润滑脂(英文名lubricating grease),别名黄油,是一种 混合物 ,主要由 基础油 、 稠化剂 、 添加剂 (包括填料)三部分组成,密度范围0.9~1.5,是一种半固体润滑剂,属于 胶体分散剂 。润滑脂的特点是粘度大且受温度影响不大,对载荷性质、运动速度的变化等适应范围较大。其工作原理是稠化剂将油保持在需要润滑的位置上,有负载时,稠化剂将油释放出来,从而起到润滑作用。当剪切作用停止后,它又能恢复一定的稠度,润滑脂的这种特殊的流动性,决定它可以在不适于用润滑油的部位进行润滑。其 物理化学 指标有外观、滴点、 胶体安定性 、 抗水性 、 机械安定性 等。润滑脂的分类方式有多种,按稠化剂可分为皂基脂和非皂基脂,其中锂基脂占中国总产量81.08%。作为一种重要的润滑材料,不仅可用于机械润滑,降低磨损,同时还兼有 密封防护 、防止金属腐蚀等作用,在工业、农业、 交通运输 和国防等领域应用广泛。
发展历史
1835年,英国人使用碱和油脂制成了一种 轴承润滑脂 ,同年,有英国人用 橄榄油 和 鱼油 以及 石灰 乳制成了一种轴承润滑脂,这是一种科学但作坊式的制脂方法。1859年,美国 宾夕法尼亚州 打出了第一口 油井 ,从石油中可 分馏 得到石油润滑油可以作为润滑脂的基础油,建立了“ 皂基 + 矿物油 ”型的润滑脂,从此以天然动植物油脂作 润滑剂 的场景逐渐减少。
二十世纪30年代, 苏联 润滑脂发展出了冶金用润滑脂、 铁路车辆 用润滑脂、 滚珠轴承脂 等润滑脂品种。
40年代,苏联润滑脂的牌号达到60多个; 德国 发展了 合成脂肪酸 钠基脂和 硅胶脂 ; 美国 则完成了复合 钙基脂 的研究和生产,并开始了 锂基脂 的研究和生产工作,并在40年代后期将理材料引进西欧生产用于 航空工业 的高质量 锂基润滑脂 。
50年代美国润滑油产量增加了一倍且品种也丰富许多,用于钢铁工业的 复合铝基脂 、 极压锂基脂 等得到了极大发展; 苏联 则开发了新型 高低温润滑脂 ,生产复合钙基脂、 碳脂等新型润滑脂;中国在 苏联 润滑脂规格的基础上,生产以 钙皂 、 钠皂 为主要 稠化剂 的润滑脂,同时还有复合 钙基润滑脂 。
60年代, 美国 以及西欧的 复合锂基润滑脂 、 复合铝基润滑脂 等新品种得到快速发展,1969年 锂基脂 产量首次突破润滑脂总产量的50%,这是润滑脂工业上新的里程碑;苏联发展了 钻井丝扣脂 ,生产了 抗化学脂 、 抗辐射脂 等。
70年代,美国在研发 聚 脂等 非 皂基 润滑脂 上取得了成果并将其在工业中实际应用;西欧开发出了抗燃润滑脂、 航空润滑脂 和高速 机车 润滑脂; 苏联 则制造出多效 锂基脂 ,并进一步开发了适用用尖端技术设备 合成油 润滑脂。
80年代初, 美国 的润滑脂技术在世界依旧处于领先地位;苏联开发出许多新的润滑脂品种,使用稠化石油润滑油和 合成润滑油 生产 高低温润滑脂 和一些专用润滑脂等。
美国润滑脂协会的资料显示,2016年全球润滑脂产量达 (1 b≈453.6 g),按 稠化剂 类型划分, 锂基脂 产量为润滑脂总产量的75%。不同国家和地区2016年润滑脂总产量分别为:中国 , 北美洲 , 欧洲 。
组成成分
