摩擦.磨损.润滑及润滑剂概论

2024年2月23日发(作者：先抑后扬作文)

第一章 摩擦.磨损.润滑及润滑剂概论

摩擦、磨损、润滑的种类及其基本性质│润滑剂及其基本性能指标│润滑剂的种类

一、摩擦.磨损.润滑的种类及其基本性质

摩擦、磨损、润滑是一种古老的技术，但一直未成为一种独立的学科。1964年英国以乔斯特（Jost）为首的一个小组，受英国科研与教育部的委托，调查了润滑方面的科研与教育状况及工业在这方面的需求。于1966年提出了一项调查报告。这项报告提到，通过充分运用摩擦学的原理与知识，就可以使英国工业每年节约510,000,000英镑，相当于英国国民生产总值的1%。这项报告引起了英国政府和工业部门的重视，同年英国开始将摩擦、磨损、润滑及有关的科学技术归并为一门新学科--摩擦学（Tribology）。摩擦学是研究相互作用、相互运动表面的科学技术，也可以说是有关摩擦、磨损及润滑的科学与技术统称为摩擦学（Tribology）。

国家

英国

美国

日本

西德

节约

510,000,000英镑

1,600,000,000美圆

273,000,000美圆

1,000,000,000马克

备注

国民生产总值1%

占能耗11%

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1970年乔斯特应邀来我国进行摩擦方面的研究，他指出，如果科学地控制摩擦，中国每年可节省400亿人民币。故改善润滑、控制摩擦，就能为我们带来巨大的经济利益。

中国工程院咨询研究项目《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》调查显示，2006年全国消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金估计为9500亿元，其中如果正确运用摩擦学知识可以节省人民币估计可达到3270亿元，占国内生产总值GDP的1.55%。

美国机械工程学会在《依靠摩擦润滑节能策略》一书中提出，美国每年从润滑方面获得的经济效益达6000亿美元。1986年，中国的《全国摩擦学工业应用调查报告》指出，根据对我国冶金、石油、煤炭、铁道运输、机械五大行业的调查，经过初步统计和测算，应用已有的摩擦学知识，每年可以节约37.8亿元左右，约占生产总值（5个行业1984年的可计算部分）的2.5%。

润滑油的支出仅是设备维修费用的2%～3%。实践证明，设备出厂后的运转寿命绝大程度取决于润滑条件。80%的零件损坏是由于异常磨损引起的，60%的设备故障由于不良润滑引起。

中国每1000美元产值消耗一次性能源（折合石油）为日本的5.6倍，电力为日本的2.77倍，润滑油耗量为日本的3.79倍。

（一）摩擦

在外力作用下，一物体相对于另一物体运动或有运动趋势时，在接触表面上所产生的切向阻力叫摩擦力，这一现象叫摩擦。

在一定的压力下，表面间摩擦阻力的大小与两表面间的摩擦状态有密切关系，不同摩擦状态下，产生摩擦的物理机理是不同的。按摩擦状态，即表面接触情况和油膜厚度，可以将滑动摩擦分为四大类:干摩擦、边界摩擦（润滑）、液体摩擦（润滑）和混合摩擦（润滑），如图所示。

1 1 1

1

2

2

2

2

干摩擦

边界摩擦

流体摩擦

混合摩擦

1)

干摩擦:两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。在工程实际中没有真正的干摩擦，因为暴露在大气中的任何零件的表面，不仅会因氧气而形成氧化膜，且或多或少也会被润滑油所湿润或受到"污染"，这时，其摩擦系数将显著降低。在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。

2)

边界摩擦 两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩擦状态称为边界摩擦。与干摩擦相比，摩擦状态有很大改善，其摩擦和磨损程度取决于边界膜的性质、材料表面机械性能和表面形貌。边界膜的形成机理如下：

物理吸附膜：润滑油中的极性分子与金属表面相互吸引而形成的吸附。

化学吸附膜：靠油中的分子键与金属表面形成的吸附。

化学反应膜：油中加入的硫、磷、氯等添加剂与金属表面进行的化学反应而形成的膜。

影响边界膜摩擦的因素：温度、添加剂、摩擦副材料和粗糙度

3)

液体摩擦 两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰不直接接触的摩擦。此种润滑状态亦称液体润滑，摩擦是在液体内部的分子的间进行，故摩擦系数极小。这时的摩擦规律已有了根本的变化，与干摩擦完全不同。

4)

混合摩擦 两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的状态称为混合摩擦。

摩擦理论：干摩擦理论主要有：（1）机械理论：认为摩擦力是两表面凸峰的机械啮合力的总和，因而可解释为什么表面愈粗糙，摩擦力愈大；（2）分子-机械理论：认为摩擦力是由表面凸峰间的机械啮合力F1和表面分子相互吸引力F2两部分组成，因而这一理论可解释为什么当接触表面光滑时，摩擦力也会很大。但上述两种理论不能解释能量是如何被消耗的。（3）粘着理论：实际接触面积：Ar=N/sc

剪切力（摩擦力）：F=ArB

摩擦系数：=F/N=B/sc≈0.2(金属变化不大)

降低摩擦系数方法：镀软金属层，在金属基体上涂敷一层极薄的软金属，此时sc仍取决于基体材料，而tB则取决于软金属。

（4）能量理论等。

a) 结点 b) 界面剪切 c) 软金属剪切

大量的试验表明，工程表面的实际接触面积约为名义接触面积的10-2～10-3，这样接触区压力很高，使材料发生塑性变形，表面污染膜遭到破坏，从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点（如图a

