边界润滑

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第268页（2215字）

两接触表面被一层厚度只有一层或数层分子厚的极薄润滑膜所隔开的润滑，即为边界润滑。因其防止了固体表面的直接接触，本身又极易剪切，故能有效地减摩和提高耐磨性。其摩擦系数f=0．05～0．1，磨损量可比未润滑表面减少到1／1000～1／10000。

边界润滑膜简称边界膜，模型见图1．5－27，有吸附膜和反应膜两种，吸附膜又有物理吸附膜和化学吸附膜之分，依靠分子间吸引力产生的吸附，称为物理吸附，例如润滑油中所含1～2%的脂肪酸或其他具有极性的分子，均可较牢固地吸附在金属表面上。图1．5－28所示为物理吸附模型，这种吸附是可逆的，故吸附力比较小。图a)是将每个分于用直线和圆圈表示，圆圈表示极性团。一般有3～4层分子，每层分子紧密排列，依靠分子间的内聚力使分子栅具有－定的承载能力。摩擦表面相对滑动时，摩擦发生在吸附膜之间。

图1．5－27 边界润滑模型

A－边界膜承载区，B－微油腔·C－边界膜破裂后表面直接接触而承担部分载荷

图1．5－28 物理吸附模型

1－极性分子，2－非极性分子

极性分子与表面金属由于化学结合而形成金属皂，使极性分子定向紧密排列而形成的吸附膜称为化学吸附膜。图1．5－29为硬脂酸与表面氧化铁所形成的金属皂膜的示意图。化学吸附膜比物理吸附膜稳定，并且是不可逆的。但是，在较高的温度下(大多数表面活性材料达150℃～200℃)，则再无有效的减摩作用。

图1．5－29 化学吸附模型

润滑油与金属表面形成和保持吸附膜的能力称为该油的油性，它与油本身的性质和表面的性质和状况有关。一般动物油的油性最好，植物油次之，矿物油则较弱。因此，往往在以矿物油为基础油的油中加入一定的油性添加剂。

化学反应膜是润滑油中含有硫、磷、氯的化合物与金属表面在一定温度下发生化学反应，因价电子交换而生成的低剪切强度的化合物膜，如硫化物膜、磷化物膜等。化学反应膜比吸附膜稳定得多，不可逆，有很高的熔点(如硫化铁为1190℃，在700℃下工作仍不失效)，厚度为量级，摩擦系数f≈0．1～0．2，此外，氧化膜也是一种化学反应膜，它有减摩作用，但不耐磨损，会导致所谓氧化磨损。溶解在润滑油中的空气，即可致使产生氧化膜。

为达到良好的润滑效果，要求化学反应膜有一定的厚度(通常为10～100量级)。在摩擦过程中，化学反应膜不断被磨去而又不断生成，因而其润滑效果取决于磨去与生成的动态平衡。如果磨去后生成不及时，则润滑效果将丧失。

在恶劣工况下的摩擦副，如重载齿轮传动，易发生胶合。若表面上生成化学反应膜，则可提高抗胶合能力，还能减摩。

为形成化学反应膜，需在油中加入极压添加剂(见第四篇第十一章)，这类添加剂的化学性质一般很活泼，易腐蚀金属，因而应根据摩擦副的材料、工况等慎重选用，用量也应适当。

聚合物同金属一样，也可用边界膜润滑降低摩擦系数，但不显着。这是由于边界膜的长链分子的结构与基材的分子结构差别不大。对于某些聚合物，如聚乙烯，在其内加入表面活性材料(如硬脂酰胺或油酸酰胺)，可扩散到表面，形成润滑膜，而且还能进一步扩散来补充已经磨耗了的薄膜。

一般情况下，边界润滑以混合润滑状态中起主要润滑作用的形式存在(见图1．5－27)。个别高峰峰顶因接触压力过高致使边界膜破裂而直接接触，微凸体间则为微油腔，其余则为边界膜接触。直接接触峰点愈多，润滑效果愈差。边界膜的强度(指抵抗破裂的能力)除与膜本身及金属表面有关外，并受载荷、温度等因素的影响。例如，润滑油中所含极性分子的分子链愈长，所形成的边界膜愈稳定，摩擦系数也低。工况中以温度影响最大，温升达到一定值时将使吸附分子失向、散乱或解吸而失去润滑作用。目前，常采用临界的pv值(p为平均压强，v为相对滑动速度)、临界温度或临界摩擦次数来表示边界膜的强度。

合理选择摩擦副的材料和润滑剂以及降低表面粗糙度，均能提高边界润滑效果。但表面过于光洁，会因表面起伏少而降低贮油能力，顶峰处的边界膜破裂后不能及时补充，使润滑效果变坏。提高边界润滑效果最有效而简便的措施是在油中加入适量的油性或极压添加剂。含有极压添加剂的润滑油未达到反应温度之前，润滑效果不大。因此在实际使用中。如工作温度范围较大，将油性添加剂和极压添加剂按一定配方同时加入基础油中，可使摩擦副无论在低温区还是在高温区工作，都能保持较低的摩擦系数。其综合效果如图1．5－30中虚线所示。

图1．5－30 不同温度下不同边界膜起作用

1－合极压添加剂，2－含油性添加剂，3－含极压和油性添加剂的综合效果