2021年10月17日   
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润滑百科>添加劑作用與機理
一、 前言
  改善与提高润滑油润滑性能的石油添加剂在我国可分为油性剂(oiliness Additive)和极压抗磨剂(EP-Antiwear Agent)两类,由于其在适用性能和作用机理上的区分是不很严格的,所以有时很难将二者区分开。故在西方国家,把极压剂、抗磨剂和油性剂统称为载荷添加剂(Load-Carrying additives)。
  在传统的润滑理论中,把润滑分为液体润滑和边界润滑。作相对运动的两个金属表面完全被润滑油膜隔开,没有金属的直接接触,这种润滑状态叫做液体润滑;随着载荷的增加,金属表面之间的油膜厚度逐渐减薄,当载荷增至一定程度,连续的油膜被金属表面的峰顶破坏,局部产生金属表面之间的直接接触,这种润滑状态叫做边界润滑。在边界润滑中,当金属表面只承受中等负荷时,如有一种添加剂能被吸附在金属表面上或与金属表面剧烈磨损,这种添加剂称为抗磨添加剂。当金属表面承受很高的负荷时,大量的金属表面直接接触,产生大量的热,而抗磨剂形成的膜也被破坏,不再起保护金属表面的作用,如有一种添加剂能与金属表面起化学反应生成化学反应膜,起润滑作用,防止金属表面擦伤,甚至熔焊,通常把这种最苛刻的边界润滑叫做极压润滑,而这种添加剂称为极压添加剂。

  二、油性剂的边界润滑机理和吸附膜的作用
  两金属表面互相作用发生润滑摩擦运动时,如承受较大或冲击性振动性负荷,则不易保持液体润滑,而呈边界润滑状态。也就是说油膜厚度薄到0.0002um以下,或不能保持完整的连续油膜时,润滑油表现的润滑性能几乎和粘度无关,而主要取决于润滑油的“油性”的好坏。就是说润滑油(加油性剂)中的一些带有极性原子,例如S、O、N、P等,或极性基团,如-OH、-COOH、-COOR、-COR、-CN、-CHO、-NCS、-NH2、-NHCH3、-NH3、-NROH、
-N /
R,OH-OR' p // O
R2OH-OR” / OH
OR' p // O
OR” / ONHROH
等这些与金属表面亲和活性较强的组分和金属表面分子依靠范德华力而发生物理吸附(吸附热约为20KJ/mo1)。分子或几个分子的薄层,其最低部一层的极性端,实质上和金属表面的氧化层发生了半化学和半物理性的吸附。如脂肪酸类化合物,它和金属表面形成暂时性的脂肪酸金属皂,如硬脂酸C17H35COOH在金属表面上发生电子转移的化学吸附(吸附热为40KJ/mo1以上)作用,形成单分子层的半化学结合油性润滑膜,有时也能起到防烧结作用。
  而油性剂的作用主要是降低摩擦系数,减少摩擦阻力,以节约动力能源,同时在较低负荷情况下,也有显著降低磨损的效果。但这一般只能用在负荷压力较轻和冲击振动较小的情况下,也就是摩擦部位温度不高于100℃,一般金属皂则脱附而失去油性作用,应采用极压剂来解决这一问题。

  三、极压抗磨剂性能作用机理
  当极重或冲击负荷很大产生局部高温接近到200℃以上时,油性剂化学吸附膜将失去作用,此时则必需采用极压剂。极压剂开始时和摩擦金属表面固体进行界面摩擦化学反应,生成防止金属摩擦表面接触的保护润滑膜。具有双键结构的有机极性分子,如α-烯烃的化学反应机构,此时受压力影响不大,而温度起主要作用,每升高10℃反应速度就增加2倍,但在摩擦作用下可能达几十倍到几百倍。
  如上所述,极压抗磨剂通常包括有机氯化物,有机硫化物,有机磷化物,金属盐类及其它等。极压抗磨剂的作用实际上是一种控制性的腐蚀现象,因为只有通过它和金属摩擦表面起化学反应,生成熔点较低和剪切强度较小的化学反应膜,才能起到减小摩擦、磨损和防止擦伤及熔焊的作用,其反应如下:

  1、有机氯化物
  有机氯化物在极压条件下,首先发生分解:C-CL键断裂,分解产物与金属表面形成金属氯化物薄膜。
  RCLX+Fe → Fe CL2+RCLX-2
  RCLX → RCLX-2+2HCL
  Fe + 2HCL → FeCLX-2+H2

  2、有机硫化物
  有机硫化物的作用机理,首先是在金属表面上吸附,由于接触点的瞬间温度使油膜破裂,金属表面和有机硫化物迅速发生化学反应,生成有承载力的金属硫化物薄膜。
  其反应如下:
  Fe|+R-S-S-R →Fe|< S-R
  S-R
  R-Sx+Fe|→Fe|…S+RSx-1
  Fe|+ S-R →Fe|< S-R
  S-R S-R
  其中极性有机硫化物在金属表面上产生抗磨损和耐极压作用机理为:
  R R R R
  | | | | | |
  S S S S → S - S +2R→
  --|-- --|-- --|-- --|-- -- -|- - --|-- 烷、烯基等
  Fe Fe Fe Fe Fe Fe

