摩擦与润滑---6金属材料成形过程的润滑

1、6.1 概述概述润滑目的润滑目的：润滑剂形成的膜将彼此作相对运动的表面隔开润滑剂形成的膜将彼此作相对运动的表面隔开,降低剪切阻力，减少表面降低剪切阻力，减少表面任何损伤。在金属塑性成形中主要任何损伤。在金属塑性成形中主要提高工具的寿命提高工具的寿命，节省能源节省能源，保证产品的质量保证产品的质量。润滑方式润滑方式：根据润滑根据润滑膜的厚度膜的厚度、二物体接触表面、二物体接触表面合成粗糙度合成粗糙度的高度（界面高度）分的高度（界面高度）分布，可分为不同的润滑方式。现在普遍认为布，可分为不同的润滑方式。现在普遍认为19901992年年 提出的提出的 Stribeek曲线代曲线代表表了有润滑剂了有润

2、滑剂粘度粘度、速度速度V、载荷、载荷F为函数的有润滑运动表面的通用特性曲线。为函数的有润滑运动表面的通用特性曲线。 根据表面几何根据表面几何形貌、材料、运转条件及表面分离距离形貌、材料、运转条件及表面分离距离h，可分，可分3种主要润滑状态：种主要润滑状态： I. 流体动压润滑流体动压润滑 （油膜油膜h合成粗糙度合成粗糙度R：摩擦阻力：摩擦阻力来自润滑剂内摩擦，来自润滑剂内摩擦，小，磨损小，磨损W小）小） . 混合润滑混合润滑（油粘度、速度小，或载荷大：油粘度、速度小，或载荷大：h小小R，载荷由油膜和部分微凸体承担）载荷由油膜和部分微凸体承担） . 边界润滑边界润滑（接触微凸体数目增多，油膜接触

3、微凸体数目增多，油膜h减少成为减少成为单分子层，载荷主要由微凸体承担）单分子层，载荷主要由微凸体承担）6.金属材料成形过程的润滑金属材料成形过程的润滑 润滑极限润滑极限 润滑极限是润滑润滑极限是润滑失效的临界值失效的临界值，即润滑可能出现的，即润滑可能出现的“极极限限”状态。状态。 由由Stribeck曲线可知，曲线向左端和向右端有两种润滑极曲线可知，曲线向左端和向右端有两种润滑极限状态（失效状态）：限状态（失效状态）： 1)向右端向右端 随着速度的增加随着速度的增加,流体的层流状态可能转变为紊流状态。流体的层流状态可能转变为紊流状态。 2)向左端向左端 随着速度的降低随着速度的降低,各种非流

4、体动压润滑状态运转各种非流体动压润滑状态运转, 润滑剂膜最润滑剂膜最终将会破坏终将会破坏, 并导致并导致“胶合胶合”或或“咬死咬死”形式的严重失效。形式的严重失效。6.2 流体润滑流体润滑 在适当条件下，工具与工件表面间由一定厚度在适当条件下，工具与工件表面间由一定厚度(一般在一般在1.52 mm以上以上)的的润滑润滑油膜隔开油膜隔开，依靠润滑油的压力来平衡外载荷依靠润滑油的压力来平衡外载荷，在，在润滑油膜中的分子大部分不受金润滑油膜中的分子大部分不受金属表面力场的作用属表面力场的作用，而可以自由地移动，这种状态称为流体润滑。，而可以自由地移动，这种状态称为流体润滑。 流体润滑下摩擦系数很小，

