润滑

润滑脂的选择:你应该知道的

密切关注规格并密切监控您的操作。

作者:Anoop Kumar和Nancy McGuire 2019年10月4日
提供:皇家制造公司。

自古以来,人们就在使用润滑剂,可能是自车轮发明以来,以减少两个配合表面之间的摩擦和磨损。在埃及法老图坦卡蒙的坟墓中发现了一辆公元前1450年的马车,在它的轮毂上发现了润滑材料(可能由脂肪和石灰制成)。

从那时起,各种各样的润滑剂被不断使用,但摩擦学并没有被定义为一门科学,直到英国科学家h·彼得·约斯特在1966年发表了一份开创性的报告,量化了系统努力减少摩擦和磨损的潜在经济效益。他创造了摩擦学这个术语来指代研究摩擦、磨损和润滑的学科。约斯特估计,摩擦造成了能量损失,包括产生热量和更高的燃料成本,仅在英国就造成了约20亿英镑(相当于今天的200亿英镑)的损失。他还估计,适当的摩擦学操作和维护程序可以节省约25%的成本。

图1所示。轴承和齿轮上的润滑脂。提供:皇家制造公司。

图1所示。轴承和齿轮上的润滑脂。提供:皇家制造公司。

油和油脂

润滑剂可分为油(液体)和润滑脂(半固体)。虽然润滑脂仅占这类产品重量的2%(全球范围内每年24.8亿磅),但在高压、高负荷情况下,润滑脂起到了润滑作用。全球润滑脂需求量从2002年的16.4亿磅上升到2015年的24.8亿磅。这种需求的增长大部分来自像中国这样的快速发展中国家,他们的油脂需求从2002年的1.99亿磅上升到2015年的8.84亿磅。更成熟的市场,如北美,其总需求保持相当稳定(2002年为4.84亿英镑,2015年为4.81亿英镑),但这些市场比世界其他地区更倾向于高性能润滑脂。

油脂通常用于轴承、齿轮、轴套、链传动和钢丝绳(见图1)。在80% - 90%之间的滚子轴承润滑油脂,因为油脂提供更好的密封和负载特性,它显示了一个更高的抵抗污垢,灰尘和极端的温度会比石油润滑剂可以提供。权衡在于润滑脂较差的冷却性能(部分原因是润滑脂留在原位,而不是在系统中循环)和它的粘性阻力(润滑脂层对运动部件施加的阻力)。

DmN系数(有时称为DmN系数)是选择在给定条件下性能良好的轴承润滑剂的有用指标。这个系数是由轴承转速(每分钟转数(rpm))乘以轴承外径和内径的平均值(以毫米为单位)得到的。

表1:提供:皇家制造有限公司

表1:提供:皇家制造有限公司

对于给定的润滑油粘度(在40℃,104华氏度下测量),如果dm.N值超过了相应的临界粘度等级,则表明应该使用润滑油,而不是润滑脂(尽管一些特殊润滑脂可以用于dm.N系数高达100万)。表1给出了dm.N的一些典型限值,在这些限值之上,润滑油是首选的润滑剂。各种类型轴承的dm.N的典型限值见表2。

表2:提供:皇家制造有限公司

表2:提供:皇家制造有限公司

什么是润滑脂?

润滑脂包括至少80%的基础油,大约10% - 15%的增稠剂,其余为添加剂。然而,制造油脂并不是简单地把一组原料混合在一起。润滑脂配方是一个复杂的过程,考虑到基础油、增稠剂、极压(EP)添加剂、抗磨添加剂、固体润滑剂、抗氧化剂、增粘剂和摩擦改进剂之间的多种相互作用。最终产品的性能不仅取决于配方,也取决于制造过程(包括均质程序)和油脂储存的条件。

