設備潤滑技術的最新研究和發展

劉彭++劉憲武++吳鈺婷

中圖分類號：TE6263 文獻標識碼：A

0 引言

摩擦磨損是機械零部件的三種主要破壞形式（磨損、腐蝕和斷裂）之一；是降低機器和工具效率、準確度甚至使其報廢的一個重要原因。據估計，全世界1/3～2/3的能量消耗在摩擦上，約有近80%的機械故障或零件失效是由磨損引起的[1]，2006年我國工業領域因摩擦磨損造成的損失約9700億元人民幣[2]，歐美發達國家因摩擦磨損造成的損失約占其國民生產總值的2%～7%。為了減少摩擦副間的摩擦和磨損，保證機器設備的安全運行，延長其使用壽命，可以對摩擦副間的工作表面進行潤滑。潤滑是減少磨損、提高效率、節能減耗的一個有效途徑，因此愈來愈受到人們的重視。本文從潤滑手段和材料兩個角度綜述了該領域近年來的研究進展。

1 傳統潤滑技術

隨著科學技術高速發展，機械設備對高速度、高精度、大功率和高度自動化的要求越來越高，使得潤滑技術面臨巨大的挑戰，傳統潤滑技術的局限性逐漸顯現出來：

（1） 潤滑是根據設備的要求而設置的，設備摩擦副的種類和運轉條件不同，對應的潤滑方式不同 [3]（圖1），使用的潤滑劑也就不同，不同的潤滑劑所使用的潤滑系統也有所不同，這樣繁衍的結果，使得潤滑體系越來越龐大。

（2） 機械摩擦不管是點接觸、線接觸，還是面接觸，從微觀角度來看都是面接觸的滑動摩擦，所以潤滑的優劣一方面取決于潤滑膜的性質和強度，另一方面取決于兩摩擦副的光滑程度，傳統潤滑技術供應摩擦副的潤滑劑無法根據實際需求分配，在潤滑時會產生過潤滑或潤滑不足。潤滑劑過量，使得設備運轉阻力過大，并且會產生氣泡和滲漏等現象；而潤滑劑過少，會使得磨損加速，造成設備損壞，甚至人員傷亡等重大損失。

（3）工作環境中的溫度、壓力及粉塵等因素，要求不同的潤滑系統要考慮密封、過濾、冷卻、預熱以及熱交換器等配套的輔助設備，使得整個系統龐大臃腫，提高了制造成本。

（4）潤滑系統在常壓、平穩運行時可以滿足一般的潤滑要求，但是由于潤滑系統的應變能力差，一旦速度、溫度、工況等條件發生改變，供應的潤滑劑量將隨之有所改變，從而給整個系統的穩定性和可靠性帶來嚴重的影響，導致設備運行不穩定或降低使用壽命。

（5）目前使用的大部分潤滑劑，主要成分為礦物油，降解性差，生物毒性強，易造成環境污染。全世界使用的潤滑劑中[4]，除一部分由機械運轉正常消耗掉或部分回收再生利用外，在裝拆、灌注、機械運轉過程中仍有4%～10%的潤滑劑流入環境，僅歐共體每年就有60萬t潤滑劑由于各種原因流失在環境中。

2 新型潤滑技術

新型潤滑技術的發展方向主要包括了新的潤滑方式和新的潤滑材料兩個方面。

21 新型潤滑手段

（1）油霧潤滑技術[5]，油霧潤滑系統組成原理如圖2所示。

油霧潤滑系統的原理是利用壓縮空氣使油霧化，霧化的油被送到分配系統，再輸送到各潤滑點使用，油霧以不大于5 m/s的速度通過管道到達各潤滑點。在潤滑點處油霧被輸送到被潤滑表面，經過凝縮，油霧會凝固成凝液，這種凝液能夠保證潤滑表面獲得良好潤滑。油霧正常情況下成煙霧狀[6]，粒度在2 μm以下，發生器產生的煙霧狀油霧不容易凝結，這種油霧沒有潤滑效果，被稱為干霧。但是好處在于，它在管道中傳送時不會凝結在管道壁上，隨著油霧彌散到摩擦副附近，經過凝結嘴，使油霧形成為氣、油兩相射流，射流在摩擦副內逐漸擴散時，由于潤滑表面的阻滯，其動能轉化成壓力勢能，因而，摩擦副內壓力增高，其增高的數值可以通過計算獲得：