5、通常为流体润滑下摩擦系数很小，通常为 0.0010.008。根据流体润滑油膜压力形。根据流体润滑油膜压力形成的方式不同，可将流体润滑分为二类：流体动压润滑、流体静压润滑。成的方式不同，可将流体润滑分为二类：流体动压润滑、流体静压润滑。 流体动压润滑：流体动压润滑：摩擦表面间发生相对运动，由形成的收敛油楔产生的油膜压力来摩擦表面间发生相对运动，由形成的收敛油楔产生的油膜压力来 平衡外载。平衡外载。 流体静压润滑：流体静压润滑：由外部供油系统供给一定压力的润滑油，由油的静压力来平衡外由外部供油系统供给一定压力的润滑油，由油的静压力来平衡外 载。载。流体动压润滑理论流体动压润滑理论： 流体在外力作用

6、下流动时，由于本身分子之间的内聚力以及流体与固体壁面之间流体在外力作用下流动时，由于本身分子之间的内聚力以及流体与固体壁面之间的附着力，使各流层之间产生速度上的差异，各流层之间由于相对运动而产生的摩擦的附着力，使各流层之间产生速度上的差异，各流层之间由于相对运动而产生的摩擦力称为力称为内摩擦力内摩擦力。流体流动时产生内摩擦力的这种性质，叫做流体的。流体流动时产生内摩擦力的这种性质，叫做流体的粘性粘性。只有在流。只有在流体流动时才会呈现粘性，静止不动的流体不呈现粘性。体流动时才会呈现粘性，静止不动的流体不呈现粘性。 牛顿流体内摩擦定律牛顿流体内摩擦定律(流体摩擦定律流体摩擦定律) 假设流体做层流

7、运动，且各流层的速度按线形假设流体做层流运动，且各流层的速度按线形分布，则这种流体的粘度不为分布，则这种流体的粘度不为0，称为，称为牛顿流体牛顿流体。 根据牛顿的实验，对于牛顿流体，流体层间的根据牛顿的实验，对于牛顿流体，流体层间的内摩擦力内摩擦力F与层间厚度与层间厚度dz成反比，与层间接触面积成反比，与层间接触面积A和相对运动速度和相对运动速度dv成正比，即：成正比，即： FAdv/dz F/A= =dv/dz 式中式中,流层间的剪应力；流层间的剪应力；dv/dz流速梯度；流速梯度； 粘度，表征流体粘性大小。粘度，表征流体粘性大小。 流体粘度流体粘度动力粘度：动力粘度：单位距离两流层以单位速

8、度相对运动时，单位面积上的阻力。国际单位单位距离两流层以单位速度相对运动时，单位面积上的阻力。国际单位制中其单位为：制中其单位为：N.s/m2，Pa.s。运动粘度：运动粘度：它没有明确的物理意义，它表示相同温度条件下，动力粘度与密度的比它没有明确的物理意义，它表示相同温度条件下，动力粘度与密度的比值：值：/。国际单位制中其单位为：国际单位制中其单位为：m2/s。 流体摩擦定律与干摩擦定率的不同点流体摩擦定律与干摩擦定率的不同点 流体摩擦定律流体摩擦定律：流体的：流体的内摩擦内摩擦正比于流层间的相对正比于流层间的相对速度速度，并随液体的，并随液体的粘度粘度而改变，但而改变，但与正压力无关与正压力

9、无关。液体摩擦定律只适合于牛顿流体。液体摩擦定律只适合于牛顿流体。 FAdv/dz 干摩擦定律干摩擦定律：这与固体的摩擦定率很不同，：这与固体的摩擦定率很不同，在固体摩擦在固体摩擦 (或干摩擦或干摩擦) 时，摩擦力与正压时，摩擦力与正压力成正比力成正比，而与运动的，而与运动的相对速度关系不大相对速度关系不大。 Ff（N,） 形成形成流体动压润滑的条件流体动压润滑的条件 基本条件就是油楔必须收敛，即在运动方向上油膜厚度应该变小。基本条件就是油楔必须收敛，即在运动方向上油膜厚度应该变小。 流体动压润滑理论的基本方程流体动压润滑理论的基本方程雷诺方程雷诺方程 流体动压润滑是借助于粘性流体动力学作用，