增稠剂提供含有基础油的纤维状基质。在压力下,一些油被释放到机器零件配合表面之间的空间中,在那里它提供了润滑。当压力释放时,油被抽回增稠剂基质中。在分子水平上,增稠剂被吸引到基础油的极性组分上(通常是甘油三酸酯或其他含氧油分子中的氧原子)。这些吸引力以氢键、毛细管作用和范德华力的形式存在,它们将大约75%的油困在增稠剂中。这75%的油中约有三分之一仅靠重力就能从增稠剂中提取出来。剩下的20% - 25%的油通过机械夹带在增稠剂基质中,只能在溶剂或极端条件下提取(见图2)。

图2:油脂基质显微照片。提供:皇家制造公司。

图2:油脂基质显微照片。提供:皇家制造有限公司

大多数增稠剂是以肥皂为基础的(即,它们是金属盐或与有机脂肪[甘油酯]化合物的金属络合物)。在世界范围内,大约55%的增稠剂是简单锂皂,大约19%是锂复合皂。在北美,这一数字分别为26%和39%,在中国,这一数字分别为63%和17%。其他润滑脂增稠剂包括基于钙、钠或铝的简单肥皂;以钙、铝、钡或各种磺酸盐为基础的复合皂;以及聚脲化合物和粘土制成的非肥皂增稠剂。总的来说,有一个趋势是更多的高性能润滑脂增稠剂,包括络合物和非肥皂增稠剂。

近年来,人们对锂这种最常用的润滑脂增稠剂的长期可用性的担忧,推动了对替代品的寻找。锂电池行业对全球锂供应的竞争日益激烈,这已经在价格的全面上涨中体现出来(见表3)。

表3:提供:皇家制造有限公司

表3:提供:皇家制造有限公司

增稠剂的选择对润滑脂的整体性能有很大的影响。磺酸盐,聚氨酯和粘土很适合高温应用。铝和磺酸盐润滑脂特别耐水。脂钡和磺酸盐在极端压力下也能很好地工作。用铝络合物增稠的油脂、用锂或钙制成的粘土或肥皂比用硫酸钙或聚脲制成的油脂更容易泵送,而且它们更容易通过油脂分配器的管道和喷嘴流动。它们也有更好的坍落性(也就是说,它们更容易从鼓中抽出并进入泵中)。铝复合润滑脂特别可喷涂。

基础油可以是矿物油(I组或II组石蜡或环烷油),合成油(聚α烯烃、酯、聚碱性乙二醇、硅树脂等)或生物基油(大豆、菜籽油/菜籽油、蓖麻油等)。大多数润滑脂(约90%)使用矿物油作为基础油,6%使用合成基础油,3%使用半合成(矿物和合成油的混合物),不到1%使用生物基础油。

基础油的选择会影响润滑脂的粘度和润滑性能、氧化和热降解的敏感性、高温和低温下的性能以及在低温下的流动性能。此外,植物油和合成酯是生物可降解的,这是可取的后,油脂已处理,但不是在操作。合成油在低温下具有优良的流动性能。

添加剂可以提供任意数量的附加性能,这取决于所需的性能特征。各种添加剂帮助润滑脂在极端压力下表现得更好,保护部件免受磨损,防止润滑脂氧化,防止生锈和腐蚀部件,它保护和修改摩擦特性。固体润滑剂可以在极端条件下使用。即使只有不到10%的油脂是由添加剂组成的,它们仍然是配方成本的重要组成部分。

固体润滑剂的作用是什么?

在水动力条件下,运动部件完全由液体润滑油膜分开,这最大限度地减少了这些部件之间的摩擦。然而,在典型的重载和高压边界/弹性流体动力润滑条件下(例如,在采矿或非公路应用),配合表面上的凸点将突破油润滑膜并直接接触。这些凸起会在压力下冷焊在一起,造成点蚀和磨损,并造成可能发生腐蚀的部位。在这些情况下,需要使用含有抗磨添加剂的固体或半固体(润滑脂)润滑剂。

