摩擦.磨損.潤滑及潤滑劑概論

2024年2月23日發(作者：先抑后揚作文)

第一章 摩擦.磨損.潤滑及潤滑劑概論

摩擦、磨損、潤滑的種類及其基本性質│潤滑劑及其基本性能指標│潤滑劑的種類

一、摩擦.磨損.潤滑的種類及其基本性質

摩擦、磨損、潤滑是一種古老的技術，但一直未成為一種獨立的學科。1964年英國以喬斯特（Jost）為首的一個小組，受英國科研與教育部的委托，調查了潤滑方面的科研與教育狀況及工業在這方面的需求。于1966年提出了一項調查報告。這項報告提到，通過充分運用摩擦學的原理與知識，就可以使英國工業每年節約510,000,000英鎊，相當于英國國民生產總值的1%。這項報告引起了英國政府和工業部門的重視，同年英國開始將摩擦、磨損、潤滑及有關的科學技術歸并為一門新學科--摩擦學（Tribology）。摩擦學是研究相互作用、相互運動表面的科學技術，也可以說是有關摩擦、磨損及潤滑的科學與技術統稱為摩擦學（Tribology）。

國家

英國

美國

日本

西德

節約

510,000,000英鎊

1,600,000,000美圓

273,000,000美圓

1,000,000,000馬克

備注

國民生產總值1%

占能耗11%

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1970年喬斯特應邀來我國進行摩擦方面的研究，他指出，如果科學地控制摩擦，中國每年可節省400億人民幣。故改善潤滑、控制摩擦，就能為我們帶來巨大的經濟利益。

中國工程院咨詢研究項目《摩擦學科學及工程應用現狀與發展戰略研究》調查顯示，2006年全國消耗在摩擦、磨損和潤滑方面的資金估計為9500億元，其中如果正確運用摩擦學知識可以節省人民幣估計可達到3270億元，占國內生產總值GDP的1.55%。

美國機械工程學會在《依靠摩擦潤滑節能策略》一書中提出，美國每年從潤滑方面獲得的經濟效益達6000億美元。1986年，中國的《全國摩擦學工業應用調查報告》指出，根據對我國冶金、石油、煤炭、鐵道運輸、機械五大行業的調查，經過初步統計和測算，應用已有的摩擦學知識，每年可以節約37.8億元左右，約占生產總值（5個行業1984年的可計算部分）的2.5%。

潤滑油的支出僅是設備維修費用的2%～3%。實踐證明，設備出廠后的運轉壽命絕大程度取決于潤滑條件。80%的零件損壞是由于異常磨損引起的，60%的設備故障由于不良潤滑引起。

中國每1000美元產值消耗一次性能源（折合石油）為日本的5.6倍，電力為日本的2.77倍，潤滑油耗量為日本的3.79倍。

（一）摩擦

在外力作用下，一物體相對于另一物體運動或有運動趨勢時，在接觸表面上所產生的切向阻力叫摩擦力，這一現象叫摩擦。

在一定的壓力下，表面間摩擦阻力的大小與兩表面間的摩擦狀態有密切關系，不同摩擦狀態下，產生摩擦的物理機理是不同的。按摩擦狀態，即表面接觸情況和油膜厚度，可以將滑動摩擦分為四大類:干摩擦、邊界摩擦（潤滑）、液體摩擦（潤滑）和混合摩擦（潤滑），如圖所示。

1 1 1

1

2

2

2

2

干摩擦

邊界摩擦

流體摩擦

混合摩擦

1)

干摩擦:兩摩擦表面間無任何潤滑劑或保護膜的純凈金屬接觸時的摩擦，稱為干摩擦。在工程實際中沒有真正的干摩擦，因為暴露在大氣中的任何零件的表面，不僅會因氧氣而形成氧化膜，且或多或少也會被潤滑油所濕潤或受到"污染"，這時，其摩擦系數將顯著降低。在機械設計中，通常把不出現顯著潤滑的摩擦，當作干摩擦處理。

2)

邊界摩擦 兩摩擦表面各附有一層極薄的邊界膜，兩表面仍是凸峰接觸的摩擦狀態稱為邊界摩擦。與干摩擦相比，摩擦狀態有很大改善，其摩擦和磨損程度取決于邊界膜的性質、材料表面機械性能和表面形貌。邊界膜的形成機理如下：

物理吸附膜：潤滑油中的極性分子與金屬表面相互吸引而形成的吸附。

化學吸附膜：靠油中的分子鍵與金屬表面形成的吸附。

化學反應膜：油中加入的硫、磷、氯等添加劑與金屬表面進行的化學反應而形成的膜。

影響邊界膜摩擦的因素：溫度、添加劑、摩擦副材料和粗糙度

3)

液體摩擦 兩摩擦表面完全被液體層隔開、表面凸峰不直接接觸的摩擦。此種潤滑狀態亦稱液體潤滑，摩擦是在液體內部的分子的間進行，故摩擦系數極小。這時的摩擦規律已有了根本的變化，與干摩擦完全不同。

4)

混合摩擦 兩表面間同時存在干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦的狀態稱為混合摩擦。

摩擦理論：干摩擦理論主要有：（1）機械理論：認為摩擦力是兩表面凸峰的機械嚙合力的總和，因而可解釋為什么表面愈粗糙，摩擦力愈大；（2）分子-機械理論：認為摩擦力是由表面凸峰間的機械嚙合力F1和表面分子相互吸引力F2兩部分組成，因而這一理論可解釋為什么當接觸表面光滑時，摩擦力也會很大。但上述兩種理論不能解釋能量是如何被消耗的。（3）粘著理論：實際接觸面積：Ar=N/?sc

