第8章 边界润滑理论要点

• 特点
– – – – 在金属表面膜，以降低固固接触时的表面损伤。 润滑的有效性由油膜的物理-化学性能所决定 边界润滑膜的形成还取决于运动工况。 边界润滑是一种综合复杂现象。在机械运转中，边 界润滑和流体动压润滑混合发生或交替发生。
一、形成边界膜的物理-化学机理
1.1 物理吸附：范德华 力作用下分子吸附在 金属表面（如矿物油 吸附）。吸附膜可以 是多分子层或单分子 层。吸附热小、吸附 强度低，临界温度约 为100℃，只能适用 于低载、低速、低温 条件。
– S+Fe→FeS2 – Cl-+ Fe→FeCl2或FeCl3 – PO43-+ Fe→FePO4
• 减摩抗磨机理在于反应膜 的剪切强度低，它用 膜之间的低剪切力替代了金属粘着点的高剪切 力，用缓慢的腐蚀磨损替代了剧烈的粘着磨损。 • 氧化膜：金属在空气中生成化学反应膜，干磨 擦条件下，能起瞬间润滑作用。
边界的协同效应
• 载荷：W=Ar[ασs+(1- α) σs f]
σs金属抗压强度，σs f边界膜的屈服极限，一般两种
相差不大，取一平均值
s , 使 s s s f , 则


W Ar s
可得摩擦因数为：

F Ar[ (1 ) a ] (1 ) a W Ar s s
反应膜
1.4 固体表面应具备的特性
（1）高表面能：如金属； （2）良好的润湿性能：小接触角； （3）有化学活性，有极性功能团和悬挂键， 能与润滑油进行一定化学反应； （4）亲油疏水性；
二、润滑剂边界润滑膜行为
2.1 吸附膜 吸附膜能降低接触界面的表面能，减少摩 擦幅间的直接接触而减少摩擦。 如氧化膜、水气膜、有机膜 2.2 分子层数 随着吸附分子层数的增加，摩擦力下降。 当分子层到7~10层数时，液膜的切应力才 降到宏观值。
边界润滑模型
三、边界润滑机理
• 在法向载荷作用下，相对运动的微凸体接触增加，部 分接触点处边界膜破裂，产生金属间的接触。摩擦力 等于粘附点的剪切力和边界膜分子的剪切力之和。 • 摩擦力： F=αArτ+(1- α) Arτα =Ar[ατ+(1- α) τα]
Ar:真实接触面积， α金属直接接触所占的比例 τ ：粘附点的剪切强度，τα：边界膜分子的强度
物理吸附润滑模型
形成边界膜的物理-化学机理(2)
1.2 化学吸附：分子通 过化学键与金属表面 连接成一个单分子层 的吸附膜（如油酸吸 附）。吸附热较大、 吸附强度高，临界温 度约为200~ 300 ℃， 能适用于中载、中速、 中温条件。
形成边界膜的物理-化学机机理(3)
• 1.3 化学反应膜：含有S、P、Cl等活性原子的 添加剂在摩擦高温下与金属表面发生化学反应， 生成低剪切应力的化学反应膜。 反应膜的强度 高于吸附膜，可适用于高载、高速、高温条件。
若α →0，即边界膜起决定作用时，
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a s

边界润滑剂
• 非极性润滑剂：低W、T下，形成物理吸附膜 烃类物质、基础油 • 油性剂：中低W、T、V条件下，与金属表面形 成吸附膜，起边界润滑作用。含有极性基团， 如动植物油，脂肪酸、醇、酯、胺等。 • 抗磨剂：中等W、T条件下，与金属表面反应 生成化学反应膜，主要作用为减磨。磷酸酯， 硼酸酯胺盐和金属盐（如锌盐、铋盐） • 极压剂：高的W、T条件下，与金属表面反应 生成化学反应膜，主要作用为防胶后（烧结） 如含S、Cl、P的添加剂。
边界润滑理论
• • • • • 概述 边界润滑膜 边界润滑机理 边界润滑剂 提高边界膜性能的措施
概述
• 1922年英国学者HARDY第一次提出了“边界 润滑”的概念。他和达勃注意到当摩擦表面靠得很
近时，决定表面摩擦学性质的是润滑剂和表面之间相 互作用所生成的边界润滑膜的物理特性，他们称这种 润滑状态为“边界润滑”。
2.3 化学膜 （1）表面的化学活有关 极性添加剂对不活泼金属（Pt,Ag,Ni,Cr)减 摩效果不明显。 （2）油性剂分子链长度：同系物中，一般随 着碳链的增长，润滑效果增强，碳原子 数须在12以上才的润滑效果。这主是分 子之间的侧向吸引力增加，油膜更加稳 定。 （3）极性功能团：耐磨效果而言，胺>酸> 醇>酯，双功能团>单功能团