第六章-润滑作用与润滑剂

周怡琳2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂1第一节电触点润滑剂概述第二节润滑状态与润滑机理第三节蜡状润滑剂第四节液体润滑剂和半液体润滑剂第五节固体润滑剂第六节气体润滑剂第八节润滑剂的使用和发展2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂2一、电触点润滑剂发展背景1.电接触中存在的问题：①清洁金属表面由于微观粗糙度等原因，峰-峰接触处承受压力大，造成粘结。表面相对滑动时，剪切力切断粘结点造成了摩擦力和表面磨损。克服摩擦力使机械能量损失在接插件上，如摩擦系数很大时，插拔很困难，操作不便。②磨损使接触表层金属受到损失，接插件或开关件上镀层或辗压层的贵金属被磨穿而露出基底金属后，在空气中腐蚀形成膜层使接触不良。电刷磨损严重后使接触界面面积减小，加速氧化进程。所以，摩擦和磨损都是电接触中力求减少的现象。2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂32.电触点润滑剂的发展◦40~50年代：发现石墨可作为固体润滑材料，用于减少电机电刷与集流环的摩擦与磨损。◦50年代：接插件、开关表面电镀贵金属，涂覆润滑剂减少表面磨损，但其熔点过低，未真正应用。◦60年代：磨损问题日趋严重尖锐，因此对蜡状材料和油状材料进行了广泛的研究，能否用于滑动电接触上。对润滑机理、导电机理进行实验分析。◦70年代后：润滑剂的研究和生产趋于成熟。◦80年代初：国际上已有近百种润滑材料用于不同要求的接触表面。2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂41.电触点润滑剂定义◦涂覆接触表面以减少其机械摩擦、磨损、微动失效和减少腐蚀。其目的是为了保持触点表面的完整性和保持稳定的接触电阻。2.触点润滑剂的功能◦若接触界面之间合理地涂覆一层润滑剂，会大大地改善触点性能，提高其工作可靠性。主要表现在：①降低滑动摩擦系数(4-5倍)，减少连接器，尤其是多触点连接器的插拔力;②减少表面金属镀层(Au，Ag，Sn等)的磨损;③对薄金镀层起到封孔防腐的作用;④隔离空气中的腐蚀气体对金属的侵蚀;⑤极大地减缓或消除微动失效;⑥灭弧、减少触点电蚀;⑦恢复失效触点。2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂51.电触点润滑剂与机械润滑剂的区别•工业用润滑剂是降低摩擦、防止磨损，使两接触表面完全分隔开，不相互摩擦。•电接触润滑剂在降低摩擦、防止磨损、防止表面腐蚀的同时，还要保持较低的接触电阻。2.电触点润滑剂的特点◦绝大多数商用润滑剂都是绝缘体。这意味着若润滑剂很厚，在接触压力的作用下无法获得金属直接接触，而处于完全润滑状态下，会使接触电阻失效。所以只能在金属界面间形成一层不完全薄膜，使滑动在膜层和少量金属间进行，减少金属的粘结机会，从而减少摩擦力和磨损，又能使接触对间有一定的金属接触，保持较低的接触电阻。2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂61.电触点润滑剂种类很多①按形态分为：蜡状、液体、半液体、固体、气体润滑剂。②按组分分：无机物质、有机物质。2.电触点润滑剂的应用①目前用于接插件、开关上的主要是蜡状、液体、半液体润滑剂。②用于电刷－集流环组之间的电接触润滑剂：固体颗粒材料为主。③大电流和高速度滑动接触上的应用：气体润滑剂。3.没有万能润滑剂由于润滑材料的润滑机制不相同，滑动接触点的类型很多，其经受的压力、电流、接触材料表面状态及所处的环境的不同，对于不同的应用场合，必然有适应各自特点的润滑剂。使用润滑剂时应特别注意其所受的条件限制，否则可能适得其反，增加接触故障机会。2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂7一、润滑状态1.润滑目的：在摩擦表面形成低剪切强度的润滑膜，用它来减少摩擦阻力和降低材料磨损2.