润滑油油膜到底有多重要？

说到润滑，你会想到什么？它应该是先产生一层有厚度的膜，从而去分离两个金属表面的基础油，因为润滑油的作用就是为了避免金属间的表面接触。所以在这种需求下，油品就必须能提供摩擦表面分离的能力，这就需要三个支撑因素——相对速度、基础油粘度和负荷量。这三个因素也会受到温度、污染以及其它因素的影响。当油膜厚度平衡了这些因素，即借助于相对速度产生粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷，就称为流体动力润滑。

在具有滚动接触（可忽略的相对滑动运动）的应用中，即使具有较大的局部压力点，也可能会影响金属表面间的油膜厚度。其实这些压力点也起着重要作用。基础油的压力和粘度关系允许油品粘度因较高的压力而暂时性增加，这称为弹性流体动力润滑，尽管油膜会很薄，但依然能产生一个完整的油膜分离。

在实践当中，机器表面最理想的状态就是能实现完全分离，薄膜厚度就是为减少摩擦和磨损提供最好的保护。但是如果不具有满足这些油膜厚度的条件，例如当相对流速不足、粘度不足或负载过大时，会发生什么情况呢？其实大多数机器的设计和操作参数都允许速度不足的情况存在，比如在启动、停止或方向运动变化时。当温度过高也会导致粘度降低，过度污染同样会使得油膜间隙中的磨粒接触。

当流体动力学或弹性流体动力学润滑的先决条件未满足时，基础油将要在所谓的边界接触条件下寻求支撑，这种支撑因素就需要寻找具有摩擦磨损控制性能的添加剂。因此，基础油和添加剂就被调和在一起生产出符合特定需求的润滑油脂产品，从而减轻预期会产生的边界润滑，该润滑剂就具有油膜强度和边界润滑性能。

油膜的强度是除了油膜厚度以外，用以减轻摩擦和控制磨损的重要因素。如上所述，在流体动力学和弹性流体动力润滑中，粘度是影响油膜厚度的关键。当基础油粘度不足以克服金属间表面摩擦时，就需要基础油和添加剂产生化学协同效应，形成表面保护机理。在这些边界条件下，边界润滑也会受到机械表面化学和物理性质以及其它任何环境因素的影响，所以即使在负载较重、温度较高或相对表面速度较低时，油膜强度也会有所提高。

如果你在显微镜状态下的分子水平观察机械接触表面，你将发现即使它们被加工得非常光滑，但实际依然是相对粗糙的。这就如同宇航员从遥远的空间角度看，地球是一个完美光滑的球体，而站在地球表面的人则看到地球是充满了高高低低的山脉和山谷一样。

这是因为，当两个金属表面接触时，实际接触面积将显著低于表观接触面积。从显微镜下的“微观山”看，这些接触表面都是凹凸的最高点，低的粗糙面接触率较低。这些粗糙表面会因金属的相应剪切强度而出现弹性变形。因此初始接触点首先产生弹性变形，之后更多的接触点将连接起来，实际接触面积会随着负荷强度的增加而增加。

摩擦就是相互作用的表面滑动运动受到几个影响参数而产生阻力的过程。大多数人认为表面粗糙度是产生摩擦的主要因素，然而，当考虑到实际接触面积可能小于表观接触面积的1%时，实际的粗糙度就变得不太重要了。造成摩擦的原因应该是在粗糙接触的分子水平上发生粘结的结果。

在金属表面润滑膜厚度不足的情况下，粗糙接触点可能会导致冷焊，这是胶着磨损的先决因素。这些粗糙点上的粘附经历了加固硬化过程，因此，剪切点一般发生在金属未被强化的粗糙接触点以下层面。作为金属剪切，粗糙的尖端要么被转移到另一个表面，要么被分解成一个磨粒。

粘附通常被认为是机械磨损的初始形式。由于除了磨粒本身的磨损外还存在外部来源的磨损，导致磨粒磨损变得更具破坏性，这种形式的磨损称为三体磨损。而两体磨损则是由于切割或刨削产生锋利的表面接触点而引起。

在滚动接触时会产生表面疲劳，疲劳机理来源于工作表面或表层内部形成裂纹并扩展而成，表面轧制条件下的高应力会导致疲劳磨损。

摩擦磨损控制添加剂在基础油中加入少量调配，具有促进金属表面吸附的极性。由于相互作用的条件，这些吸附力与表面发生化学反应，与产生足够的油膜厚度条件成反比：较高的压力和较高的温度。

当机器表面与较高的压力和温度相互作用时，添加剂则通过在机器表面产生更具延展性的初始分子层来减轻金属对金属接触（磨损）的影响，这些摩擦控制层直接降低接触过程中的剪切强度，成为“牺牲品”。初始层可以通过使润滑剂的较弱分子键与金属和金属间粗糙边界条件作用产生强键的力释放，从而减轻摩擦。低剪切强度薄膜的形成也受基本原料的类型和机械表面冶金的影响。

有三种类型的润滑油添加剂有助于减少摩擦和控制磨损，它们分别是摩擦改进剂、抗磨添加剂和极压添加剂。

① 摩擦改进剂

极性化合物如添加到基础油中的脂肪酸，通过形成皂膜，在低滑动速度下减少摩擦。它们通常用于对燃油经济性有要求的部件，以减少低速时的摩擦和粘滑，如在发动机或变速器中使用。它们有抗磨添加剂的作用，但在轻负荷时比抗磨剂更有效，并且不要求高温条件。然而，当金属表面对脂肪酸反应更强生成金属皂时，分解温度会更高。

② 抗磨添加剂

这些极性化合物通常是以硫或磷为主，如二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）类型的添加剂，它们被研制成只在边界条件下与金属表面发生化学反应。抗磨添加剂在更高的温度下却更有效，高温下它们会变得更活跃并产生阻隔膜。ZDDP添加剂已被广泛用于磨损保护，也可作为油中的抗氧化剂。

③ 极压添加剂（抗磨添加剂）

当表面温度过高时，摩擦改进剂甚至抗磨添加剂的作用都开始减弱。极压添加剂也是以硫和磷为主，是高温条件下最好的选择。这些添加剂能形成低剪切强度的皂状薄膜与金属表面发生反应，并能承受相当高的温度。虽然这个反应有利于油膜的生成，但也有可能导致更多反应性金属的化学腐蚀，所以需谨慎操作。

当润滑不良或润滑不良的机器表面滑动接触时，实际接触压力点上的物理分子相互作用是需要注意的。在机器表面的这种分子作用下，边界条件会受到许多物理和化学原理的约束。当添加剂化合物被选择用于油膜强度保护时，必须注意机器表面氧化、腐蚀、化学吸收和其它化学反应作用的平衡。

金属表面上的这些摩擦和磨损控制添加剂膜降低了接触点处的剪切强度。低剪切强度膜在物理相互作用中被“牺牲”，用以保护表面不受粘着、磨粒和疲劳磨损的影响。这些亚微米薄膜随着它们更接近金属表面而具有从液体到固体的特性。虽然基础油是流体动力学和弹性流体动力润滑用来保护机器表面的首选材料，但边界条件依然存在。因此，为了不受边界条件的限制，应使用合适的并具有摩擦和磨损控制性能的添加剂配方来调和润滑剂，才能在合理的限度范围内保证与机械相互作用成比例的油膜强度。