的能力分为 普通用脂 极压脂 润滑油脂基本物理特性 粘度 粘度 Viscosity 液体流动时内摩擦力的量度 动力粘度 DynamicViscosity 表示液体在一定剪切应力下流动时摩擦力的量度 在国际单位制 SI 中以帕 秒 Pa s 表示 习惯用厘泊 Cp 为单位 1Cp 10 3Pa s运动粘度 KinematicViscosity 表示液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度 其值为相同温度下液体流动的动力粘度与其密度之比 在国际单位制中以平方米 秒 m2 s 或平方毫米 秒 mm2 s 表示 CS是centistokes的缩写 为粘度单位 厘斯托克 centistokes 动力粘度单位厘泊 Cp 除以密度 2020 3 17 31 可编辑 粘度指数 任何流体之粘度 必随温度而变化 油料和润滑油也不例外 表示油料或润滑油脂粘度因温度变化之程度称为粘度指数 ViscosityIndex 简称V I 粘度指数越低 表示温度稍有变化时 粘度变化较大 反之 粘度指数越高 則表示温度变化幅度较广时 粘度之变化却不大 闪点 Flashpoint 油料徐徐加热时 油料汽化加速 到达至某一温度 如有火苗靠近 能发生蓝色闪光 但瞬间即熄灭者 称为闪火 达成闪火之最低温度称为闪点 其单位为 或 如继续徐徐加热油料 当所生油气能够继续维持燃烧之最低温度称为着火点 FirePoint 一般油料之着火点约较闪火点高50 左右 滴点 润滑脂在规定之试验方法下 由半固体变成液体时之温度称为滴点 DroppingPoint 其单位 或 润滑脂之滴点往往因下列各因素而异 皂基之不同 皂基之份量 含水之多少 润滑脂滴点之高低 可表示各该润滑脂使用温度之范围 锂皂基 钠皂基润滑脂之滴点均高 适用于高温 而钙基 铝基润滑脂 则只限用于温度不高之处 倾点与凝点 倾点 Pourpoint 在规定条件下 被冷却的试样能流动的最低温度 以 C表示 凝点 SolidificationPoint 试样在规定条件下冷却至停止移动的最高温度 以 C表示 倾点是用来衡量润滑油等低温流动性的常规指标 同一油品的倾点比凝点略高几度 过去常用凝点 现在国际通用倾点 倾点或凝点偏高 油品的低温流动性就差 人们可以根据油品倾点的高低 考虑在低温条件下运输 储存 收发时应该采取的措施 也可以用来评估某些油品的低温使用性能 物理意义 倾点是反映油品低温流动性的好坏的参数之一 倾点越低 油品的低温流动性越好 氧化安定性 OxidationStability 石油产品抵抗大气或氧气的作用而保持其性质不发生永久变化的能力 润滑脂的氧化安定性氧化安定性是指润滑脂在长期储存或长期高温下使用时抵抗热和氧的作用 保持其性质不发生永久变化的能力 由于氧化 往往发生游离碱含量降低或游离有机酸含量增大 滴点下降 外观颜色变深 出现异臭味 稠度 强度极限 相似粘度下降 生成腐蚀性产物和破坏润滑脂结构的物质 造成皂油分离 因此 在润滑脂长期储存中 应存放在干燥通风的环境中 防止阳光曝晒 并应定期检查游离碱或游离有机酸 腐蚀性等项目的变化 以保证其质量和使用性能 针入度 针入度 Penetration 又称为锥入度 为测定润滑脂或柏油之软硬程度 此种软硬之程度 有称为稠度 Consistency 其单位 0 1mm 稠度易7因下列各因素而变化 皂基种类及份量 含水量 制造时搅拌之程度 冷却之速度 