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润滑脂

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润滑脂乃是在基础油加入增稠剂与润滑添加剂制成的半固态机械零件润滑剂。润滑脂俗称黄油、牛油，因为润滑脂是半固态的油腻物质且多半呈深浅不一的黄至乳白色，与一般人习见的奶油、牛油很像，因而得名。

润滑脂的“脂”字和动物性油脂、化学的脂肪酸脂肪族没有关系。动物性脂肪主要是三酸甘油脂、甘油与脂肪酸所组成，只是熔点较高的有机化合物，加热即可融化、冷却即可固化。 但润滑脂是以增稠剂（thickener）吸附液态基础油而成，加热到滴点（英语：Dropping point）（Dropping point）以上会融化，冷却后无法恢复半固态，因为滴点是增稠剂的永久失效温度。

润滑机制[1]

一般中高度负荷、持续运转的机械设备零件，摩擦点的润滑功能主要由润滑脂内所携带的基础油与润滑添加剂所提供的，增稠剂有辅助性的润滑效果，但增稠剂在摩擦点的高应力持续作用下会被碾碎，而在摩擦点周边的润滑脂持续释放基础油与润滑添加剂、渗透到摩擦点继续提供润滑作用。

润滑脂本身是半固态的，愈软的润滑脂流动性愈佳，因此摩擦点周边的润滑脂可以逐渐回流到摩擦点，摩擦点的热量也有助于提升周边润滑脂的流动性以促进其回流。若是高速/高摩擦频率的元件，需要较低的回流速率，也就是较硬的润滑脂，以避免摩擦面需频繁将润滑脂体排开而增加阻力。

使用半固态的润滑脂，而非完全液态的润滑油，主要的时机有：

  1. 机构设计使摩擦点开放，或无法完全密封
  2. 机械并非固定设施，例如电钻，除非将润滑油注满整个空间，否则改变位置即可能导致油体无法接触摩擦点
  3. 摩擦速度或频率非常高，使用液态油会有大量搅动阻力与气泡生成

基本参数

除了润滑性能相关的参数外，评估润滑脂时主要必须参考的因素：

  • 基础油成分：使用哪一种基础油决定了很多适用条件
  • 基础油黏度：基础油的黏度决定了适用的摩擦速度
  • 增稠剂种类：与基础油成分一同决定了润滑脂的很多适用条件
  • 稠度(Consistency)：稠度代表润滑脂的固态程度[2][3]
    • 原始的稠度数据是以金属锥体置于一罐润滑脂的表面，在25°C量测在5秒内沈入的深度，称为针入度或锥入度，数据为0.1 毫米 (例如：沈入25 毫米，则纪录250)，公认的测试标准有DIN ISO 2137, ASTM D 217
      • 针入度有一定程度的重现误差，因此一般是纪录一个区间，例如265~295
    • 润滑脂的产品规格上，一般呈现的是捏和针入度(worked penetration)，因为几乎所有润滑脂在受到一段时间的机械应力后，其针入度都会有所上升(软化)，因此在出厂前取样测试针入度，须先以筛板活塞挤压罐内润滑脂60次以模拟润滑脂受到的机械应力再行测量
      • 某些润滑脂产品系针对高稠度稳定性要求而开发的，须量测10万次捏和后的针入度，与60次捏和针入度相比，变化较少代表其稠度较不易因机械应力而下降，稠度稳定性在润滑业称之为机械稳定性(mechanical stability)[4]
    • 由于针入度表现方式较为不便使用，国家润滑脂协会（英语：National Lubricating Grease Institute）（NLGI）制定了稠度号数系统（英语：NLGI Grade）（NLGI Grade），将稠度最高(针入度85-115)定为6号，稠度最低(针入度445-475)定为000号。号数愈高表示润滑脂愈“硬”、“稠”。

润滑脂的主要规格应该包括上述参数以及主要用途，例如：

“基础油为40°C黏度40cSt的PAO+有机酯、NLGI 2号、复合铝基皂增稠的轴承专用润滑脂”。[5]

黏 vs. 稠
基础油黏度高叫作黏(stiff, tough)、黏度低叫作薄(thin)；润滑脂稠度高叫作稠(thick)、稠度低叫作稀(thin)

