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油作为润滑剂:粘度及其他特性

当人们想到石油的时候,机油是首先想到的事情之一。机油新鲜时呈浅棕色,透明,与使用后需要更换时呈暗黑色,不透明形成鲜明对比。为什么我们使用石油作为润滑剂,为什么它会随着时间的推移而退化,以至于必须定期更换?正如我们将要看到的,润滑是任何移动机器的基本部件,某些石油馏分具有特殊的特性,使它们成为有价值的润滑剂。188金宝搏赞助

什么是润滑剂?

大多数人可能都知道,润滑剂是用来减少两个移动表面之间的摩擦的。它还能将污染物和其他外来颗粒从移动部件中输送出去,使它们不会造成损坏。这些特性适用于任何润滑油,无论是用于发动机、门上,甚至人体上。事实证明,好的润滑剂还有一些其他的特性。

  • 减小摩擦
  • 高沸点和低冰点
  • 高粘度
  • 热稳定性
  • 腐蚀缺陷
  • 抗氧化

我们将依次处理这些性质,但会稍微打乱它们的顺序,把粘度留到最后。

润滑-减少摩擦

润滑这个术语的意思是一种物质减少摩擦。测量润滑性的常用方法是确定当两个移动的表面被作为润滑剂的被测试物质的薄膜隔开时,会发生多少磨损。传统的测试包括“球在三盘上”和“球在气缸上”。在这两种情况下,在不同条件下,在给定物质存在时,两个运动部件之间发生的磨损与没有润滑剂或有已知润滑剂时的磨损进行比较。一种物质防止磨损(磨损、开槽等)的能力然后被量化并用于评定润滑性。

在所有这些情况下,润滑油在运动部件之间提供了一层物质防止它们有太多的接触。因为润滑剂比它所应用的部件更“滑”,它减少了摩擦。减少摩擦可以减少部件的磨损,更容易移动,并减少系统的能量需求。事实上,一些精心设计的发动机油实际上可以提高汽车的燃油经济性。

高沸点和低冰点

所有这一切都表明,润滑剂不能蒸发或冻结固体有效。在任何一种情况下,润滑剂都会停止减少摩擦。在第一种情况下,它会简单地消失,让移动的部件相互摩擦。在第二种情况下,它实际上会增加摩擦,也许会到完全阻止运动的程度。在机油中,这两种特性是通过粘度值如10w - 40来解释的,这将在文章的最后一节进行更多的讨论。

热稳定性

摩擦产生热量,所以润滑剂要成功,它需要保持它的润滑性,即使它变热。如果润滑剂缺乏热稳定性,那么当它变热时就会开始分解,从而导致摩擦增加。这个问题有时出现在汽车发动机上,被称为“淤渣”。淤积是一个过程,油变得粘性的结果,反复暴露在热的发动机条件。在极端情况下,油泥会“堵塞”发动机,导致故障,甚至“卡住”,使活塞无法撞击气缸壁,从而导致发动机无法工作。

腐蚀预防

润滑剂为部件涂上一层薄薄的保护层,防止部件暴露在氧气和其他“氧化剂”中,从而阻止或防止腐蚀,这些“氧化剂”会引起化学反应,导致材料表面受损。最著名的腐蚀例子是锈蚀。铁接触氧气就会生锈。暴露在水和盐中会增加生锈(生活在积雪地区的人都知道,那里的道路上撒了盐)。

水存在于大气中,而盐通常是燃料的污染物。为了保护发动机部件不受这些物质的影响,机油涂在汽缸、活塞和其他运动的发动机部件的侧面。这种涂层可以防止水、氧、盐和磨料与钢(含铁)的表面接触。

抗氧化

这与热稳定性相似,除了它适用于化学反应,而不是由于热润滑的崩溃。就像任何化学物质一样,润滑剂可以经历改变分子结构的化学反应。在大多数情况下,这种反应是不可取的,因为它们会导致润滑剂性能的变化,从而在减少摩擦和防止腐蚀方面效果较差。

创造润滑剂的石油结构188金宝搏赞助

在讨论粘度之前,有必要看看什么石油馏分最符合上述要求,以及为什么。188金宝搏赞助首先,我们需要一种足够滑的物质来减少摩擦。如果你曾用手指触摸过矿物油或机油,你就会知道它非常滑。这是为什么呢?

