機械設備潤滑

    按照邊界膜的結構特性不同，可分為吸附膜和反應膜。
    1.吸附膜
    潤滑油中常含有少量極性分子，如脂肪酸、醉、胺等。這些極性分子通常是含10個以上碳原子的長鏈有機化合物，其一端具有極性很強的極性基團。極性分子的極性基團，依靠范德華引力（或化學鍵）牢固地吸附在金屬表面上，而烴鏈則指向潤滑油內部。當潤滑油中含有足夠濃度的極性分子時，極性分子相互平行密集排列并垂直吸附于金屬表面，相鄰分子烴鏈間的橫向內聚力促使分子密集排列，在第一層分子之上還可吸引第二、第三等多層分子而形成多層分子吸附膜，吸附膜的厚度決定于極性基團的強弱，極性越強，能形成吸附分子的層數就越多，吸附膜抗壓強度就越高。由于一個分子的甲基（一CH3 )與另一個分子的甲基之間的引力，遠比極性基團和金屬表面的結合力小，因此，對偶表面相對運動時的剪切將發生在兩個分子的甲基之間，故能起到減摩抗磨的作用。
    應注意吸附作用是一個動態過程，對偶表面相對運動時，極性分子處于吸附和解吸的動態平衡之中。吸附是降低表面自由能的放熱過程，衡量吸附強弱的標志是吸附熱。吸附熱越大，形成的吸附膜就越穩定。當溫度升高時，吸附平衡向解吸方向移動，從而吸附減弱，膜厚也減薄，膜的強度也將減弱。
    根據極性基團和表面的吸附機理，吸附可以分成物理吸附和化學吸附兩類。
    物理吸附是依靠范德華引力而形成，這種吸附一般無選擇性，非極性分子也能形成。物理吸附結合微弱，其過程完全可逆。
    化學吸附是金屬表面和吸附分子間發生化學反應的一種吸附。極性分子通過化學鍵與金屬表面形成牢固的吸附單分子層，與吸附分子結合的金屬離子并未脫離金屬晶格。形成化學吸附的一個要素是，金屬表面必須有一定的反應活性（如鋅、鎘、銅等金屬很活潑，鐵和鋁屬適中，而鉻、鉑的表面活性較差）。減摩效果隨金屬表面活性的增大而增加?；瘜W吸附的吸附能包括化學鍵能，故具有較大的吸附熱，其吸附過程是不完全可逆的?；瘜W吸附膜比較穩定，能承受較大的載荷和適應較高的溫度。
    上面曾提到，隨著溫度的升高，解吸過程逐漸占據優勢，當溫度升高到某一臨界值時，吸附膜完全脫落，這一溫度值稱為臨界溫度。對物理吸附來說，臨界溫度是吸附極性分子的熔點；對化學吸附來說，則是吸附金屬皂的熔點。皂的熔點一般較高，但也不超過200℃，可見吸附膜的使用溫度在一定范圍之內。
    應注意，若邊界膜是吸附膜時，邊界潤滑效果與潤滑油量密切相關，如圖3所示。吸附膜覆蓋表面，將使表面自由能減少。當潤滑油量很少時，首先在整個表面上形成單分子層吸附膜而使表面自由能盡可能達到最低，隨后油量增加吸附膜厚度也均勻增加，吸附膜形狀如圖3 A所示；此后表面自由能的降低則依靠減少吸附膜的表面積，所以油量繼續增加時，其油膜表面如圖3B所示；當油量充足時，潤滑油將充滿粗糙峰谷而達到圖3C所示狀態。由此可知，潤滑油量在圖3中的A與C之間時，峰頂處的油膜厚度是維持不變的，而摩擦只發生在峰頂，所以當油量達到一定量后對摩擦因數的大小不再產生影響。此時，一旦峰頂油膜破壞，峰谷的油則依靠表面自由能減少的趨勢迅速補充峰頂而使峰頂油膜得到恢復。當油量只能達到圖中A或更少時，由于油膜很薄而難以流動補充破壞了的峰頂油膜，便會產生干摩擦。