剪切力（摩擦力）：F?=Ar?B

摩擦系數：?=F?/N=?B/?sc≈0.2(金屬變化不大)

降低摩擦系數方法：鍍軟金屬層，在金屬基體上涂敷一層極薄的軟金屬，此時?sc仍取決于基體材料，而tB則取決于軟金屬。

（4）能量理論等。

a) 結點 b) 界面剪切 c) 軟金屬剪切

大量的試驗表明，工程表面的實際接觸面積約為名義接觸面積的10-2～10-3，這樣接觸區壓力很高，使材料發生塑性變形，表面污染膜遭到破壞，從而使基體金屬發生粘著現象，形成冷焊結點（如圖a

所示）。當發生滑動時，必須先將結點剪斷（如圖b

所示），同時，當較硬的凸峰在較軟的材料上滑過時，將切出溝紋（即犁刨作用），從而相對滑動時的摩擦力為上述兩種因素所形成的阻力的和。由于后者相對來說較小，故可忽略。

摩擦系數：設結點的剪切強度為τB，則摩擦力為 F = Ar·τB。

摩擦系數f為：

在沒有潤滑的固體表面間，產生摩擦的主要原因是，表面形貌的粗糙不平，表面存在分子的間的吸引力，和表面凸峰間的"焊-剪-刨"作用。影響摩擦系數的因素很多，有摩擦副配偶材料的性質、表面膜、鍍層或涂層、滑動速度、環境溫度及表面粗糙度等。流體潤滑條件下，摩擦力的大小取決于流體的內摩擦力。邊界潤滑條件下摩擦力的大小取決于表面膜的性質。對有機化合物物理吸附膜，主要由吸附膜的類型及分子參數決定。試驗發現，吸附分子碳數增加，摩擦系數和磨損率均減小。各種摩擦狀態下的摩擦系數典型值如表所示。

表1 不同摩擦狀態下的摩擦系數（大致值）

摩擦類型 摩擦狀況

相同金屬：

黃銅-黃銅；青銅-青銅

異種金屬：

銅鉛合金-鋼

巴氏合金-鋼

非金屬：

橡膠-其他材料

聚四氟乙烯-其他材料

石墨-二硫化鉬潤滑

鉛膜潤滑

礦物油濕潤表面

加油性添加劑的油潤滑：

鋼-鋼；尼龍-鋼

尼龍-尼龍

液體動力潤滑

液體靜力潤滑

摩擦系數

0.8～1.5

0.15～0.3

0.15～0.3

0.6～1.9

0.04～0.12

干摩擦

固體潤滑

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

(與設計參數有關)

邊界潤滑

流體潤滑

滾動摩擦

滾動摩擦系數與接觸面材料的硬度、粗糙度、濕度等有關。球和圓柱滾子軸承的摩擦大體與液體動力潤滑相近，其它滾子軸承則稍大

摩擦特性曲線（Stribeck Curve 斯特里伯克曲線）：根據前述，液體摩擦潤滑狀態是最理想的潤滑狀態,干摩擦是應該避免的,邊界摩擦和混合摩擦最常見，亦稱邊界潤滑和混合潤滑狀態,有時也叫半液體潤滑狀態。試驗證明，這三種實際存在的摩擦潤滑狀態是隨某些參數的改變而相互轉化的。它們的摩擦系數

f 與流體粘度η、相對滑動速度v、單位面積上的載荷

p 的間的關系如圖所示。

（二）摩損

由于運動副表面的摩擦導致表面材料的逐漸消失或轉移，稱為磨損。下圖為磨損過程圖。由圖可見，在正常情況下，零件經短期跑合后，進入穩定磨損階段，但若跑合期壓強過大、速度過高，潤滑不良時，則跑合期很短，并立即轉入劇烈磨損階段，使零件很快報廢。如圖中的虛線所示。通過在潤滑油中加入一定的添加劑，可以縮短跑合時間，提高跑合質量。大致可分為三個階段。

Ⅰ為跑合磨損階段：由于機械加工的表面具有一定的不平度存在；運轉初期，摩擦副的實際接觸面積較小，單位面積上的實際載荷較大，

因此，磨損速度較快。經跑合后尖峰高度降低，峰頂半徑增大，實際接觸面積增加，磨損速度降低。

Ⅱ為穩定磨損階段：機件以平穩緩慢的速度磨損，這個階段的長短就代表機件使用壽命的長短。

Ⅲ為劇烈磨損階段：經穩定磨損階段后，使精度降低、間隙增大，從而產生沖擊、振動和噪聲，磨損加劇，溫度升高，短時間內使零件迅速報廢。

磨損分類：按破壞的機理，磨損主要有四種基本類型，即粘著磨損、接觸疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損。

1） 粘著磨損：當摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各點產生結點后再相對滑移時，材料從運動副的一個表面轉移到另一個表面，便形成了粘著磨損。滑動軸承中的"抱軸"和高速重載齒輪的"膠合"現象均是嚴重的粘著磨損。材料由一表面轉移到另一表面。影響粘著磨損的主要因素：同類摩擦副材料比異類材料容易粘著；脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高，在一定范圍的表面粗糙度愈高抗粘著能力愈強，此外粘著磨損還與潤滑劑是否含油性與添加劑、摩擦表面溫度及壓強有關。

