石油基潤滑油脂之來源與製造 │ 各種石油基潤滑產品簡介 │ 合成液體潤滑油 │ 潤滑脂
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潤滑脂的特性 潤滑脂的組織 潤滑脂的分類 潤滑脂的選用
四、潤滑脂
(一)潤滑脂的特性
將某種稠化劑均勻地分散在潤滑油中,得到半流體狀或粘稠膏狀的物質就是潤滑脂,俗稱黃油或牛油。潤滑脂因具有許多優點而被普遍應用,主要優點如下:
1.
黏附性好,能附著於摩擦表面,不易流失或飛濺。正常工作時,不會有漏油現象。
2.
防護性能較好,特別是防鏽能力比潤滑油強。
3.
特別適用於對滾動軸承的潤滑,不但注脂方便,而且可以在很長一段時間內不用加脂,大
大減少了維護工作量。
4.
密封性好,可以防止外界塵土侵入軸承。
5.
可在較寬廣的溫度下操作。
6.
其外顯黏度較不受溫度影響。
7.
比油有較低的磨擦係數。
8.
可混合固體添加劑使用。
潤滑脂也有其不足的一面,因而使用範圍受到限制,主要缺點是:
1.
散熱能力差,不能像油那樣對摩擦件進行循環冷卻,因此不宜用在高轉速的軸承。
2.
對絕大多數滑動軸承不適用,其流動性差,內摩擦阻力大,無法形成液動油膜。
3.
輸送性能比潤滑油差得多。
4.
儲存程序容易變質,受到汙染後無法淨化。
由於潤滑脂的獨特優點,以及隨著品質不斷提高,其應用範圍日益擴大。例如某些封閉式減速機,過去都採用潤滑油油浴潤滑,現在試用潤滑脂潤滑,效果良好,避免了用油潤滑時的漏油現象。
(二).潤滑脂的組成
潤滑脂(Lubricating
grease)為半固體之製品,主要由三種成份所組成。其一為油份,如各種潤滑油、矽油、合成油等;其二為「稠化劑」或「增稠劑」(Thickener),三為添加劑。
稠化劑有1.脂肪酸之金屬皂(Metallicsoapoffatty
acids),2.金屬之有機脂類,3.特製二氧化矽粉,4.特製油土(Bentonite
clay),5.金屬或非金屬之有機特製化合物。一般狀況下,
潤滑脂含65-95%
w/w的油份,
5%-35% w/w的增稠劑與0-10%
w/w的添加劑.
製造潤滑脂時,先將脂肪油或脂肪酸摻混少許潤滑油後,與鹼(如苛性鈉,碳酸鋰,石灰等)製成金屬皂,然後加入多量潤滑油,使金屬皂均勻分散於油中,使其變成一種半固體狀之膠凝體(Gel)。
金屬皂之作用有如看不見之海綿,可吸收大量之油料而呈半固體狀態。但皂分越多,稠度越硬;反之,含皂越少,稠度越薄,欲得不同稠度之成品,可調節皂份予以控制。
實際製造時,頗為繁雜,皂化之方法、時間、溫度、以及皂化後及膠凝化後之冷卻速率,對於成品性狀,均有重大之影響,必須慎予控制,才能製成一定品質之潤滑脂。
(三).潤滑脂的分類
一般之分類法依其稠化劑而分,有:
1. 簡單皂基潤滑脂
以簡單脂肪酸與鹼金屬化合物製成之金屬皂為主體之潤滑脂。因其製造容易,價格低廉,應用最廣。有下列各種:
(a)杯脂
以鈣皂(Calcium soap)或石灰皂(Lime soap)與潤滑油結合而製成之潤滑脂,稱為「杯脂」(Cup grease),亦稱為「鈣基潤滑脂」(Lime
base grease),性耐水,可耐70℃以下之溫度。按其稠度之不同, 可製成No.0,1,2,3,4,5..等不同號碼之製品,供一般潤滑之用。
(b)鈉基潤滑脂
以鈉皂(Soda soap)與潤滑油結合製成者,稱為「鈉基潤滑脂」(Soda base grease),滴點高、抗氧化,可製成長纖維狀,適用於減阻軸承之潤滑,但耐水性不佳,故現多為「鋰基多效潤滑脂」所取代。
(c)鋰基潤滑脂
