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聚脲潤滑脂在軸承潤滑中的作用
2010-07-14
滾動軸承作為典型的“減摩”機械基礎件，潤滑技術一直是其研究的重要組成部分。潤滑脂被人們稱為與內圈、外圈、滾動體、保持架并駕齊驅的軸承的第五個零件。用于每套軸承的配套維修的潤滑脂的量雖然很小，但它對軸承性能影響很大，在高速運轉的情況下，缺脂或斷脂幾秒鐘就有可能燒壞整套軸承；對密封軸承來說，脂的壽命就決定了軸承的壽命。
隨著現代工業的發展，機械產品的品種、應用領域及工況愈來愈復雜，對軸承潤滑脂的要求也日益苛刻。因此研制開發長壽命、低噪聲的潤滑脂以滿足軸承工業的飛速發展已勢在必行。聚脲潤滑脂就是為了適應上述需要而開發的一類優質高溫潤滑脂。
聚脲潤滑脂（簡稱聚脲脂）是由分子中含有脲基的有機化合物稠化礦油或合成油所制備的潤滑脂。由于聚脲稠化劑不同于金屬皂基稠化劑，不含金屬離子，避免了皂基稠化劑中金屬離子對潤滑脂基礎油的催化氧化作用，因此聚脲潤滑脂具有良好的氧化安定性和熱穩定性，并具有一系列優良的使用性能，如：良好的泵送性、抗氧性、機械安定性、膠體安定性和抗水淋性，特別適用于高溫、高載荷、寬速度范圍和與不良介質接觸的潤滑場合，現在廣泛應用于電器工業、冶金工業、食品工業、造紙工業、汽車行業、飛機等軍事工業。
1 世界潤滑脂發展趨勢及我國潤滑脂現狀及差距
近年來，我國在潤滑脂的生產技術及應用技術上都取得了很大進展，然而同發達國家相比，我們在產品構成尤其是在高檔產品的發展上還存在著差距。現將國內外潤滑脂的應用現狀及發展趨勢做一簡略論述。
1.1 國外潤滑脂的應用現狀
對于世界發達國家，如美國、歐洲、加拿大，目前應用Z多、生產量Z大的是鋰系列潤滑脂，其次是鈣基潤滑脂，而復合鋁基脂也占有相當的比例。而在日本，聚脲潤滑脂的應用卻相當普遍，今后對潤滑脂的性能要求大致有如下方面：1）、長壽命；2）、寬溫性能；3）、良好的機械安定性及放漏性；4）、良好的高速及低轉矩特性；5）、極壓、抗磨、耐微振磨損、抗針性等；6）、塵埃、雜質較少，音響性能良好；7）、泵送性、可供性等輸送性能良好；8）、良好的防護性能；與密封材料的適應性；10）、與其他脂類的混合安定性。
1.2 發展趨勢
潤滑脂的發展歷史很長，它伴隨著機械化的發展而成熟起來。目前使用較為廣泛的潤滑脂，如鋰基脂、復合鋰基脂、鈣基脂、復合鈣基脂、復合鋁基脂等是20世紀40～50年代發展起來的，這些潤滑脂的用量占到年產量的95%以上。而聚脲潤滑脂、磺酸鹽復合鈣基潤滑脂、復合鈦潤滑脂則是潤滑脂種類中的后起之秀。現分述如下：
1954年首次開發聚脲潤滑脂產品，Swaken等人在考察硅油的熱穩定性和氧化安定性稠化劑時，發現聚脲稠化劑具有許多優良性能，進一步研究合成了大批聚脲稠化劑和制備了系列聚脲潤滑脂產品，作為一類高溫潤滑脂，聚脲潤滑脂具有比其它高溫潤滑脂更好的綜合性性能。美國Z先開發了聚脲脂，雪佛隆（Chevron）公司在聚脲潤滑脂的研制和生產方面均占領先地位。近年來，德國、英國、日本、前蘇聯、波蘭和中國相繼開展了聚脲潤滑脂的研制和生產工作。