按照粘著結點的強度和破壞位置不同，粘著磨損有同種不同的形式；

1．輕微粘著磨損：當粘結點的強度低于摩擦副兩材料的強度時，剪切發生在界面上，此時雖然摩擦系數增大，但磨損卻很小，材料轉移也不顯著。通常在金屬表面有氧化膜、硫化膜或其它涂層時發生這種粘著磨損。

2．一般粘著磨損：當粘結點的強度高于摩擦副中較軟材料的剪切強度時，破壞將發生在離結合面不遠的軟材料表層內，因而軟材料轉移到硬材料表面上。這種磨損的摩擦系數與輕微粘著磨損的差不多，但磨損程度加重。

3．擦傷磨損：當粘結點的強度高于兩對磨材料的強度時，剪切破壞主要發生在軟材料的表層內，有時也發生在硬材料表層內。轉移硬材料上的粘著物又使軟材料表面出現劃痕，所以擦傷主要發生在軟材料表面。

4．膠合磨損：如果粘結點的強度比兩對磨材料的剪切強度得多，而且粘結點面積較大時，剪切破壞發生在對磨材料的基體內。此時，兩表面出現嚴重磨損，甚至使摩擦副的間咬死而不能相對滑動。

相同的材料或者互溶性大的材料組成的摩擦副粘著效應較強，容易發生粘著磨損。異性金屬或者互溶性小的材料組成的摩擦副抗粘著磨損的能力較高。而金屬和非金屬材料組成的摩擦副的抗粘著磨損能力高于異種金屬組成的摩擦副。從材料的組織結構而論，多相金屬比

單相金屬的抗粘著磨損能力高。就材料的性能而言，脆性材料的抗粘著磨損的能力比塑性材料的高。

當表面有自然污染物或受環境介質影響時，由于粘結點的強度降低，故粘著磨損的程度會有所減輕。通過表面處理方法在金屬表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等的薄膜將減少粘著效應，同時表面膜也限制了破壞深度，從而提高抗粘著磨損能力。在干摩擦狀態下摩擦表面最容易產生粘著磨損。在兩表面間具有較厚的流體潤滑劑膜將表面分隔開時，就不會產生粘著磨損，摩擦也較小；改善潤滑條件，在潤滑油或脂中加入油性和極壓添加劑；選用熱傳導性高的摩擦副材料或加強冷卻以降低表面溫度；改善表面形貌以減少接觸壓力等都可以提高抗粘著磨損的能力。雖然有關粘著機理目前還沒有比較統一的觀點，但是粘著現象必須在一定的壓力和溫度條件下才會發生這一認識是相當一致的。

根據粘著磨損理論，阿恰爾德（J·F·Archard）曾提出了一個計算粘著磨損時所去除的材料體積V的宏觀規律。可推導出

V=（W*L/H）*K

式中

W—法向載荷；

L—滑動距離；

H—較軟材料布氏硬度；

K—無量綱的磨損系數，與摩擦副材料和工作條件有關，可以用來衡量表面微凸體的作用是否有可能磨損。

粘著磨損常見于缸套-活塞環、蝸輪-蝸桿副、軸-軸瓦、絲桿-螺母副、滑動導軌副等摩擦副。

表1-3是阿恰爾德所提出的一些摩擦副材料的粘著磨損系數。

表 1-3 不同摩擦副的粘著磨損系數K

摩擦副

鋅對鋅

軟鋼對軟鋼

鉑對鉑

10K

106

45

39

3摩擦副

銅對銅

不銹鋼對不銹鋼

銀對銀

10K

32

21

12

3摩擦副

銅對軟鋼

鉑對軟鋼

鉑對銀

10K

1．5

1．5

1．0

3

2）接觸疲勞磨損：受變應力的摩擦副，在其表面上形成疲勞點蝕，使小塊金屬剝落，這種現象稱為疲勞磨損。接觸疲勞磨損常發生在滾動軸承、齒輪、凸輪等零件上。影響因素：

表面粗糙度----影響初始裂紋、潤滑油粘度、表面硬度。例：齒輪的接觸疲勞極限、曲率半徑

3）磨粒磨損：從外部進入摩擦面間的游離硬質顆粒或摩擦表面上的硬質凸峰，在摩擦過程中引起材料脫落的現象稱為磨粒磨損（50%磨損屬于磨粒磨損）。影響因素：摩擦副硬度、磨粒大小與硬度。

4）腐蝕磨損：在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質發生化學反應或電化學反應的磨損稱為腐蝕磨損，腐蝕可在沒有摩擦的條件下形成，而相對運動消除了化學反應的生成物，接著表面又受到腐蝕，如此不斷反復。主要因素：周圍介質、零件表面的氧化膜性質及環境溫度等。

實際上，大多數的磨損都以復合形式出現，即以上幾種磨損相伴存在。微動磨損就是一種典型的復合磨損。微動磨損發生在相對靜止的摩擦副上，但須在環境振動影響下，使結合面間沿表面方向有微幅振擺，才能產生。

（三）潤滑

潤滑的作用：減摩--降低能耗；減磨--延長機器壽命；降溫--防卡死、提高運行精度；吸振--減小動載荷；密封

潤滑的分類：流體動力潤滑、流體靜力潤滑。流體潤滑可由流體動壓（包括彈性流體動壓）和流體靜壓原理形成。

（1）流體動壓潤滑是利用摩擦副表面的相對運動，將流體帶進摩擦面間，自行產生足夠厚的壓力油膜把摩擦面分開并平衡外載荷的流體潤滑。形成流體動力潤滑條件：a).有收斂油楔。b).有足夠大的相對速度。c)潤滑油有一定的粘度。顯然，形成流體動壓潤滑能保證兩相對運動摩擦表面不直接接觸，從而完全避免了磨損，因而在各種重要機械和儀器中獲得了廣泛的應用。

