磨潤學就是研究固體物質在各種條件下互相磨擦時的物理、機械特性與結果,以及各種潤滑方式的效果。
固體間無潤滑介質的直接接觸摩擦,乃為乾摩擦,其摩擦係數不僅非常高,且在高速、重壓下必然會有瞬間局部高溫導致突出部份互相熔焊咬死,兩物體繼續相對運動時,黏焊部份剝離產生更粗糙表面與游離的尖銳硬質碎片持續製造更大面積的刮損。
因此,極少有完全無潤滑的乾摩擦狀況,現實中幾乎任何機械設計上都會採用某種形式的潤滑來改善摩擦狀況。實務上的磨潤學,就是如何選擇適當的潤滑劑來使摩擦狀態盡可能趨近混合摩擦與液態摩擦的交接處,即最低摩擦點。
下圖左為低速時,油膜無法形成、兩摩擦面仍有大量的直接接觸點,稱為邊界摩擦狀態
下圖中顯示當速度逐漸增加時,油膜隨著速度的增加而增厚,只有摩擦面上較突出的點仍會彼此接觸,稱為混合摩擦狀態
下圖右顯示當摩擦面達到一定相互速度以後,油膜完全將兩摩擦面分離、無固體對固體的接觸點,此時稱為流體摩擦狀態
上圖為Stribeck曲線,可用來描述「摩擦係數vs.摩擦速度」的關係:
在最低摩擦點前,摩擦速度愈高、摩擦係數愈低,因為隨著速度的增加,油膜隨之增厚、固體間的接觸減少,故摩擦係數急速下降。越過最低摩擦點後,摩擦速度愈高、摩擦係數愈高,因為液態摩擦的運動阻力(即摩擦力)即油膜本身的流體阻力,根據流體動力學,剪切速度愈高、流體阻力愈高,而流體阻力即是黏度的具體表現。
可見,摩擦係數並非單純的靜、動摩擦兩個數值,而是隨著摩擦速度呈先降低後昇高地連續演變過程。
根據外觀形態,潤滑劑可分為以下類別:
潤滑油(Oil):由85~95%的基礎油、5~10%的添加劑、~5%的固體潤滑劑(只有極少數潤滑油產品會添加固體潤滑劑)所組成。
潤滑脂(Grease):由~80%的基礎油、10~25%的增稠劑、5~10%的添加劑、~25%的固體潤滑劑(但多數潤滑脂不含固體潤滑劑)所組成,呈半固態膏狀,靜置一段時間後會呈現油脂分離現象。
潤滑膏(paste):含40%以上的固體潤滑劑的油或脂(半固態)。僅適用於潤滑非常低速(<0.1m/s)、震動的接觸面。
潤滑蠟(wax):高分子碳氫化合物(蠟分子),固態,但在足夠的壓力和溫度下會液化,壓力消失或溫度回降後立即恢復固態。
潤滑膜(Bonded Coating):以無機鹽類或塑化物為接著劑,將固體潤滑劑固定於機件表面,又稱乾式皮膜。一般而言不耐高速、粗糙或較大壓力的摩擦,適合輕摩擦、低速摩擦的應用,例如機構件等。有些潤滑膜原料溶於有機溶劑中,較新型產品均溶於水中。有些潤滑膜產品是兩劑型(第二劑為硬化劑)。此外,潤滑膜無法使用於太光滑(Ra <1µm)或太粗糙(Ra <5µm)的表面上。
基礎油是油、脂、膏等溼式潤滑劑的主要成份,一般佔潤滑油的85%~95%重量,潤滑脂中一般也含有約80%(重量)的基礎油,至於近乎固態的潤滑膏也含有40~60%的基礎油。
基礎油概略可分為礦物油、合成油兩大類,礦物油是分餾原油時剩下的高黏度原料再製;合成油一般是以乙烯為原料進行聚合反應成長鍊分子後再經過不同化學反應製成的。
合成油包括數個家族,不同家族的性質有極大的差異,各適用於不同的應用,使用者應根據機械設計特性慎加選擇。需注意的是,各種油彼此不一定相容,在換用不同供應商或不同型號的潤滑油前,應先諮詢技術專家以確認新舊油品的相容性。
石蠟基(Paraffinic):氫化處理後的全飽和脂肪族碳氫化合物,高級工業潤滑劑的基礎油選擇之一,潤滑性能佳。