2001年美國潤滑脂協會（NLGI）發表的潤滑脂生產調查統計報告顯示，全世界聚脲潤滑脂產量達到3.03萬噸。其中美國/加拿大生產了1.33萬噸，日本生產了1.03萬噸，而中國聚脲潤滑脂的產量僅有500噸左右。印度研究者率先開發出以鈦為稠化劑的復合鈦基潤滑脂，從毒性和安全性的角度研究表明，復合鈦基脂對生產者和使用者都是安全的，而且用植物油代替礦物油制備的潤滑脂具有良好的生物降解性；從使用性能上看，復合鈦基脂與目前廣泛應用的極壓復合鋰（鋁）基脂相比，極壓性能相當，而且該脂與傳統的高性能潤滑脂具有很好的相容性，已被認為是多功能高效率的一類潤滑脂，而且也是Z有希望成為目前廣泛應用的高性能潤滑脂的替代品。
1.2.1復合鈦基脂的應用情況
水泥回轉爐、粉碎機、球磨機等設備上的開式齒輪均處于高溫、重載荷及惡劣的工作環境中，因此要求潤滑劑具有較高的極壓性能、耐高溫性能，另外根據潤滑方式的不同還有一定的噴射性。此外，在國外，復合鈦基脂還被廣泛應用于鋼廠、發電廠、包裝工業、化工廠、汽車上。
總之，（1）復合鈦基脂在不同的方面應用情況表明其為一種多效高性能的潤滑脂；（2）添加功能劑后可提高復合鈦基脂的性能，從而可擴大其應用的范圍；（3）復合鈦基脂與其他脂混合后，可提高某些特性而不影響脂的內在特性，這表明其良好的相容性；（4）我國優良好的鈦礦資源，可大力發展鈦基潤滑脂。
高堿性磺酸鈣一直作為潤滑油的添加劑使用的。20世紀80年代有人成功地將其轉化為潤滑脂的稠化劑。復合磺酸鈣基脂的稠化體系主要由兩部分組成，一部分是非牛頓體的磺酸鈣，另一部分是復合鈣皂，它們在體系中既有物理混合，又有化學締合，是一個較復雜的化合物體系。非牛頓體系磺酸鈣是由牛頓體高堿性磺酸鈣轉化而來。牛頓體高堿性磺酸鈣主要由磺酸鈣正鹽和碳酸鈣堿式鹽組成。用這種稠化劑制成得潤滑脂，具有良好的高低溫性能、剪切安定性、極壓抗磨性能以及抗水性能等。有人預測其將在鋼鐵、造紙、機械加工、礦山和汽車行業上獲得應用。
綜上所述，當今世界潤滑脂品種發展的趨勢是多效鋰基脂占主導地位并得到繼續發展，低檔的鈣、鈉基脂逐年下降，高滴點、多效能的潤滑脂發展很快，復合鋰基脂和聚脲潤滑脂是發展高滴點潤滑脂品種的主要方向。
1.3我國潤滑脂現狀及差距
我國是潤滑脂生產大國，潤滑脂工業從20世紀80年代以來有了長足的發展。近年來產量基本穩定在65000～70000噸的范圍，其中80%的潤滑脂用于軸承潤滑，品種結構向著世界先進水平方向發展。2000年鋰基類潤滑脂所占比例為65.50%，達到先進水平。但在生產規模、高滴點品種發展方向與國外尚有較大差距。適當擴大生產規模，保持鋰基脂占主導地位的發展態勢，努力開發高滴點、多效能潤滑脂種類，重視環保產品，乃為新世紀我國潤滑脂品種發展的努力方向。
2 軸承用潤滑脂簡介
2.1軸承潤滑的作用
潤滑對滾動軸承的疲勞壽命和磨擦、磨損、溫升、振動等有重要影響。沒有正常的潤滑，軸承就不能工作。分析軸承損壞的原因時，40％左右的軸承損壞都與潤滑不良有關。因此，軸承的良好潤滑是減小軸承磨擦和磨損的有效措施。除此之外，軸承的潤滑還對散熱、防銹、密封、緩和沖擊等起作用，軸承潤滑的作用可以簡要地說明如下：