（2）流體靜壓潤滑 利用外部供油（氣）裝置，將一定壓力流體強制送入摩擦副的間，以建立壓力油膜的潤滑稱為流體靜壓潤滑。特點：運行精度高、能保證流體摩擦。成本高。

（3）彈性流體動力潤滑

在點、線接觸的高副機構（齒輪、滾動軸承和凸輪等）中，也能建立分隔摩擦表面油膜，形成動壓潤滑。但接觸區內壓強很高（比低副接觸大1000倍左右），這就使接觸處產生相當大的彈性變形，同時也使其間的潤滑劑粘度大為增加。考慮彈性變形和壓力對粘度的影響這兩個因素的流體動力潤滑稱為彈性流體動力潤滑（Elasto ---Hydrodynamic

Lubrication），簡稱"彈流"（EHL）。其油膜厚度與壓力分布如圖所示。

二、潤滑劑及其基本性能指標

潤滑劑：簡單地說是介于兩個相對運動的物體的間，具有減少因接觸而產生的摩擦與磨損的物質。 例如，潤滑油與潤滑脂都是潤滑劑的一種。潤滑劑最重要的功能是減少摩擦與磨損， 但在不同的應用上除具備這兩項最重要的潤滑功能外， 還具備其它不同的功能。潤滑劑也因具動力媒介，熱傳導與絕緣等性能而用于非相對運動體的一種純功能性油。綜合其所具備的功能如下：

● 減少摩擦 ● 液壓傳動 ● 減少磨損 ● 防震 ●

降低溫度

● 密封 ● 防止生銹與腐蝕 ● 熱傳導 ● 清凈 ●

絕緣

潤滑劑的基本性能指標

潤滑劑的性質主要用以下幾個性能指標來衡量。1）粘度 即流體抵抗剪切變形的能力，它表示流體內摩擦阻力的大小，是選擇潤滑劑的重要指標。

·牛頓流體內摩擦定律：

如圖所示，被潤滑油隔開的兩個平行平板，若上板以速度

V 移動，下板靜止不動，則潤滑油呈層流流動。各油層間的切應力τ與速度梯度du/dy成正比關系，這一關系稱為牛頓流體內摩擦定律，是牛頓在1687年提出來的，其數學表達式為：

式中，τ--流體的切應力；η--動力粘度或絕對粘度；

式中的負號表示切應力的方向與相對速度方向相反。

·動力粘度：動力粘度的國際單位是Pa.s（帕.秒），1Pa·s = 1N·s/m2。表示速度面積各為1m2的兩層流體相距1m時，相對滑動速度為1m/s，所需要的力為1N，此時流體的粘度為1Pa.s。為使用方便工程上常用的動力粘度單位有1dyn.s/cm2叫1P（泊）和百分的一泊（厘泊）、記為cP。三者關系為：1000cP = 10P = 1Pa·s

·運動粘度：工程上把動力粘度η與流體密度ρ的比值稱為運動粘度ν。記為ν=η/ρ。在國際單位制中ρ的單位是kg/m3，所以運動粘度的單位為m2/s，工程上把1cm2/s叫做1St（斯），取其百分的一叫cSt（厘斯）。蒸餾水在20°C的運動粘度為1cSt；L-HM32液壓油40°C時粘度值即為32cSt。

例: 已知某機械油40°C時的運動粘度

v

＝(9～11)cSt，試求：

1) 若v ＝(9～11)cSt，該油的 v 是多少St？

2 2) 按我國法定計量單位，該

v 為多少m/s？

3) 油密度ρ ＝ 900 kg/m3，在tm = 40°C時的動力粘度η為多少 ？

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

·相對粘度：用潤滑油同水作比較所測得的粘度，稱為相對粘度，我國常用恩氏粘度。在一定溫度下200cm3的油樣流過直徑為2.8mm的孔所需時間，與同體積20°C的蒸餾水流過時間的比值，即為該油樣的恩氏粘度，以符號°Et表示。°E20表示測定溫度為20°C。

工業用潤滑油的粘度分類，新舊標準不同，運動粘度新標準是以40°C為基礎，而舊標準是以50°C或100°C為基礎。標準的粘度牌號分類、運動粘度范圍及其中心值列于表中。

工業用潤滑油粘度牌號分類（mm2/s）

粘度牌號

2

3

5

7

10

15

22

32

46

68

100

150

220

320

460

680

1000

1500

運動粘度中心值40°C

2.2

3.2

4.6

6.8

10

15

22

32

46

68

100

150

220

320

460

680

1000

1500

運動粘度范圍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

·潤滑油粘度與溫度、壓力的間的關系：潤滑油粘度隨溫度變化而變化影響十分顯著。粘度隨溫度變化愈小的油，品質愈高。液體受到壓力時，分子間的距離縮短，吸引力增大，粘度會升高，當壓力低于5MPa時，粘度隨壓力的變化可以忽略，當壓力超過20MPa時，壓力對粘度的影響比較明顯。特別是在彈性流體動壓潤滑中不容忽視。試驗研究表明油的粘度隨壓力和溫度變化可用下式表示：