增稠剂

液态的基础油加入增稠剂之后即形成半固态的润滑脂，增稠剂就其制造方式与结构而言有两大类：皂基与非皂基。磺酸钙是新兴的第三类增稠剂，但目前仍少有商业化成品。固体润滑剂也可以用来增稠。

食品级润滑脂的增稠剂只能采用非皂基、铝基/复合铝基皂，或者特殊固体润滑剂。

皂基增稠剂

皂基增稠剂是皂化反应的产物，和民生用肥皂的原理是一样的。但润滑脂增稠剂的皂基反应，很少使用氢氧化钾、氢氧化镁，早期氢氧化钠制成的钠基皂增稠剂也很普遍，但由于其易水解、易软化的原因，现在高性能润滑脂已很少采用钠基皂了。最为普遍的是锂基皂、钙基皂以及铝基皂，极少一部分厂商有能力制作钡基皂增稠剂。

皂基增稠剂为纤维状物质，长度一般在1~100 微米，直径为长度的1/10~1/100，纤维愈细的皂分子吸油效果愈佳，因此纤维较粗的皂基增稠剂就需要较高含量才能达到同样的稠度。[6]

皂基增稠剂又分为简单皂基(simple soap)与复合皂基(complex soap)。前者为金属碱(Alkali)与单一有机酸的反应产物，最常见者为简单锂基皂(Simple Li Soap)，其中氢氧化锂与12-羟基硬脂酸形成的简单锂基皂虽然成本较高，但效能明显优于一般锂基皂，甚至接近复合皂。[7] 复合皂增稠剂是金属碱与多种有机酸同时反应的产物[8][9][10][6]。复合皂基一般有较高的耐温、防水、对金属黏附、耐应力的性能。其中较为突出的是[11]：

  1. 复合锂基皂：成本与综合性能的最佳折中选择，因此是所有复合皂增稠剂中使用最广泛的[12]
  2. 复合钙基皂：比复合锂基皂有良好的抗压性、防水性与防蚀性
  3. 复合钡基皂：最强的抗压、抗应力、防水防蚀性能，但流动性不佳
  4. 复合铝基皂：对金属有最佳的黏附性，优良的流动性，适合大面积刮动摩擦的润滑

非皂基增稠剂

非皂基增稠剂一般常见的有三种：聚氨酯(Polyurea, PU, 俗称聚脲)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅酸盐(silicate)。除了聚氨酯外，其它非皂基增稠剂都只适合低速摩擦使用。

非皂基增稠剂普遍有250°C以上的滴点甚至根本没有滴点。例如硅酸盐增稠剂(又称为黏土或膨润土增稠剂)，常被用来制备无滴点润滑脂，但无滴点并不能表示润滑脂适用非常高的温度(一般硅酸盐增稠剂在接近300°C的温度开始分解)，主要视润滑脂的基础油是否能在该温度下保持稳定。虽然硅酸盐增稠剂可耐高温，但其机械稳定性低、防水性不佳，且某些极压添加剂难以溶入硅酸盐增稠的润滑脂中，因而局限了其应用。[13]硅酸盐增稠的润滑脂常用于低速大滑动面积的摩擦机件，例如气体阀门。

聚氨酯增稠剂常用于高温(100~200°C)、高速或静音轴承润滑脂中，有良好的流动性、抗氧化性、耐温性、机械稳定性。[14]

聚四氟乙烯增稠剂尺寸从0.1~数十 微米不等，由于聚四氟乙烯的吸油效率较差，需要较高含量的增稠剂，因而成本高昂，大多用来增稠全氟聚醚油，制备俗称的氟化脂。氟化脂一般呈近乎纯白色，比重~1.9g/cm3，是一般润滑脂的两倍重。

磺酸钙增稠剂

另有一种特殊增稠剂，乃是皂化反应与多种盐化反应结合而成的复杂工艺产品，即磺酸钙(Calcium Sulfonate)。磺酸盐普遍使用于内燃机机油中作为清净剂以去除油泥、酸性物质。但磺酸钙被发现也可以有增稠剂般的吸油作用，而且本身即有抗压抗磨等润滑添加剂的特性，因而使用磺酸钙增稠的润滑脂可以省去很多润滑添加剂成本，这使得磺酸钙润滑脂近年来受到很大的关注。[15] [16]