润滑状态根据润滑膜的形成原理和特征，润滑状态可以分为：①流体动压润滑②流体静压润滑③弹性流体动压润滑④边界润滑⑤干摩擦状态2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂8图1膜厚度与摩擦表面粗糙度9单分子吸附层边界膜弹流膜液体润滑膜研磨表面均方根值粗加工表面均方根值110-110-210-310102膜厚度(m)只有当润滑膜厚度足以超过两表面的粗糙峰高度时，才有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑塑性变形边界膜弹性变形液体塑性变形边界膜弹性变形液体塑性变形边界膜弹性变形液体塑性变形边界膜弹性变形液体润滑状态典型膜厚（m）润滑膜形成方法应用流体动压润滑1~100由摩擦表面的相对运动所产生的动压效应或挤压效应形成流体润滑膜中高速下的面接触摩擦副，如滑动轴承流体静压润滑1~100通过外界压力将流体送到摩擦表面之间，强制地形成润滑膜所有速度下的面接触摩擦副，如滑动轴承、导轨等弹性流体动压润滑0.1~1与流体动压润滑相同中高速度下的点线接触摩擦副，如齿轮、滚动轴承等边界润滑10-3~510-2润滑油中的成分与金属表面产生物理化学作用而形成润滑膜低速度或者重载荷条件下的摩擦副干摩擦状态10-3~10-2(氧化膜厚）无润滑或自润滑的摩擦副10110.0050.050.550.010.01110纯净金属氧化膜边界润滑边界润滑和流体润滑流体润滑12摩擦特性曲线:vs.n/p磨损曲线:vs.F工况参数的改变可能导致润滑状态的转化：润滑油粘度；n：滑动速度；p：单位面积载荷1.摩擦力F=3A2m+(1-3)A2f=3Fm+(1-3)Ff◦Fm，切断金属粘结处的剪力；◦Ff，克服膜层间摩擦所需的剪力；◦3＝A3/A2A3，实际金属接触面积；A2，减压后接触面积。2.摩擦系数＝F/P=3m+(1-3)f◦m，清洁金属间滑动的摩擦系数；◦f，膜层间滑动的摩擦系数；2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂131.完全润滑◦发生条件：滑动实际上在膜层之间进行，膜层比表面粗糙度的高峰要大的多。经实验测定，h/σ5，h，膜厚；σ，表面微观峰与谷间距离的均方差。当3=0，=f；即接触界面覆盖着膜层。由于金属之间没有接触，摩擦力非常小，处于完全润滑状态。◦应用：机械中所用流动动压润滑或流动静压润滑的轴承大多数属于这种情况膜层厚，接触点被抬起来，膜层又多为绝缘材料，虽摩擦和磨损都非常小，但在电接触中无法应用。2.边界润滑◦发生条件：h/1，膜层厚度比表面峰谷间距离的均方差为小。当30，mf；此时金属之间部分接触，对于导电性没有明显影响，但摩擦力和磨损却大大减少。在滑动电接触中，这种既有金属接触又有润滑剂介入其中的状态称之为边界润滑。2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂143.摩擦系数与磨损有关◦摩擦系数与实际粘结的面积成正比，即与粘结的等效圆半径a的平方成正比，而磨损颗粒（假定是球形）则与等效圆的立方成正比。上述两项写成数字式子，则为：a2；Va33/2◦例：假若涂润滑剂后的摩擦系数降为涂前（即完全为金属接触）摩擦系数的1/3，则涂后磨损颗粒的体积将减小到涂前磨粒体积的1/5，磨损将大大减小。2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂151.边界润滑膜定义边界润滑状态的特征是在摩擦表面上生成一层与介质性质不同的薄膜，其厚度一般处在0.1m以下，统称为表面膜或边界膜2.边界润滑膜的种类◦吸附膜物理吸附膜化学吸附膜◦化学反应膜它们对于摩擦磨损中出现的粘着效应(adhesion)和犁沟效应(ploughing)具有不同作用。16①物理吸附膜(极性分子与金属表面吸引)，温度对其影响较大，发生脱附、乱向、破坏，适于常温、轻载、低速下工作②化学吸附膜(极性分子靠分子键与金属表面形成化学吸附)，吸附强度较高、稳定性好，适于中等载荷、速度、温度下工作③化学反应膜(添加剂与金属化学反应生成的膜)，形成的金属盐具有较高的熔点和较低的剪切强度，稳定性较好，适于重载、高速和高温下工作2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂173.表面吸附膜的形成及特性①吸附现象与吸附膜润滑油中常含有少量的极性物质，如含1~2%的脂肪酸CnH2n+1COOH，它是长链型分子结构。分子的一端COOH称为极性团。整个分子可用直线和圆圈表示。