固体润滑剂以物理或化学的方式附着在金属表面,在没有水动力润滑剂层的情况下形成保护膜。这种保护膜可以减少摩擦,防止焊接。固体润滑剂可以是层状材料,如石墨或二硫化钼(MoS2)。这些晶体材料的每一层都有一个原子那么厚,层层堆叠起来就像一副扑克牌。各层之间很容易滑动,提供了润滑作用,但当力垂直于各层时,各层可以抵抗压缩。

高性能的要求

通用润滑脂,包括锂12基(含有锂12-羟基硬脂酸酯,一种常见的润滑脂稠化剂),钙基和钠基,适用于温度低于250华氏度(121摄氏度)和轻度负载的部件。使用标准测试对极压添加剂的存在性和有效性进行评级,这些测试产生的评级如铁姆肯OK负载或焊接负载。通用润滑脂通常有40-45磅铁姆肯额定值和大约250公斤的焊接负荷。

当运行条件包括非常高或非常低的温度,重负载或冲击负载,非常高或非常低的电机速度,或润滑脂暴露在水,灰尘或污垢的环境中时,可能需要高性能润滑脂。高性能润滑脂包括锂或铝复合物,磺酸钙,聚氨酯和粘土基润滑脂。

高性能润滑脂可在低至-54华氏度(-48摄氏度)或高至450华氏度(232摄氏度)的温度下工作,并含有极压添加剂,可承受重载或冲击载荷。当暴露在水中时,这些油脂的冲洗率小于5%,喷雾率小于30%。他们继续提供润滑速度超过1400 rpm。

选择一个油脂

用户可以按照一种或多种方法为特定操作选择最佳的润滑脂。通常,原始设备制造商会提供规格说明。美国国家润滑脂协会(NLGI)等行业组织也提供了指导。例如,NLGI认证汽车底盘润滑脂(LA和LB)和车轮轴承润滑脂(GA、GB和GC), GC-LB标志代表最高的性能分类。

如果目前使用的润滑脂工作良好,选择替代润滑脂可以是一个简单的问题匹配的规格。爱游戏ios app新产品在投入使用之前可以对其适用性进行评估和分析,或者新润滑脂可以在现场试验中使用,并在实际应用中进行测试。

表4:提供:皇家制造有限公司

表4:提供:皇家制造有限公司

影响油脂选择的其他因素包括颜色(油脂有各种各样的颜色,其中一些颜色非常鲜艳)、气味、触感或粘性。在2015年的一项客户投诉调查中,只有14%的客户在实际测试属性中失败。在投诉总数中,42%与油脂颜色有关,20%与稠度有关,16%与粘性或质地有关,8%与气味有关。

当然,如果一种颜色和气味都很好的油脂在其预期的应用中不能很好地保持,它的作用是非常小的。因此,选择润滑脂将取决于轴承或齿轮的大小、工作温度范围、电机速度、最大负载(稳定或冲击)、预期的水或湿气的摄入量以及环境中的灰尘和污垢的数量。仅仅选择一种在每个类别中具有最大额定的润滑脂可能会造成高昂的成本,而且可能不会产生预期的结果;最好是瞄准最优的属性集。

润滑脂供应商提供技术数据表(TDS),以帮助将润滑脂配方与特定部件和操作条件相匹配(见表4举例)。等级包括机械和剪切稳定性:润滑脂从配合表面之间滴出的阻力。水阻力是指水冲刷,水喷淋和机械滚动稳定性。焊接负荷和铁姆肯OK负荷等级表明了极压添加剂的存在和有效性。滴点和高温寿命表明润滑脂在高温下的性能。低温特性包括低温扭矩(LTT),可泵性,剪切速率和流量(使用林肯ventmeter测量)和美国钢铁流动性测试等级。表5-7说明了各种润滑脂的性能及其与各种应用的关系。

不同的行业,不同的油脂

不同的行业对不同类型的润滑脂有不同的偏好。例如,采矿和建筑行业过去使用钙和钙复合润滑脂,但他们现在正在转向磺酸钙复合润滑脂。锂和锂复合多用途(MP)润滑脂和铝复合润滑脂也常用。由于这些应用的大部分工作发生在户外,这些行业对生物可降解和环境友好型产品表现出了更大的兴趣。