(1) 在相互接觸的兩滾動表面或滑動表面之間形成一層油膜，把兩表面隔開，減少接觸面的磨擦和。
(2) 采用油潤滑時，特別是采用循環油潤滑、油霧潤滑和噴油潤滑時，潤滑油能帶走軸承內部的大部分磨擦熱起到有效的散熱作用。
(3) 采用脂潤滑時，可以防止外部的灰塵等污物進入軸承，起到密封作用。潤滑脂是由基礎油、增稠劑及添加劑組成的潤滑劑。在選擇潤滑脂時，應選擇非常適合于軸承使用條件的潤滑脂。即使是同種潤滑脂，由于商標不同，在性能上也將會有很大的差別。軸承常用的潤滑脂有鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鈣鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂、鋁基潤滑脂和二硫化鉬潤滑脂等。軸承充填潤滑脂的數量，以充滿軸承內部空間的1/2～1/3為宜。高速時應減少至1/3。過多的潤滑脂將使溫升增高。
2.2 潤滑脂的選擇
一般來說，軸承溫度每升高10～15℃，潤滑脂的壽命將減少一半，按照工作溫度選擇潤滑脂時，主要指標應是滴點、氧化安定性和低溫性能，滴點一般可用來評價高溫性能，軸承實際工作溫度應低于滴點10～20℃。合成潤滑脂的使用溫度應低于滴點20～30℃。對于160～200℃左右的溫度要求，一般應選用以復合皂、聚脲、膨潤土為稠化劑，酯類油、合成烴、硅油作基礎油的潤滑脂。溫度要求在250℃，應選用以脲類有機物、氟化物為稠化劑，以苯基硅油、全氟聚醚為基礎油的潤滑脂。根據軸承載荷選擇潤滑脂時，對重載荷應選錐入度小的潤滑脂。在高壓下工作時除錐入度小外，還要有較高的油膜強度和極壓性能。根據環境條件選擇潤滑脂時，鈣基潤滑脂不易溶于水，適于潮濕和水分較多的工作環境。鈉基潤滑脂易溶于水，適于干燥和水分較少的環境。
隨著現代工業的發展，機械產品的品種、應用領域及工況愈來愈復雜，對軸承潤滑脂的要求也日益苛刻。因此研制開發長壽命、低噪聲的潤滑脂以滿足軸承工業的飛速發展已勢在必行。聚脲潤滑脂就是為了適應上述需要而開發的一類優質高溫潤滑脂。
聚脲潤滑脂（簡稱聚脲脂）是由分子中含有脲基的有機化合物稠化礦油或合成油所制備的潤滑脂。由于聚脲稠化劑不同于金屬皂基稠化劑，不含金屬離子，避免了皂基稠化劑中金屬離子對潤滑脂基礎油的催化氧化作用，因此聚脲潤滑脂具有良好的氧化安定性和熱穩定性，并具有一系列優良的使用性能，如：良好的泵送性、抗氧性、機械安定性、膠體安定性和抗水淋性，特別適用于高溫、高載荷、寬速度范圍和與不良介質接觸的潤滑場合，現在廣泛應用于電器工業、冶金工業、食品工業、造紙工業、汽車行業、飛機等軍事工業。
1 世界潤滑脂發展趨勢及我國潤滑脂現狀及差距
近年來，我國在潤滑脂的生產技術及應用技術上都取得了很大進展，然而同發達國家相比，我們在產品構成尤其是在高檔產品的發展上還存在著差距。現將國內外潤滑脂的應用現狀及發展趨勢做一簡略論述。
1.1 國外潤滑脂的應用現狀