所示）。当发生滑动时，必须先将结点剪断（如图b

所示），同时，当较硬的凸峰在较软的材料上滑过时，将切出沟纹（即犁刨作用），从而相对滑动时的摩擦力为上述两种因素所形成的阻力的和。由于后者相对来说较小，故可忽略。

摩擦系数：设结点的剪切强度为τB，则摩擦力为 F = Ar·τB。

摩擦系数f为：

在没有润滑的固体表面间，产生摩擦的主要原因是，表面形貌的粗糙不平，表面存在分子的间的吸引力，和表面凸峰间的"焊-剪-刨"作用。影响摩擦系数的因素很多，有摩擦副配偶材料的性质、表面膜、镀层或涂层、滑动速度、环境温度及表面粗糙度等。流体润滑条件下，摩擦力的大小取决于流体的内摩擦力。边界润滑条件下摩擦力的大小取决于表面膜的性质。对有机化合物物理吸附膜，主要由吸附膜的类型及分子参数决定。试验发现，吸附分子碳数增加，摩擦系数和磨损率均减小。各种摩擦状态下的摩擦系数典型值如表所示。

表1 不同摩擦状态下的摩擦系数（大致值）

摩擦类型 摩擦状况

相同金属：

黄铜-黄铜；青铜-青铜

异种金属：

铜铅合金-钢

巴氏合金-钢

非金属：

橡胶-其他材料

聚四氟乙烯-其他材料

石墨-二硫化钼润滑

铅膜润滑

矿物油湿润表面

加油性添加剂的油润滑：

钢-钢；尼龙-钢

尼龙-尼龙

液体动力润滑

液体静力润滑

摩擦系数

0.8～1.5

0.15～0.3

0.15～0.3

0.6～1.9

0.04～0.12

干摩擦

固体润滑

0.06～0.20

0.08～0.20

0.15～0.30

0.05～0.10

0.10～0.20

0.08～0.20

<0.001

(与设计参数有关)

边界润滑

流体润滑

滚动摩擦

滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大

摩擦特性曲线（Stribeck Curve 斯特里伯克曲线）：根据前述，液体摩擦润滑状态是最理想的润滑状态,干摩擦是应该避免的,边界摩擦和混合摩擦最常见，亦称边界润滑和混合润滑状态,有时也叫半液体润滑状态。试验证明，这三种实际存在的摩擦润滑状态是随某些参数的改变而相互转化的。它们的摩擦系数

f 与流体粘度η、相对滑动速度v、单位面积上的载荷

p 的间的关系如图所示。

（二）摩损

由于运动副表面的摩擦导致表面材料的逐渐消失或转移，称为磨损。下图为磨损过程图。由图可见，在正常情况下，零件经短期跑合后，进入稳定磨损阶段，但若跑合期压强过大、速度过高，润滑不良时，则跑合期很短，并立即转入剧烈磨损阶段，使零件很快报废。如图中的虚线所示。通过在润滑油中加入一定的添加剂，可以缩短跑合时间，提高跑合质量。大致可分为三个阶段。

Ⅰ为跑合磨损阶段：由于机械加工的表面具有一定的不平度存在；运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单位面积上的实际载荷较大，

因此，磨损速度较快。经跑合后尖峰高度降低，峰顶半径增大，实际接触面积增加，磨损速度降低。

Ⅱ为稳定磨损阶段：机件以平稳缓慢的速度磨损，这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。

Ⅲ为剧烈磨损阶段：经稳定磨损阶段后，使精度降低、间隙增大，从而产生冲击、振动和噪声，磨损加剧，温度升高，短时间内使零件迅速报废。

磨损分类：按破坏的机理，磨损主要有四种基本类型，即粘着磨损、接触疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。

1） 粘着磨损：当摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再相对滑移时，材料从运动副的一个表面转移到另一个表面，便形成了粘着磨损。滑动轴承中的"抱轴"和高速重载齿轮的"胶合"现象均是严重的粘着磨损。材料由一表面转移到另一表面。影响粘着磨损的主要因素：同类摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高，在一定范围的表面粗糙度愈高抗粘着能力愈强，此外粘着磨损还与润滑剂是否含油性与添加剂、摩擦表面温度及压强有关。

按照粘着结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有同种不同的形式；

1．轻微粘着磨损：当粘结点的强度低于摩擦副两材料的强度时，剪切发生在界面上，此时虽然摩擦系数增大，但磨损却很小，材料转移也不显著。通常在金属表面有氧化膜、硫化膜或其它涂层时发生这种粘着磨损。

2．一般粘着磨损：当粘结点的强度高于摩擦副中较软材料的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远的软材料表层内，因而软材料转移到硬材料表面上。这种磨损的摩擦系数与轻微粘着磨损的差不多，但磨损程度加重。

3．擦伤磨损：当粘结点的强度高于两对磨材料的强度时，剪切破坏主要发生在软材料的表层内，有时也发生在硬材料表层内。转移硬材料上的粘着物又使软材料表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软材料表面。

4．胶合磨损：如果粘结点的强度比两对磨材料的剪切强度得多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在对磨材料的基体内。此时，两表面出现严重磨损，甚至使摩擦副的间咬死而不能相对滑动。