    潤滑油中包含極性分子，這對磨損有雙重意義。一方面極性分子形成的吸附膜可避免金屬表面的直接接觸廠從而減輕磨損；另一方面，當表面存在裂紋時，極性分子又將促進裂紋的擴展。極性分子為了形成最大的表面吸附膜而盡最大可能降低表面自由能，表面吸附膜便向裂紋尖端推進，在裂紋表面產生由外向里增加的壓力，從而促進了裂紋的擴展，這稱為尖劈效應。此外，尖劈效應也是接觸峰頂處吸附膜承載的原因。尖劈效應還可以使長久靜止的對偶表面免于直接接觸，從而起到降低起動摩擦的作用。
2.反應膜
    反應膜的形成與吸附膜不同，它是潤滑劑中某些分子與金屬表一面發生化學反應，二者之間的價電子相互交換而形成的一種新化合物。
    常見的反應膜是氧化膜，事實上純凈金屬表面的摩擦是極稀少的。通常氧化膜具有減摩作用，但耐磨性較差，往往易引起氧化磨損。
    為了改善潤滑性熊，常在潤滑劑中加入含硫、磷、氯等元素的極壓抗磨添加劑，以便與金屬表面反應生成反應膜而達到減摩抗磨之目的。極性分子首先吸附在金屬表面上形成吸附膜，在高溫、高壓條件下，極性分子不僅吸附于金屬表面，而且還能分解出活性元素與金屬表面起化學反應而生成一層金屬鹽膜。反應膜的特點是，膜厚可以很大并且其形成是不可逆的，同時，膜具有較高的熔點和較低的抗剪強度，比吸附膜穩定得多，適合于高速、重載、高溫等條件下工作。
    3.邊界膜的摩擦磨損特性
    曲線I為非極化油，（如石蠟油等）的摩擦特性曲線，它屬于物理吸附膜的特性。開始時，其摩擦因數就相當高，隨著溫度的升高，其摩擦因數也增大。這是因為在溫度較高的條件下，熱會導致吸附分子解吸、亂向，甚至膜被熔化的結果。曲線Ⅱ為脂肪酸溶液溶解在基礎油中的情況，在這種情況下形成的邊界膜屬于化學吸附膜。低溫時，其摩擦因數較小，但隨著溫度的升高達到吸附膜的熔點Tm時，吸附膜分子亂向、解吸，從而膜變軟或熔化而失效，其摩擦因數急劇上升。曲線Ⅲ為含有極壓抗磨添加劑的潤滑油在金屬表面形成邊界膜的情況，這種情況下的邊界膜屬于反應膜。當溫度在Tr以下時，油中的添加劑與金屬表面的化學反應很慢，邊界膜的潤滑作用不顯著；當溫度超過Tr時，化學反應加快，其化學反應膜不斷形成，摩擦因數急劇下降，然后穩定于某一數值；當溫度再升高時，其摩擦因數仍維持較小的數值。曲線Ⅳ為曲線Ⅱ與Ⅲ的綜合。低溫時以化學吸附膜為主，發揮其邊界潤滑的作用，獲得較小的摩擦因數；高溫時化學吸附膜解吸，而化學反應加快形成反應膜，發揮反應膜的作用，可獲得較好的邊界潤滑效果，保持相當小的摩擦因數。這是一種較理想的邊界潤滑狀態。
    曲線I為金屬對金屬的干摩擦狀況。當載荷較小時，金屬表面的氧化膜起潤滑作用，故此時的磨損率較??；當載荷增加到某一極限值Fe時，氧化膜破裂，磨損率急劇上升，摩擦副產生嚴重磨損。曲線Ⅱ為基礎油形成的邊界潤滑狀態。由于邊界潤滑膜的存在，其磨損率較曲線I低，只有當載荷超過某極限值F′e時，磨損率才急劇上升。曲線Ⅲ為在基礎油中加有抗磨添加劑的邊界潤滑狀態。由于化學反應膜的作用，與曲線Ⅱ相比，在相同的載荷下，其磨損率下降△K值。曲線Ⅳ為在基礎油中加有極壓添加劑的磨損曲線。由于化學反應膜的作用，當載荷在曲線Ⅲ的極限值基礎上增加△FN時，其磨損率才有較明顯的增加，在此之前基本沒有變化?？梢?，在基礎油中加入添加劑后，其潤滑性能將大大改善。