對于世界發達國家，如美國、歐洲、加拿大，目前應用Z多、生產量Z大的是鋰系列潤滑脂，其次是鈣基潤滑脂，而復合鋁基脂也占有相當的比例。而在日本，聚脲潤滑脂的應用卻相當普遍，今后對潤滑脂的性能要求大致有如下方面：1）、長壽命；2）、寬溫性能；3）、良好的機械安定性及放漏性；4）、良好的高速及低轉矩特性；5）、極壓、抗磨、耐微振磨損、抗針性等；6）、塵埃、雜質較少，音響性能良好；7）、泵送性、可供性等輸送性能良好；8）、良好的防護性能；與密封材料的適應性；10）、與其他脂類的混合安定性。
1.2 發展趨勢
潤滑脂的發展歷史很長，它伴隨著機械化的發展而成熟起來。目前使用較為廣泛的潤滑脂，如鋰基脂、復合鋰基脂、鈣基脂、復合鈣基脂、復合鋁基脂等是20世紀40～50年代發展起來的，這些潤滑脂的用量占到年產量的95%以上。而聚脲潤滑脂、磺酸鹽復合鈣基潤滑脂、復合鈦潤滑脂則是潤滑脂種類中的后起之秀。現分述如下：
1954年首次開發聚脲潤滑脂產品，Swaken等人在考察硅油的熱穩定性和氧化安定性稠化劑時，發現聚脲稠化劑具有許多優良性能，進一步研究合成了大批聚脲稠化劑和制備了系列聚脲潤滑脂產品，作為一類高溫潤滑脂，聚脲潤滑脂具有比其它高溫潤滑脂更好的綜合性性能。美國Z先開發了聚脲脂，雪佛隆（Chevron）公司在聚脲潤滑脂的研制和生產方面均占領先地位。近年來，德國、英國、日本、前蘇聯、波蘭和中國相繼開展了聚脲潤滑脂的研制和生產工作。2001年美國潤滑脂協會（NLGI）發表的潤滑脂生產調查統計報告顯示，全世界聚脲潤滑脂產量達到3.03萬噸。其中美國/加拿大生產了1.33萬噸，日本生產了1.03萬噸，而中國聚脲潤滑脂的產量僅有500噸左右。印度研究者率先開發出以鈦為稠化劑的復合鈦基潤滑脂，從毒性和安全性的角度研究表明，復合鈦基脂對生產者和使用者都是安全的，而且用植物油代替礦物油制備的潤滑脂具有良好的生物降解性；從使用性能上看，復合鈦基脂與目前廣泛應用的極壓復合鋰（鋁）基脂相比，極壓性能相當，而且該脂與傳統的高性能潤滑脂具有很好的相容性，已被認為是多功能高效率的一類潤滑脂，而且也是Z有希望成為目前廣泛應用的高性能潤滑脂的替代品。
1.2.1復合鈦基脂的應用情況
水泥回轉爐、粉碎機、球磨機等設備上的開式齒輪均處于高溫、重載荷及惡劣的工作環境中，因此要求潤滑劑具有較高的極壓性能、耐高溫性能，另外根據潤滑方式的不同還有一定的噴射性。此外，在國外，復合鈦基脂還被廣泛應用于鋼廠、發電廠、包裝工業、化工廠、汽車上。
總之，（1）復合鈦基脂在不同的方面應用情況表明其為一種多效高性能的潤滑脂；（2）添加功能劑后可提高復合鈦基脂的性能，從而可擴大其應用的范圍；（3）復合鈦基脂與其他脂混合后，可提高某些特性而不影響脂的內在特性，這表明其良好的相容性；（4）我國優良好的鈦礦資源，可大力發展鈦基潤滑脂。
高堿性磺酸鈣一直作為潤滑油的添加劑使用的。20世紀80年代有人成功地將其轉化為潤滑脂的稠化劑。復合磺酸鈣基脂的稠化體系主要由兩部分組成，一部分是非牛頓體的磺酸鈣，另一部分是復合鈣皂，它們在體系中既有物理混合，又有化學締合，是一個較復雜的化合物體系。非牛頓體系磺酸鈣是由牛頓體高堿性磺酸鈣轉化而來。牛頓體高堿性磺酸鈣主要由磺酸鈣正鹽和碳酸鈣堿式鹽組成。用這種稠化劑制成得潤滑脂，具有良好的高低溫性能、剪切安定性、極壓抗磨性能以及抗水性能等。有人預測其將在鋼鐵、造紙、機械加工、礦山和汽車行業上獲得應用。
