摩擦学第7章.ppt

1、7. 润滑剂与润滑工艺,7.1 润滑剂的分类与要求 （1）润滑剂的分类 金属材料成形常用的润滑剂按其形态可分以下几种: 1) 液体润滑剂 2) 固体润滑剂 3) 熔体润滑剂 4) 液-固态润滑剂 (2) 润滑剂的要求 1) 有较强的粘附能力和耐压性能； 2) 有适当的粘度； 3) 对工具和变形金属有一定的化学稳定性,灰分少； 4) 有适当的闪点及着火点； 5液体润滑剂要求有良好的冷却性能； 6) 对人体无害，不污染环境； 7) 使用和清理方便； 8) 成本低,资源丰富。, 矿物油 (1) 组成 矿物油润滑剂是由基础油和添加剂调制而成的。基础油的最主要组成是经过炼制的，天然矿物油(原油)是一种深

2、褐色的粘稠液体。矿物油是由多种碳氢化合物(烃类)组成的化合物。此外，还含有少量的碳、氮、氧等化合物。 天然原油中有三种主要烃类：烷烃、环烷烃、芳香烃，在少数石油中，还有不饱和烃烯烃。,7.2 液体润滑剂,(2) 矿物油理化性能 1) 粘度与粘-温特性 2) 凝固点： 流动的油冷却到完全失去流动性时的温度 叫做凝固点。 3) 闪点： 当达到一定浓度时，与明火接触会产生短时闪点，此温度为闪点。 当温度升高到使油着火燃烧5秒以上时，此温度叫做燃点。 4) 抗氧化安定性：润滑油在使用或贮存保管期间要求性能安定,不易氧化变质， 这种性质称之为抗氧化安定。 5) 酸值： 酸值是评定润滑油中有机酸含量的指标

3、。 6) 灰分与残炭：残炭高温下分解而产成固体炭沉淀物的倾向叫做成焦性， 用残炭数值表示。灰分 油品在规定的条件下燃烧后，所剩不燃物质称为灰分。, 动植物油,动植物油也称脂肪油或油脂,脂肪油可分两类:油和脂肪,常温下为液体者称为油,固体者称为脂肪。油脂是油和脂肪的总称。 (1) 油脂的组成 油脂来自动植物体是由高级脂肪酸和甘油所形成的酯类化合物,油脂的通式如图，在式中R1、R2、R3代表高级脂肪酸中的烃基，三者相同者（R1R2R3）为单纯甘油酯；三者不同者为混合甘油酯。油脂是多种高级脂肪酸所组成的甘油酯的混合物。,（2）动植物油油脂的性质 1) 物理性质 无色、无味、无嗅的物质，不溶于水而溶于

4、乙醚、丙酮、酒精、 四氯化碳等有机溶剂中， 2) 化学性质 可水解油脂中的脂肪酸部分如含有不饱和的碳碳双键，则还有 加成、氧化、聚会等反应。 3) 润滑性能脂肪酸的润滑性能由表可知酸相同，增加醇的原子数，则脂的 润滑性能提高；否则醇相同，则硬脂酸的润滑性能比油酸酯好，正构和 异构脂肪醇的效果相同。 金属材料成形常用的动植物油：猪油、牛油、棕榈油、蓖麻油、葵花籽油、豆油棉籽油、花生油等。其中蓖麻油润滑效果好，其次棕榈油，较差的是棉籽油。, 合成润滑油,(1) 合成脂肪酸 合成脂肪酸是石蜡在催化剂(高锰酸钾) 作用下,用空气中的氧进行液相氧化，然后进行皂化、酸化后制得。合成脂肪酸润滑性能好，但是具

5、有腐蚀性和臭味。 （2）合成脂肪酸酯 合成脂肪酸有很好的润滑性能,但是它的腐蚀性较大，塑性加工时不易采用，而要采用合成脂肪酸酯。 脂肪酸酯可以由合成脂肪酸聚酯化获得。, 乳化液, 乳化液的组成 乳化液有三种组分： 油相、水、乳化剂 一般材料成形中采用矿物油作为油相，或者再添加动植物油及其它添加剂。 乳化剂是一种表面活性剂，可降低液面和液滴的表面张力的物质，乳化剂在水和油中具有一定的溶解度，其分子由亲油基和亲水基二个极性基构成。 采用亲油亲水的平衡值可定量的表示亲油和亲水的相对强度。, 乳化剂表面活性物质 （1）乳化剂表面活化物质的结构 表面活化剂分子式的结构有长链脂肪(RCOOH)、醇(ROH