润滑脂主要由基础油、稠化剂、添加剂(包括填料)三部分组成。一般润滑脂中稠化剂含量约为10%-20%,基础油含量约为75%-90%,添加剂及填料的含量在5%以下。此外还有脂肪、脂肪酸、碱以及 甘油脂肪醇 这些不皂化物。
基础油
基础油一般在润滑脂中的占比为75-90%,是润滑脂中分散介质。衡量油品是否适合作为基础油,主要看油品的黏度、凝点、苯胺点和酸值等,基础油一般为中等黏度和高等黏度的石油润滑油,不过为了适应苛刻条件下工作的机械润滑及密封的需求,一些润滑脂也用合成润滑油作为基础油,如合成硅油、酯类油、聚α-烯烃油等。
稠化剂
稠化剂是润滑脂的骨架,分散在基础油中,能够在润滑脂中形成海绵或蜂窝状的结构并将基础油吸附固定在其中,使基础油失去流动性形成膏状物。稠化剂能够决定润滑脂的抗水性、影响其粘稠度、耐热性能。
润滑脂中的稠化剂主要有两大类 皂基 稠化剂( 脂肪酸 金属盐)和非皂基稠化剂。应用广泛的是皂基稠化剂,皂基稠化剂可分为三种:单皂基(钙基脂、钠基脂、锂基脂、铝基脂、钡基脂、铅基脂及其它基脂等)、混合皂基(钙钠基脂、钙铝基脂、铅钡基脂、铝 钡[bèi] 基脂等)、复合皂基(复合钙基脂、复合锂基脂、复合铝基脂等);非皂基 稠化剂 有烃类、无机类、有机类三种。
添加剂和填料
润滑脂中有另一类添加剂和润滑油中的一样,可改善润滑脂的某些性能,常用的这类添加剂有抗氧化剂、抗磨剂、防锈和防腐蚀剂等,且用量一般较润滑油中为多;此外还有抗水剂、极压添加剂、拉丝性增强剂等其他添加剂。
填料主要用来提高润滑脂的润滑能力,同时可使润滑脂增稠,使之不易流失,还可以增强密封性和防护性并提高热安定性。其中大部分填料本身可作固体润滑剂用。填料大多都是无机固体化合物,常用的填料有石墨、 二硫化钼 、碳黑、 氮化硼 、 氧化锌 、 二氧化钛 、硫酸钡及 硅酸盐 等。
理化指标
润滑脂的理化指标可分为 物理性质 (滴点、针入度、外观、胶体安定性、灰分、水分等)、化学性质(抗水性、防锈性、游离酸碱、化学安定性等)、使用性能(轴承寿命、漏失量、机械安定性、低温启动性等)三种。
物理指标
外观
润滑脂的外观是只用直观检查的办法所看到的润滑脂特性,其检验包括整体外观、质地、荧光、颜色(如黑色、白色、半透明、米黄色)、光亮、均一性、纤维状况等。皂基润滑脂一般呈淡黄色至暗褐色,且大部分皂基润滑脂呈半透明或不透明状,具有不同程度的纤维感,是有一定光泽的均匀油膏。
滴点
滴定 的定义为:润滑脂受热后随温度上升而逐渐变成 流体 ,从滴点针上开始滴落第一滴液体时的温度。滴点反映的是润滑脂的耐温性能。介绍几种常用 润滑脂滴点 范围:
烃基脂:40-70 ℃
钙基脂 :75-100 ℃
钠基脂:130-200 ℃
钙钠基脂:120-135 ℃
锂基脂 :170 ℃以上
针入度
针入度是通过指标准圆锥体在5 s内陷入润滑脂的深度表示的,测定温度为25 ℃,以1/10 mm为单位。针入度反映的是润滑脂的软硬程度,针入度越大,润滑脂就越软。常用脂的针入度为200-300,针入度超过400时,润滑脂失去塑性成为 流体 。
胶体安定性——分油
胶体安定性是润滑脂在贮存和使用中保持胶体稳定,液体矿油不从脂中析出的性能(也称作分油性能)。评价该性能的指标包括分油试验、滚动轴承性能试验等;滚筒试验可测试滚压作用下润滑脂稠度的变化,流动性试验用于评价润滑脂在低温环境下的可泵送性,抗水淋性试验则能衡量润滑脂对水淋洗出的抵抗能力。使用时如果润滑脂分油太少就无法起到润滑作用,如果分油太多,润滑脂的胶体安定性就太差。所以润滑脂的胶体安定性需要有一个适中的要求。