相同的材料或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强，容易发生粘着磨损。异性金属或者互溶性小的材料组成的摩擦副抗粘着磨损的能力较高。而金属和非金属材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高于异种金属组成的摩擦副。从材料的组织结构而论，多相金属比

单相金属的抗粘着磨损能力高。就材料的性能而言，脆性材料的抗粘着磨损的能力比塑性材料的高。

当表面有自然污染物或受环境介质影响时，由于粘结点的强度降低，故粘着磨损的程度会有所减轻。通过表面处理方法在金属表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等的薄膜将减少粘着效应，同时表面膜也限制了破坏深度，从而提高抗粘着磨损能力。在干摩擦状态下摩擦表面最容易产生粘着磨损。在两表面间具有较厚的流体润滑剂膜将表面分隔开时，就不会产生粘着磨损，摩擦也较小；改善润滑条件，在润滑油或脂中加入油性和极压添加剂；选用热传导性高的摩擦副材料或加强冷却以降低表面温度；改善表面形貌以减少接触压力等都可以提高抗粘着磨损的能力。虽然有关粘着机理目前还没有比较统一的观点，但是粘着现象必须在一定的压力和温度条件下才会发生这一认识是相当一致的。

根据粘着磨损理论，阿恰尔德（J·F·Archard）曾提出了一个计算粘着磨损时所去除的材料体积V的宏观规律。可推导出

V=（W*L/H）*K

式中

W—法向载荷；

L—滑动距离；

H—较软材料布氏硬度；

K—无量纲的磨损系数，与摩擦副材料和工作条件有关，可以用来衡量表面微凸体的作用是否有可能磨损。

粘着磨损常见于缸套-活塞环、蜗轮-蜗杆副、轴-轴瓦、丝杆-螺母副、滑动导轨副等摩擦副。

表1-3是阿恰尔德所提出的一些摩擦副材料的粘着磨损系数。

表 1-3 不同摩擦副的粘着磨损系数K

摩擦副

锌对锌

软钢对软钢

铂对铂

10K

106

45

39

3摩擦副

铜对铜

不锈钢对不锈钢

银对银

10K

32

21

12

3摩擦副

铜对软钢

铂对软钢

铂对银

10K

1．5

1．5

1．0

3

2）接触疲劳磨损：受变应力的摩擦副，在其表面上形成疲劳点蚀，使小块金属剥落，这种现象称为疲劳磨损。接触疲劳磨损常发生在滚动轴承、齿轮、凸轮等零件上。影响因素：

表面粗糙度----影响初始裂纹、润滑油粘度、表面硬度。例：齿轮的接触疲劳极限、曲率半径

3）磨粒磨损：从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰，在摩擦过程中引起材料脱落的现象称为磨粒磨损（50%磨损属于磨粒磨损）。影响因素：摩擦副硬度、磨粒大小与硬度。

4）腐蚀磨损：在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损，腐蚀可在没有摩擦的条件下形成，而相对运动消除了化学反应的生成物，接着表面又受到腐蚀，如此不断反复。主要因素：周围介质、零件表面的氧化膜性质及环境温度等。

实际上，大多数的磨损都以复合形式出现，即以上几种磨损相伴存在。微动磨损就是一种典型的复合磨损。微动磨损发生在相对静止的摩擦副上，但须在环境振动影响下，使结合面间沿表面方向有微幅振摆，才能产生。

（三）润滑

润滑的作用：减摩--降低能耗；减磨--延长机器寿命；降温--防卡死、提高运行精度；吸振--减小动载荷；密封

润滑的分类：流体动力润滑、流体静力润滑。流体润滑可由流体动压（包括弹性流体动压）和流体静压原理形成。

（1）流体动压润滑是利用摩擦副表面的相对运动，将流体带进摩擦面间，自行产生足够厚的压力油膜把摩擦面分开并平衡外载荷的流体润滑。形成流体动力润滑条件：a).有收敛油楔。b).有足够大的相对速度。c)润滑油有一定的粘度。显然，形成流体动压润滑能保证两相对运动摩擦表面不直接接触，从而完全避免了磨损，因而在各种重要机械和仪器中获得了广泛的应用。

（2）流体静压润滑 利用外部供油（气）装置，将一定压力流体强制送入摩擦副的间，以建立压力油膜的润滑称为流体静压润滑。特点：运行精度高、能保证流体摩擦。成本高。

（3）弹性流体动力润滑

在点、线接触的高副机构（齿轮、滚动轴承和凸轮等）中，也能建立分隔摩擦表面油膜，形成动压润滑。但接触区内压强很高（比低副接触大1000倍左右），这就使接触处产生相当大的弹性变形，同时也使其间的润滑剂粘度大为增加。考虑弹性变形和压力对粘度的影响这两个因素的流体动力润滑称为弹性流体动力润滑（Elasto ---Hydrodynamic

Lubrication），简称"弹流"（EHL）。其油膜厚度与压力分布如图所示。

二、润滑剂及其基本性能指标

润滑剂：简单地说是介于两个相对运动的物体的间，具有减少因接触而产生的摩擦与磨损的物质。 例如，润滑油与润滑脂都是润滑剂的一种。润滑剂最重要的功能是减少摩擦与磨损， 但在不同的应用上除具备这两项最重要的润滑功能外， 还具备其它不同的功能。润滑剂也因具动力媒介，热传导与绝缘等性能而用于非相对运动体的一种纯功能性油。综合其所具备的功能如下：