6、)、 胺(RNH2)以及烷基硫酸酯盐(ROSO3Na)、烷基磺酸盐(RSO3Na) 。 分子结构特点: 含有亲油极和亲水极，即: 亲油基=亲水基 亲水极性基团: COOH、-OH、-NH2、-OSO3 -SO3 亲油的非极性基团: R,硬脂酸的分子结构具有双亲极,（2）表面活化物质的特性,1）表面活性物质溶于水，亲水基由于受极性很强的分子的吸引，有钻入水中的趋势 2）非极性基团，有憎水基，则倾向于翘出进入到非极性的空气或油相中 因此，表面活性分子浓聚在油和水相互排斥的界面上，呈现有规则的排列。,（3）表面活性物质的分类, 阴离子型表面活性物质 凡表面活性物质在水中电离后的阴离子带亲水基的称阴离

7、子型表面活性物质。其亲水基为脂肪酸盐：(-COONa)、硫酸酯盐(-OSO3Na)、磺酸盐(-SO3Na)、磷酸盐-OPO3Na。 阳离子型表面活性物质 凡表面活性物质电离后的阳离子带亲油基的称阳离子型表面活性物质。有胺盐剂(RNH3 Cl)、季胺盐型(R(CH3)2N Cl) 两性表面活性物质 表面活性物质同时具有阳离子和阴离子表面活性的性质。例如，氨基酸在一定酸度下可显示等电状态： R1NHR2COOH=R1NH2R2COO 非离子型表面活性剂 是指在溶液中不能电离,又不能生成离子的表面活性物质,其亲水性主要决定于醚键结合O。如高级醇聚乙二醇醚(RO(CH2CH2O)nH) 属于这类。还有

8、脂类和酰胺类等。在应用方面仅次于阴离子型。, HLB值 表面活性物质的亲水和亲油趋势的大小，可以用HLB（HydrophileLipophile Balance）值来衡量。 HLB值越大，亲水趋势越强； HLB值越小，亲油（憎水）趋势越强。 HLB值为构成分子中各个基团的代数和的基础上加7： HLB7Hi,表面活性物质还具有如下功能： 增溶作用（油脂在水中溶解度）：HLB：1518 去污作用： HLB：1315 润湿作用： HLB：79 乳化作用： HLB：3.56.0（W/O型） HLB：1318（O/W型） 清泡作用： HLB：13, 乳化理论,一种液相以细小液滴形式分布于另一种液相中形成

9、两液相组成的足够稳定的系统称为乳化液。 若将水和油在烧杯中静置，如图a所示，油、水是分层的。在边界上形成油和水的接触界面。如果加入少量表面活性剂（乳化剂）则首先表面活性物质排列在界面上如图b所示 , 将油和水联接在一起。经搅拌后，表面活性剂形成外壳将油滴包围起来，使油形成小颗粒分散于水中，乳化剂具有两亲作用，使水溶液呈现乳状，如图c所示。,乳化液稳定性条件：必须加入乳化剂。 乳化热力学机理： （a） 油滴散布在水中时，由于油水界面的比表面很大，体系能量很高，因此是热力学不稳定体系，当油滴相碰时就会聚合，以减少相界面，降低体系能量，形成图a的分布。 （b）加入乳化剂后，其分子具有双亲结构，可以吸

10、附在两相界面上，降低界面张力，降低体系能量，使体系稳定。 此外，离子型的表面活性物质可以使液滴间产生库仑斥力，使乳化液稳定存在。,金属加工中的工艺润滑一般是O/W型的乳化液。一般用于轧制、拉拔和冲压过程。 乳化液组成： 在铝、铜及其合金的热轧与冷轧过程中，乳化液组分大体相同： 8085机油或变压器油1015油酸5三乙醇胺。 使用方法： 把乳化液配成乳剂（乳膏）9097加水搅拌生产使用, 乳化液与乳化剂类型,乳化液的类型： 水包油型（O/W）乳化液水多油少，用于润滑冷却，是金属成形常用的乳化液。 油包水型（W/O）乳化液水少油多， 如重油乳化液，主要用于燃料燃烧。加入某些表面活性物质，可使乳化液