公式：P-P0=05ρv2

式中：P為潤滑后的壓力；P0為潤滑前壓力；v為射流從凝結嘴射出速度；ρ為混合流體的密度。

[JP3]由于油霧潤滑系統的運行只涉及極少的運動部件，運行可靠性高，非常有利于設備的長周期無故障運行。且在整個運行周期中潤滑油耗用量降低了40%。

油霧潤滑系統[7]一般包括一個油霧主機、油霧輸送主管、被潤滑設備處的下落管、油霧分配器、油霧噴嘴、油霧供應管、油霧排放收集總成、油霧排放管、殘油收集箱、卡套接頭等，特殊情況下還有吹掃型油霧排放注入總成、吹掃型油位觀察總成。[JP2]油霧在主機內產生，在自身壓力能下，經過油霧輸送主管、下落管、油霧分配器，經過油霧噴嘴，順著油霧供應管，進入軸承箱，流經軸承的滾動體，提供潤滑。剩余的殘霧（其濃度已經大大降低）從軸承箱底部的排放口進入排放收集總成，然后由油霧排放管排放到收集箱，最后由其彎管排放到環境中去，見圖3。

油霧潤滑技術優越的技術特性，受到了各行業使用單位的廣泛關注。張振秀[8]油霧潤滑在煉油裝置中的應用方面取得了重要成果。張路平[9]對油霧潤滑技術在650 mm冷軋機上的應用作了相應的介紹。中國石油錦西石化分公司在采用油霧潤滑技術后，大大降低了設備的故障率，延長了裝置的運轉周期，效益十分可觀。國外石化行業，油霧潤滑已被作為非強制性潤滑場合的主要選擇。

采用油霧潤滑系統有以下優點：①消除了潤滑油污染；②有效防止外來污染物進入軸承箱；③消除攪拌產生的熱量；④改善了潤滑性能；⑤提高了設備長周期無故障工作時間；⑥可以取消軸承箱的冷卻水，使用黏度更高的潤滑油；⑦可有效降低人工成本。

油霧潤滑系統的缺點就是排出的氣體含有懸浮的油霧，易對環境造成污染。

（2）化學熱處理表面改性[10]，化學熱處理表面改性是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。利用化學反應、有時兼用物理方法改變鋼件表層化學成分及組織結構，從而可以提高零件的耐磨性、抗疲勞強度以及抗蝕性與抗高溫氧化性，正因如此，化學熱處理中的滲碳、滲氮、滲硫、滲硼和滲硅，及滲金屬如滲鉻、鋁、鋅、鈦及碳化物覆層等，特別是近年來發展起來的多元共滲工藝，如氧氮滲，硫氮共滲，碳氮硫氧硼五元共滲等，在摩擦學表面改性領域都得到很大的應用。FeS改性層作為一種高熔點、易剪切的無機保護層，具有良好的固體潤滑作用[11]，可通過電解滲硫和低溫離子滲硫等方法獲得，可使表層的摩擦系數降低至處理前的1/4～2/5。可以通過滲硼來提高金屬材料的硬度、耐磨性能、抗擦傷性能及耐腐蝕性等。由于其改性層主要是由FeB和Fe2B兩相組成，故加入稀土元素可以加快滲硼速度[12]，并且改善改性層的組織結構，使組織更加致密和均勻。與之相似，滲鋅、滲硅可以提高金屬材料的耐蝕性。

李爭顯[13]等人在采用高純鋁、鈦靶材通過電弧離子鍍工藝在TC4基材上沉積制備了TiN/AIN-TiAIN復合多層膜，其耐磨性相比基材提高6倍以上。賈貴西[14]等采用閉合場非平衡磁控濺射技術，在GCr15軸承鋼球、45#鋼和單晶硅基體上制備出自潤滑Cr/C復合鍍層，經實驗測定，表現出良好的自潤滑性能和綜合機械性能。胡春華[15]應用離子氮碳共滲與離子滲硫技術，在SiCrMoCu合金鑄鐵表面制備出由離子氮碳共滲次表層及以FeS相為主的滲硫表層組成的FeS固體潤滑復合層，試驗表明，鋰基脂潤滑條件下，FeS固體潤滑復合層表面的摩擦因數比未滲表面大約降低了40%，比滲硫表面降低了30%左右，體積磨損量分別比未滲表面及滲硫表面減少了50%和20%左右。

（3）磨損修復潤滑技術，磨損修復潤滑技術又稱摩圣技術，它的突出特點是在機器不解體的運行狀態下，以潤滑劑為載體將制劑帶入摩擦副表面，通過力化學作用選擇性地原位修復磨損表面，優化機械元件配合間隙，恢復原設計尺寸，達到最佳運行狀態。