式中：β--- 粘溫系數；

T和T0

--- 測試溫度和室溫；

η和η0

--- 測試壓力和溫度下的粘度及大氣壓下的粘度；

a --- 粘壓系數；

p --- 測試壓力。

例如：測試石蠟基液壓油的粘度，在20.5℃和40℃時，將液壓油的壓力提高到35MPa時，其動力粘度分別增大為環境壓力下的2.3375和2.08倍。

2）油性：潤滑油能在金屬摩擦表面形成吸附膜的性能稱為油性。油性愈好、愈有利于邊界潤滑，動、植物油和脂肪酸的油性較好。目前尚沒有一個定量的指標評價潤滑劑的油性。

3）凝點：潤滑油冷卻到不能流動的溫度稱為凝點。低溫工作的場合應選凝點低的潤滑油來潤滑。

4）閃點：潤滑油蒸氣在火焰下閃爍的溫度稱為閃點。高溫工況的場合應選閃點高的潤滑油來潤滑。

5）滴點：潤滑脂受熱開始滴下的溫度稱為滴點，潤滑脂的工作溫度最少要低于滴點20°C。

6）錐入度：是潤滑脂稠度指標。錐入度愈小，稠度愈大、流動性愈小，承載能力強，密封好，但摩擦阻力也大。

三、潤滑劑的種類

在摩擦面間加入潤滑劑的主要作用是改善摩擦、減輕磨損，同時潤滑劑還能起減振、防銹等作用，液體潤滑劑還能帶走摩擦熱、污物等。潤滑劑有液體潤滑劑、氣體潤滑劑、潤滑脂和固體潤滑劑：

1. 固體潤滑劑（Solid Lubricants）

2. 氣體潤滑劑（Gaous Lubricants）

3. 液體潤滑劑（Liquid Lubricants）

4. 半固體潤滑劑（Semi-Solid Lubricants）

圖表1.依物理狀態的潤滑劑分類

固體潤滑劑

潤

滑

劑

半固體潤滑劑

氣體潤滑劑

石墨粉、二硫化鉬粉等

空氣、油霧等

1.

2.

3.

4.

礦物性液體潤滑劑－各種潤滑油

合成液體潤滑劑－合成潤滑油

非礦物潤滑劑－汽車制動液（剎車油）等

動植物油脂－牛油、豬油等

液體潤滑劑

潤滑脂

液體潤滑劑與固體潤滑劑，在某些情況下會因溫度的變化而有物理或化學上性狀改變。例如：目前常用的活性極壓潤滑劑（Active

Extreme Pressure Lubricants）是液體潤滑劑，但在潤滑過程中，油中所含的活性化合物會因金屬相互接觸產生高溫與金屬表面發生化學反應，生成一層固體的潤滑保護膜，結附（Plate）其上，有效減低機件的摩擦。另有一種「塊狀潤滑脂」（Block Grea），常溫下為固體，須用刀切后加入軸承中，但加入軸承的后，即因熱而熔化，成為液體潤滑機件。

（一）固體潤滑劑

固體潤滑劑為兩個相對運動的接觸面間，可以減少磨擦與磨損的任何固體物質。它可以分成四大類：結構性、機械性、皂類、與化學活性的固體潤滑劑。這些固體潤滑劑的主要目的是要在磨擦面間建立連續與黏附的堅硬或柔軟的薄膜，而鋪施薄膜可以用機械方式、化學、電子化學、或以物理過程的方式，如滴漏、涂抹、噴漆、浸潤、電解、電泳、燒結、烘烤、與噴霧等方式。石墨、二硫化鉬與PTFE是使用最廣泛也最常使用的固體潤滑劑，其它的固體潤滑劑在工業界仍未廣泛使用。

1. 結構性固體潤滑劑：

石墨粉（Graphite）：石墨是一種黑色光澤性的固體，性滑膩，供潤滑劑使用時都研磨成極細的粉末。石墨粉對金屬表面的吸著力強，能有效填補軸承或齒輪表面的微細凹痕，使機件運轉時平穩而少雜音，且減低磨耗。供潤滑用的石墨粉有二種，一是天然石墨（Natural

Graphite），呈片狀或無定形狀，來自于地下的石墨礦；二是人造石墨（Artificial Graphite），采用電爐法于高溫下處理精制的焦碳而成。石墨粉的特點是它可耐很高的溫度。例如，軍用汽輪機減阻軸承在1000℉的溫度下操作，曾使用石墨粉潤滑，有良好效果的記錄。

石墨粉在空氣中使用時，溫度雖高至400℃（752℉），也沒有氧化現象。溫度再高時，稍有氧化的可能，但其生成物為無害無毒的二氧化碳氣體。在600℃左右的溫度下仍能有效潤滑機件，在惰性氣體中可耐到1000℃的高溫。石墨的低磨擦并不是單以其結晶的結構為基礎， 它也依賴水汽下提供了表面低的膠黏，所以在大氣中以及水汽存在下，發展出最好的潤滑效能。但在真空中，潤滑作用不良，故石墨粉不宜用于真空及太空機件的潤滑。石墨粉的質量高低不一，價格也高低不等。供潤滑用者，必須采用灰份低與雜質少的片狀石墨。供填函（Packing）用的填函級石墨粉（Packing Grade Graphite）也是良好的潤滑用品級。石墨粉多調配于潤滑脂或輕質油后加入機件中，供潤滑的用。例如，高溫下的鍋爐自動給煤爐柵鏈銷，用二號或三號的杯脂，調入5～10﹪的石墨粉潤滑，杯脂雖遇熱熔化或碳化，但仍留下固體的石墨潤滑劑，發揮其潤滑效能。

