边界润滑的基本原理
2014-08-07 12:45阅读：
边界润滑的基本原理
边界润滑是一种很早就被发现的润滑状态，但由于其涉及的复杂过程，边界润滑是研究相对较少的润滑问题之一。
一.边界润滑的定义
边界润滑的定义是，在不能获得流体动压膜和弹流润滑膜的条件下，通过某些含添加剂的润滑材料在摩擦副表面生成一种润滑表面膜以降低摩擦和减少磨损的润滑状态就属于边界润滑状态。这种润滑膜就叫边界润滑膜。相对运动表面间的摩擦和磨损由表面材料和润滑剂材料决定的润滑类型。
简单的说，所谓边界润滑是指在边界润滑情况下，
摩擦界面上存在着一层与介质的性质不同的膜，这种膜具有良好的润滑性能，这种润滑状态称为边界润滑．边界润滑中起着润滑作用的膜，称为边界膜(
工业上俗称润滑膜)。
当润滑膜所处的两个滑动平面间距很窄，以至于可以和润滑剂分子尺寸相比较时，边界润滑就可能发生。边界润滑在卫星轴承、微机器人以及仪器设备的启动和停车过程中都普遍存在，超负荷、低速、无法连续供油的仪器设备也会处于边界润滑状态。
—般来说，机械运动表面的润滑状态，不只在单平面上形成流体膜，成为理想的流体润滑状态，甚至还可看到微小的薄的流体膜情况。而且好考虑到机械表面的加工精度，表面凸凹的影响，仍有部分直接接触的实际状态，其接触部位发生极高的压强，这部分金属发个塑性流动。这时，流体夹在两金属表面之间，形成的流体膜就会变薄，并在压力很高的地方发生流体膜破裂的现象，结果从流体润滑状态变为弹性流体润滑状态，接着成为混合润滑状态．进一步则转向边界润滑。
边界摩擦、混合摩擦及流体摩擦都必须具备一定的润滑条件，所以，相应的润滑状态也常分别称为边界润滑、混合润滑及流体润滑。可以用
膜厚比λ来大致估计两滑动表面所处的摩擦(润滑)状态，即
式中：
hmin--两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度，
μm
；
Ra1,
Ra2--分别为两表面轮廓算术平均偏差，
μm
。
当膜厚比
λ≤l时，为边界摩擦(润滑)状态；当
λ=l～5时，为混合摩擦(润滑)状态；当
λ>5时，为流体摩擦(润滑)状态。
二．边界润滑的基本原理
在边界润滑过程中，起决定性的作用的主要是边界润滑膜。而边界润滑膜的形成过程就是边界润滑基本原理。在现代的润滑研究过程中，主要是对流体材料对边界润滑起到的效应进行研究。如对润滑油中的添加剂研究。
摩擦表面的微凸体接触较多，润滑剂的流体润滑作用减少，甚至完全不起作用，载荷几乎全部通过微凸体及润滑剂和表面之间相互作用所生成的边界润滑膜来承受。
边界润滑膜可分为物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜、沉积膜及固体润滑剂膜等。
边界膜的形成，实际上是由油性剂部分的活性基在金属表面产生物理吸附、化学吸附和化学反应，形成牢固的油膜，从而保证润滑。如果摩擦副上的负荷较大，同时．还由于表面不平，凸峰处
压力很大，膜的强度小于滑动接触处的摩擦力时，便会导致边界膜的破裂，产生金属直接接触。
物理吸附膜——物理吸附是由于相互不起反应的分子间的吸引力，也就是范德华力引起的。如润滑油中脂肪酸极性分子与金属表面相互吸引而引成的吸附膜。
当表面温度较高时，极性分子能与金属表面发生分子交换而形成键，这种吸附是化学吸附。化学吸附的形成是不可逆的，并且有较低的摩擦系数。要使化学吸附脱附，需要较高的温度，因此化学吸附膜可以在较高的载荷、速度和温度的条件下工作。
化学反应膜——流体中的一些活性物质在温度、压力、催化等作用下与摩擦副表面材料发生化学反应，并在摩擦表面形成化合物。如润滑油中加入硫、磷等元素的化合物（即添加剂）与金属表面进行化学反应而形成的膜——较厚、熔点较高、剪切强度较低、稳定性较好，∴适合于重载、高速和高温。
1．液体润滑剂在摩擦表面的物理吸附
液体分子或原子相互吸引的作用力为长程(范德华)作用力，使得金属表面和液体分子之间吸附，当二者靠近到几个A·(埃＝10
