文章编号:1672-4364(2007)01-0015-05润滑技术研究进展王德岩(空军油料研究所,北京100076)摘要:从润滑剂方面简要介绍了润滑技术的发展,纳米技术和智能技术是未来润滑技术发展的方向。
关键词:润滑技术;润滑剂;纳米技术;智能技术中图分类号:TH117.22 文献标识码:A收稿日期:2006-10-06作者简介:王德岩,男,助理工程师,毕业于后勤工程学院油料应用专业,已公开发表科技论文20余篇。
所谓润滑就是用具有特殊性质的材料(液体、气体、固体等)将发生相对运动的摩擦表面分隔开来,避免两摩擦表面的直接接触,变干摩擦为润滑材料分子间的摩擦,达到降低磨损,延长设备使用寿命的技术。
机械设备离不开润滑,润滑既可以降低摩擦,减少磨损,又可以冷却(散热)、清洗、防锈、减震和降低噪声。
据估计,全世界1/3～2/3的能量消耗在摩擦上,约有近80%的机械故障或零件破损是由摩损引起的[1]。
摩擦、磨损不仅造成巨大的经济损失,还可能造成机毁人亡等灾难性的事故。
世界各国都很重视摩擦学的研究,近代摩擦学研究的重点已经从传统的润滑剂和润滑系统转移到了摩擦学材料和表面工程方面,可以说摩擦领域新材料、新技术的应用给“润滑”一词赋予了新的更广泛的含义。
润滑的产生是由于摩擦和磨损的存在,影响摩擦、磨损以及材料性能的因素很多,但归纳起来有应力状态、材料和摩擦面性能以及润滑剂的物理、化学作用三个方面,由此而产生的润滑可分为气体动、静压润滑、流体动、静压润滑、弹性流体动压润滑和边界润滑等主要类型[2]。
但需要强调的是润滑状态是与摩擦工况紧密相关的,由于摩擦工况参数的改变可导致润滑状态的转化,即随着载荷的增大和速度的减小,原来是流体动压润滑的摩擦副就可能逐步过渡到边界润滑,甚至最终成为固体摩擦。
对于实际机械中的摩擦副通常总是几种润滑状态同时存在的,并统称为混合润滑状态。
1 润滑技术研究现状传统润滑剂的发展主要体现在基础液和添加剂的改进方面。
目前,世界润滑油基础油正由API Ⅰ类向API Ⅱ和API Ⅲ类转变,基础油加氢技术发展较快,并出现了一些合成油新工艺,尤其是天然气费托合成技术和合成蜡加工取得重大进展,其中GTL (GasToLiquids )润滑油基础油生产技术越来越受到人们的关注和重视,成为基础油合成的一个重要、崭新的研究领域[3,4]。
我国也研发了加氢和临氢异构降凝技术,提高了基础油的质量,满足了高档润滑油的低排放,低油耗、长周期等的使用要求。
另外,润滑剂添加剂的研制也取得了重大进展,为研究和应用高性能润滑剂奠定了基础,创造了物质条件,促进了润滑方式的改进。
研制了大量的多功能复合添加剂取代单剂,明显降低了使用量,但却起到了更好的使用效果。
1.1 水基润滑剂水代油来进行设备的润滑是人们一直所盼望的,近些年,由于金属加工业的迅猛发展,为了节约能源,保护环境,人们实现了用水润滑的想法。
目前,世界各国都在大力开发和使用水基润滑液,尤其在液压液和切削液方面发展迅速,用量已超过水基润滑剂总量的50%。
水基润滑剂具有优良的经济性、冷却性和安全性,其缺点是润滑性能差,常处于边界润滑状态[5]。
512007年34卷第1期合成润滑村料SYNTHETICLUBRICANTS虽然世界各国都在积极研究,但到目前为止,还没有从根本上解决这个问题,所以研制优良的水基润滑剂添加剂,改善水基润滑剂的润滑性能是今后水基润滑剂研究的关键。
国外在该方面的研究较早,目前已具有成型的商品出现,而我国在该方面的研究才刚刚起步,其中具有代表性的单位有兰州化物所、上海大学、湖南大学、后勤工程学院等[6～9]。