環烷基(Naphtenic):含多量不飽和鍵的脂環族碳氫化合物,有良好低溫性能,故常用於廉價的冷媒壓縮機油中,較不適合作為中高等級潤滑劑。
芳香基(Aromatic):結構中含苯,不穩定、有毒,屬劣質礦物油。
合成烴家族包含聚α烯烴(PAO), 烷化芳香烴(Alkylated Aromatics), 聚丁烯(Polybutenes), 環烯烴(Cycloaliphatic)等等類別,各種合成烴的化學特性都與礦物油相似,兩者均為長鍊碳氫化合物,合成烴不含硫、磷等雜質而對金屬不具腐蝕性,不含不飽和碳鍵而不易氧化變質,分子大小均勻、不易隨時間稠化,因此優於礦物油。一般車用合成機油即為合成烴油。
有機酯(Ester)家族為含"-COO-"官能基的碳氫化合物,酯油本身的潤滑能力優於礦物油與合成烴,且可耐較高溫度。其它特性包括能夠溶解焦油,並為所有油種中唯一能被生物分解的。
聚烴基二醇醚(Polyglycol)家族為含二個"-OH"官能基的極性碳氫化合物,常被稱作聚乙二醇油,是由乙烯與丙烯合成的,以4:1比例合成的PG油可溶於水、不溶於酯類以外的任何其它油種。PG油是所有油種中潤滑性最佳的,其黏溫穩定性(VI值)僅次於矽油,在嚴荷的高負荷滑動摩擦狀況下PG油的優越性能最為明顯。但因為只與極少數的常見橡塑膠相容,其用途較受限制,常用作高負荷高摩擦比的工業齒輪油。
磷酸酯(Phosphate Esters)有優良的低溫潤滑性與抗燃性,最常見的用途是航空用液壓油,由於多數橡塑膠、漆不相容且潤滑性能並不突出,較不常用於潤滑機件。
矽油(Silicone Oil)的特性為最佳的黏溫穩定性(最高的VI),但潤滑性能不佳,且由於表面張力低,有極強的滲透性且難以清除,化學穩定性極佳,但也會在高摩擦壓力或高溫下在金屬表面形成高分子聚合物。其用途較受限制,特別是電氣設備與待塗裝工件均必須嚴格避免接觸矽油。
全氟聚醚(PFPE)簡稱氟化油,是以合成烴氟化(以氟原子取代碳氫分子鍊上的氫原子)而成的。特性為高比重、抗任何化學侵蝕(非常惰性)、耐250℃以上高溫、真空中蒸發率極低、幾乎永不變質。但由於製造困難成本高昂、潤滑性能並非最佳,因此通常僅在需要耐化學侵蝕、高真空或高溫環境下,抑或是需要超長使用壽命時使用。
氟化油因化學鍊結構和氟化率的差異,其成本可能有很大的差異。線性型的PFPE成本較高,VI值~200,阻力較低,抗壓性較差,較易揮發,耐溫性較差(<250℃),低溫性能較佳,適合高低溫差大的『寬頻』應用。分支型PFPE的VI值僅約~100,阻力較大,抗壓性高,較不易揮發,耐溫性較強(<300℃)。
上圖左為線性結構,上圖右為分支結構
脂(Grease, グリース)、膏(Paste)等半固態潤滑劑的主要成份仍是基礎油,由於液態的潤滑油在實務應用上較為不便,例如必須密封機構、難以控制潤滑點的油量、油必須透浸透或噴注或傳送到摩擦點等等,多數場合使用潤滑油會導致機械設計過度複雜。
在潤滑油中加入10~20%的增稠劑,將液態的油轉變成半固態的脂、膏(俗稱黃油、牛油),可簡化機械設計。增稠劑為富含孔隙、數十~百餘µm大小的物質,可吸附大量基礎油,形成半固態的潤滑脂。可附著於機件的任何部位,持續釋出潤滑油至摩擦點上提供潤滑功能。
普通的潤滑脂,一般均以簡單鋰基皂(Simple Lithium Soap)為增稠劑,一般標準高溫用途的工業潤滑脂則常以PU為增稠劑。皂基與非皂基,乃是增稠劑的最簡單分類法,皂基是以金屬氫氧化物(如氫氧化鋰、氫氧化鋁等)與有機酸反應(例如醋酸等)生產的,在電子顯微鏡下呈綿絮狀,簡單型的皂化過程僅有一種有機酸參與反應,複合型的皂化過程有多種酸參與反應以產生較特殊的皂基結構。非皂基增稠劑一般呈粒狀或球狀。