磺酸钙增稠剂制成的润滑脂有非常突出的防水性能，因而特别是户外机具、船上设备，更是适合使用。但目前以磺酸钙增稠的润滑脂产品种类仍属极少数。

固体润滑剂增稠

大部分固体润滑剂都有增稠效果，例如聚四氟乙烯(PTFE)便是很常见的增稠剂兼固体润滑剂。其它六方晶型、有机金属化物型的固体润滑剂也可以增稠，但固体润滑剂通常吸油效率较差，因此单纯使用固体润滑剂增稠需要较高重量比例导致较低流动性，且固体润滑剂本身仅适合润滑低速摩擦，因此固体润滑剂增稠的润滑油、脂通常归类为“润滑膏”(Lubricating Paste)，专门用来润滑紧固件、极低速高负荷摩擦件，以及紧配合的押入装配件等等。

释油率

释油率(Oil Release, Oil Bleeding, Oil Seperatoin)又称离油度，指润滑脂体释出液态基础油的速率。一般使用DIN 51817(40°C, 7日)与ASTM D 6184/FTMS 791C321.3(100°C或任何更高的温度, 22~30hrs)，以及JIS K 2220 5.7(100°C, 24hrs)的测试标准。名目释油率可用来评估润滑脂适用于高速(需要低释油率)或低速/重负荷(需要高释油率)元件。

润滑脂即使静置不动，也会自然释油。但受到应力作用时释油率会大幅升高。例如，从脂体中舀出润滑脂所留下的坑洞很快就会累积释出之基础油，因为挖掘时对坑洞周边的润滑脂施加了应力。0.25psi的应力一般即可迫使润滑脂开始释油。[17]

虽然没有公定标准，一般而言<3%属于低释油率润滑脂，>8%则是高释油率润滑脂。

脂的黏度

脂是半固体，反之也是半流体。因此也有黏度。然而润滑脂产品说明书上黏度一般只会是“润滑脂所含的基础油的动力黏度”，很少润滑脂产品会标明其润滑脂整体的黏度。使用者触摸润滑脂时感觉的黏稠性，乃是脂体本身整体黏度，而非内含基础油的动力黏度，然而后者才是多数润滑机件所需的润滑性能重要参数。除了润滑脂制造商自行公布的资料外，若需要知道一润滑脂内所含基础油的动力黏度，必须以溶剂将基础油萃取出来之后以黏度计分析。

润滑脂的整体黏度代表其流动性，润滑脂所含基础油的黏度与润滑脂的整体黏度无关。一般润滑脂的整体黏度以绝对黏度(Absolute Viscosity), 又称动态黏度（英语：Viscosity#Dynamic viscosity）(Dynamic viscosity)表示之，常用单位为cP(=mPa·s)，而基础油则以动力黏度（英语：Viscosity#Kinematic viscosity）(Kinematic Viscosity)表示，常用单位为cSt(=mm2/s)。基础油一般为牛顿型流体，动力黏度与动态黏度可互相换算，由于动力黏度测量较易且较精确，故一般润滑油黏度均以动力黏度标示[18]，润滑脂是非牛顿流体，因此只能以动态黏度表示且无法换算其动力黏度。

润滑脂是一种剪切稀化的非牛顿流体[19]，在固定温度下其黏度(流动阻力)随摩擦的剪切速度而定，因此标示润滑脂的总体黏度必须同时标示该黏度的测试温度与摩擦速率，并以多组数值或三维曲面描述其随温度、摩擦速率的变化程度。 然而这个资讯对润滑脂的使用者而言几乎毫无意义，使用者只需要了解候选润滑脂的大致流动性即可，只有在很特别的机会才需要对润滑脂的流动性有更精确的掌握与调整。 稠度大致上已经可以满足使用者对流动性的掌握需求。[20]

适用温度

最低适用温度

润滑脂的最低适用温度，取决于所含的基础油的倾点（英语：pour point）以及增稠剂本身在低温的流动性、释油能力，一般以DIN 51805的流动性测试来决定受测润滑脂在多低的温度仍有可接受的流动性，作为该润滑脂的最低适用温度。也可以透过扭力测试（例如IP 186/93)，当润滑脂在某一温度时的起动/持续扭阻力达到于规范最高值时，以该温度作为润滑脂的最低适用温度。