1.2 薄膜润滑随着制造技术的发展,流体润滑的设计膜正在不断减少以满足高性能的要求。
滑动表面间的润滑膜厚可达到纳米级或接近分子尺度,这时就在弹流润滑和边界润滑之间出现一种新的润滑状态即薄膜润滑[10]。
薄膜润滑是20世纪90年代以来广泛研究的新型润滑状态,它是介于弹流润滑和边界润滑之间的一种过渡润滑状态,它具有自己的润滑本质和变化规律。
它区别于弹流润滑之处在于其润滑分子在剪切诱导和固体表面吸附势等作用下处于取向有序状态,因而表现出不同的润滑特性,如尺寸效应等;它区别于边界润滑之处在于具有相当的膜厚,润滑剂具有流动性,因而粘度等对润滑性能具有重要影响[11]。
近年来,国内外关于薄膜润滑的研究异常活跃,如Smeeth等人提出了富集分子物理模型的薄膜润滑机理[12],我国清华大学摩擦化学国家重点实验室的温诗铸、雒建斌[13,14]等一直积极从事该项技术的研究,并取得了可喜的成果。
我们应该看到薄膜润滑是一个迅速发展的新领域,在理论研究上人们已经取得了一定的进展,但是,如何针对具体的应用工况开展研究,已成为目前的迫切问题,这还需科研工作者继续努力。
1.3 绿色润滑剂所谓绿色润滑剂就是指润滑剂在满足设备正常润滑工况的条件下,本身及其耗损产物对生态环境不造成危害,具有特殊性能的润滑剂[15]。
润滑剂一般由基础液和添加剂组成,因此,目前绿色润滑剂研究工作主要集中在基础液和添加剂以及两者的匹配上,其中基础液显然是润滑剂生态效应的决定性因素,但添加剂对生态环境的影响亦不容忽视。
绿色润滑剂的基础液主要是合成脂和植物油,添加剂主要有多种碱金属盐,有机胺和硫化脂肪等。
植物油(如蓖麻油、菜子油、橄榄油等)有优良的润滑性能,粘度指数高,无毒和易生物降解(生物降解是指能被自然界存在的微生物消化分解为二氧化碳和水),以及可再生受到人们瞩目。
植物油抗氧化稳定性不好,如何提高植物油的氧化稳定性是其用作润滑基础油的关键。
国外利用现代生物技术培育高油酸含量的植物,如高油酸葵花籽油等,其油酸含量可达90%以上。
另外可以对植物油进行化学改性,改性方法主要有氢化、酯交换等,其主要目的是减少植物油的双键含量。
还有一种方法是将合成酯和植物油结合起来,先将植物油水解分离出来的脂肪酸纯化处理,除去亚油酸和亚麻酸,但不对脂肪酸进行蒸馏分离,将混合脂肪酸与三羟甲基丙烷进行酯化反应,最后得到低温性能和氧化稳定性较好的产品[16～18]。
绿色润滑剂的添加剂与传统矿物油的添加剂物理化学性质不同,传统润滑油添加剂都是针对矿物油而设计的,而绿色润滑油与矿物油在添加剂的感受性上有很大差异,且基础油与添加剂的作用机理也有所不同。
绿色润滑油要求添加剂低毒性、低污染、可生物降解,而传统的添加剂分子设计主要从满足润滑油的使用性能角度出发,很少考虑到环保和健康等因素。
添加剂的加入对基础油本身的生物降解性能会有所影响,尤其会对基础油降解过程中的活性微生物或酶有危害作用,从而影响基础油的生物降解率。
所以研制适用于绿色润滑油的添加剂是实现绿色润滑油实际应用的重要前提,而这一工作在世界范围内还刚刚起步。
研究表明,一般含有过渡金属元素的添加剂和某些影响微生物活动和营养成分的清净分散剂会降低润滑油的可生物降解性,而含氮和磷的添加剂因为能提供有利于微生物成长的养分,可提高润滑油的可生物降解性。
硫化脂肪是非常适用于可生物降解润滑油的极压抗磨添加剂。
但由于植物油或合成酯的酯类结构具有较强的极性,与添加剂在摩擦表面形成竞争吸附,所以相对添加量较大,无灰杂环类添加剂是一类很好的多功能型润滑油添加剂,预期其在绿色润滑油中将具有良好的应用前景[19～21]。
