通常是使用的極壓劑按照其成膜機理可分為以下兩種:能和基體金屬表面直接發生化學反應生成反應膜,這些化合物主要為:含硫(如硫化脂肪酸酯)或含氯(如氯代烷)的化合物、活性有機酯、金屬硫化物、金屬氯化物等,另外含磷化合物(如磷酯)也常使用,若在同一物質中既含有氯分子又含有硫分子時,能增強化學反應膜的強度,提高其極壓性能;通過加工中的熱降解作用而形成薄膜,這些化合物主要有:二硫化磷酸鹽、含磷有機化合物等,這類極壓劑形成膜的強度取決于工藝條件和化合物的分子結構。

目前常用的極壓劑主要為:硫系極壓劑、磷系極壓劑、氯系極壓劑、有機金屬鹽極壓劑等。在摩擦化學反應中,硫化物生成硫化鐵、磷化物生成磷化鐵、氯化物生成氯化鐵,它們在各自的熔點范圍內產生必要的潤滑效果, 防止金屬材料黏著。硫化物在200℃ 左右開始發生反應, 一般在300℃~400℃范圍內起作用,當溫度達到750℃時還有抗磨作用,但到900℃左右時,化學反應膜便會失效。氯化物在150℃左右開始反應,當溫度達到350℃時,化學反應膜便被破壞,遇水容易分解成氫氧化鐵和鹽酸,失去潤滑作用,同時還對金屬產生腐蝕。磷元素的作用溫度介于二者之間。

當上述兩種或三種化合物同時使用時, 會產生相乘效果,比單獨使用時具有更好的潤滑效果。如現在市場上常見的T307(硫代磷酸銨鹽)便屬于這種類型。需要強調的一點,在選擇極壓劑種類時還必須考慮基體金屬材料的性質。如,硫系極壓劑在鋼材上使用效果不錯,但必須避免用于鎳合金,因為它會妨害一種低熔點易熔物的形成, 同時硫系極壓劑也應避免在銅合金上使用,以免生成硫化污染物。以下對目前常用的極壓劑的種類及其使用性能作簡要的介紹,供設計潤滑劑配方時參考。

1、硫系極壓劑

有機硫化物通常都有極性。在良好的工況條件下或在混合摩擦潤滑區, 有機硫化物能通過吸附作用在金屬表面生成吸附膜。在中等載荷條件下,通過金屬材料表面滑動產生的局部摩擦高溫, 能夠使有機硫化物和鐵發生反應生成硫化鐵膜, 從而起到抗磨作用。當工況惡劣或進入極壓條件時, 由于C-S鍵斷裂,可生成無機硫化鐵保護膜。而硫化鐵膜不是層狀結構,剪切強度比較大,所以其摩擦系數比其他極壓膜大。無機硫化鐵的熔點高,到ll00℃ 還不熔化, 目前有試驗表明, 其表面保護作用能持續到800℃ 以上,故其極壓承載能力最大。有機硫化物的極壓性與其反應活性有關, 而其反應活性又取決于C-S鍵的強度。C-S鍵強度愈差,極壓性愈好,同時腐蝕性愈大(特別對銅)。

不同烷基的單硫化物和二硫化物是最早使用的極壓劑,如二丁基硫化物、二辛基二硫化物、二苯基硫化物、硫化異丁烯、含硫的有機金屬極壓劑等。含硫的有機金屬極壓劑包括二丁基硫代氨基甲酸銻(鉛),二烷基二硫代氨基甲酸鉬(MoTDC)等。當其受摩擦時溫度升高會分解出二硫化碳(CS2)和二硫化鉬(MoS2),將金屬表面的凸凹部分填平,從而起到光滑減磨作用。

另外,各種硫化油脂和硫化脂肪酸酯,由于其硫與脂肪族原材料的減磨性能相結合, 所以能夠生成性能優異的極壓添加劑, 四球試驗機已證明其具有承受高載荷的能力。

2、磷系極壓劑

磷酸酯極壓劑是應用較早的抗磨極壓劑,20世紀40年代認為在邊界潤滑條件下磷酸酯與金屬反應形成"金屬磷化物一鐵"的低共熔合金,從而起到減少金屬接觸表面間的摩擦與磨損。20世紀60年代則認為是磷酸酯與鐵反應形成的磷酸鐵膜。目前認為磷酸酯首先吸附在金屬表面上,然后水解成酸性磷酸酯, 它可以與金屬形成有機金屬磷酸鹽保護膜。在極壓摩擦條件下,它進一步分解形成無機的亞磷酸鐵膜,起到極壓抗磨作用。