磨損修復潤滑技術的幾種作用形式可概括如下三點[16]：

①聚合物高溫鋪展成膜作用：聚合物高溫鋪展成膜作用包括了懸浮PTFE、活性高分子等類型的潤滑劑及其在摩擦效應下的結構重組和對磨損表面的融合填補；

②超微金屬滲透聚合成膜作用：微金屬滲透聚合成膜作用包括了微細分散的軟金屬懸浮液、復合金屬分散液等潤滑劑，及其對摩擦副表面的滲入填充、聚合成膜的修復功能；

③共晶滾球填充成膜作用：共晶滾球填充成膜作用主要涉及到極性潤滑分子對微球形磨屑的吸附，及其在摩擦表面堆積形成的滾動性修復膜。

[JP2]經修復后的金屬摩擦表面具有超滑、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫等的物理機械性能[17-18]，從而可有效控制機械設備的摩擦磨損，可大幅度節能、降耗，延長設備的使用壽命，同時可減震、降噪、降低有害氣體排放。同時可節約對眾多昂貴精加工設備、更換已磨損零部件的投入；節約設備的電能消耗最高達40%；節約潤滑劑的費用；節約大修的人工、材料投入和誤工損失等。董凌[19]等制備了Mg-Sn型復合納米添加劑，可在摩擦表面沉積，并在接觸區的高溫高壓作用下熔融鋪展，形成低剪切強度的表面膜。由于這層膜的剪切強度比較低，可以減少摩擦界面的黏著磨損，表現出良好的減摩抗磨和自修復性能。田斌等[20]通過對羥基硅酸鋁類陶瓷潤滑油添加劑進行摩擦副表面分析后，探討了該添加劑的作用機理，結果表明：該陶瓷添加劑表現出明顯的磨損自修復功能，可以很好地覆蓋和修補摩擦副表面原有的裂紋，顯著降低摩擦副表面的粗糙度，改善摩擦副潤滑性能。國內已有相關企業[21]在磨損自修復技術上成功投產，預計將會取得巨大的社會和經濟效益。

22 新型潤滑材料

作為潤滑的主體，潤滑劑發揮了重要的作用，傳統潤滑劑是在礦物基礎油中加入添加劑來改善潤滑性能，隨著近年來的不懈努力，出現了各種新型的潤滑材料：

（1）納米潤滑，納米科學技術是20世紀90年代興起的高新技術，隨著納米摩擦學的研究不斷深入[22]，在潤滑領域的應用前景也逐漸被人們所認識。主要認為納米粒子在摩擦副表面的滾珠軸承效應是減少摩擦磨損的根本原因[23]，因此在潤滑劑中添加納米潤滑材料，不僅可顯著提高設備的潤滑性能和承載能力，而且在條件苛刻的潤滑場合，也表現出了良好的效果，大大開拓了潤滑劑新的發展空間。

目前國內外對納米潤滑材料的研究成果十分顯著，AHernández Battez等[24]將CuO、ZrO2和ZnO納米微粒分別添加到聚α-烯烴（PAO 6）中，并研究其摩擦學性能，發現質量分數為05%的ZrO2和ZnO潤滑油表現出很好的摩擦學行為，展現出極高的抗磨減摩價值，而含CuO粒子的納米潤滑油，當質量分數為2%時表現出很好的協同效應且減摩效果明顯。江貴長[25]等人合成了一種葫蘆型水溶石墨材料，該微粒直徑為15～20 nm，該添加劑在三乙醇胺的水溶液中，顯著提高了基礎液的極壓值，并降低了磨斑直徑，使得摩擦系數從0232降低到0059。曹宏等[26]將納米銅/石墨復合粉體添加到潤滑油中，可顯著增大潤滑油承壓能力，降低摩擦系數特別是高荷載下摩擦系數，并可提高其抗磨能力。譚秀民[27] 等研究發現氯化石蠟/環氧大豆油與納米銅粉復配后共同構成的有機/無機潤滑體系，可在機械部件表面形成一層牢固的膜，減少了其摩擦磨損。王東愛等[28]研究發現納米金剛石微粒可明顯改善潤滑油的抗磨減摩性能；納米金剛石潤滑油的油膜有著非常好的抗黏滑能力和承載能力，對摩擦副有自修復作用。在普通發動機潤滑油中加入質量分數001%的納米金剛石微粒后，其潤滑性能有很大的改善，在相同轉速下功率平均提高42%。目前用作潤滑添加劑研究的納米材料歸納起來見表2[29]。

（2）固體潤滑，固體潤滑劑以其良好的潤滑性和耐化學安定性已經得到了廣泛認可，廣泛應用于軍工、航空航天等高科技領域，現在逐步推廣到汽車、船舶、機械工程等領域，解決了一些常規潤滑難以解決的問題。