特殊潤滑脂,一般不能滿足於簡單鋰基皂或PU的性能,為提昇耐高溫,抗水,抗化學侵蝕,抗壓,高流動性,高附著性等等不同性能的要求,需要使用複合皂基或其它非皂基的增稠劑,各種本公司所使用的增稠劑類別與一般特性如下:
不同種類、比例的增稠劑,會使潤滑脂呈不同的稠度。另需注意的是,非但不同種類的基礎油有不相容的可能,不同種類的增稠劑也可能不相容,不相容的增稠劑相混合可能產生不均勻、不穩定的潤滑脂狀態,在換用不同供應商或不同型號的潤滑脂前,應先諮詢技術專家以確認新舊油品的相容性。
上圖左為皂基增稠劑的電子顯微鏡照片
上圖中為鐵氟龍的電子顯微鏡照片
上圖右為PU增稠劑的電子顯微鏡照片
添加劑是化學物質,用來改變油、脂的性質,以提昇其潤滑或化學穩定性。添加劑一般僅佔溼式潤滑劑(油、脂、膏)的5%重量,但對潤滑劑的用途與性能有極大的影響。
若兩種潤滑油,使用同一基礎油,但添加完全不同的添加劑,就會產生完全不同的潤滑特性,因此潤滑劑本身的規格無法用來作為適用於特定應用與否的判斷基準。
有些添加劑組合有相乘作用,有些添加劑組合卻會互相削弱,有些添加劑會互相影響其在基礎油中的溶解度,專業潤滑劑乃是針對特定應用的磨潤狀況,選擇效果最佳的添加劑組合與份量,以最佳化其磨潤特性。
作為特殊用途潤滑劑的專家,本公司使用的添加劑種類近千種,化學專家根據產品應用上的物化特性,精心選擇最有效的添加劑組合,調配製成數百種的特殊潤滑劑。為協助生產高水準產品的客戶選擇最適合的潤滑方案,本公司的技術服務人員隨時提供專業的諮詢服務。
常見添加劑概述:
抗磨劑(AW, Anti-Wear):狹義的抗磨劑是一種會與金屬發生化學反應的鍍膜原料,例如二硫代磷酸鋅(ZDDP or ZnDTP, Zinc Dithiophosphate)、二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC, Molybdenum Dithiocarbamate)即是最常見的抗磨劑。在混和與邊界摩擦域中,金屬與金屬的直接接觸產生局部高溫,使抗磨劑活性大增、與摩擦金屬體(特別是鋼鐵)反應,形成約0.2µm厚的多層膜(鋅、硫化鐵、磷酸鋅等等),這些膜有極低的摩擦係數,從而降低混和摩擦域的摩擦係數,並避免金屬對金屬的直接接觸。因此,使用AW的潤滑劑,在正常情況下磨耗痕跡很小。
然而,抗磨劑經反應形成的鍍膜無法抵抗較高的壓力,在較高速度、壓力條件下,抗磨劑的鍍膜被摧毀、兩摩擦金屬體直接接觸形成冷焊,剝離時產生大塊碎片與尖銳的傷口,此時則須依靠極壓添加劑。
極壓添加劑(EP, Extreme Pressure):極壓添加劑大多是磷、硫或氯化物,因此有些極壓添加劑在較高環境溫度下會發出異味。極壓添加劑的原理是,在摩擦金屬體的接觸尖峰因高壓發出高熱(600~1000°C),極壓添加劑被高溫所活化,將尖峰腐蝕而避免冷焊、剝離。磷酸三甲酯(TCP, Tricresyl Phosphate)即是一種常見的極壓添加劑。
在金屬切削液中,EP是一種必不可少的添加劑,在潤滑油脂中,由於EP與AW均需佔據金屬表面才能作用,而兩者作用機制相反,因此混用EP與AW很難預測其效果。
在現代,考慮到環境保護的需求,氯基的極壓添加劑在歐洲已被淘汰。
抗蝕劑(CI,Corrosion Inhibitor):抗磨劑通常也有抗蝕作用,因抗磨劑可於金屬表面形成多層的保護膜,可防止金屬基底浸於油脂中產生腐蝕電流而鏽蝕。防鏽油中的抗蝕劑一般不耐高溫,因此最好在塗、浸潤滑油脂前將防鏽油去除。