● 减少摩擦 ● 液压传动 ● 减少磨损 ● 防震 ●

降低温度

● 密封 ● 防止生锈与腐蚀 ● 热传导 ● 清净 ●

绝缘

润滑剂的基本性能指标

润滑剂的性质主要用以下几个性能指标来衡量。1）粘度 即流体抵抗剪切变形的能力，它表示流体内摩擦阻力的大小，是选择润滑剂的重要指标。

·牛顿流体内摩擦定律：

如图所示，被润滑油隔开的两个平行平板，若上板以速度

V 移动，下板静止不动，则润滑油呈层流流动。各油层间的切应力τ与速度梯度du/dy成正比关系，这一关系称为牛顿流体内摩擦定律，是牛顿在1687年提出来的，其数学表达式为：

式中，τ--流体的切应力；η--动力粘度或绝对粘度；

式中的负号表示切应力的方向与相对速度方向相反。

·动力粘度：动力粘度的国际单位是Pa.s（帕.秒），1Pa·s = 1N·s/m2。表示速度面积各为1m2的两层流体相距1m时，相对滑动速度为1m/s，所需要的力为1N，此时流体的粘度为1Pa.s。为使用方便工程上常用的动力粘度单位有1dyn.s/cm2叫1P（泊）和百分的一泊（厘泊）、记为cP。三者关系为：1000cP = 10P = 1Pa·s

·运动粘度：工程上把动力粘度η与流体密度ρ的比值称为运动粘度ν。记为ν=η/ρ。在国际单位制中ρ的单位是kg/m3，所以运动粘度的单位为m2/s，工程上把1cm2/s叫做1St（斯），取其百分的一叫cSt（厘斯）。蒸馏水在20°C的运动粘度为1cSt；L-HM32液压油40°C时粘度值即为32cSt。

例: 已知某机械油40°C时的运动粘度

v

＝(9～11)cSt，试求：

1) 若v ＝(9～11)cSt，该油的 v 是多少St？

2 2) 按我国法定计量单位，该

v 为多少m/s？

3) 油密度ρ ＝ 900 kg/m3，在tm = 40°C时的动力粘度η为多少 ？

解:

1) v ＝(9～11)cSt，因 1cSt = 1St/100，所以 v = (9～11)/100 =(0.09～0.11)St

2-624 2) 因 1m/s = 10St ，所以(9～11)cSt

=

(9～11)×10m/s

-6-3-3 3)η

=νρ

= (9～11)×10×900 = (8.1×10～9.9×10) Pa·s

·相对粘度：用润滑油同水作比较所测得的粘度，称为相对粘度，我国常用恩氏粘度。在一定温度下200cm3的油样流过直径为2.8mm的孔所需时间，与同体积20°C的蒸馏水流过时间的比值，即为该油样的恩氏粘度，以符号°Et表示。°E20表示测定温度为20°C。

工业用润滑油的粘度分类，新旧标准不同，运动粘度新标准是以40°C为基础，而旧标准是以50°C或100°C为基础。标准的粘度牌号分类、运动粘度范围及其中心值列于表中。

工业用润滑油粘度牌号分类（mm2/s）

粘度牌号

2

3

5

7

10

15

22

32

46

68

100

150

220

320

460

680

1000

1500

运动粘度中心值40°C

2.2

3.2

4.6

6.8

10

15

22

32

46

68

100

150

220

320

460

680

1000

1500

运动粘度范围40°C

1.98～2.42

2.88～3.52

4.14～5.06

6.12～7.48

9.00～11.0

13.5～16.5

19.8～24.2

28.8～35.2

41.4～50.6

61.2～74.8

90.0～110

135～165

198～242

288～352

414～506

612～748

900～1100

1350～1650

·润滑油粘度与温度、压力的间的关系：润滑油粘度随温度变化而变化影响十分显著。粘度随温度变化愈小的油，品质愈高。液体受到压力时，分子间的距离缩短，吸引力增大，粘度会升高，当压力低于5MPa时，粘度随压力的变化可以忽略，当压力超过20MPa时，压力对粘度的影响比较明显。特别是在弹性流体动压润滑中不容忽视。试验研究表明油的粘度随压力和温度变化可用下式表示：

式中：β--- 粘温系数；

T和T0

--- 测试温度和室温；

η和η0

--- 测试压力和温度下的粘度及大气压下的粘度；

a --- 粘压系数；

p --- 测试压力。

例如：测试石蜡基液压油的粘度，在20.5℃和40℃时，将液压油的压力提高到35MPa时，其动力粘度分别增大为环境压力下的2.3375和2.08倍。

2）油性：润滑油能在金属摩擦表面形成吸附膜的性能称为油性。油性愈好、愈有利于边界润滑，动、植物油和脂肪酸的油性较好。目前尚没有一个定量的指标评价润滑剂的油性。

3）凝点：润滑油冷却到不能流动的温度称为凝点。低温工作的场合应选凝点低的润滑油来润滑。

4）闪点：润滑油蒸气在火焰下闪烁的温度称为闪点。高温工况的场合应选闪点高的润滑油来润滑。

5）滴点：润滑脂受热开始滴下的温度称为滴点，润滑脂的工作温度最少要低于滴点20°C。

6）锥入度：是润滑脂稠度指标。锥入度愈小，稠度愈大、流动性愈小，承载能力强，密封好，但摩擦阻力也大。

三、润滑剂的种类

在摩擦面间加入润滑剂的主要作用是改善摩擦、减轻磨损，同时润滑剂还能起减振、防锈等作用，液体润滑剂还能带走摩擦热、污物等。润滑剂有液体润滑剂、气体润滑剂、润滑脂和固体润滑剂：