[JP2]伍增勇[30]采用聚氨酯（PUR）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）互穿網絡體系對PUR材料表面進行涂層改性，經改性后材料表面的潤滑性能明顯提高，當PVP質量分數為25%時，摩擦系數由改性前的0455降到0074。張利等[31]以新型耐高溫高聚物聚酰亞胺（PI）為成膜材料，添加超細石墨粉體研制出一種固體潤滑涂層材料，經測試，該材料摩擦系數≤016、耐磨性≥150 m/μm、油介質下摩擦學性能：摩擦系數≤01。

（3）液晶潤滑，物質存在三種狀態：晶體、液態和氣態。隨著溫度的升高和降低，三種狀態相互轉化。但是，有一類有機材料在一定的溫度區間呈現第四種狀態——中間相，稱之為液晶態。液晶態被認為是一類介于固體和液體之間的中間態，其機械特性和對稱特征等介于液體與固體之間[32]，液晶態分子排列一維或二維長程有序。在垂直于表面的方向，液晶表現固體特性，阻止表面間的直接接觸，因而具有較強的承載能力，而在滑動剪切方向，液晶表現為低黏度的液體，可有效地降低摩擦系數。液晶良好的潤滑特性，在用作潤滑添加劑和新型潤滑材料時均具有不同程度的減摩、抗損的效果。

液晶按其形成過程可分為溶致液晶和熱致液晶兩大類：①溶致液晶是純物質或混合物的各向異性濃溶液，它只在一定濃度及溫度范圍內形成。溶致液晶多出現于表面活性劑的濃溶液中，在極性溶劑中，隨著表面活性劑濃度的增大，兩種不同的分子間排斥力：一是靜電效應產生的端基-端基排斥力；二是疏水作用產生的烴鏈-溶劑之間的排斥力。 導致無序向有序相轉變，從而形成液晶態。通常，隨著濃度的增大，將依次出現六方、立方、層狀等液晶相[33]。②熱致液晶是在非溶劑體系中加熱純物質至一定溫度后形成的，繼續加熱至清亮點，又發生相轉變而形成各向同性熔體；熱致液晶根據內部分子排列的有序性不同，可以分為向列型（Nematics）、膽甾型（Cholestrics）和近晶型（Smectics）[34]。楊漢民[35]研究發現ZnS納米粒子能提高TritonX-100/C10H21OH/H2O體系層狀液晶的潤滑性能。仝芳[36]等發現LaF3納米粒子可在摩擦副表面生成由無機化合物La3+和F-組成的化學反應膜，在與有機吸附膜的協同作用下，提高Tween–80/n- C10H21OH/H2O體系層狀液晶的潤滑性能。Yuanhua Ding[37]制備的C10H14N2O8Na2納米粒子可有效改善TritonX-100/n-C10H21OH/ H2O體系層狀液晶的潤滑性能。

[JP2]液晶潤滑的理論目前還不成熟，因此在液晶潤滑理論和應用研究有著很大的發展空間，這對新型潤滑劑的發展和應用具有很大的推動作用，這包括液晶潤滑理論的完善，新的液晶潤滑添加劑的開發、多功能潤滑添加劑的研制和液晶潤滑乳液的研究等。

3 潤滑技術的未來展望

筆者認為，由于現代工業在智能化和高精度化方面的不斷發展，以及人們對減排節能的日益關注，未來潤滑技術的發展趨勢將會有以下幾個方面：

（1）氣體潤滑技術[38]，雖然是上世紀中葉發展起來的新技術，但它的出現使潤滑技術產生了質的飛躍，氣體潤滑的出現，就節約能源而論是一項極大的貢獻，而且以氣體潤滑的支承件其精度的提高，工作壽命的延長以及氣體潤滑適用于高低溫及輻射條件等方面，更是油、脂潤滑望塵莫及。

（2）仿生潤滑技術[39]，在進化和生存競爭中，生物形成了具有優異摩擦學性能的優化的結構設計、精巧的材料拓撲和多功能表面織構，通過對生物體系的減摩、抗黏附、增摩、抗磨損及高效潤滑機制的研究，從幾何、物理、材料和控制等角度借鑒生物體的成功經驗和創成規律，研究、發展和提升工程摩擦副的性能。

（3）綠色潤滑技術，隨著人類的進步和科技的發展以及人們愈加強烈認識到資源的有限及環境保護的重要性，資源和環境已成為人類實現可持續發展所面臨的兩個重大問題，綠色潤滑技術必然會成為將來新型潤滑技術的一個重要發展方向。

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