10、由摩擦流体动压润滑是借助于粘性流体动力学作用，由摩擦表面几何形状表面几何形状以及以及相对运动相对运动产生产生润滑油膜压力来平衡外载润滑油膜压力来平衡外载。雷诺方程作为流体动压润滑理论的基本方程，。雷诺方程作为流体动压润滑理论的基本方程，它是压它是压力分布的微分方程力分布的微分方程,考虑了固体表面的考虑了固体表面的速度速度及及润滑膜的形状润滑膜的形状而建立的，从雷诺方程中，而建立的，从雷诺方程中，可得到流体动压润滑过程实际图象、可得到流体动压润滑过程实际图象、承载能力承载能力及及摩擦阻力摩擦阻力的基本摩擦学关系式。的基本摩擦学关系式。 雷诺方程的雷诺方程的假设条件假设条件: 1)流体是牛顿流体；

11、流体是牛顿流体； 2)流体是层流；流体是层流； 3)流体粘附在摩擦面上；流体粘附在摩擦面上； 4)流体的惯性力可忽略不计；流体的惯性力可忽略不计； 5)流体重量可忽略不计；流体重量可忽略不计； 6)体积力略去不计；体积力略去不计； 7) 沿流体膜厚度方向，流体的压力为常数沿流体膜厚度方向，流体的压力为常数。意义：表达了流体动压润滑情况下，意义：表达了流体动压润滑情况下，油膜压力油膜压力沿沿x,Z两个方向的变化情况，两个方向的变化情况，以及以及流体流体沿沿x,y,z方向发生变化时，方向发生变化时，压力梯度压力梯度、流速流速、油膜厚度、润滑油粘度等参数之间的关系。油膜厚度、润滑油粘度等参数之间的关

12、系。 产生油膜压力的原因产生油膜压力的原因 油楔效应油楔效应：由流体膜形状与表面相对速度：由流体膜形状与表面相对速度(V(V1 1-V-V2 2) )引起的，它的压力大；引起的，它的压力大； 表面伸缩效应表面伸缩效应：要求：要求x x方向速度之和随方向速度之和随x x方向位置而变化，它产生压力极小，可不计；方向位置而变化，它产生压力极小，可不计； 挤压效应挤压效应：由垂直于流体的相对运动引起的，油膜厚度不随时间变化时，所产生的效：由垂直于流体的相对运动引起的，油膜厚度不随时间变化时，所产生的效应可不计。应可不计。流体静压润滑流体静压润滑在机械中有一种液体在机械中有一种液体静压轴承静压轴承是用高

13、压将润滑油送入轴承间隙内，保持一层较厚的润是用高压将润滑油送入轴承间隙内，保持一层较厚的润滑油膜。滑油膜。压力是由外加静压产生压力是由外加静压产生的，故这种润滑称为流体静压润滑。的，故这种润滑称为流体静压润滑。在金属材料成形中的在金属材料成形中的静液挤压静液挤压是属于利用液体静压作用是属于利用液体静压作用 而实现的，而实现的，静压力是由外界加于静压力是由外界加于的，如图。一是使金属的，如图。一是使金属 变形，另一方面在工具与坯料之间形成较厚的油膜起到变形，另一方面在工具与坯料之间形成较厚的油膜起到 润滑作用。润滑作用。 静液挤压优点：静液挤压优点：（1）降低挤压力；（）降低挤压力；（2）变形均

14、匀。）变形均匀。 润滑润滑“小池小池”一般情况下，在工具与变形金属的接触界面上，通常一般情况下，在工具与变形金属的接触界面上，通常 出现混合润滑状态，即一部分为出现混合润滑状态，即一部分为边界润滑区边界润滑区、一部分一部分 为润滑为润滑“小池小池”区区，如图所示。，如图所示。在金属材料成形过程中，应尽量减少在金属材料成形过程中，应尽量减少“润滑小池润滑小池”的产生，否则变形金属的的产生，否则变形金属的表面表面会变会变得更加得更加粗糙粗糙，为了获得，为了获得光滑的表面光滑的表面就要使用就要使用粘度较小粘度较小的或者的或者润滑膜薄润滑膜薄的润滑剂。的润滑剂。6.3 边界润滑机理边界润滑机理 边界润