1. 固体润滑剂（Solid Lubricants）

2. 气体润滑剂（Gaous Lubricants）

3. 液体润滑剂（Liquid Lubricants）

4. 半固体润滑剂（Semi-Solid Lubricants）

图表1.依物理状态的润滑剂分类

固体润滑剂

润

滑

剂

半固体润滑剂

气体润滑剂

石墨粉、二硫化钼粉等

空气、油雾等

1.

2.

3.

4.

矿物性液体润滑剂－各种润滑油

合成液体润滑剂－合成润滑油

非矿物润滑剂－汽车制动液（刹车油）等

动植物油脂－牛油、猪油等

液体润滑剂

润滑脂

液体润滑剂与固体润滑剂，在某些情况下会因温度的变化而有物理或化学上性状改变。例如：目前常用的活性极压润滑剂（Active

Extreme Pressure Lubricants）是液体润滑剂，但在润滑过程中，油中所含的活性化合物会因金属相互接触产生高温与金属表面发生化学反应，生成一层固体的润滑保护膜，结附（Plate）其上，有效减低机件的摩擦。另有一种「块状润滑脂」（Block Grea），常温下为固体，须用刀切后加入轴承中，但加入轴承的后，即因热而熔化，成为液体润滑机件。

（一）固体润滑剂

固体润滑剂为两个相对运动的接触面间，可以减少磨擦与磨损的任何固体物质。它可以分成四大类：结构性、机械性、皂类、与化学活性的固体润滑剂。这些固体润滑剂的主要目的是要在磨擦面间建立连续与黏附的坚硬或柔软的薄膜，而铺施薄膜可以用机械方式、化学、电子化学、或以物理过程的方式，如滴漏、涂抹、喷漆、浸润、电解、电泳、烧结、烘烤、与喷雾等方式。石墨、二硫化钼与PTFE是使用最广泛也最常使用的固体润滑剂，其它的固体润滑剂在工业界仍未广泛使用。

1. 结构性固体润滑剂：

石墨粉（Graphite）：石墨是一种黑色光泽性的固体，性滑腻，供润滑剂使用时都研磨成极细的粉末。石墨粉对金属表面的吸着力强，能有效填补轴承或齿轮表面的微细凹痕，使机件运转时平稳而少杂音，且减低磨耗。供润滑用的石墨粉有二种，一是天然石墨（Natural

Graphite），呈片状或无定形状，来自于地下的石墨矿；二是人造石墨（Artificial Graphite），采用电炉法于高温下处理精制的焦碳而成。石墨粉的特点是它可耐很高的温度。例如，军用汽轮机减阻轴承在1000℉的温度下操作，曾使用石墨粉润滑，有良好效果的记录。

石墨粉在空气中使用时，温度虽高至400℃（752℉），也没有氧化现象。温度再高时，稍有氧化的可能，但其生成物为无害无毒的二氧化碳气体。在600℃左右的温度下仍能有效润滑机件，在惰性气体中可耐到1000℃的高温。石墨的低磨擦并不是单以其结晶的结构为基础， 它也依赖水汽下提供了表面低的胶黏，所以在大气中以及水汽存在下，发展出最好的润滑效能。但在真空中，润滑作用不良，故石墨粉不宜用于真空及太空机件的润滑。石墨粉的质量高低不一，价格也高低不等。供润滑用者，必须采用灰份低与杂质少的片状石墨。供填函（Packing）用的填函级石墨粉（Packing Grade Graphite）也是良好的润滑用品级。石墨粉多调配于润滑脂或轻质油后加入机件中，供润滑的用。例如，高温下的锅炉自动给煤炉栅链销，用二号或三号的杯脂，调入5～10﹪的石墨粉润滑，杯脂虽遇热熔化或碳化，但仍留下固体的石墨润滑剂，发挥其润滑效能。

二硫化钼粉（MoS2）：二硫化钼（Molybdenum Disulfide，简称Molysulfide），为一种无机性的矿物，呈蓝黑色，在电子显微镜下观察，也是片状的结晶，为近年来发展很快的固体润滑剂。在350℃温度下，二硫化钼无明显的氧化作用，在真空及惰性气体中，至少可耐600℃的高温。无论在大气中，水汽下，或真空中，二硫化钼均能有效润滑机件，此点较石墨粉为优，故可用于太空等真空中作业的机件。由于二硫化钼中所含的硫份对于钢铁等金属表面具有良好的吸附特性，且能有效填盖机件的微小凹陷部份，故有利于磨损或变形机件的润滑。又因二硫化钼粉对金属表面具有良好的附着特性，故可调入润滑油中供轴承、齿轮、及滑动面（Slideway）的润滑；以及混入高级润滑油脂中，供高温及大型而低速的滑动面，如车辆的球形接头（Ball Joint），货柜车的转向架（又称转向盘）等的润滑。二硫化钼粉的纯度对于润滑效果影响亦大，故应选用结晶粒子小，纯度高的二硫化钼粉，且不含磨擦性杂质者为主要要求。