以鋰皂(Lithium soap)與潤滑油為主要原料而製成之潤滑脂,稱為「鋰皂基潤滑脂」(Lithium base
grease)。本潤滑脂具有耐高溫(達125℃)、耐水、抗氧化、抗剪力、防銹、以及耐低溫(可達-40℃或-40℉之低溫)之特性。此潤滑脂乃美人Earle
在於1940年所研究製成,當時限用於飛機,迨其大量生產,價格低廉後,使用極為普遍。目前市售之潤滑脂中一半以上為本類潤滑脂。
(d)鋁基潤滑脂
鋁基潤滑脂(Aluminum base grease)乃由鋁皂與潤滑油結合而成,成長纖狀、性耐水、但耐溫性較差。
(e)石墨潤滑脂
含有石墨粉之潤滑脂,呈黑色,多用鈣皂製成,耐溫為70℃,但如其石墨粉含量較多,可供高溫下一般機械(不包括減阻軸承等精密機件)之潤滑。
(f)二硫化鉬潤滑脂
多以鋰皂基潤滑脂調和5﹪以上二硫化鉬製成。呈黑色,附著性良好,能耐高溫及嚴重之衝擊性負荷,防止極高壓力下摩擦表面之磨損,適用於重負荷之車輛底盤,車輛之球形接頭(Ball
joint),巨型車輛之第五輪、火車之轉向架等。
(g)極壓潤滑脂
含有極壓添加劑之潤滑脂,稱為「極壓潤滑脂」(Extreme pressure grease),專供高負荷及振動負荷之軸承、齒輪等需要此種品質油料之用。
2. 複合皂基潤滑脂
由複合皂份(Complex soap)與潤滑油製成之半固體製品,稱為「複合皂基潤滑脂」(Complex soap base grease)。
所謂複合皂份者,指一皂份分子中含有兩個或兩個以上脂肪酸或其他原子團者而言。故惟有兩價以上之金屬,如鈣、鋇、鋁、鎂等金屬,才能製成複合皂份。
由複合皂份製成之潤滑脂,具有多種之共通特性,如滴點高、耐水性良好、耐高溫、具極壓性等。
(a)複合鈣基潤滑脂
複合鈣皂潤滑脂具有很多優點,例如:滴點約可高達500℉或570℉,而鋰基潤滑脂則在400℉以下。故複合鈣皂潤滑脂不但適用於高溫,而且適用之溫度範圍也廣。圖表14表示由複合鈣皂製成潤滑脂之代表性性質。
複合鈣皂潤滑脂的另一特性,為極壓性(E.P.Properties)。由一分子硬脂酸與一分子醋製成的複合鈣皂其分子量為172。如果減少硬脂酸而增加醋酸,則可製成分子量為77之鈣皂。此種分子量愈低的鈣皂,其極壓特性也愈顯著。複合鈣皂潤滑脂之耐剪力較弱,但在高溫下稠度的變化有限。
(b)複合鋇皂基潤滑脂
複合鋇皂基潤滑脂的優點,也是滴點約可高達425-475℉之間,其他各性質,大體與鋰基多效潤滑脂相似,具有良好耐水性,抗乳化性,而且不易油皂分離。
(c)複合鋁皂基潤滑脂
由複合鋁皂製成之複合鋁皂潤滑脂(Aluminum complex soap grease)之滴點亦高達500℉,其稠度雖經一萬次或十萬次之捏合,亦無顯著之退化,表示其抗剪力效能良好。此外本脂亦具備良好之耐水性,低溫泵壓性等。
各種複合皂基潤滑脂性能比較如第14圖表所示。
圖表14.各種複合皂基潤滑脂性能比較
|
複合鈣皂潤滑脂
|
複合鋁皂潤滑脂
|
複合鋇皂潤滑脂
|
鋰皂基潤滑脂 |
滴點
|
高
|
中至高
|
高
|
中
|
機械作用下之安定性
|
正常
|
正常
|
良好
|
良好
|
耐安定性
|
稍有變硬之趨勢
|
正常
|
良好
|
正常
|
耐水性
|
良好
|
良好
|
良好
|
良好
|
纖維結構
|
正常
|
粗大
|
微小
|
--
|
含皂量%
|
15-25
|
30-45
|
3-8
|
--
|
附著於軸承上之特性
|
良好
|
良好
|
良好
|
良好
|
可逆性
|
中至佳
|
劣
|
佳
|
中
|
泵壓性 |