11、稳定，这些物质称为乳化剂。根据形成乳化液的类型。 乳化剂可分为两类： 水包油型（O/W乳化剂是亲水性的，在水中的溶解度比油中的溶解度大。如水溶性皂、ROSO3Na、RSO3N、RN（CH3）3Cl、蛋白质、植物胶、淀粉、磺化植物油。 油包水型（W/O）乳化剂是亲油性的，如金属皂、高级醇（C13H37OH）或高级脂、氧化植物油、石墨等。, 常用的润滑油添加剂 1）油性添加剂 是由极性很强的分子组成,在常温下吸附在金属表面上形成边界润滑膜。如果是流体动压润滑，则纯矿物油就可以；如果润滑状态是边界润滑，就需要用油性添加剂来加强这层边界膜。 常用的有：动植物油脂、硫化动植物油、脂肪酸以及脂肪醇等。 2

12、）极压添加剂主要是含S、P、Cl的物质的有机极性化合物。 3) 防锈剂：磺酸盐、磷酸盐和脂类、有机含氮化合物。 4) 抗氧化剂两类：链反应中止剂、过氧化物分解剂。 5) 增粘剂：聚甲基丙烯酸脂、聚乙丁烯 6) 降凝剂：降低凝固点。聚甲基丙烯酸脂、聚乙烯脂、 丁烯二酸脂 7) 防泡剂：硅油。,固态润滑剂的特点与分类 (1)特点 固体润滑剂同液体润滑剂比较,有使用温度范围宽、承载能力强的优点，并在极高或极低加工速度以及真空的条件下，也能发挥良好的润滑作用。其不足是摩擦系数高一般为0.040.25，无冷却作用。 (2) 分类 1)层状固体:石墨、二硫化钼、云母、二硫化钨（HCP）等。 2)非金属无机

13、物:PbS、FeS、NaF、CaF、陶瓷等。 3)金属薄膜:铅、锡、锌、铜等。 4)塑料:聚四氟乙烯、尼龙等。,7.3 固体润滑剂,粉状固体润滑剂与油或水混合，制成液固两相分散的悬浮状的液固润滑剂。例如石墨和二硫化钼，二硫化钼的硫原子与金属虽然有较强的结合力，吸附于金属表面上，但是所形成的吸附膜的强度不高，仍有较好的润滑性能，并且使用也方便。因此，石墨和二硫化钼一般制成水剂或油剂的悬浮液，浸涂或涂刷于金属和工具的表面上；也可用压缩空气喷涂。 二硫化钼、石墨制成水剂或油剂的方法是把1030相应的细粉添加到各种矿物油或水中混合而成的。为了减少沉淀，可加入适量的活性剂作分散剂(含Ca、Ba的有机磺酸

14、盐、聚丙烯酸甲酯);为了使润滑剂很好的均匀涂敷于热金属表面,可加入湿润剂(如水玻璃、玻璃、树脂),为了脱模而加脱模剂,一般选用产生气体的物质(铵盐或碳氢化合物)。为了油水润滑材料分布均匀稳定，需要加入乳化剂。,7.4 液固润滑剂,钢铁材料以及Mn、Mo、Ta、Nb、Ti等金属及其合金在热锻或热挤压时采用玻璃润滑剂。玻璃在常温下为固体，而在一定温度下为熔体，呈粘稠状，所以称熔体润滑剂，还有沥青、石蜡及有机金属皂等。SiO2、B2O3是构成玻璃润滑剂的主要成分。因此，玻璃可分为硅酸盐和硼硅酸盐二类,还有铝硅酸盐、硼铝硅酸盐。在挤压和锻造成形中,加工温度为1100以上,一般使用硅酸盐。 在玻璃润滑剂

15、中，一般还加入 碱金属氧化物(Na2O、K2O、Li2O)、碱土金属氧化物(MgO、CaO、BaO、PbO)及AI2O3、TiO2、ZrO2等,主要目的是调整粘度、软化温度、润湿性、热胀系数等。 玻璃润滑剂一般的成分: 3070 SiO2 、040 B2O3 、 023Al2O3、025Na2O、 025K2O、 020CaO、 010Li2O、 010PbO、 06MgO 、 010BaO。 此外，还可以加入其它氧化物,7.5 熔体润滑剂,钢材拉拔和某些难于锻造加工的金属时,有时要采用润滑涂层的工艺,必须在金属的表面先进行表面处理,形成一定厚度的润滑涂层或者形成有“载体”作用的涂层,然后再配