二硫化钨（WoS2）：二硫化钨（Tungsten Disulfide）也是耐高温的固体润滑剂，因含硫份，效果与二硫化钼相同，但耐温可达900～1000℃（1,652～1,832℉）。

结构性固体润滑剂有各种不同的产品，如图表二：

图表二 结构性固体润滑剂

名称

石墨

氟化石墨

英文名称

Graphite

Graphite fluoride

C

(CFx)n

化学式

二硫化钼

二硒化钼

二硫化钨

二硒化钨

二硫化铌

二硒化铌

二硫化钽

二硒化钽

二硫化钛

鍗化钛

氟化铈

氢氧化钡

氯化镉

氯化钴

氯化锆

氯化铅

碘化铅

氮化硼

硫酸银

硼砂

滑石

云母

Molybdenum disulfide

Molybdenum dilenide

Tungsten disulfide

Tungsten dilenide

Niobium disulfide

Niobium dilenide

Tantalum disulfide

Tantalum dilenide

Titanium disulfide

Titanium telluride

Cerium fluoride

Barium hydroxide

Cadmium chloride

Cobalt chloride

Zirconium chloride

Lead chloride

Lead iodide

Boron nitride

Silver sulfate

Borax

Talc

Mica

MoS2

MoSe2

WS2

WSe2

NbS2

NbSe2

TaS2

TaSe2

TiS2

TiTe2

CeF3

Ba(OH)2

CdCl2

CoCl2

ZrCl2

PbCl2

PbI2

BN

Ag2SO4

Na2B4O7

Mg3(OH)2Si2O10

KAI2(Si3Al)O10(OH)2

2. 机械性固体润滑剂：

该分类中有不同种类的物质其润滑效果是以不同的物理，机械性能或特殊情况而定。

有机化合物（PTFE）：聚四氟乙烯（Poly-tetrafluoroethylene），简称「PTFE」及聚氟氯乙烯（Poly-chloro-fluoroethylene）为耐高温润滑剂，性能优异。图表三列出一些使用的自身润滑有机化合物

图表三 自身润滑有机化合物

线型聚合物 (热塑型类)

Polytetrafluoroethylene (PTFE)

Fluoroethylenepropylene (FEP)

Perfluoroalkoxy (PFA)

Polyethylene (PE)

Polypropylene (PP)

Polyurethane (PU)

Polyamide

Polyacetals

Polyterephthalate

Polysiloxanes

Nylon

交联聚合物 (热固型类)

Phenol-formaldehyde

Urea-melamine-formaldehyde

Epoxy resin

Phenolic resin

Unsaturated polyester resin

Polyimides

聚合物的滑动特性视其化学本性与其聚合的配对伙伴而定，负荷能力大小与热消散有关，聚合物的磨擦特性受温度变化影响很小。加入二硫化钼、石墨与金属粉末能改善聚合物的磨擦特性与增加其硬度，石墨也可增加PTFE体的弹性度。

金属薄膜：硬质机件表面附着的软性金属膜，可防止硬质金属的直接接触而能够减低摩擦。例如在工具钢上涂以4×10-4cm的金属铱薄膜，即具有良好的减磨特性。金属面涂一层软性金属薄膜可减低磨擦，磨擦的大小视软性金属薄膜的剪切力而定；耐久性则视其薄膜的硬度、同构型、与黏附性而定；软性金属薄层的润滑效果因其熔点而有所限制。除铱外其它软性金属薄膜的使用金属如图表四：

图表四 自身润滑金属薄膜

铅

锡

银

铟

钡

金

铝

镍

铜

锌

铅层

锡层

银层

铟层

钡层

黄金层

铝层

镍与镍铬合金

铜与铜合金

锌与锌合金

化学面层（转换薄膜）：除了一些暴露于空气下所自然形成的金属氧化物外，还有因化学或电子化学作用能在金属表面形成固体的润滑薄膜。化学表面薄层如锌、铁、或磷酸镁的作用类似柔软的金属保护膜，但它已不是金属物质而是金属盐。以磷酸处理在金属表面会产生一层薄膜，微晶、具极黏附性的磷酸盐层，它可以降低磨擦系数与磨合期间咬死的危险，它的厚度通常只有2-5μm。

玻璃：玻璃的润滑性视其组成而定，在特定温度下的磨擦系数与粘度、热传导性、剪切率、剪切面积、溶解润滑面上的氧化物能力、与金属接触面的角度有关，因为这些因子会决定玻璃对金属的润湿能力，使用玻璃为润滑剂的重要性特别在操作温度约于1500°C时的金属成形操作下可以看出。

无机化合物：硫化物、氟化物、磷酸盐、与氢氧化物被视为是支持剂或是能产生减低磨擦与磨损层的一种催化剂。例如氢氧化钙协助钢铁磨擦面间氧化铁薄层的生成。这个氧化物有较佳的磨润性能，也许是

因为它的较有利的立体密迭的薄层结构，薄层的生成视钢铁表面的化学组成成分而定。硫磺粉（Sulfur Flour）为淡黄色的粉末，具特殊臭味，一般润滑并不多用，但多加入切削油中供难于切削的钢铁合金的用。此外，亦多用于发烧的轴承。当轴承因缺油而发烧时，残留的油料甚或发出白烟，但轴承合金尚未熔化或损坏时，可立即将硫磺粉调入高粘度的润滑油后加入轴承中，可有效降低温度。此时乃利用硫磺与钢铁，在高温下发生化学反应，生成硫化铁合金膜的效果。 其它的无机化合物如下图表五：