二硫化鉬粉（MoS2）：二硫化鉬（Molybdenum Disulfide，簡稱Molysulfide），為一種無機性的礦物，呈藍黑色，在電子顯微鏡下觀察，也是片狀的結晶，為近年來發展很快的固體潤滑劑。在350℃溫度下，二硫化鉬無明顯的氧化作用，在真空及惰性氣體中，至少可耐600℃的高溫。無論在大氣中，水汽下，或真空中，二硫化鉬均能有效潤滑機件，此點較石墨粉為優，故可用于太空等真空中作業的機件。由于二硫化鉬中所含的硫份對于鋼鐵等金屬表面具有良好的吸附特性，且能有效填蓋機件的微小凹陷部份，故有利于磨損或變形機件的潤滑。又因二硫化鉬粉對金屬表面具有良好的附著特性，故可調入潤滑油中供軸承、齒輪、及滑動面（Slideway）的潤滑；以及混入高級潤滑油脂中，供高溫及大型而低速的滑動面，如車輛的球形接頭（Ball Joint），貨柜車的轉向架（又稱轉向盤）等的潤滑。二硫化鉬粉的純度對于潤滑效果影響亦大，故應選用結晶粒子小，純度高的二硫化鉬粉，且不含磨擦性雜質者為主要要求。

二硫化鎢（WoS2）：二硫化鎢（Tungsten Disulfide）也是耐高溫的固體潤滑劑，因含硫份，效果與二硫化鉬相同，但耐溫可達900～1000℃（1,652～1,832℉）。

結構性固體潤滑劑有各種不同的產品，如圖表二：

圖表二 結構性固體潤滑劑

名稱

石墨

氟化石墨

英文名稱

Graphite

Graphite fluoride

C

(CFx)n

化學式

二硫化鉬

二硒化鉬

二硫化鎢

二硒化鎢

二硫化鈮

二硒化鈮

二硫化鉭

二硒化鉭

二硫化鈦

鍗化鈦

氟化鈰

氫氧化鋇

氯化鎘

氯化鈷

氯化鋯

氯化鉛

碘化鉛

氮化硼

硫酸銀

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. 機械性固體潤滑劑：

該分類中有不同種類的物質其潤滑效果是以不同的物理，機械性能或特殊情況而定。

有機化合物（PTFE）：聚四氟乙烯（Poly-tetrafluoroethylene），簡稱「PTFE」及聚氟氯乙烯（Poly-chloro-fluoroethylene）為耐高溫潤滑劑，性能優異。圖表三列出一些使用的自身潤滑有機化合物

圖表三 自身潤滑有機化合物

線型聚合物 (熱塑型類)

Polytetrafluoroethylene (PTFE)

Fluoroethylenepropylene (FEP)

Perfluoroalkoxy (PFA)

Polyethylene (PE)

Polypropylene (PP)

Polyurethane (PU)

Polyamide

Polyacetals

Polyterephthalate

Polysiloxanes

Nylon

交聯聚合物 (熱固型類)

Phenol-formaldehyde

Urea-melamine-formaldehyde

Epoxy resin

Phenolic resin

Unsaturated polyester resin

Polyimides

聚合物的滑動特性視其化學本性與其聚合的配對伙伴而定，負荷能力大小與熱消散有關，聚合物的磨擦特性受溫度變化影響很小。加入二硫化鉬、石墨與金屬粉末能改善聚合物的磨擦特性與增加其硬度，石墨也可增加PTFE體的彈性度。

金屬薄膜：硬質機件表面附著的軟性金屬膜，可防止硬質金屬的直接接觸而能夠減低摩擦。例如在工具鋼上涂以4×10-4cm的金屬銥薄膜，即具有良好的減磨特性。金屬面涂一層軟性金屬薄膜可減低磨擦，磨擦的大小視軟性金屬薄膜的剪切力而定；耐久性則視其薄膜的硬度、同構型、與黏附性而定；軟性金屬薄層的潤滑效果因其熔點而有所限制。除銥外其它軟性金屬薄膜的使用金屬如圖表四：

圖表四 自身潤滑金屬薄膜

鉛

錫

銀

銦

鋇

金

鋁

鎳

銅

鋅

鉛層

錫層

銀層

銦層

鋇層

黃金層

鋁層

鎳與鎳鉻合金

銅與銅合金

鋅與鋅合金

化學面層（轉換薄膜）：除了一些暴露于空氣下所自然形成的金屬氧化物外，還有因化學或電子化學作用能在金屬表面形成固體的潤滑薄膜。化學表面薄層如鋅、鐵、或磷酸鎂的作用類似柔軟的金屬保護膜，但它已不是金屬物質而是金屬鹽。以磷酸處理在金屬表面會產生一層薄膜，微晶、具極黏附性的磷酸鹽層，它可以降低磨擦系數與磨合期間咬死的危險，它的厚度通常只有2-5μm。

玻璃：玻璃的潤滑性視其組成而定，在特定溫度下的磨擦系數與粘度、熱傳導性、剪切率、剪切面積、溶解潤滑面上的氧化物能力、與金屬接觸面的角度有關，因為這些因子會決定玻璃對金屬的潤濕能力，使用玻璃為潤滑劑的重要性特別在操作溫度約于1500°C時的金屬成形操作下可以看出。

無機化合物：硫化物、氟化物、磷酸鹽、與氫氧化物被視為是支持劑或是能產生減低磨擦與磨損層的一種催化劑。例如氫氧化鈣協助鋼鐵磨擦面間氧化鐵薄層的生成。這個氧化物有較佳的磨潤性能，也許是