为什么石油很滑

解释为什么油是滑的需要看一下它的化学性质。首先,油是非极性的,也就是说它不带正电荷或负电荷。有些分子,比如水,有“电荷分布”,这意味着分子的行为就像电池,一部分带正电荷,一部分带负电荷。结果,由于正电荷和负电荷相互吸引,水和其他“极性”分子就会相互粘在一起。石油没有这个问题,所以一个油分子比一个水分子更容易滑过另一个。

增加石油的滑溜性的是,它倾向于通过称为范德华力的力,或者更具体地说,伦敦色散力(一种范德华力)形成不同的层。这些力是科学上已知的最弱的力,可以帮助古老的东西聚集在一起,从而增加摩擦。然而,由于油分子基本上是平面的,所以油具有只在层内形成力的独特特性。平面仅仅意味着分子是平的,就像下图强调的那样,只在二维而不是三维空间中占据空间。没有投射物附着,力只能在平面内分布,因此没有力将一层粘接到另一层。因此,两层油不会在很大程度上相互结合。

事实上,油的氧化会产生羧酸衍生物,它们是极性的。因此,氧化损害机油的粘度,这是为什么一种油的污染物是不必要的,并最终降低油的质量的原因之一。

平面和非平面

为什么油不会结冰

接下来,我们需要一种既耐沸又耐冻的物质。要获得这两种特性,物质需要在很大的温度范围内保持液体状态。事实证明,润滑油的平均链长有36个碳原子,这使得它们的沸点很高(大约300摄氏度或572华氏度)。缺乏极性分子(他们不携带正或负电荷)结合碳氢化合物分子的变化大小(一般是36,但是范围是从大约18到44个碳原子)阻止分子形成任何形式的重复,冻结所需规律。当然,油的流动更容易或更困难取决于温度,这一点我们将在关于粘度的章节中简短地讨论。

粘度

粘度是一个复杂的术语,指的是流体抵抗变形的能力。换句话说,流体抵抗剪切和拉伸应力的能力决定了它的粘性。高粘性流体很难变形,只能缓慢地改变形状。蜂蜜就是这种液体的例子。另一方面,水粘度低,容易流动。

粘度受温度的影响。流体温度越高,流动就越容易,温度越低,变形就越困难。好的润滑剂需要在低温下具有足够的流动性,以便能够通过发动机(或其他系统)提供保护。一种好的润滑剂还必须在高温下保持其粘度,这样它就不会流出发动机,或者变得很薄,不能比水更有效地作为润滑剂。最好的润滑剂是能使运动部件之间分离而又不太“粘”,从而需要大量能量来运动这些部件的润滑剂。一种称为粘度指数的刻度提供了一种测量物质粘度随温度变化的方法。

粘度指数(VI)从0到110以上,0到35代表低粘度,超过110代表高粘度。VI是由汽车工程师协会(Society of Automotive Engineers,简称SAE)创建的,油的测试温度为38至99摄氏度(或100至210华氏度)。然而,这些值并不是机油的报告值。相反,这些数字被转换成一个使用一两个数字的评级系统,通常采用10W-40或0W-40或类似的形式。那么这个系统中的数字是什么意思呢?

包含W(代表“冬天”)的数字意味着油是在较低的温度下测试的。下面是它的工作原理。

没有W的数字表示油在99摄氏度(210华氏度)时的粘度。SAE值为20意味着VI值为5.6至9.3。SAE 30则意味着VI值为9.3至12.5。所以,数值越高,油在99摄氏度时就越粘。这是石油的“热门数字”。

带有W的数字是在较低的温度下测试的,这并不总是一致的。瓶子上的某个地方显示了温度,但通常是在30摄氏度左右。然后将得到的VI值转换成一个后跟w的数字。例如,0W值表示在30摄氏度时,油的表现与30摄氏度油在100摄氏度时的表现相同。换句话说,它在30度时就像30度油在100度时一样薄。

很明显,W值越小越好,因为这意味着油在低温下可以很好地流动。因为机油会从发动机的较高部位排出,所以在运行冷发动机时,金属与金属接触最多,因此磨损也最多。根据类似的推理,更高的“非w”值是理想的,因为这表明机油能够在较高的温度下保护发动机,因为它能够保护部件不变得“太薄”。大多数新车使用5W-30。一些合成油能够达到范围,如0W - 40,这提供了出色的保护和提高燃油经济性。