最高适用温度

很多机械设备零件工程人员认为滴点是润滑脂的失效温度，然而事实上润滑脂的基础油有可能在远低于滴点时就已劣化或挥发殆尽，最高适用温度取决于更多因素，滴点只是其中一项而已。[21]

润滑脂的最高适用温度没有业界标准定义，完全要视该润滑脂的设计用途与预计使用时间而定。例如某一润滑脂的设计用途是供“有连续润滑系统的150°C的轴承”使用，则该润滑脂只要能在150°C 维持数分钟到数小时即可标示其最高适用温度至少150°C。但如果使用者误将此润滑脂用于150°C的免润滑(或保养周期长达1周~1季)轴承，就一定会导致轴承失效。

注脚

  1. ^ Engineering tribology, P.69~70, 3rd Edition, Gwidon W. Stachowiak,Andrew W. Batchelor, 2006, ISBN 978-0-7506-7836-0
  2. ^ Significance of Tests for Petroleum Products, P.166~167, Salvatore J. Rand, 2003
  3. ^ Lubrication Fundamentals, P.76~77, D. M. Pirro, A. A. Wessol, 2001
  4. ^ Lubrication Fundamentals, P.80, D. M. Pirro, A. A. Wessol, 2001
  5. ^ Jarrod Potteiger, Noria Corporation, "Step-by-Step Grease Selection". Machinery Lubrication Magazine. September 2005
  6. ^ 6.0 6.1 Significance of Tests for Petroleum Products, P.165, Salvatore J. Rand, 2003
  7. ^ Lubrication Fundamentals, P.71, D. M. Pirro, A. A. Wessol, 2001
  8. ^ Lubricating Grease Manufacturing Technology, P.6~7, Yu.L. Ishchuk, ISBN 978-81-224-1668-8
  9. ^ Lubricants and special fluids, P.207~208, Václav Štěpina,Václav Veselý,Václav Veselý, ISBN 978-0-444-98674-0
  10. ^ Lubrication Fundamentals, P.73, D.M. Pirro, A.A. Wessol, ISBN 0-8247-0574-2
  11. ^ Lubrication Fundamentals, P.72~73, D. M. Pirro, A. A. Wessol, 2001
  12. ^ Lubricants and Lubrication, P.658, Theo Mang,Wilfried Dresel, 2nd Edition, 2007
  13. ^ Significance of Tests for Petroleum Products, P.166, Salvatore J. Rand, 2003
  14. ^ Fuels and lubricants handbook: technology, properties, performance, and testing, Vol. 1, P.559, George E. Totten, Steven R. Westbrook, Rajesh J. Shah, ISBN 0-8031-6096-6, 2003
  15. ^ Understanding Calcium Sulfonate Thickeners, Machinery Lubrication, Issue 2006/07, M. Sivik & B. Ward
  16. ^ Lubricants and Lubrication, P.659, Theo Mang,Wilfried Dresel, 2nd Edition, 2007
  17. ^ Space Vehicle Mechanisms: Elements of Successful Design, David Stone & Paul Bessette, P.204, ISBN 0-471-12141
  18. ^ Chemistry and Technology of Lubricants, P.9~10, 3rd Edition, Roy M. Mortier,Malcolm F. Fox,Stefan T. Orszulik, 2010, ISBN 978-1-4020-8661-8
  19. ^ Lubricants and Lubrication, P.674, Theo Mang,Wilfried Dresel, 2nd Edition, 2007
  20. ^ Lubrication Fundamentals, P.77, D. M. Pirro, A. A. Wessol, 2001
  21. ^ Practical Lubrication for Industrial Facilities, P.208, Heinz P. Bloch, 2009

参考文献

  • Lubrication Fundamentals, D. M. Pirro, A. A. Wessol, 2nd Edition, ISBN 0-8247-0574-2
  • Chemistry and Technology of Lubricants, Chapter 14, G. Gow, 3rd Edition, ISBN 978-1-4020-8661-8
  • Lubricating Grease Manufacturing Technology, Yu.L. Ishchuk, 2006
  • Lubricants and Lubrication, Theo Mang,Wilfried Dresel, 2nd Edition, 2007
  • Significance of Tests for Petroleum Products, Salvatore J. Rand, 2003, ISBN 0-8031-2097-4
  • Synthetic Lubricants and High-Performance Functional Fluids, Paul A. Bessette and David S. Stone, Chapter 23, ISBN 0-8247-0194-1
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