減摩劑(Friction Modifier, Oiliness Additive):減摩劑又稱摩擦改善劑,廣義而言是抗磨劑的一種。若單獨而言,減摩劑指的是分子鏈一端有極性(Polarity)的油性分子,例如酯(ester)即具有此特性而常被用來當作減摩劑。減摩劑的極性分子端對金屬有很強的吸附能力,因此減摩劑能均勻包覆、附著於金屬表面,形成低摩擦係數的一層油膜。然而減摩劑與抗摩劑不同,並不與金屬發生化學反應。
上:減摩劑的作用方式 下:抗摩劑的作用方式
抗氧化劑(Anti-Oxidant):抗氧化劑主要加於礦物油基潤滑油脂中,因礦物油的不飽和鍵較易氧化。抗氧化劑的作用原理為以自身更高的氧化活性,在油脂表面與內部代理礦物油的不飽和鍵搶先氧化,從而保護油脂不致氧化、酸化。
黏度指數增進劑(Viscosity Index Improver):這種添加劑是用來改善潤滑油的黏溫穩定性,亦即降低「溫度上昇時黏度下降的程度」。VI增進劑是高分子(>22萬分子量,而基礎油分子量僅有100~1000)聚合物,低溫時卷曲、高溫時舒展,從而影響潤滑油的整體黏度。VI增進劑不耐應力,在長期使用下必然逐漸失效,潤滑油的黏溫穩定性隨之逐漸劣化。聚異丁二烯(PIB, Polyisobutylene)即是常見的VI增進劑。
清淨擴散劑(Detergent, Dispersant):用於引擎機油與齒輪油中,作為為溶解油泥、膠狀的焦化油污,以避免油泥污物附著於機件表面、妨礙機件動作。因此在換油時,抽出的舊機油理想上應是污濁的。
傾點下降劑(Pour Depressant):石蠟基烴潤滑油,在低溫時內含的微量蠟會結晶析出導致油體難以流動。使用傾點下降劑可阻止蠟的結晶析出,從而降低潤滑油的傾點與最低可用溫度。
消泡劑(Anti-Foam agent):在齒輪箱中,因持續攪拌又是密閉空間,油體內極易累積大量氣泡。消泡劑一般為矽油,利用矽油的低表面張力阻止氣泡的形成與擴大。
在邊界摩擦域(低速、過重負荷、表面太粗糙、黏度不足等狀況),油膜無法形成,摩擦面有大量的固體對固體直接接觸,此時若無其它輔助潤滑成份,將產生熔執、磨損、跳動等現象,輕則產生不穩定的震動,重則嚴重損壞摩擦面。
金屬對金屬,在邊界摩擦域的高速摩擦,會導致接觸點爆發數百℃的瞬間局部高溫,接觸點瞬間黏焊咬死,又立即崩裂造成更粗糙的表面同時製造尖銳游離碎片,進一步刮損整個摩擦面。
改善固體對固體接觸的摩擦特性,有化學與物理方式可供選擇。
化學方式即反應性添加劑,例如會在瞬間局部高溫點形成快速化學腐蝕效果的EP(極壓)添加劑。
物理方式即固體潤滑劑,充當緩衝物界墊於兩摩擦面間以避免兩摩擦面直接接觸。
常用的固體潤滑劑,有二硫化鉬(MoS2)、石墨、聚四氟乙烯(PTFE、鐵氟龍)各有其適用特點。moklu亦有其它金屬矽化物、氧化物等製成的固體潤滑劑。
◎ MoS2的優點是高抗壓性,缺點是骯髒、在高溼度環境下會有腐蝕性。
◎ 石墨需要一定溼度才能發揮作用,因此在零度以下、低溼度、真空環境並不適用,抗壓性與MoS2相似,但也同樣是黑色的難以清除、較不符合工安衛生與環保要求。
◎ PTFE的抗壓性遜於前兩者(<10N/mm2),因此僅適用於輕負荷應用,但摩擦力低、乾淨無活性,因此廣為潤滑劑廠商所採用。
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