  3、有机磷化物
  有关有机磷化物的作用机理是在边界润滑条件下,有机磷化物与金属表面反应生成一种金属磷化-铁的低共融合金。

  4 、有机金属盐及其它
  二烷基硫代磷酸锌(ZDDP)T-202为一种抗磨剂,受热分解时除放出硫化氢、烷醇、硫化物、二硫化物外,还生成一种由 O
||
(- P -S-Zn-S- -S-)n
OR
形成的高聚物膜,它同样具有防止磨损的能力。

  四、品种与性能
  1、摩擦改进剂的品种从大体可分为油溶性和非油溶性两类,详见下表:
  摩擦改进剂的种类
  油溶性 含极性基团的油性剂 脂肪酸、脂肪酸脂、有机胺化合物、酰胺脂物、酰亚胺化合物、硫化脂、含磷化物、硼酸脂(盐)
  有机金属化合物 有机钼化物
  非油溶性 固体润滑剂 二硫化钼(MOS2)、石墨、二硫化钨(WS2)、氮化硼(BN)、聚四氯乙烯(PTFE)等
  油溶性的油性剂,非极性基部份多数是长链的烷基,烷基链长度与极性基的位置是非常重要的因素。极性基最适合的位置是在烷基的链的最末端,这样长链状的油性剂分子的极性基端垂直地吸附金属表面上,这样作用就大。另外,油性剂的烷基长短、种类在应用于不同的基础油中的效果也不一样。
  2、极压抗磨剂一般含有硫、氯及磷等活性元素的有机化合物,活性元素不同,其作用机理也不同。主要有含硫化物、含氯化合物、含磷化合物和有机金属化合物等。
  A、含氯添加剂如典型的T-301添加剂,是通过金属表面的化学吸附或金属表面反应,或分解的元素氯和HCL与金属表面反应,生成FeCL2或FeCL3的保护膜,显示出抗磨和极压作用。氯化铁膜有层状结构,临界剪切强度低,摩擦系数小,但是其耐热温度低,在300~400℃时破裂,遇水产生水解反应,生成盐酸和氢氧化铁,失去润滑作用,并引起化学磨损和锈蚀,因此含氯添加剂应在350℃以下和无水情况使用为佳。
  B、含硫极压抗磨剂,普遍认为含硫极压抗磨剂的极压抗磨性能与硫化物的C-S键性能有关。较弱的C-S键的性能较容易生成防护膜,导致良好的抗磨效果,而硫化异烯烃T-321就是其中具有代表性的一种极压抗磨剂。因为硫化异丁烯的颜色浅,油溶性好,硫含量高(40-46%),多半是硫-硫键结合,极压抗磨性好,又具有中等化学活性,因而对铜腐蚀性小,故为主要剂品种之一。
  C、含磷极压抗磨剂、磷化物首先在铁表面被吸附,然后在边界条件下发生C-O键断裂生成亚磷酸铁或磷酸铁有机膜,起抗磨作用。在极压条件下,有机磷酸铁膜进一步反应,生成无机磷酸铁反应膜,使金属之间不发生直接接触,从而保护了金属,起到极压作用。其含磷添加剂的极压性能大小顺序可按如下序列:
磷酸酯胺盐>磷酸酰胺≥亚磷酸酯≥酸性磷酸酯>磷酸酯>膦酸酯>次磷酸酯。磷系列极压抗磨剂的热稳定性越差,其抗磨性越好,但抗磨的持久性下降,添加剂消耗就快。一般来说,磷化物的热稳定性越差而抗磨性就越好。磷系极压抗磨剂中用的最广泛的是烷基亚磷酸酯,磷酸酯、酸性磷酸酯等。

  五、油性剂、极压抗磨剂的品牌
  请详见锦州康泰润滑油添加剂有限公司内部发行的《康泰信息》,在本期的第二版详细登载了油性剂(摩擦改进剂)和极压抗磨剂品种、品牌和价格,欢迎用户朋友采购与使用。

  六、润滑油方面的应用
  根据润滑油使用性能和使用条件的苛刻程度不同,使用极压抗磨剂最多的要属齿轮油和金属加工液等方面,而齿轮油又分车辆齿轮油和工业齿轮油。康泰公司特别为广大用户提供了各种齿轮油复合剂:KT-310、KT-320A、T-4201、T-4206和进品H343及德国拜耳进口极压剂RC2317、RC2315、RC2526等。

  七、结论
  1、根据摩擦学说和润滑性能正确选择载荷添加剂
  2、正确选择使用各种载荷复合剂是实现摩擦和润滑学说的唯一途径。
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