图表五 无机化合物需一种支持介质

硫化金属

氟化金属

磷酸金属

氢氧化金属

氧化金属

ZnS, SnS2, FeS

CaF2 LiF

Zn2P2O7 Ca3(PO4)2 Fe2P2O7

Ca(OH)2 Mg(OH)2 Zn(OH)2

PbO ZnO FeO Fe2O3

金属粉末：相对于结构性润滑剂与自身润滑的机械性润滑剂，其它的机械润滑剂的润滑特性主要是以媒介物质与胶合剂的支持效果为基础的，这些媒介物质如铅、锡、锌、铜、银与铟的主要目的是要改善非自身润滑的机械性润滑剂的黏附与凝结的性能。粉状固体润滑剂的缺点是难于附着金属表面。为补救此一缺点，除使用媒介物外，亦可用有机胶合剂（Organic Binders）或无机胶合剂(Inorganic Binders)混入粉状的固体润滑剂中，喷射胶结于轴承内壁，硬化的后，形成一层附着力甚强的固体润滑层，特称「胶结润滑剂涂膜」（Boned-solid

Lubricant Coatings）或「干膜润滑剂」（Dry Film Lubricant）。常用的有机胶合剂为压克型树脂（Alksd Resin），酚型树脂（Phenolics）及环氧聚酯树脂（Epoxy Resin）。无机胶合剂为硅酸盐与磷酸盐。胶结润滑膜系由固体润滑粉末均匀分散于树脂及溶剂中，然后涂于轴承上。其涂法与涂刷油漆相同，俟溶剂挥发后，将轴承烘热，树脂即固化而形成润滑膜。此种润滑膜的成本大、费用高，而且不能换新或补充，故使用难于推广普遍，但却特别适用于下列情况：

● 摩擦表面容易熔化、咬死、或漏电腐蚀者。

● 长期无法加油者。

● 使用任何润滑油脂均失效者。

● 使用任何润滑油脂均有污染困扰者。

以硬度为基础的闲接润滑性物质：氧化物、硼化物、氮化物或硅酸盐的蒸气积垢(Vapor - deposited, VD)涂膜通常都有较高的磨擦系数值，但在高温时可防止磨擦面咬死并提供极优的抗磨损能力。另一较新的薄膜层，且已被证实具有良好的磨润性能的是钻石般无固定形式的碳，被指为是DLC (Diamond-Like Carbon)，它的硬度在500到13000

HV的间，视其氢化的多寡而不同，由零至50%不等。

3. 皂类

皂类是较高的饱和的与非饱和的脂肪酸与树脂酸的金属盐类，他们有时也包括环烷基酸与合成脂肪酸盐，最有效的是那些具有长键分子的活性组群的极性化合物。可能是因为那些反应的组群黏附在润滑面并阻止被移除有关，他们通常提供固体润滑剂可获取的最低的磨擦系数值，但在高于其熔点温度或高负荷下则无法使用。皂类在润滑技术的主要功能是用于制造润滑油脂上。白蜡（Paraffin wax）又称石蜡、微晶蜡（Micro crystalline wax）、蜂蜡（Bees wax）、合成蜡、猪油、牛油、硬脂酸以及硬脂的金属皂，如铝皂、钙皂、锌皂、钠皂、锂皂等均为固体的软质润滑剂，油腻性甚强，多用于负荷较低的机件。

4. 化学活性润滑剂

这个分类包括极压与抗磨损添加剂与一些能与金属接触面形成一个保护膜。动物性脂肪为一种具有四千年历斯的知名润滑剂。其特点为可与金属表面发生化学作用而生成固体润滑油金属皂（Metallic

soaps），而防止金属与金属的咬损。但因其熔点低，不适于高温的作业。温度高而负荷大时，摩擦温度亦高，必须采用熔点远较金属皂为高的固体润滑膜。多种活性氯、硫及磷的化合物均具有此种特性，于较高摩擦温度时，易与金属发生化学作用，于金属表面形成润滑效能优异的固体保护膜，亦称为金属硫化物、金属氯化物、或金属磷化物的合金保护膜。各种极压添加剂的作用，即为此例。所谓摩擦温度（Frictional temperature）者，指由于金属表面相互摩擦而生成的温度。一般极压添加剂在常温时对金属都无化学作用，但当机械运转而机件金属表面互相接触摩擦，产生局部热量，引起局部温度升高时，极压添加剂才与金属发生化学作用，形成合金保护膜。

图表六．石墨、二硫化钼及PTFE性能的比较

分 解 温 度 ℉

加热膨胀系数，@70℉，每℉

导热系数，Btu/m/(℉/ft)

硬 度

抗伸强度,70℉，Psi

1,000℉, Psi

2,000℉, Psi

石 墨

6,330

2.2×10-6

65-97

1-2(Moh's)

1,700

2,500

3,000

二硫化钼

2,010

-

-

1-2.5(Moh's)

-

-

分解

PTFE

620

5.5×10-6

0.14

D55(Shore)

3000

分解

分解

分解

500

600

3,000

900(焦化)