磷系極壓劑的極壓抗磨性和其水解性有明顯的對應關系。水解越容易,其抗磨極壓性越好。各種磷系極壓劑的性能大致按下列順序遞增:次膦酸酯<膦酸酯<磷酸酯<氨基磷酸酯<磷酸脂胺鹽。次膦酸酯和膦酸酯不如磷酸酯的原因是由于C-O-P鍵不如C-P鍵穩定。

有機磷化物的抗磨性優于硫化物, 但其極壓性則不如,由于其反應生成膜的熔點較低,可承受溫度約為350℃,所以其承載能力不如硫系極壓劑。磷系抗磨極壓劑, 根據其含有的其他活性元素分成三類。

僅含磷活性元素的磷型極壓劑,常用的有:磷酸三甲酚酯、磷酸三乙酯、亞磷酸二正丁酯等。磷一氮型極壓劑,常用的有:磷酸胺、磷酸酯、磷酰胺、磷腈聚合物等。磷酸胺和磷酸酯相比,其腐蝕性較小。

磷酸酯主要有:烷基磷酸酯(二油基磷酸酯、二月桂基磷酸酯等酸性磷酸酯和三辛基磷酸酯等中性磷酸酯;烷基亞磷酸酯(三丁基亞磷酸酯和二正丁基亞磷酸酯等);芳基磷酸酯(磷酸三甲苯酯和磷酸三苯酯)。雖然酸性磷酸酯的承載能力比中性磷酸酯好,但它容易使金屬腐蝕生銹,因此,通常多使用中性磷酸酯。

硫-磷-氮型極壓劑:主要使用二烷基二硫代磷酸酯胺鹽、二烷基二硫代磷酸胺等。它們是多效添加劑,具有抗磨、抗氧、防腐、防銹等性能。

3、氯系極壓劑

含氯的化合物在極壓條件下,會析出原子氯或氯化氫,與金屬鐵發生反應生成氯化鐵。氯化鐵具有層狀結構,與石墨、二硫化鉬相似,容易剪斷,故其摩擦系數較小,但熔點較低,約能承受350℃的溫度。此外氯化鐵膜遇水會發生水解,生成鹽酸,將加劇金屬表面的腐蝕。

氯系極壓劑主要指氯化石蠟、氯化油脂等脂肪族氯化物,它們具有活性強、極壓性好的優點但穩定性差,容易引起腐蝕。芳香族氯化物穩定性較好,但活性低,極壓性較差。

氯化石蠟是用得最多的含氯極壓劑,在極壓條件下,它首先發生分解,分子中的碳一氯鍵斷裂,并在金屬表面形成氯化鐵膜。為防止氯化鐵水解降低潤滑性能和腐蝕金屬,應在無水條件下工作。根據氯化石蠟中含氯量的不同,可以分為氯化石蠟-42,氯化石蠟-52,氯化石蠟-70等幾種。

4、有機金屬鹽極壓劑

目前使用的有機鹽極壓劑主要有二烷基二硫代磷酸鋅和環烷酸鉛等。

5、硼系極壓劑

由于上述傳統的極壓劑容易污染環境, 近年各國學者開始研究新型高效多功能無毒的極壓劑。其中研究開發的硼系極壓劑主要分為無機硼酸鹽和有機硼酸酯二大類。有機硼酸酯添加劑具有良好的抗磨減摩性,不腐蝕金屬,無毒無臭,但其熱氧化安定性及承載能力明顯不如無機硼酸鹽添加劑。

目前,使用較多的硼酸鹽極壓添加劑,主要是堿金屬及堿土金屬的硼酸鹽, 其粒子尺寸多數應小于0.5μm,太粗的粒子既不能形成穩定的固一油分散體系,也不能有效地進入摩擦界面而起作用。因此,還需要加入大量的分散劑, 如石油磺酸鹽或丁二酰亞胺等, 以保證硼酸鹽微粒能夠均勻穩定地懸浮在油中,并保證遇到水的情況下硼酸鹽不會結晶析出。但分散劑最大的弊端是穩定性差, 使用及儲存時容易產生沉淀,影響無機硼酸鹽添加劑功能的正常發揮。而且在遇到水時, 硼酸鹽添加劑將發生水解而降低功效,甚至結晶析出。最常用的硼酸鹽添加劑是偏硼酸鈉。