因為它的較有利的立體密迭的薄層結構，薄層的生成視鋼鐵表面的化學組成成分而定。硫磺粉（Sulfur Flour）為淡黃色的粉末，具特殊臭味，一般潤滑并不多用，但多加入切削油中供難于切削的鋼鐵合金的用。此外，亦多用于發燒的軸承。當軸承因缺油而發燒時，殘留的油料甚或發出白煙，但軸承合金尚未熔化或損壞時，可立即將硫磺粉調入高粘度的潤滑油后加入軸承中，可有效降低溫度。此時乃利用硫磺與鋼鐵，在高溫下發生化學反應，生成硫化鐵合金膜的效果。 其它的無機化合物如下圖表五：

圖表五 無機化合物需一種支持介質

硫化金屬

氟化金屬

磷酸金屬

氫氧化金屬

氧化金屬

ZnS, SnS2, FeS

CaF2 LiF

Zn2P2O7 Ca3(PO4)2 Fe2P2O7

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

PbO ZnO FeO Fe2O3

金屬粉末：相對于結構性潤滑劑與自身潤滑的機械性潤滑劑，其它的機械潤滑劑的潤滑特性主要是以媒介物質與膠合劑的支持效果為基礎的，這些媒介物質如鉛、錫、鋅、銅、銀與銦的主要目的是要改善非自身潤滑的機械性潤滑劑的黏附與凝結的性能。粉狀固體潤滑劑的缺點是難于附著金屬表面。為補救此一缺點，除使用媒介物外，亦可用有機膠合劑（Organic Binders）或無機膠合劑(Inorganic Binders)混入粉狀的固體潤滑劑中，噴射膠結于軸承內壁，硬化的后，形成一層附著力甚強的固體潤滑層，特稱「膠結潤滑劑涂膜」（Boned-solid

Lubricant Coatings）或「干膜潤滑劑」（Dry Film Lubricant）。常用的有機膠合劑為壓克型樹脂（Alksd Resin），酚型樹脂（Phenolics）及環氧聚酯樹脂（Epoxy Resin）。無機膠合劑為硅酸鹽與磷酸鹽。膠結潤滑膜系由固體潤滑粉末均勻分散于樹脂及溶劑中，然后涂于軸承上。其涂法與涂刷油漆相同，俟溶劑揮發后，將軸承烘熱，樹脂即固化而形成潤滑膜。此種潤滑膜的成本大、費用高，而且不能換新或補充，故使用難于推廣普遍，但卻特別適用于下列情況：

● 摩擦表面容易熔化、咬死、或漏電腐蝕者。

● 長期無法加油者。

● 使用任何潤滑油脂均失效者。

● 使用任何潤滑油脂均有污染困擾者。

以硬度為基礎的閑接潤滑性物質：氧化物、硼化物、氮化物或硅酸鹽的蒸氣積垢(Vapor - deposited, VD)涂膜通常都有較高的磨擦系數值，但在高溫時可防止磨擦面咬死并提供極優的抗磨損能力。另一較新的薄膜層，且已被證實具有良好的磨潤性能的是鉆石般無固定形式的碳，被指為是DLC (Diamond-Like Carbon)，它的硬度在500到13000

HV的間，視其氫化的多寡而不同，由零至50%不等。

3. 皂類

皂類是較高的飽和的與非飽和的脂肪酸與樹脂酸的金屬鹽類，他們有時也包括環烷基酸與合成脂肪酸鹽，最有效的是那些具有長鍵分子的活性組群的極性化合物。可能是因為那些反應的組群黏附在潤滑面并阻止被移除有關，他們通常提供固體潤滑劑可獲取的最低的磨擦系數值，但在高于其熔點溫度或高負荷下則無法使用。皂類在潤滑技術的主要功能是用于制造潤滑油脂上。白蠟（Paraffin wax）又稱石蠟、微晶蠟（Micro crystalline wax）、蜂蠟（Bees wax）、合成蠟、豬油、牛油、硬脂酸以及硬脂的金屬皂，如鋁皂、鈣皂、鋅皂、鈉皂、鋰皂等均為固體的軟質潤滑劑，油膩性甚強，多用于負荷較低的機件。

4. 化學活性潤滑劑

這個分類包括極壓與抗磨損添加劑與一些能與金屬接觸面形成一個保護膜。動物性脂肪為一種具有四千年歷斯的知名潤滑劑。其特點為可與金屬表面發生化學作用而生成固體潤滑油金屬皂（Metallic

soaps），而防止金屬與金屬的咬損。但因其熔點低，不適于高溫的作業。溫度高而負荷大時，摩擦溫度亦高，必須采用熔點遠較金屬皂為高的固體潤滑膜。多種活性氯、硫及磷的化合物均具有此種特性，于較高摩擦溫度時，易與金屬發生化學作用，于金屬表面形成潤滑效能優異的固體保護膜，亦稱為金屬硫化物、金屬氯化物、或金屬磷化物的合金保護膜。各種極壓添加劑的作用，即為此例。所謂摩擦溫度（Frictional temperature）者，指由于金屬表面相互摩擦而生成的溫度。一般極壓添加劑在常溫時對金屬都無化學作用，但當機械運轉而機件金屬表面互相接觸摩擦，產生局部熱量，引起局部溫度升高時，極壓添加劑才與金屬發生化學作用，形成合金保護膜。