-

C2F4,C3F6

109

-1710(10cm/年)

低

低(0.04)

-

最佳

2.1-2.3

白色

可

-

可

-

良

良

-

良

可

可

良

良

4,500℉, Psi 5,000 分解

抗压强度, Psi 3.9×103 -

在空气中最高适用温度,℉ 1,000 750

PV限度,干燥情况(Psi×fpm) 15,000 -

迅速氧化的温度,℉ 850 800

对金属的附着力,mg 0.7 51

氧化后产物 CO,CO2 MoO3 ,SO2

-11电阻性,ohm-cm 50.3×10 不导电

-1-1高度真空下的最高适用温度,3,400(10cm/年) 2,700(10cm/年)

℉

真空下的摩擦系数 高 不定

低温下润滑性( 液体氮) 高(0.8) 高(0.68)

Gamma射线下的摩擦系数,80℉ 增43% 增50%

耐化学药品性 最佳 可以

3密度,公克/cm 1.4-1.73 4.85-5.0

颜 色 灰黑色 灰黑色

一般情形 可 可

高度辐射情况 可 可

高度真空 - 可

高温(600°F以上) 良 良

中温 良 良

低温(-20°F) 以上 - 可

高负荷(200磅以上) 可 良

中负荷 良 良

低负荷(2磅以下) 良 良

高速(200呎/分以上) 良 良

中速度 良 良

低速(20呎/分以下) 可 可

（二）气体润滑剂

空气、水蒸气、氮气都是气体，亦为一种流体，因此比重极低、粘度极小，而且几乎无污染性，故适用于特殊情况的润滑而代替液体润滑剂；但因其负荷能力极低，而且稳定性较差，故使用不广。使用气体作润滑剂时，必须采用特殊设计而以气体来润滑的「气体轴承」

（Gas bearings）。至于油雾式或喷雾式润滑，严格说仍属液体润滑剂，仅其粒子极细而已。

（三）液体润滑剂

液体润滑剂（Liquid Lubricants）具有挤入轴承间隙，形成油压动力润滑，有效分开轴颈与轴承，避免金属与金属直接摩擦的特性；而且传热与散热容易，故常用于机械的润滑。各种矿物油、合成油、植物油、动物油、水、甘油、液体氧气，甚至于熔融的玻璃等，均为液体润滑剂。

1. 动植物油脂：动物性或植物性油类，通称为「天然油脂」，简称为「脂肪油」（Fatty oils），加热至高温时分解而挥发，故不能以蒸馏的方法精制，因而又称为「固定油」（Fixed oil），故有别于可以蒸馏的矿物油。

动植物油脂最常见者有下列数种：

A.牛油：牛油（Tallow）虽具润滑性，但高温下粘度甚低，必须与高粘度润滑油调合使用。牛油加入机油中后，油膜可耐水，对金属表面附着力强，且加强机油的油腻性。但机油中最多只能溶化12﹪的牛油。加有动植物油的机油常称为「复合油」（Compounded oil）。供润滑及加入机油中用的牛油，必须新鲜的精制品，色白而有甜味，通称为无酸牛油（Acidless tallow）。

B.猪油：猪油为极佳的油腻剂（Oiliness agent），加入机油中后可提高油料的油腻性，增加对金属表面的附着力，减低摩擦系数。加用15-25﹪猪油的机油虽污染布匹，亦易洗除，故多用于纺织机械的润滑。猪油加热时可吸收14﹪的硫磺而化合成硫化猪油（Sulfurized

lard oil），供切削难加工金属的用。

C.羊毛脂：羊毛脂（Wool grea or Degras）加入蒸汽汽缸油后，可增加油膜韧度，更能耐水，特别供温度极高的蒸汽机汽缸润滑的用。

D.蓖麻油：蓖麻油不溶于矿物油中，但可溶于酒精等醇类化合物中，对金属表面的附着力极强，有效减低金属面的摩擦，且润滑能力亦强，其粘度约为SAE 50号，过去曾用于航空引擎的润滑，但因不能与一般矿物性润滑油混合使用，又极易氧化成坚韧的胶状物，故现多不采用。

各种动植物油脂均有下列各共通的优点及缺点：

各动植物油脂均为脂肪酸的甘油脂，且经常有游离脂肪酸共存。就分子结构上言，为极性的化合物，对金属表面附着力强，油腻性（Oiliness）佳，有利于界面润滑。

在高温下游离脂肪酸腐蚀金属甚强。

化学安定性不佳，久用后不但粘度增加，而且部份变成坚韧的橡皮性胶质，有碍润滑系统。

2.矿物及合成液体润滑剂

液体润滑剂为最常见，使用最普遍的润滑剂，其中矿物及合成基润滑剂，几乎占有目前交通与工业方面使用各类产品的98%以上市场。矿物油，主要是石油产品，此种油来源充足，稳定性好、成本低，故应用最广；合成油，如PAO、PAG、酯类油、磷酸酯（低温润滑剂）、硅酸盐酯（高温润滑剂）、氟化物（耐氧化润滑剂）等，近年来应用面不断拓广。

（四）半固体润滑剂--润滑脂

润滑脂（Lubricating grea）为润滑油与金属皂（Metallic soap）或其它稠化剂（Thickener）制成的半固体制品。近年来亦有以合成润滑油代替矿物润滑油，制成合成润滑脂，供特殊用途的制品。