15、滑主要是物理吸附膜、化学吸附膜及化学反应膜对金属表面的作用引起。边界润滑主要是物理吸附膜、化学吸附膜及化学反应膜对金属表面的作用引起。因此，首先介绍这些膜对金属表面的作用。因此，首先介绍这些膜对金属表面的作用。 物理吸附膜与金属表面的作用物理吸附膜与金属表面的作用 物理吸附膜包括：极性分子物理吸附膜，与非极性分子的物理吸附膜物理吸附膜包括：极性分子物理吸附膜，与非极性分子的物理吸附膜: : 1) 非极性分子物理吸附膜非极性分子物理吸附膜 一般一般矿物油矿物油(机油机油.锭子油锭子油.气缸油等气缸油等)为为非极性非极性的的 烃类有机化合物烃类有机化合物(通式为通式为CnH2n+2),当它们与金属

16、当它们与金属 表面接触时，由于本身没有永久偶极表面接触时，由于本身没有永久偶极,只在分子只在分子 内部由于电子和原子核的不对称运动而出现内部由于电子和原子核的不对称运动而出现 瞬时偶极瞬时偶极，靠瞬时偶极产生的，靠瞬时偶极产生的色散力色散力,使矿物使矿物 油的分子吸附在金属的表面，油的分子吸附在金属的表面，构成非极性分子构成非极性分子 边界润滑膜。边界润滑膜。由于金属对润滑油的吸附力很弱，由于金属对润滑油的吸附力很弱， 油的内聚力也很弱，所以膜的强度很低。图为油的内聚力也很弱，所以膜的强度很低。图为 非极性分子在金属表面的物理吸附的示意图，非极性分子在金属表面的物理吸附的示意图， 16烷烷C1

17、6H34虽然粘度很高，但边界润滑虽然粘度很高，但边界润滑 能力很差。能力很差。 2) 极性分子物理吸附膜极性分子物理吸附膜 脂肪酸、脂肪酸皂、动植物油以及高级醇类等属极性化合物，这类物质的分子脂肪酸、脂肪酸皂、动植物油以及高级醇类等属极性化合物，这类物质的分子一端一端为非极性的烃基为非极性的烃基R，另一端为极性基团另一端为极性基团COOH、OH，其通式如表所其通式如表所示。当极性分子与非极性分子靠近时除有示。当极性分子与非极性分子靠近时除有色散力与诱导力外色散力与诱导力外。同时，诱导偶极又作。同时，诱导偶极又作用于极性分子，使其偶极矩增大，从而进一步加强了它们间的吸引。当具有用于极性分子，使其

18、偶极矩增大，从而进一步加强了它们间的吸引。当具有永久偶永久偶极的分子与金属表面接触时极的分子与金属表面接触时，永久偶极带，永久偶极带负电的一端吸引金属原子的原子核而排除负电的一端吸引金属原子的原子核而排除其电子其电子，使金属原子的正负电荷中心不重合，从而产生诱导偶极，永久偶极和诱导，使金属原子的正负电荷中心不重合，从而产生诱导偶极，永久偶极和诱导偶极互相吸引，于是极性分子的极性端与金属表面吸附，非极性端朝外，定向地排偶极互相吸引，于是极性分子的极性端与金属表面吸附，非极性端朝外，定向地排列在金属表面，形成极性分子物理吸附膜。列在金属表面，形成极性分子物理吸附膜。极性分子在金属表面吸附层的结构极