16、合适当的润滑剂，涂层是润滑剂的重要组成部分，它除了有润滑作用外还具有“载体”作用，把润滑剂载入模孔，以保证形成足够厚度的润滑膜，达到润滑的目的。分类： 石灰涂层 硼砂涂层 磷酸盐涂层 草盐涂层,7.6 金属表面涂层润滑,轧制、拉拔润滑机理,润滑机理主要是流体动压润滑机制油楔效应、接触表面微观不平度夹带机制以及接触表面的物理与化学吸附机制共同作用, 使变形区中形成润滑膜及其吸附塑化效应,形成润滑。,7.7 金属材料成形中的工艺润滑, 轧制润滑机理 在轧制变形区的入口，轧辊和轧材表面形成楔形缝隙，由于轧辊的旋转，而产生流体动力学效应，润滑剂形成动压力，使润滑剂进入轧制变形区；另一方面，由于轧辊和轧

17、材表面粗糙度对润滑剂有夹带作用，有利于润滑剂进入轧制变形区。, 钢材热轧工艺润滑,润滑剂类型 矿物油为基的液体润滑剂需要添加各种添加剂。液体润滑剂通常以油水混合物的形式使用。油水混合润滑剂可以是乳化液、悬浮体或机械混合物。油水混合液的润滑作用机理通常是从水包油相向油包水相的转变过程。混合液以水包油的形式到达轧辊表面并进入变形区，在变形区的温度和压力作用下，水很快蒸发并转变成油包水相，油受热分解，其分解产物起作用润滑作用。 热轧油 矿物油为基的热轧油 ,润滑的效果较差。 动植物油为基的热轧油,润滑效果好。 化学合成型的热轧油,润滑效果次之。,热轧润滑剂的供油方式,纯油的供给方式 通过蒸汽或压缩空

18、气雾化后喷到轧辊上，或者通过压靠在轧辊上的油毡等将油传给轧辊。 油水混合液的的供给方式 * 润滑剂与轧辊冷却水混合后喷射到轧辊上，方法简单，但是浪费油； * 油和水在单独设置的管路中成机械混合液喷射到轧辊上。此法节油，但装置复 杂。 * 油和水合成乳化液或机械混合液喷射到轧辊上，油耗少，操作稳定性好。, 冷轧钢带润滑工艺,润滑剂 水溶性轧制液一般使用乳化液。 轧制油冷轧用 润滑方法 *直接供油系统 主要用于轧制较薄的、供给润滑性能好的、不稳定的油水机械混合物。一次使用，另外有单独的供水系统冷却轧辊。 * 循环供油系统 主要用于轧制较厚的薄板，将乳化液或纯油喷射到轧辊和轧件上，同时起润滑和冷却作

19、用，循环使用。 * 混合供油系统 用于轧制各种较厚的薄板，它是将润滑性能好的、浓度比较高的乳化液，极少的量直接喷射到钢板上，与此同时，把大量的、浓度比较低的乳化液通过循环系统喷射到轧辊上。,冷轧钢带供油系统, 热轧钢管工艺润滑,热轧钢管工艺过程是将实心的坯料经穿孔机、轧管机热轧成荒管，然后经定径制成成品管。 润滑剂 石墨和各种矿物油组成的润滑剂 由于矿物油燃烧形成碳，污染环境，也使钢材表面碳增加，逐渐被淘汰。 石墨和食盐组成的润滑剂较好 盐类润滑剂，比较成熟的是以氯化物和磷酸盐为主。, 润滑方式 穿孔机工艺润滑：在顶头涂抹润滑剂，其方法：采用水冷顶头；润滑剂涂抹在顶头并烘干，比较好的润滑剂是1

20、0的食盐和25的熟石灰。 自动轧管机的工艺润滑：短顶头轧制的润滑部位是顶头和毛管的接触变形区。润滑剂比较好的是磷酸盐类或以石墨粉为主的润滑剂。 均整机工艺润滑：主要润滑芯棒，为了能顺利脱棒。常用润滑剂为20三聚磷酸钠的悬浮液。连轧管工艺润滑 主要润滑长芯棒与毛管内壁，防止粘结。润滑剂为石墨，均匀的涂在芯棒表面或者使用三聚磷酸钠润滑剂。, 拉拔润滑工艺,润滑剂分类 (1)干式润滑剂 金属表面涂层碳酸钙肥皂膜、磷酸盐膜、硼砂膜、草酸盐膜、金属模以及树脂膜等。 金属皂类 它的组成为金属皂（硬脂酸钠、钙、锂、铝）占6080% 。无机物（石灰、滑石粉、钛白粉）占2040%、各种添加剂（极压添加剂石墨、二