綜上所述，當今世界潤滑脂品種發展的趨勢是多效鋰基脂占主導地位并得到繼續發展，低檔的鈣、鈉基脂逐年下降，高滴點、多效能的潤滑脂發展很快，復合鋰基脂和聚脲潤滑脂是發展高滴點潤滑脂品種的主要方向。
1.3我國潤滑脂現狀及差距
我國是潤滑脂生產大國，潤滑脂工業從20世紀80年代以來有了長足的發展。近年來產量基本穩定在65000～70000噸的范圍，其中80%的潤滑脂用于軸承潤滑，品種結構向著世界先進水平方向發展。2000年鋰基類潤滑脂所占比例為65.50%，達到先進水平。但在生產規模、高滴點品種發展方向與國外尚有較大差距。適當擴大生產規模，保持鋰基脂占主導地位的發展態勢，努力開發高滴點、多效能潤滑脂種類，重視環保產品，乃為新世紀我國潤滑脂品種發展的努力方向。
2 軸承用潤滑脂簡介
2.1軸承潤滑的作用
潤滑對滾動軸承的疲勞壽命和磨擦、磨損、溫升、振動等有重要影響。沒有正常的潤滑，軸承就不能工作。分析軸承損壞的原因時，40％左右的軸承損壞都與潤滑不良有關。因此，軸承的良好潤滑是減小軸承磨擦和磨損的有效措施。除此之外，軸承的潤滑還對散熱、防銹、密封、緩和沖擊等起作用，軸承潤滑的作用可以簡要地說明如下：
(1) 在相互接觸的兩滾動表面或滑動表面之間形成一層油膜，把兩表面隔開，減少接觸面的磨擦和。
(2) 采用油潤滑時，特別是采用循環油潤滑、油霧潤滑和噴油潤滑時，潤滑油能帶走軸承內部的大部分磨擦熱起到有效的散熱作用。
(3) 采用脂潤滑時，可以防止外部的灰塵等污物進入軸承，起到密封作用。潤滑脂是由基礎油、增稠劑及添加劑組成的潤滑劑。在選擇潤滑脂時，應選擇非常適合于軸承使用條件的潤滑脂。即使是同種潤滑脂，由于商標不同，在性能上也將會有很大的差別。軸承常用的潤滑脂有鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鈣鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂、鋁基潤滑脂和二硫化鉬潤滑脂等。軸承充填潤滑脂的數量，以充滿軸承內部空間的1/2～1/3為宜。高速時應減少至1/3。過多的潤滑脂將使溫升增高。
2.2 潤滑脂的選擇
一般來說，軸承溫度每升高10～15℃，潤滑脂的壽命將減少一半，按照工作溫度選擇潤滑脂時，主要指標應是滴點、氧化安定性和低溫性能，滴點一般可用來評價高溫性能，軸承實際工作溫度應低于滴點10～20℃。合成潤滑脂的使用溫度應低于滴點20～30℃。對于160～200℃左右的溫度要求，一般應選用以復合皂、聚脲、膨潤土為稠化劑，酯類油、合成烴、硅油作基礎油的潤滑脂。溫度要求在250℃，應選用以脲類有機物、氟化物為稠化劑，以苯基硅油、全氟聚醚為基礎油的潤滑脂。根據軸承載荷選擇潤滑脂時，對重載荷應選錐入度小的潤滑脂。在高壓下工作時除錐入度小外，還要有較高的油膜強度和極壓性能。根據環境條件選擇潤滑脂時，鈣基潤滑脂不易溶于水，適于潮濕和水分較多的工作環境。鈉基潤滑脂易溶于水，適于干燥和水分較少的環境。
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