化学指标
抗水性
润滑脂的抗水性主要由稠化剂的性能决定。烃类 稠化剂 抗水性最好,如使用烃类稠化剂的工业凡林抗水性就很好。皂类稠化剂中钠皂、钙钠皂制成的润滑脂抗水性不好,其它如 钡皂 、 铝皂 、锂皂等制成的润滑脂都有很好的抗水性。
游离酸碱
润滑脂中的 游离碱 产生的原因有未与 脂肪酸 反应完的剩余碱和生产过程皂化不完全; 游离酸 产生的原因是储存和使用过程中基础油氧化生成酸以及受到外界污染物的侵袭等。
化学安定性
化学安定性主要衡量的是润滑脂的抗氧化安定性,若润滑脂的氧化安定性差,就容易生成 有机酸 ,对金属构成腐蚀,同时也会破坏润滑脂的结构和使用性能。
性能方面
机械安定性
机械安定性也称 剪切 安定性,指的是润滑脂在轴承或移动机件上随运动部件运动而受到剪切时仍能保持期结构,并且不影响润滑的能力。
低温启动性
一般通过低温时的粘度来研究润滑脂的低温性能,影响润滑脂低温启动性的因素有:基础油的粘度和粘温性能、基础油的凝固点和 稠化剂 的用量。
产品分类与特性
润滑脂的分类方式有多种,按液相润滑剂组分可分为石油基润滑脂和合成油润滑脂;根据用途可分为减磨脂、 密封脂 、防护脂。而稠化剂的类型是决定润滑脂性能的主要因素,旧分类GB 501-65一般常按稠化剂来划分润滑脂类型,可分为 皂基 润滑脂、 烃基 润滑脂、无机润滑脂、有机润滑脂。
皂基润滑脂
皂基润滑脂是以金属皂类 稠化剂 与润滑油制成的脂,常用的有钠基、钙基、钙钠基、锂基、铝基等,其产量约占润滑脂总产量的90%,是应用最广泛的一类润滑脂。
黄油 的特点包括:耐水性好,在潮湿水存在的条件下仍能保持正常的润滑; 剪力 安定性好;流动性能良好;粘温特性好,使用低粘度低凝点润滑油作为基础油时具有较好的低温性能。
钠基润滑脂 的特点为:滴点高,均高于140 ℃; 亲水性 强;剪切安定性好。
钡基润滑脂 的特点是:抗水性、机械安定性、热安定性优良,其对金属表面的粘附性好,防护能力强。
铝基润滑脂 的特点是:外观细腻,方便涂抹;不溶于水;滴点均在70-80 ℃;机械安定性差;采用低 倾点 润滑油时具有好的低温流动性。
烃基润滑脂
烃基润滑脂是指以 石蜡 、 地蜡 等固体烃为 稠化剂 的脂,其特点为:亲油、憎水能力特强。一般来说固体烃 熔点 越高,所得烃基润滑脂粘附性越好,可塑性也较强; 化学 性质较稳定,化学安定性和 胶体 安定性好,不易因稠化剂氧化变质而丧失稠度;几乎不溶于水,也不乳化,阻止水气和空气透过脂层的能力较强。
烃基润滑脂的主要缺点为熔点低,一般在70 ℃以下。 烃基润滑脂 的品种较多,有 钢丝绳 脂、 凡士林 、特种烃基润滑脂和 防锈润滑脂 等。
无机润滑脂
无机化合物 润滑脂是指以 膨润土 、 硅胶 、 碳黑 、 氮化硼 、 二硫化钼 等 无机物 为 稠化剂 的脂,下面介绍两种无机润滑脂。
膨润土润滑脂 具有特殊的性能,其特点为:热安定性高,其在高温下稠度没有突然的变更且锥入度值随温度变化不大; 剪力 安定性尚好;极压性能良好,能承受较大的负荷;耐水性和 胶体 安定性比较好。膨润土润滑脂的缺点有:高温下长期使用会发干、对添加剂的感受性不够好、防护性较差等。