19、性分子在金属表面吸附层的结构 0-0-代表分子的极性端；代表分子的极性端；a a金属表面；金属表面；c c、e e极性表面；极性表面；b b、d d、f f滑动面。滑动面。极性分子在金属表面的物理吸附极性分子在金属表面的物理吸附 以以16醇醇C16H33OH为例说为例说明极性分子在金属表面的物理明极性分子在金属表面的物理吸附膜，如图所示。吸附膜，如图所示。由于极性由于极性基团存在，分子间内聚力的增基团存在，分子间内聚力的增强强，以及实际变形金属的，以及实际变形金属的高表高表面活性面活性，使这种物理吸附膜与，使这种物理吸附膜与金属表面的吸附强度较低，高金属表面的吸附强度较低，高温下将发生破裂，因

20、此物理吸温下将发生破裂，因此物理吸附形成的边界润滑膜，只适用附形成的边界润滑膜，只适用于于常温、低速、轻载条件下常温、低速、轻载条件下工工艺润滑。艺润滑。 化学吸附膜与金属表面的作用化学吸附膜与金属表面的作用 极性分子与金属表面除能发生物极性分子与金属表面除能发生物理吸附外，在一定的条件下还可通过理吸附外，在一定的条件下还可通过化学作用，发生化学吸附。当金属表化学作用，发生化学吸附。当金属表面有一层氧化薄膜、并与脂肪酸等起面有一层氧化薄膜、并与脂肪酸等起化学反应，生成脂肪酸盐而比较牢固化学反应，生成脂肪酸盐而比较牢固的吸引在金属的表面时，可以起到边的吸引在金属的表面时，可以起到边界润滑作用。反

21、应式：界润滑作用。反应式： 2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O 脂肪酸盐的熔点较原脂肪酸高脂肪酸盐的熔点较原脂肪酸高 ,耐热性耐热性好好,不易破裂。不易破裂。 图表示硬脂酸图表示硬脂酸C17H35COOH在钢坯表面化学吸附形成的单分子层在钢坯表面化学吸附形成的单分子层硬脂酸铁皂膜。硬脂酸铁皂膜。 在在润滑油中加入润滑油中加入某些某些极压添加极压添加剂剂，如氯化石蜡、硫化棉籽油或油，如氯化石蜡、硫化棉籽油或油酸、磷酸脂等。添加含酸、磷酸脂等。添加含S、P、Cl元素的添加剂在一定的温度下易产元素的添加剂在一定的温度下易产生化学反应形成化学反应膜。生化学反应形成化学反应膜。例如，硫与铁

22、反应生成硫化铁无机例如，硫与铁反应生成硫化铁无机盐膜，如图所示，其形成温度为盐膜，如图所示，其形成温度为175200。此时，从添加剂中。此时，从添加剂中析出活性硫原子，通过铁失去电子，析出活性硫原子，通过铁失去电子，硫得到电子的反应而形成硫化铁，硫得到电子的反应而形成硫化铁，即：即： S2eS2- FeS Fe-2eFe2+ 化学反应膜与金属表面的作用化学反应膜与金属表面的作用 三种膜比较三种膜比较 （1）物理吸附膜吸附强度低，具有可逆性，适于常温、低速、轻载条件下的）物理吸附膜吸附强度低，具有可逆性，适于常温、低速、轻载条件下的 边界润滑；边界润滑； （2）而化学吸附膜稳定，吸附牢固，适于高

23、温、高速、高压条件下的边界润）而化学吸附膜稳定，吸附牢固，适于高温、高速、高压条件下的边界润 滑，但是只适用于能起化学反应的金属表面的润滑。滑，但是只适用于能起化学反应的金属表面的润滑。 （3）上述）上述3种边界膜都只能在一定温度范围内使用，即具有一个临界温度。种边界膜都只能在一定温度范围内使用，即具有一个临界温度。 边界润滑机理边界润滑机理 当金属表面上形成几个分子厚的边界当金属表面上形成几个分子厚的边界吸附膜时，由于极性分子的极性基团与金吸附膜时，由于极性分子的极性基团与金属表面的牢固吸附，接触表面产生相对滑属表面的牢固吸附，接触表面产生相对滑动，将在边界膜内进行：动，将在边界膜内进行：a