正常
|
正常
|
好
|
正常
|
高壓下油份游離性 |
正常
|
正常
|
低
|
低
|
耐剪力性 |
正常
|
正常
|
良好
|
良好
|
製造 |
較難
|
較難
|
較難
|
普通
|
凡滴點為500℉以上之潤滑脂,通稱為高溫潤滑脂。目前品質最穩者,當推複合鈣皂潤滑脂,具有耐水性、抗氧化、耐高溫(達200℃)、防銹、以及具備極壓特性之效能。
3.非皂基之潤滑脂
(a)Bentone潤滑脂
以一種稱為Bentonite之火山灰黏土製成之潤滑脂。
(b)矽酸潤滑脂
以極微細之二氧化矽稠化之潤滑脂。
(c)聚潤滑脂
以聚(Polyurea)為稠化劑製成之潤滑脂,性能優異,正在發展中。
4..合成潤滑脂
(a)酯類潤滑脂
以合成酯類及鋰皂為主體之潤滑脂,稱為酯類潤滑脂(Ester Grease或Fluid Ester Grease),具良好之安定性
(b)矽素脂
以矽素油(Silicone oil)與金屬皂製成之矽素脂(Silicone grease),具高黏度指數、耐水、極佳之耐低溫性、防火性特佳、但潤滑性較遜。其適用溫度與一般高溫潤滑脂相若:通常在200℃或以下。
(四).潤滑脂的選用
1.最高工作溫度的確定
潤滑脂在使用部位的最高工作溫度下,不應發生軟化流失,是選用的重要因素之一,確定這一溫度的主要參考性狀是滴點。滴點是在試驗條件下,潤滑脂受熱軟化滴出第一滴時的溫度。一般情況下,潤滑脂的最高使用溫度必須低於其滴點20~30℃或更多些。
常用的潤滑脂滴點如下表:
潤滑脂名稱
|
滴點℃
|
最高使用溫度℃
|
工業凡士林
|
54以上
|
45
|
鈣基潤滑脂
|
75~100
|
55~60
|
石墨鈣基潤滑脂
|
80以上
|
65
|
鈉基潤滑脂
|
140~180
|
110~120
|
鈣鈉基潤滑脂
|
120~140
|
80~100
|
滾珠軸承潤滑脂
|
180以上
|
80~100
|
工業鋰基潤滑脂
|
170~190
|
120
|
鋁基潤滑脂(船用)
|
85~100
|
65
|
複合鈣基潤滑脂
|
180~250
|
130
|
複合鋁基潤滑脂
|
160~250
|
130
|
膨土潤滑脂
|
250以上
|
130
|
食品機械潤滑脂
|
147
|
100
|
必須指出的是滴點不是確定潤滑脂最高使用溫度的唯一標準。例如,用礦物油製成的鋰基潤滑脂、膨脹土潤滑脂、複合鈣基潤滑脂等,滴點雖然可高達190~250℃,但是,若長期處於高溫下,這些潤滑脂會氧化變質,且礦物油易蒸發而使潤滑脂變硬、乾涸。所以,多數用礦物油製成的潤滑脂的最高使用溫度都在120~130℃以內。
2.耐水性的選擇
耐水性好的潤滑脂不易吸收空氣中的水汽,而且在接觸水的條件下也能正常使用;耐水性差的潤滑脂不但易吸收空氣中的水汽,而且遇水後像肥皂那樣變成乳白色,甚至溶水變稀完全失去作用。常用潤滑脂的耐水性由好至壞的順序為:烴基脂、鋁基脂、鈣基脂、鋰基脂、鈣鈉基脂、鈉基脂。
常接觸水,易受潮的部位必須用耐水性好的潤滑脂,鈉基潤滑脂只能在乾燥的部位使用。例如汽車、拖拉機、輪船等常接觸水的部位使用鋁基潤滑脂,易受潮的部位用鈣基潤滑脂或鋰基潤滑脂等。凡士林、通用儀表脂、彈藥保護脂等屬於烴基潤滑脂,它們廣泛用於武器彈藥、金屬材料、儀表儀器、機械部件的保護、封存或潤滑。
3.極壓性的選擇
在極壓條件下,一般的潤滑脂會被擠出而失效,像汽車的鋼板彈簧等必須使用加有極壓抗磨劑(石墨或二硫化鉬等)的極壓潤滑脂,以承受震動所產生的高壓。
4.潤滑脂硬度的選擇
