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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。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（R1＝R2＝R3）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)、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①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。②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(R－NH3＋Cl－)、季胺盐型(R－(CH3)2N＋Cl－)③两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==R1NH2＋R2COO－④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（Hydrophile－LipophileBalance）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：HLB＝7＋∑Hi亲水基团HLB值-COOH2.1-OH1.9-O-1.3-OH-0.5-SO3Na11.0-SO4Na38.7-COONa19.1亲油基团HLB值-CH－-CH2-－0.475-CH3-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：15～18去污作用：HLB：13～15润湿作用：HLB：7～9乳化作用：HLB：3.5～6.0（W/O型）HLB：13～18（O/W型）清泡作用：HLB：1～3●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：80～85％机油或变压器油＋10～15％油酸＋5％三乙醇胺。使用方法：把乳化液配成乳剂（乳膏）——90～97％加水搅拌——生产使用●乳化液与乳化剂类型•乳化液的类型：①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。②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：①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。②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）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0.04～0.25，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10～30％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:30～70％SiO2、0～40％B2O3、0～23％Al2O3、0～25％Na2O、0～25％K2O、0～20％CaO、0～10％Li2O、0～10％PbO、0～6％MgO、0～10％BaO。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