24、极性分子的极性端与金属表面极性分子的极性端与金属表面结合牢固；结合牢固；c、e极性分子的极性端结合牢固极性分子的极性端结合牢固；b、d、f非极性端结合弱，易形成滑移面非极性端结合弱，易形成滑移面。abcdef 液体润滑时，润滑油厚度较大，金属表面液体润滑时，润滑油厚度较大，金属表面形貌与性质对摩擦影响很小；而边界润滑时，形貌与性质对摩擦影响很小；而边界润滑时，边界膜很薄，金属表面形貌和性质对摩擦起很边界膜很薄，金属表面形貌和性质对摩擦起很大作用。大作用。 若边界润滑时，由于膜薄，发生部分金若边界润滑时，由于膜薄，发生部分金属的黏着，则此时的摩擦阻力由黏着力和边界属的黏着，则此时的摩擦阻力由黏着

25、力和边界膜分子间剪切阻力之和：膜分子间剪切阻力之和： FaAjsAj（1a）b Aj承担全部载荷面积；承担全部载荷面积；s 黏着部分金属剪切强度；黏着部分金属剪切强度； b 边界膜剪切强度；边界膜剪切强度； a发生金属直接接触（黏着部分）面积占总面积的百分数。发生金属直接接触（黏着部分）面积占总面积的百分数。为改善边界润滑效果为改善边界润滑效果：（：（1）提高接触表面的光洁度；（）提高接触表面的光洁度；（2）选用合理的润滑剂，和添）选用合理的润滑剂，和添加添加剂。加添加剂。6.4 油膜厚度的测定与计算油膜厚度的测定与计算 油膜厚度测定法油膜厚度测定法（1）称重法（适于挤压、拉拔）称重法（适于挤

26、压、拉拔）：将制备的产品取样，称出表面带有润滑膜的样品重量：将制备的产品取样，称出表面带有润滑膜的样品重量G，再用溶剂溶解掉样品表面的润滑油，称出无润滑油的样品重量，再用溶剂溶解掉样品表面的润滑油，称出无润滑油的样品重量G，则制品表面润，则制品表面润滑油厚度为：滑油厚度为： h（GG）/ /A， 为润滑油密度，为润滑油密度， A为样品表面积为样品表面积 则整个油膜厚度为则整个油膜厚度为2h。（2）油滴法（适于轧制、平面压缩）油滴法（适于轧制、平面压缩） ：在两个干净的接触表面上滴上一滴体积已知为：在两个干净的接触表面上滴上一滴体积已知为V的油滴，然后压缩，得到一个面积为的油滴，然后压缩，得到一

27、个面积为A的油斑，则油膜厚度为：的油斑，则油膜厚度为： hV/ /A 油膜厚度计算法油膜厚度计算法 以轧制为例，轧制时流体动压润滑的解以轧制为例，轧制时流体动压润滑的解析方法。如图所示析方法。如图所示, 可将轧辊与板材存在相可将轧辊与板材存在相互作用的范围划分成互作用的范围划分成入口区入口区、变形区和出变形区和出口区口区几部分几部分,分别用不同的手段处理。分别用不同的手段处理。 轧辊和轧件间楔形动压油膜的形成轧辊和轧件间楔形动压油膜的形成 （1）轧辊表面平滑、润滑油粘度较大轧辊表面平滑、润滑油粘度较大时：时：润滑剂分子与轧辊表面附着力较强，可认为润滑剂分子与轧辊表面附着力较强，可认为固体和液体接触层不产生相对滑动，则润滑固体和液体接触层不产生相对滑动，则润滑油被带入辊缝，