表5:提供:皇家制造有限公司

表5:提供:皇家制造有限公司

海洋应用使用各种钙或锂MP润滑脂。磺酸钙润滑脂也被使用,因为它们在盐雾下能更好地保持。海洋工业也开始使用生物可降解的、符合船舶一般许可证规定的润滑脂。农业和林业行业使用锂MP润滑脂,由于其可生物降解性,他们正在转向植物来源(酯)基础油。食品工业的应用必须遵守它们自己的一套严格的规定,它们倾向于钙、粘土和硅脂。他们也可以使用复合铝和磺酸钙润滑脂。

在过去,开式齿轮的应用依赖于基于沥青的产品。现在,铝复合基润滑脂优于其他类型。恒速接头可以使用含有硫化钼或石墨极压添加剂的锂和锂复合润滑脂,或者,最好使用聚脲润滑脂。

表6:提供:皇家制造公司

表6:提供:皇家制造公司

有用的技巧

要使润滑脂具有最好的性能和最长的使用寿命,需要仔细注意规范并监视操作,以确保您遵守这些规范。例如,每超过推荐的工作温度10度,润滑脂的寿命就会减少一半。对于通用润滑脂,应用温度应保持在250华氏度(121摄氏度)以下,对于高性能润滑脂,矿物型基础油可达350华氏度(177摄氏度)左右,合成基础油可达450华氏度(232摄氏度)。

油泄漏(油脂在储存期间流出的油量)不应超过5%,保持在1% - 2%是良好润滑的最佳选择。你不需要填满整个外壳以获得良好的润滑:对于中高速,大约50%是最佳的,而对于更高的速度,需要超过50%。

表7:提供:皇家制造公司

表7:提供:皇家制造公司

如果润滑脂将与其他类型的润滑剂接触,检查兼容性问题。这对合成材料尤其重要。

参考文献

Lorenzi, R.(2010年8月3日),图坦卡蒙国王的战车就像一级方程式赛车,“发现新闻。

伍德,R. J.K .哈里森,K.(2016年6月9日)Peter Jost博士,英国摩擦学网络CBE 1921-2016。“www.uktribology.net/news/dr -彼得- jost cbe - 1921 - 2016。

Lubes 'N '润滑脂2015润滑油报告。可以在https://pubs.lubesngreases.com/lubereport/,需要订阅。

NLGI 2002年油脂生产调查报告。

NLGI 2015油脂生产调查报告。可以在www.nlgi.org,需要订阅。

(2004),“润滑简化”,第108页。最佳翻译:B00LTU109K。

Kumar, A., Bhatnagar, N. and Mallory, B.(2017年5月/ 6月),NLGI发言人,81(2),12-17页。可以在https://issuu.com/kim0824/docs/nlgi_spokesman_may_june_2017


Anoop Kumar和Nancy McGuire博士
作者简介:Anoop Kumar博士是皇家制造有限公司(Royal Manufacturing Co. LP,一家制造高性能润滑油和润滑脂的公司)的研发和业务开发总监。他拥有印度理工学院(Indian Institute of Technology)的化学博士学位,在润滑脂和工业用油方面有超过25年的经验。库马尔医生是钛复合润滑脂的发明者。他发表了80多篇技术论文,拥有20多项世界润滑脂联合专利。他是NLGI的财务主管和执行委员会成员,并将于2018年担任TLT技术编辑。2013年,他获得了雪佛龙润滑油奖,2010年,他获得了NLGI印度的长期服务奖。他三次获得PPC Gonsalves奖,两次获得ISFL最佳论文奖。1992年,他获得了科斯拉研究奖。你可以通过anoopk@royalmfg.com联系库马尔。南希·麦圭尔是马里兰州银泉市的自由作家。你可以通过nmcguire@wordchemist.com联系她。