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　　边界摩擦(boundary friction)

　　接触表面存在厚度小于十分之一微米的物理吸附或化学吸附的有机薄膜时的摩擦，也称边界润滑。边界摩擦的特点是既受吸附膜(即润滑剂)的性质的影响，也受膜下金属表面性质的影响，即接触表面间的摩擦和磨损主要取决于吸附的润滑剂的化学特性和两摩擦表面的特性。边界润滑是塑性加工中经常遇到的一种润滑状态，常发生在高压、低速的工作条件下。由于边界膜较薄，且金属表面呈凸凹不平，在载荷作用下，接触微凸体的压力很大，当两表面相互滑动时，接触点上的温度升高，致使这部分边界膜破裂，造成金属直接接触。边界摩擦状态的摩擦系数范围一般为0．05～0．15。典型的边界润滑剂是油、脂肪油、脂肪酸和皂。边界膜可以在清洁的表面迅速形成，但对某些金属如钛、不锈钢等金属表面反映很慢。各种不同的极性分子在金属表面的吸附量都有一最大值，叫做饱和吸附量。当达到饱和吸附量时，吸附膜的润滑性能好，摩擦系数保持低的稳定值。在未达到饱和吸附量时，虽然吸附膜有一定的润滑能力，但不稳定，只能短期存在。通常边界膜是在工具表面而不是在工件表面形成，并起到增强润滑的作用。

　　边界摩擦的分类 边界摩擦按润滑膜成膜机构分为非极性分子的物理吸附膜边界摩擦和极性分子的物理与化学吸附膜边界摩擦。金属塑性加工中常用的矿物油如变压器油、锭子油、汽缸油及齿轮油等，均为非极性的烃类有机化合物。这类油的分子是非极性分子，当它们与金属表面接触时，由于本身没有永久偶极，只靠在分子内部由于电子和原子核发生不对称运动而产生的瞬时偶极与金属相吸引，粘附在金属表面形成润滑油膜；它与金属不发生任何化学反应，纯属物理吸附。这种润滑膜对金属表面的吸附力及本身分子间的内聚力都很弱，因而膜的强度很低，几乎不具有边界润滑能力，即使粘度很大时，其边界润滑能力也很弱。在金属塑性加工中使用的另一类润滑剂如脂肪酸、脂肪酸皂、动植物油脂及高级醇类等是含有氧元素的极性有机化合物，在它们的分子内部，一端为非极性的烃基，另一端为极性基。这种具有永久偶极的分子与金属表面接触时，极性端与金属表面相吸引，非极性端朝外定向地排列在金属表面。极性分子的定向作用和相互吸引，会形成多层的定向排列，使吸附层更厚，通常由3～4层分子形成边界吸附膜。当接触表面相对移动时，与金属表面相吸附的分子层不发生位移，而是分子层之间发生位移，代替了金属间的摩擦，起到了润滑作用。分子膜的层数和厚度增加，摩擦系数下降。这种物理吸附膜的强度与润滑能力大大高于非极性分子的物理吸附膜，而且表面活性物质除与金属表面发生物理吸附外，在一定条件下还与金属表面发生化学反应，出现化学吸附。试验表明，当金属表面上有氧化膜，且能与脂肪酸等极性物质起反应，就地生成脂肪酸皂等物质时，润滑膜能与金属表面结合牢固，并能表现出良好的润滑效果，这就是化学吸附。化学吸附所形成的膜在金属表面上的附着力强，且化学吸附反应不可逆，从而使边界润滑能力进一步增强。

　　由于脂肪酸皂(盐)一类物质的熔点比原脂肪酸高，故解吸温度较高，润滑膜的耐热性也较好。对于变形抗力较大的高碳钢、合金钢以及不锈钢等，在冷加工条件下，上述各种边界膜都会破裂。为此，必须在润滑剂中加入某些极压添加剂(即EP剂)，如氯化石蜡(含氯量33％～40％)、硫化棉子油、硫化矿物油及硫化油酸等。这些硫、氯等添加剂在常温下不发生作用，只是当温度升高时与金属反应生成表面膜(硫的成膜温度为175～200℃)。由于硫和氯的腐蚀性和对人体有一定危害，一般不再使用，而多以石墨、二硫化钼等固体润滑剂来代替极压剂。

　　对于有的塑性加工方式，如拉拔过程中润滑剂很难进入变形区，无法形成各种表面膜，因此，必须预先对金属表面进行物理、化学或机械方法处理，以形成润滑底层(见润滑载体)，然后配合使用固体润滑剂，在表面再形成一种固体润滑膜。根据不同金属的性质，采用不同的方法形成润滑底层。如不锈钢及合金钢通常用碳加食盐，石灰加牛油以及草酸盐等处理方法。在碳钢的冷加工中，广泛采用磷酸盐膜及草酸盐膜。

　　边界摩擦时润滑膜的作用机理 塑性加工中，在摩擦界面形成一层极薄的边界润滑膜后，金属变形的摩擦阻力及变形抗力被降低了，金属的变形能力及制品的质量提高了。对于边界润滑膜降低摩擦的机理，有两种看法：(1)边界摩擦时的润滑膜内极性分子的定向排列使膜与金属表面吸附强度以及膜内分子之间的结合强度(内聚力)大大加强，从而使边界润滑膜具有较大的抗破裂能力，可以阻止金属间的粘着，使摩擦减小；(2)含有极性添加剂的润滑油，在近表面的油膜内，其粘度值要比整个油膜的粘度值大，形成明显的所谓长程粘度增加层，使剪切流动易在边界膜内部进行。这时润滑油的高压粘度是决定摩擦阻力的主要参数。由于边界润滑膜的作用本质是只有几个分子厚的薄膜起着屏蔽表面分子(原子)力场，阻止表面问的粘着作用，而边界膜的形成又涉及到化学过程，因此，把这种润滑作用机理的观点称为力学一化学观点。

　　影响边界摩擦润滑膜润滑性能的因素 (1)温度的影响。各种边界膜只能维持在一定的温度范围，超过该温度范围，边界膜将发生失向、散乱、解吸或熔化，从而失去润滑效果。这个温度通常称为临界温度。在I临界温度以下，摩擦系数不随温度而变；超过临界温度，摩擦系数急剧上升。(2)滑动速度的影响。变形方式不同，工模具表面与变形金属表面之间的相对滑动速度也不同，它对边界膜润滑性能的影响主要在于改变边界膜剪切阻力、摩擦温度对边界膜形成与作用的影响以及润滑过程中引起流体动压效应的大小。因此，对于不同的边界膜，速度的影响规律也不同。(3)面压的影响。界面上压力的影响主要表现在改变润滑剂的性质以及使边界膜破裂的程度不同。在塑性变形条件下，离金属表面1～10μm的边界层内的润滑剂的粘度与常压下的粘度极不相同，致使两种常压下粘度相近的润滑剂，在轧制时摩擦系数相差甚大，其原因是二者的高压粘度不同。也有在常温下粘度相差很大的润滑剂，但在轧制时的摩擦系数却相差很小。其原因是轧制过程中，常压粘度大有利于润滑剂带入变形区并形成较厚的边界膜，以使摩擦系数降低；但另一方面，高压粘度增加较大，使润滑膜剪切阻力及摩擦系数增大，两种作用效果相互抵消。