圖表六．石墨、二硫化鉬及PTFE性能的比較

分 解 溫 度 ℉

加熱膨脹系數，@70℉，每℉

導熱系數，Btu/m/(℉/ft)

硬 度

抗伸強度,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

二硫化鉬

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

抗壓強度, Psi 3.9×103 -

在空氣中最高適用溫度,℉ 1,000 750

PV限度,干燥情況(Psi×fpm) 15,000 -

迅速氧化的溫度,℉ 850 800

對金屬的附著力,mg 0.7 51

氧化后產物 CO,CO2 MoO3 ,SO2

-11電阻性,ohm-cm 50.3×10 不導電

-1-1高度真空下的最高適用溫度,3,400(10cm/年) 2,700(10cm/年)

℉

真空下的摩擦系數 高 不定

低溫下潤滑性( 液體氮) 高(0.8) 高(0.68)

Gamma射線下的摩擦系數,80℉ 增43% 增50%

耐化學藥品性 最佳 可以

3密度,公克/cm 1.4-1.73 4.85-5.0

顏 色 灰黑色 灰黑色

一般情形 可 可

高度輻射情況 可 可

高度真空 - 可

高溫(600°F以上) 良 良

中溫 良 良

低溫(-20°F) 以上 - 可

高負荷(200磅以上) 可 良

中負荷 良 良

低負荷(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）氣體潤滑劑

空氣、水蒸氣、氮氣都是氣體，亦為一種流體，因此比重極低、粘度極小，而且幾乎無污染性，故適用于特殊情況的潤滑而代替液體潤滑劑；但因其負荷能力極低，而且穩定性較差，故使用不廣。使用氣體作潤滑劑時，必須采用特殊設計而以氣體來潤滑的「氣體軸承」

（Gas bearings）。至于油霧式或噴霧式潤滑，嚴格說仍屬液體潤滑劑，僅其粒子極細而已。

（三）液體潤滑劑

液體潤滑劑（Liquid Lubricants）具有擠入軸承間隙，形成油壓動力潤滑，有效分開軸頸與軸承，避免金屬與金屬直接摩擦的特性；而且傳熱與散熱容易，故常用于機械的潤滑。各種礦物油、合成油、植物油、動物油、水、甘油、液體氧氣，甚至于熔融的玻璃等，均為液體潤滑劑。

1. 動植物油脂：動物性或植物性油類，通稱為「天然油脂」，簡稱為「脂肪油」（Fatty oils），加熱至高溫時分解而揮發，故不能以蒸餾的方法精制，因而又稱為「固定油」（Fixed oil），故有別于可以蒸餾的礦物油。

動植物油脂最常見者有下列數種：

A.牛油：牛油（Tallow）雖具潤滑性，但高溫下粘度甚低，必須與高粘度潤滑油調合使用。牛油加入機油中后，油膜可耐水，對金屬表面附著力強，且加強機油的油膩性。但機油中最多只能溶化12﹪的牛油。加有動植物油的機油常稱為「復合油」（Compounded oil）。供潤滑及加入機油中用的牛油，必須新鮮的精制品，色白而有甜味，通稱為無酸牛油（Acidless tallow）。

B.豬油：豬油為極佳的油膩劑（Oiliness agent），加入機油中后可提高油料的油膩性，增加對金屬表面的附著力，減低摩擦系數。加用15-25﹪豬油的機油雖污染布匹，亦易洗除，故多用于紡織機械的潤滑。豬油加熱時可吸收14﹪的硫磺而化合成硫化豬油（Sulfurized

lard oil），供切削難加工金屬的用。

C.羊毛脂：羊毛脂（Wool grea or Degras）加入蒸汽汽缸油后，可增加油膜韌度，更能耐水，特別供溫度極高的蒸汽機汽缸潤滑的用。

D.蓖麻油：蓖麻油不溶于礦物油中，但可溶于酒精等醇類化合物中，對金屬表面的附著力極強，有效減低金屬面的摩擦，且潤滑能力亦強，其粘度約為SAE 50號，過去曾用于航空引擎的潤滑，但因不能與一般礦物性潤滑油混合使用，又極易氧化成堅韌的膠狀物，故現多不采用。

各種動植物油脂均有下列各共通的優點及缺點：

各動植物油脂均為脂肪酸的甘油脂，且經常有游離脂肪酸共存。就分子結構上言，為極性的化合物，對金屬表面附著力強，油膩性（Oiliness）佳，有利于界面潤滑。

在高溫下游離脂肪酸腐蝕金屬甚強。

化學安定性不佳，久用后不但粘度增加，而且部份變成堅韌的橡皮性膠質，有礙潤滑系統。

2.礦物及合成液體潤滑劑

液體潤滑劑為最常見，使用最普遍的潤滑劑，其中礦物及合成基潤滑劑，幾乎占有目前交通與工業方面使用各類產品的98%以上市場。礦物油，主要是石油產品，此種油來源充足，穩定性好、成本低，故應用最廣；合成油，如PAO、PAG、酯類油、磷酸酯（低溫潤滑劑）、硅酸鹽酯（高溫潤滑劑）、氟化物（耐氧化潤滑劑）等，近年來應用面不斷拓廣。

（四）半固體潤滑劑--潤滑脂

潤滑脂（Lubricating grea）為潤滑油與金屬皂（Metallic soap）或其它稠化劑（Thickener）制成的半固體制品。近年來亦有以合成潤滑油代替礦物潤滑油，制成合成潤滑脂，供特殊用途的制品。