硅胶润滑脂 与膨润土润滑脂类似,也是无滴点耐高温的 无机化合物 润滑脂,具有耐高温、无 熔点 、 化学 安定性好、使用寿命长的特点。
有机润滑脂
有机润滑脂是指以 阴丹士林 、 酞菁铜 、 酰胺 、 脲基 衍生物 等 有机化合物 为 稠化剂 的脂。有机润滑脂大多各自具有不同的特性,多有特殊用途,下面介绍三种有机润滑脂。
胺钠润滑脂的主要特点是:耐高温性能好,其滴点一般高于200 ℃;抗水性良好; 抗氧化 安定性良好;抗辐射性能良好;轴承运转寿命长。其缺点是生产工艺繁琐复杂,具有无法去除的少量胺和酰胺以为,外观也不够光滑细腻。
聚脲基润滑脂 的特性包括:耐高温性能好,滴点能达到300 ℃以上,高温下不易氧化;抗氧化安定性和热安定性好,对基础油无 催化 氧化作用; 胶体 安定性好,几乎不分油;高温轴承运转寿命长;抗水性好,抗水淋抗盐水性能都强;高速性能好,机械安定性好,在高剪切 速率 下粘稠状态变化小;其他还有抗 酸性气体 、抗辐射、抗腐蚀介质性能好。
酞菁铜润滑脂具有优良的耐高温、耐极压性和抗水性能,在潮湿的环境下也能保持良好的润滑能力,其缺点是 稠化剂 昂贵成本高。
生产制备
不同种类的润滑脂制备方法各异,但基本的制脂方法都是通过分散、冷却、均化的过程将基础油和稠化剂制成均一体系的润滑脂。以应用最广泛的 皂基 润滑脂 为例,生产工序如下:
1.皂化工序:在制脂釜 中将 部分基础油、动植物油或 脂肪酸 混合加热,与碱反应生成 皂基 稠化剂 ,也叫浓稠皂基
2.分散工序:将皂基 稠化剂 分散于基础油中并通过加热进行脱水,可采用加热熔化再冷却的方法或采用较低温度下调合法使 皂基 稠化剂与基础油形成均匀分散体系。
3.冷却工序:直接皂化制备皂基润滑脂时,在达到最高炼制温度、皂基 稠化剂 与基础油完全相融后,可根据产品性能要求选择不同的冷却工艺使其冷却成脂,常见冷却工艺有慢冷、快冷、动态冷却、静态冷却等。
4.后处理工序:通过均化、脱气等工序,改善润滑脂的最终性能和外观。
应用领域
润滑脂是一种常用 润滑剂 ,可以起到减少摩擦、磨损,保护金属表面不受腐蚀。 工农业中各种机械设备都离不开润滑脂,采矿、冶金、机械等 重工业 以及纺织、印染、食品、 造纸 等 轻工业 用到的各种机械设备都需要用到润滑脂。 交通运输工具如汽车、飞机、舰船、 铁路机车 等以及军用车辆、坦克、各种武器都需要使用润滑脂润滑或密封保护。
安全事宜
润滑脂也分 食品级润滑脂 和工业级润滑脂,其本身无毒或低毒,但生产润滑脂的原料可能带有一定毒性,其中,基础油一般是动物油或 合成油 提炼后的油,基本无毒,长期接触一般不会有不良反应,但一些 稠化剂 和添加剂可能存在有毒物质。例如脲基润滑脂的稠化剂中可能残留脲化合物的反应物,具有一定毒性,且毒性大小取决于残留物的含量,误食后可能出现头晕、手痒、皮肤发黄等症状,应该即刻就医。
虽然润滑脂本身无毒或低毒,但在生产过程中可能会带有一定毒性,因此,在生产过程中应该采取一些必要措施:
1、反应物用量需严格按照 化学方程式 来计算。
2、保证足够的反应时间,使其充分反应。
3、保证适宜的反应温度,将不需要的反应物挥发。
4、如有必要,加入其他物质来分解某些残留物,同时保证其分解产物不会对润滑脂性能产生不良影响。