-10m)时，一般即大于原子的尺寸时便产生吸附，这种吸附称为物理吸附。一般来说分子和金属表面结合是较弱的，可以单分子吸附，也可以多分子吸附，并且膜的形成是可逆的。
上图所示为物理吸附的模型，它表示高级脂肪酸类(如硬脂酸)在金属表而的吸附情况，这种分子是极化的，碳氢长链与金属表面垂直吸附，其H、O的正负离子与金属表面的负正离子相吸附。长链结构的碳氢化合物都有这种性能。图中所示的吸附分子层厚为19A。。极化的添加剂不但可以聚合在金属表面形成团体膜，而且可以加强分子侧面的吸附力。当两金属实现滑动时、可以阻止凸蜂相互接触
另一方面，二个以上的吸附分子在滑动时剪切强度降低，减小了摩擦力，这就产生了润滑作用。单分子膜吸附在金属表面上的符号如右下图所示，
图中o为极性原子团。这些单分子膜整齐地呈横向排列，很象一把刷子。边界摩擦类似两把刷子间的摩擦，其模型见右上图b。吸附在金属表面上的多层分子边界膜的摩擦模型如右下图所示。分子层距金属表面越远，吸附能力越弱，剪切强度越低，远到若干层后，就不再受约束。因此，摩擦系数将随着尾数的增加而下降，三层时要比一层时降低约一半。比较牢固地吸附在金属表面上的分子膜，称为边界膜。边界膜极薄，润滑油中的一个分子长度平均约为0.002μm，如果边界膜有十层分子其厚度也仅为0.02μm
。金属表面粗糙的轮廓峰一般都超过边界膜的厚度(当膜厚比
λ≤l时)，所以边界摩擦时，不能完全避免金属的直接接触，这时仍有微小的摩擦力产生，其摩擦系数通常约在0.1左右。
物理吸附膜对温度很敏感，在物理吸附过程中，被吸附在金属表面上的极性分子是处在不断吸附和脱吸的平衡状态。温度上升、热量增加时，脱吸增多；温度下降，热量减少时，吸附增多，当温度稳定后达到新的平衡，即使在滑动摩擦过程中物理吸附膜仍处于脱吸和吸附变化的相对平衡的过程。这就是物理吸附的可逆性的一种表现。吸附膜的厚度也随温度的升高和物理搅动而减小。
2．液体润滑剂在摩擦表面的化学吸附
如果润滑剂的极性分子与金属表面是化学的结合即属于化学约束或短程力作用的结果(短范围表面力与表面结合)则称其为化学吸附。
上图所示为化学吸附。这种吸附力的本质是化学握力。例如硬脂酸与金属表面氧化铁在有水存在条件下形成了金属皂。金属皂可以认为是脂肪酸中羧基的氢原子被金属原子取代而形成。
化学吸附膜和物理吸附膜比较，化学吸附膜则稳定的多，且形成吸附膜是不可逆的，可以吸收的热量也较高，如物理吸附膜为2×10
3~4.2×10
4Jmol，而化学吸附膜为4.2×(10
3~10
5)Jmol。热稳定性好。熔点较硬脂肪鼓更高的多，其熔点可达120℃(没有形成金属皂的硬脂酸熔点只有60℃)。
3．化学反应膜
化学反应膜的形成与吸附膜不同，它是润滑剂中的某些分子与金属表面原子发生化学反应，二者之间的价电子相互交换而形成一种新的化合物膜，称为化学反应膜。
上图所示化学反应膜模型，它是在润滑剂中加入含有硫、磷、氯等的化合物极压添加剂，例如硫化添加剂有硫化鲸鱼油、硫化烯烃等化合物．它是极性根强的物质，极性分子首先吸附在金属表面形成吸附膜，当在极压条件下即在高温高压时极性分子不仅限于吸附作用而且能够放出(分解出)活性元素与金属表面起化学反应形成一塑层理性高的金属皂胺，见图中的化学反应膜(硫化铁膜)，其特点是：膜的厚度可以很大，并且不可逆．有高的结合能量及高的活性，同时这种膜具有高的熔点和低的剪切强度，而且比化学吸附膜和物理吸附膜稳定的多。形成化学反应膜的边界润滑剂取决于化学反应，适合于高负荷，高滑速及高温的条件下工作，如准双曲线锥齿轮及重载齿轮传动的润滑条件。但受限于与化学膜起反应的金属性质，例如硫化物对铜有腐蚀性，化学活动性愈强，腐蚀件愈大。
另外，氧化膜在纯净的金属表面上形成，对摩擦有影响，它与上述几种边界膜不同之处在于氧化膜是自然形成的，而其他的边界膜是为了减小摩擦降低磨损人为造成的。一般来说氧化膜的性质对研究干摩擦时有较大影响，研究边界润滑时很少单独研究氧化膜的影响。
维持边界膜是相互运动的摩擦表面所必需的，否则将会产生剧烈摩擦。