圆圈表示极性团。极性团具有化学活性，依靠分子或原子间的吸引力可以牢固地吸附在金属表面，形成分层定向排列的分子栅，这种吸附称为物理吸附长链结构的碳氢化合物都具有物理吸附能力，但物理吸附力比较弱，并且物理吸附膜的形成是可逆的吸附膜通常由3~4层分子组成，每层分子紧密排列，依靠分子的内聚力使分子栅具有一定的承载能力2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂18CCCCOHOHHHHHHH脂肪酸分子结构吸附膜结构极性分子19当表面温度较高时，极性分子能与表面金属形成金属皂（例如CnH2n+1COOM，它也是极性分子，依靠化学的结合被吸附在金属表面形成分子栅，这种吸附称为化学吸附。金属皂膜的熔点比纯脂肪酸高，热稳定性好，化学吸附膜的形成是不可逆的，并且具有较低的摩擦系数。与物理吸附膜比较，化学吸附膜可以在较高的载荷、速度和温度的条件下工作。单位金属表面积上所吸附的分子数量称为比吸附，它是吸附能力的量度。比吸附随极性分子在基液内的浓度增加而增大，各种极性分子都具有最大的吸附量，称为饱和吸附量润滑油与金属表面形成吸附膜的能力以及吸附膜的强度统称为油性。油性是一个综合指标，它同时与润滑油和金属表面的性质和状况相关2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂20②吸附膜的结构及特性◦在吸附膜中的极性分子相互平行并都垂直于摩擦表面。这种排列方式可以满足被吸附的分子数达到最多。◦滑动时，在摩擦力作用下，被吸附的分子将倾斜和弯曲，因而吸附膜之间的摩擦系数较低，并有效地防止两摩擦表面的直接接触。◦分子链越长，吸附膜越厚，两摩擦表面被隔得越开。在一般情况下，边界润滑的摩擦系数随极性分子链长的增加而降低，并趋于一个稳定值。◦极性分子的链长决定于分子中的碳原子数，因此随着极性分子中的碳原子数增加，摩擦系数降低。◦吸附膜中的分子形成分层定向排列的结构，同一层分子保持一个独立的整体，能够支承载荷，而各层之间形成易于滑动的平面。所以，边界摩擦是各个吸附分子层之间的摩擦，而边界润滑状态下吸附膜的滑动速度沿膜厚方向的变化是阶梯式2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂21边界润滑的效果与润滑油量密切相关◦吸附膜覆盖摩擦表面将使表面的自由能减少。当润滑油量很少时，首先在整个表面上形成单分子吸附层，使表面自由能达到最低。随后，油量增加吸附膜厚度均匀增加。2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂22ABC润滑油量在A~C之间：•粗糙峰顶处的油膜厚度维持不变，而摩擦只发生在峰顶，所以油量不影响摩擦系数的数值；•一旦峰顶的油膜破坏，峰谷的油依靠自由能减少的趋势迅速补充峰顶，使峰顶油膜得到恢复。油量只能达到A或更少时：由于油膜很薄难以流动，峰顶油膜破坏后得不到补充油量，于是产生干摩擦油量超过C后：摩擦系数不稳定4.化学反应膜◦润滑剂中的某些成分与金属表面发生化学反应而生成反应膜。化学反应膜比吸附膜稳定得多，并具有高熔点和低剪切强度，摩擦系数保持在0.1~0.25之间。◦良好的润滑效果要求反应膜有一定的厚度，通常化学反应膜厚度为10~100Å。反应膜的形成是不可逆的。但在摩擦过程中，反应膜不断地被磨损又不断的生成，因而它的润滑效果取决于这两种过程的动态平衡。如果反应膜破坏后不能及时生成新膜，则润滑效果将丧失。◦化学反应膜的作用还取决于膜的连接强度，只有当反应膜与母体金属连接牢固时才能起保护金属的作用。否则，反应膜反而加剧磨损2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂235.边界润滑的特性◦总承载能力：◦两摩擦表面相互滑动时的摩擦力：◦混合润滑状态的摩擦系数◦当边界润滑效果良好时，摩擦系数决定于边界膜的剪切强度2020/4/6第六章润滑作用与润滑剂24ABCSBsbbaaWApApWbbaaAAFsbbaabbaaWApApAAWFA：粗糙峰因接触压力较大导致边界膜破裂，产生两金属表面直接接触B：边界润滑；主要承载面积C：粗糙峰之间形成的油腔；边界膜彼此不接触，承受的载荷很小S：油膜润滑部分。由于两表面距离很近，运动中产生流体动压或挤压效应而承受一部分载荷影响边界膜性能