储存之温度等五项 针入度 标准圆锥体在5秒钟内沉入保温在25 C时的润滑脂试样中的深度 NLGI NLGI NationalLubricationGreaseInstitute 美国润滑脂学会 锥入度 锥人度 是衡量润滑脂稠度以及软硬度的指标 它是指在规定的负荷 时间和温度条件下锥体落入试样的深度 其单位以0 1mm表示 锥入度值越大 表示润滑脂越软 反之就越硬 测定锥入度的仪器为锥入度测定计 只要检测润滑脂的非工作锥入度和工作锥入度 非工作锥入度 试样在尽可能少搅动的情况下 从样品容器转移到工作脂杯测定的锥入度 测定的是润滑脂从容器中移入使用设备过程中锥入度的变化 工作锥入度 试样在润滑脂工作器中经过60次往复工作后测定的锥入度 它的测定有两个作用 1 表示润滑脂的流动性 2 按工作锥入度范围来划分润滑脂的牌号 pH值 pH值 亦称氢离子浓度指数 是溶液中氢离子活度的一种标度 也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准 通常情况下 pH值是一个介于0和14之间的数 当pH7的时候 溶液呈碱性 当pH 7的时候 溶液中性 沸点与熔点 沸点 boilingpoint 液体开始沸腾时的温度 特指液体的蒸汽压等于外部压力时的温度 因此 沸点随压力的减少而降低 熔点 meltingpoint 即在一定压力下 纯物质的固态和液态呈平衡时的温度 也就是说在该压力和熔点温度下 纯物质呈固态的化学势和呈液态的化学势相等 蒸气压 蒸气压 Vaporpressure 一定外界条件下 液体中的液态分子会蒸发为气态分子 同时气态分子也会撞击液面回归液态 这是单组分系统发生的两相变化 一定时间后 即可达到平衡 平衡时 气态分子含量达到最大值 这些气态分子对液体产生的压强称为饱和蒸气压 简称蒸气压 比重 比重 specificgravity 物体的重量与其体积的比值 有些国家是把比重规定为干燥物体完全密实 没有孔隙 的重量和同体积的纯水在4 时的重量之比 四球极压试验 四球极压试验 4 BallEPTest ASTMD2596四球机可用来测定润滑油脂的极压和磨损性能 四个球按等边四面体排列 上球以一定转速旋转 下面三个球用油盒固定在一起 由上而下对球施加压力 试验过程中四个球接触点浸没在试油中 用显微镜测量磨斑 铜片腐蚀性测试 ASTM润滑脂性能测试方法 ASTM润滑脂性能测试方法 ASTM润滑脂性能测试方法 润滑油脂简单的工艺流程 皂化脱水工艺后继续升温 180度时加入抗氧剂 快速加热到最高炼制温度200度 205度 12烃基硬脂酸锂皂完全熔融分散在基础油中 使皂 油体系呈完全溶胶态 如何正确选用客户所需油脂 选择润滑油脂的基本原则 一般首先应按设备制造商推荐选适当的润滑油自主选择润滑油应考虑的主要因素有 润滑设备类型 载荷 速度 运行温度 其他运行环境根据设备类型选择相应品种及质量的润滑油载荷 与粘度有关 载荷高用粘度高 载荷低用粘度低 速度 与粘度有关 速度高用粘度低 速度低用粘度高 温度 温度高用粘度高 粘度低使用粘度低 润滑脂选择的原则 1 工作载荷 机械摩擦副受载荷越大 应选用粘度大 油性或抗极压性良好的油料 负载较低 选用油料的粘度较小 2 运动速度 摩擦副运动速度越快 应选用低粘度油 低粘度油容易契入 形成油膜 达到良好润滑 若采用高粘度油 反而增大摩擦阻力 消耗过多功率 使部件发热 对润滑不利 对低速运动部位可以选用粘度大些的油 