潤滑油發展史和SAE標準

■ 張玉琴

“潤滑”一詞，要解決的是經典力學的摩擦問題，如今我們擁有相對論與量子力學，但幾千年來人們的生活也未能擺脫摩擦的束縛。所以，實際上潤滑油的起源和路邊停得到處都是的輪子沒什么兩樣，人類在文明的起始就已經點亮了這一路天賦樹。

從植物油到礦物質油

至少在公元前17世紀，古埃及就出現了使用橄欖油來搬運巨石的記載，而到了公元前14世紀，人類甚至能用動物的油脂對戰車輪軸進行潤滑，但受限于對食物的需求，一直到中世紀才能穩定地從動植物當中提取潤滑物質。近代文明的爆發始于第一次工業革命，而現代意義上的潤滑油也跟隨著石油產量的井噴得到新生。

Peter Kalm

1747年，31歲的冒險家Peter Kalm接受了瑞典皇家科學院的一項任務：旅行至北美進行冒險，并帶回有助于瑞典農業發展的作物。不過第二年他所繪制的一幅地圖卻使他以另一種方式被銘記。地圖里的地方后來被稱為“油泉之春”。1859年Edwin L. Drake在這里建立起第一口商業油井，人類文明史上又閃耀出一道明亮的火焰。

美國賓夕法尼亞州，油泉之春

Drake的油井打開了石油紀元，加速了人類使用礦物油的進程。但因當時未經處理的原油不能展現出卓越的潤滑性能，甚至無法與大多數動物脂肪產品相比，使產品看似優越卻爭議不斷。

彼時一個準備進入卡爾斯魯厄大學的德國少年，在26年后成為轉折點。作為第一臺汽油機汽車的發明者，Karl BenZ開始了汽車市場病毒式的擴張。繁榮的汽車業對潤滑的需求也一樣繁榮。這個階段溶劑精制的基礎油成為最好的選擇，加上各廠商的積極改良，礦物油最終占領了全世界——事實上在這段時間里誕生了許多知名的機油廠商，比如耳熟能詳的殼牌、埃克森美孚、嘉實多，還比如BP、Motul、勝牌等。

真正意義上的第一臺汽車來自奔馳，當時整個行業還沒有健全的標準，不同潤滑油之間風格迥異。全球化的進程中，如果廠商之間沒有統一的標準就得付出極大代價。于是從1911年開始，SAE（美國汽車工程師協會）著手解決這個問題，并發布了SAE J300標準，今天我們能使用各種級別的潤滑油來應對不同的車型、天氣、地區，都始于這里。

SAE如何對機油分級？

當時潤滑油能夠承受的最高工作溫度也就在100℃左右，而當時的潤滑油黏度隨溫度升高卻是下降的，環境溫度過高會導致潤滑油過稀，無法形成有效的油膜對零部件進行潤滑保護。因此，選定100℃作為基準溫度對潤滑油的黏度進行測試，具有一定的參考意義。

黏度又是怎么測試的呢？工程師們使用的是黏度計，讓潤滑油流經特定的管道，測試所需時間，量化這個過程的參數就叫做運動黏度。對于普通人而言這個參數不易理解，而且實際上黏度差別不大時，潤滑油的區別也未必有那么大，SAE最終對其進行了分級。

SAE30的性能由于覆蓋了大部分區域的需求，成為當時接受度最廣的級別。而黏度更高或者更低的潤滑油，就更多地被用來應對極端工況，比如賽車發動機的溫度更高，就得使用SAE 40、SAE50的潤滑油了。

1930年之前，潤滑油只能滿足汽車行駛1500公里左右的里程，不夠耐用的問題促使廠商們加速添加劑的研發進程，這個階段工程師們發現了鋅與磷可以作為耐磨劑的核心，鈣與鎂則是清凈劑和耐酸劑的關鍵等等，添加劑極大地延長了潤滑油的壽命，并在1940年前后得到了商業化，但這還不夠。

第一次世界大戰和第二次世界大戰期間，飛機數量的井噴對發動機的轉速、負荷提出了更高的要求，戰爭結束后這些要求就被放到了汽車上，最明顯的體現就是豪華轎車的性能已能與戰前的賽車比肩，這也意味著民用市場對SAE 50的需求開始增加。遺憾的是，雖然SAE 50在高溫時有足夠的黏度去應付高性能發動機，但環境溫度降低后則顯得過于黏稠。此時，不論是工程師還是消費者，都已經認識到了一個問題：現有的分級制度不足以描述已有機油產品的低溫性能。

第二次世界大戰期間，塑料行業附著于石油化工飛速發展，工程師們也是在這時發現了高分子材料的潛力：黏度強化劑可以在溫度升高的時候減緩機油黏度下降的趨勢。比如SAE 30的潤滑油經過改造，在保證自身低溫性能的同時，還能在高溫環境達到SAE 50的黏度。為了區別潤滑油是否進行了這種處理，1952年SAE開始對這種機油進行復合分級。

SAE 30的潤滑油，由于可以滿足-10℃以上的環境，也被等效為SAE 20W30，假如經過改造使其達到了SAE 50的標準，那么就成為SAE 20W50。這種分級制度很快就被行業所接受，而戰前最受歡迎的SAE 30，戰后已然變成了SAE 20W50。

早期這種復合級別的機油也存在缺陷：黏度強化劑很容易被氧化成有害物質。面對這個事實，人們找到的第一個答案是全合成機油，可是當時其價格往往是普通機油的三倍以上，難以推廣。

SAE復合級別是如何完善的？

1911年誕生的SAE J300是第一部有據可查的汽車發動機油標準。在后面的發展中，SAE J300進行了多次修訂和調整，尤其是最近的30年里變化較大，主要是兩方面的原因：汽車發動機技術的快速發展，還有就是流變測試法的改進。發動機廠家、機油廠家各方達成共識，對SAE J300定期進行更新，SAE標準為機油黏度的劃分提供了基本的參照標準。

隨著復合級別機油的流行，SAE意識到了復合級別與單級別的機油相比，在高溫高壓的條件下黏度屬性非常不同，一些復合級別的機油在高溫下容易失效。于是1970至1975年間，SAE 對J300進行了修訂，新增了150℃超高溫測試。后來潤滑油技術的不斷進步，也不停地推動這個標準的變動，過往的種種嚴謹才使得今天的我們有更好的依據。

如今，SAE J300將不含黏度強化劑的機油認定為單級別機油，并定義了6個冬季級別和5個夏季級別，這兩類級別的測試方法、使用的單位都不一樣，所以像0W40以及5W40這樣的復合級別產品，就必須同時通過兩種級別的測試。

在夏季級別的測試當中，為了保證機油存有余力應對溫度變高而黏度變稀的過程，較高的牌號是消費者的優選。但如前所說，級別是以一定黏度范圍來劃定的，比如下面四個品牌的機油，盡管級別相同，都是0W40或者5W40，但相比來說3M的黏度就要明顯高一些，S牌和C牌則不相上下。這有點像考試，95～100分都算A+，而100分相比95分還是有點不一樣。

低溫環境下黏度如果過高，反而會造成發動機冷啟時機油流動性較差，不能及時對零部件進行潤滑，所以黏度較低的級別更好。

20世紀60年代前，除了SAE的黏度分級外，并無有效的標準對機油質量進行管控：將石蠟從原油提煉出來并不只有一種方法，煉制出的基礎油成分也不太一樣，比如有的微粒溶解度更高不容易產生雜質，有的芳香烴成分比較多就容易揮發、氧化等等。