21、硫化铜、硫磺粉）占少量。 二硫化钼、二流化钨及石墨肥皂粉。 (2)湿式润滑剂 拉拔时使用比较广泛，大致采用以下几种： 矿物油 常用的矿物油有锭子油、机械油、汽缸油、变压器油以及工业齿轮油等。 脂肪酸、脂肪酸皂、动植物油、高级醇类和松香。 乳化液。,有色金属拉拔润滑方法,使用矿物油时需加入一定量的表面活性物质作为油性添加剂。 铜及其合金、铝及其合金由变压器油、油酸、三乙醇胺及水配制的乳化液可用于等管棒线的拉拔润滑。汽缸油适合铝及其合金材拉拔，润滑脂可作为有色金属管棒低速拉拔润滑。 镍及其合金拉拔可在金属表面涂层，然后用75的干肥皂粉和20、硫磺粉以及5石墨作润滑剂。 钨、钼合金拉拔线材时，通常采

22、用石墨和二硫化钼等干式润滑剂。,钢线棒材拉拔润滑方法 化学涂层法（磷酸盐或草酸盐+硬脂酸盐） 树脂膜法（氯化树脂+高压润滑油） 油润滑法（高压润滑油）。, 铝材轧制润滑,热轧铝板的工艺润滑,铝板热轧分为粗扎和精轧，轧制温度通常在350500范围，轧辊温度达80130。因此，一般采用以冷却轧辊为主的可溶性轧制润滑油。另外，由于热轧铝板时会出现辊面粘铝现象，而且较厚的粘铝层会脱落并嵌入轧制产品中，使轧制力产生波动，这是很不理想的。而粘铝层的厚薄与润滑好坏有密切关系。要选用合适的润滑剂与用量，在轧制过程中保持适当的润滑，使辊面粘铝极少或形成均匀的薄膜。,鉴于以上两方面的要求，热轧铝材时一般采用水溶性

23、矿物油，即以矿物油为基油，添加适量的油性剂及乳化剂，与水构成乳化液作为润滑剂。我国工厂使用较多的是油酸三乙醇胺系乳化液。即：8085矿物油1015油酸5三乙醇胺。加水后调配成O/W型乳化液使用。热轧硬铝时，通常采用浓度较低的乳液（1.01.5%）；而热轧软合金时使用的浓度稍高一些（1.52.0%）。乳液的使用温度以4060为宜。,几种用于热轧铝及铝合金的乳液组成及使用性能,几种用于热轧铝及铝合金的乳液组成及使用性能,日本热轧铝材时用的水溶性矿物油有两种： S-2-25：76精制矿物油20石油磺酸盐20脂肪酸1有机胺1高级醇 A5C：95高级醇3非离子型乳化剂3脂肪酸胺0.20.3抗氧化剂 S-

24、2-25油可用于粗扎，轧制速度为3.33m/s，轧制温度为500550，板厚由200300轧至3050mm。使用浓度为10%，若辊面粘着铝膜较厚，使用浓度可加大到15%。 A-5C油用于精轧，轧制速度为56.67m/s，板厚为3050mm轧至10mm。为了提高油的润滑性，可将乳化性调整的不稳定些。, 冷轧铝板工艺润滑,铝及铝合金板带箔材的轧制，在热轧后还要经过粗扎、中轧及精轧几个冷轧阶段。从工艺角度来看，粗、中轧侧重于加大压下量，缩短生产周期，而精轧则侧重于保证产品表面光洁和优良的板型。 冷轧铝板带箔材的工艺润滑，一般采用非水溶性矿物油。为了起到较好的防粘降磨作用及保证生产安全，润滑基油应满足下表的性能要求。,冷轧铝用润滑基油的性能要求,由上表可见，不同的轧制条件对粘度要求不同。粘度较大的油耐压性能较好，允许较大的道次压下量。因此，粗、中轧道次可选用粘度较大的润滑基油，精轧或预精轧道次易用粘度较小的稀薄润滑油。 在选用润滑油时应结合实际条件综合考虑，并要求有尽可能窄的沸点范围。在轧制速度较高的情况下，要求润滑基油的沸点在26031