使油膜厚度稍高以利于润滑 如果油品中加了抗磨剂 则不必过多强调高粘度 3 工作温度 温度直接影响润滑油的粘度变化和氧化变质 所以在高温处的润滑点应选用粘度大 粘度指数高 闪点高和抗氧化安定性好的油品 一般应选用润滑油闪点高于摩擦部件工作温度20 30 的油 温度愈高易氧化变质 矿物润滑油的最高使用温度为120 150 酯类油的最高使用温度为200 220 硅油的最高使用温度为200 250 所以在特殊的高温部位都使用合成润滑油脂 在某些更高温度下的摩擦部位 合成油也满足不了要求 则应考虑选用固体润滑材料来润滑 长期在低温条件下工作的机械设备 则应选用低温性能好的润滑油脂 一般选用润滑油的凝点 或倾点 应低于环境温度8 10 润滑脂选择的原则 4 环境条件 除了上述温度条件外 还应该考虑摩擦部位所处的潮湿环境和介质环境 1 潮湿环境 机械设备的摩擦副若处于有冷却水 乳化液 水蒸汽 盐雾等环境条件下运行 一般润滑油脂容易变质 乳化或被水冲走而流失 则应选用抗乳化性强 防锈性好 抗腐蚀性好和粘附性强的油料 同时在润滑部位还要采取相应的密封措施 防止水分和湿气入侵 污染油料 2 介质环境 包括化学介质和真空度 如化学工厂的机械设备的摩擦部件有的在腐蚀性强的化学介质 强酸 强碱 盐类 环境下工作 火箭发动机的蜗轮泵轴承需要接触发烟硝酸 四氧化二氮等氧化剂和偏二甲肼等强化学介质 这些都要选用化学稳定性好的油品 有的是特种结构的合成润滑油脂 在空间工作的机械 在超真空条件下工作则多选用蒸发度极低的固体润滑材料 润滑油脂事故处理 二 润滑油污染的处理润滑事故除因润滑油选用或使用不当外 主要由于污染所致 1 污染润滑油的物质有尘埃 杂质 和水份 2 污染度的控制对液压油 汽轮机油 静压油膜轴承油和高速轴承油的抗磨损性能十分重要 3 控制污染的措施 贮运润滑油品的容器必须清洁 密闭 且不与铜 锡等易于促进润滑油氧化变质的金属接触 油品加入设备前要进行沉降过滤处理 保证清静度达到五级以上 加油容器不可露置在大气中 尤其装油容器不可无盖 贮存润滑油的油罐要定期清洗 及时排污 油罐或油箱上设空气过滤呼吸器 在加油口设100目以上的滤器和防尘帽 搞好各部密封 在润滑系统适当部位设滤器及排污阀 4 变压器油等电器用油对水份要求高 应尽量在天气干爽时换油 而且后的油品要立即加进设备 润滑脂失效解析 三 润滑脂失效解析 1 物理因素引起的失效润滑脂在使用中会同时受到机械剪切和离心力的作用下润滑脂会被甩出摩擦界面而使其分油 导致润滑脂油分减少 锥入度减小而硬化 到一定程度后润滑脂将完全失效 在机械剪切作用下 润滑脂结构爱到破坏 如皂纤维脱开或取向 引起其软化 稠度下降和析油量增加等 最终导致失效 通常情况下 润滑脂使用转递速增加2000r min 其寿命将减少一半左右 在高剪切应力下 转速增加一倍 使用寿命只相当于原寿命的1 10 2 化学因素引起的失效润滑脂与空气中的氧发生化学反庆产生酸性物质 它首先是消耗脂中的抗氧化添加剂 但到一定程度后 生成的有机酸会腐蚀金属元件并破坏脂的结构 使其滴点下降 基础油粘度增加和流动性变差等 大量试验表明 温度越高 润滑脂的寿命下降越明显 如温度在90 100度时 温度每升高19度 脂的寿命约降低一半 而在10 150度时 温度每升高15度 脂的寿命也将下降一半 此外 润滑脂使用环境中的水分 尘埃和有害气体等也是使其劣化的重要因素 例如 脂中混入铜 铁 铅和青铜等磨损微