NLGI號碼表示潤滑脂的軟硬程度(稠度,精密儀表脂、合成潤滑脂除外)常用的有:00、0、1、2、3、4、5等幾個編號,號數小則軟,號數大則硬。
號數小的潤滑脂運動阻力小,容易進入摩擦表面,保證良好的潤滑,有利於起動和節能(據報導,降低潤滑脂一個編號,能耗減少1~3%)。另外,低硬度的潤滑脂泵送分配性好,適用於集中供脂潤滑系統。汽車等大多數機械應按說明書規定1號或2號;小型封閉齒輪用0號或00號;開放式齒輪箱用高滴點黏附性好的0號或1>號;集中潤滑系統用1號或0號。
NLGI號碼的分類如下表
NLGI號碼 |
外觀 |
ASTM工作針入(1/10mm) |
應用 |
000 |
|
445 – 475 |
齒輪潤滑脂 |
00 |
半流體 |
400 – 430 |
|
0 |
|
355 – 385 |
|
1 |
軟 |
310 – 340 |
|
2 |
乳霜狀 |
265 – 295 |
軸承用潤滑脂 |
3 |
|
220 – 250 |
|
4 |
|
175 – 205 |
|
5 |
|
130 – 160 |
|
6 |
肥皂狀 |
85 - 115 |
塊狀潤滑脂 |
5.用量的要求
一般滾動軸承中填脂量約佔軸承空間的1/3~1/2為好。汙染嚴重的場合,應按說明書規定方可填滿潤滑脂。
此外,潤滑脂在儲存時還有以下注意事項:
- 潤滑脂不要暴曬於日光下,需放置於通風良好、溫度適宜的室內。
- 開啟桶蓋嚴防砂、塵、雜物混入,用後即蓋好桶蓋。
- 使用時應將摩擦表面擦洗清潔,不應與其它潤滑油或潤滑脂混用。
- 潤滑脂保存期一般為一年,儲存中發現脂內少量滲油,可自行捏和,仍可使用。
6.相容性的要求
如果兩種潤滑脂不相容但卻混合使用的話,將會改變潤滑脂的性能與物理特性,諸如黏稠性、泵動性、剪切穩定性、油分游離性、與氧化穩定性等,同時也將使混合後的潤滑脂變軟,而增加油漏量。如果兩種潤滑脂需要混合,最好是使用相同的稠化劑;如果含不同稠化劑的潤滑脂必須要混合使用,先行核對兩種稠化劑是否可相容。最保險的做法是避免將兩種不同稠化劑的潤滑脂相混合使用。
不同稠化劑間相容性對照表如下:
B –
臨界相容
C – 相容
I –
不相容
X –
同一潤滑脂
|
複合鋁基 |
鋇基 |
鈣基 |
鈣
12-hydroxysteric acid
基 |
複合鈣基 |
黏土基 |
鋰基 |
鋰
12-hydroxysteric acid
基 |
複合鋰基 |
聚尿基 |
複合鋁基 |
X |
I |
I |
C |
I |
I |
I
|
I |
C |
I |
鋇基 |
I |
X |
I |
C |
I |
I |
I |
I |
I |
I |
鈣基 |
I |
I |
X |
C |
I |
C |
C |
B |
C |
I |
鈣
12-hydroxysteric acid
基 |
C |
C |
C |
X |
B |
C |
C |
C |
C |
I |
複合鈣基 |
I |
I |
I |
B |
X |
I |
I |
I |
C |
C |
黏土基 |
I |
I |
C |
C |
I |
X |
I |
I |
I |
I |
鋰基 |
I |
I |
C |
C |
I |
I |
X |
C |
C |
I |
鋰
12-hydroxysteric acid
基 |
I |
I |
B |
C |
I |
I |
C |
X |
C |
I |
複合鋰基 |
C |
I |
C |
C |
C |
I |
C |
C |
X |
I |
聚尿基 |
I |
I |
I |
I |
C |
I |
I |
I |
I |
X |
|