绿色润滑油的研制和开发虽然起步较晚,但发61合成润滑村料SYNTHETICLUBRICANTS2007年34卷第1期展很快。
国外已经有多种产品问世,需求量也在迅速增加。
在一定范围内,绿色润滑油取代对环境有害的矿物基润滑油是必然的。
我国虽然还没有大量开展绿色润滑油的研究工作,但已在这一方面取得一些研究成果。
随着对生态环境的日益重视,环保意识的进一步增强及科学技术的发展,绿色润滑油将得到迅速发展,应用范围也必将更为广泛。
1.4 纳米润滑将纳米材料应用于润滑体系中是一个全新的研究领域。
纳米材料具有比表面积大,高扩散性,易烧结性,熔点降低,硬度增大等特点,不但可以在摩擦表面形成一层易剪切的薄膜,降低摩擦因数,而且可能对摩擦表面进行一定程度的填补和修复[22]。
用纳米材料作润滑油添加剂,可对摩擦副凹凸表面起填充和修复作用,减小表面粗糙度,增大实际接触面积,起到减摩作用。
纳米粒子尺寸较小,可以认为近似球形,在摩擦副间可自由滚动,起到微轴承的作用,对摩擦表面进行抛光和强化,并支撑负荷,使承载能力提高,摩擦因数降低[23]。
另外,纳米微粒具有较高的扩散能力和自扩散能力,容易在金属表面形成具有极佳抗摩性能的渗透层或扩散层,表现出原位摩擦化学原理[24]。
纳米材料具有突出的抗极压性能和优异的抗磨性,较好的润滑性能,适合在重载,低速,高温下工作,同时,它又不同于一般的固体润滑材料,它综合了流体润滑和固体润滑的优点。
有人认为应用纳米材料制备的添加剂,对摩擦后期摩擦因数的降低起决定作用[25],可以解决常规载荷添加剂无法解决的问题。
纳米润滑的研究处于纳米摩擦学,润滑学,纳米材料学,现代表面科学等先进学科的结合点,对于完善润滑理论,揭示薄膜润滑的机理都有十分重要的作用。
1.5 固体润滑固体润滑是将固体物质涂或镀于摩擦界面以降低摩擦,减少磨损。
利用固体润滑剂进行润滑的方法称为固体润滑。
固体润滑材料也是一类重要的润滑材料,只不过与润滑油脂相比,人类研究和使用这一类润滑材料也只有半个世纪的历史。
尽管这类润滑材料历史不长,但它却以优异的性能获得了广泛的认同,其经济效果好,适应范围广,发展速度快,能够适应高温、超低温、高压、低速、高真空、强辐射等特殊工况,特别适合于给油不方便、装拆困难的场合,其应用范围越来越广,尤其是在以航空航天为代表的军工高技术领域,固体润滑材料更以其出色的性能和不可替代的重要作用后来居上,占据了润滑材料的首选位置,解决了一些液体润滑剂难以解决的困难,现在逐渐推广到常规生产领域中,取得了良好的效果。
习惯上人们把固体润滑剂分为无机物和有机物两类。
前一类包括石墨、二硫化钼、氧化物、氟化物、软金属等;后一类包括聚四氟乙烯、尼龙、聚乙烯、聚酰亚胺等。
固体润滑膜的承载能力很好,但使用寿命不理想,如何找出既具有好的承载能力,又具有理想耐久性的固体润滑材料是今后固体润滑技术研究发展的方向[26～28]。
1.6 油气润滑油气润滑在学术界被称为“气液两相流体冷却润滑技术”,是一种新型的润滑技术,其工作原理是在油气管道中,由于压缩空气的作用,使润滑油沿着管道内壁波浪形地向前移动,并逐渐形成一层薄薄的连续油膜。
经油气混合块混合而形成的油气流通过油气分配器的分配,最后以一股极其精细的连续油滴流喷射到润滑点。
油气分配器可实现油气流的多级分配。
由于进入了轴承内部的压缩空气的作用,既使润滑部位得到了冷却,又由于润滑部位保持着一定的正压,使外界的污染物和水不能侵入,起到了良好的密封作用[29],它与传统的单相流体润滑技术相比具有无可比拟的优越性。
