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    固體潤滑技術-二硫化鉬
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    潤滑就是用潤滑劑減少(或控制)兩摩擦表面之間的摩擦力或其他形式的表面破壞的作 用。潤滑劑包括潤滑油、潤滑脂、潤滑性粉末、薄膜材料(粘結干膜、電鍍、電泳、濺射、離 子鍍固體潤滑膜、陶瓷膜等)和整體材料(金屬基、無機非金屬基或塑料基自潤滑材料等)。潤 滑劑根據其物質狀態可以分成四類,即氣體、油類、脂類和固體潤滑劑。固體潤滑是將固體物 質涂或鍍于摩擦界面,以降低摩擦,減少磨損的措施。利用固體潤滑劑進行潤滑的方法稱為固 體潤滑。利用固體潤滑劑對摩擦界面進行潤滑的技術統稱為固體潤滑技術。
    當前,可作為固體潤滑劑的物質有石墨和二硫化鉬等層狀固態物質、塑料和樹脂等高分 子材料、軟金屬及其各種化合物等。固體潤滑技術最早應用于軍事工業,后來應用于一些高科 技領域解決了一些液體潤滑劑難以解決的困難,現在逐漸推廣到常規生產領域中,取得了良好 的效果。因而,固體潤滑技術越來越受到人們的重視;加之當前全球性能源緊迫,因此將固體 潤滑逐漸代替液體潤滑的呼聲日見高漲。目前,雖然從理論上研究固體潤滑機理日益增多,應 用固體潤滑技術解決日常遇到的潤滑問題所取得的成效也日益顯著。但各種物質的潤滑機理還 有待深入研究,許多制備工藝還有待完善[1~6],潤滑技術的效果和經濟效益還有待提高。
    本文在分析固體潤滑機理的基礎上,歸納評述國內外固體潤滑技術的研究進展,闡明了 各種潤滑方式的優缺點,以期對實際遇到的固體潤滑問題有一定的參考。
    1 固體潤滑機理
    固體潤滑的主要目的是用鍍、涂等方法將固體潤滑劑粘著在摩擦表面上形成固體潤滑膜,
    摩擦時在對偶材料表面形成轉移膜,使摩擦發生在潤滑劑內部,從而減少摩擦,降低磨損。潤
    滑膜一方面可以防止對偶材料表面直接接觸,另一方面可以減小接觸薄層的剪切強度,從而顯 著減小摩擦系數。
    固體潤滑劑具有潤滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化學吸附膜、化學反應膜、氧化膜、 涂層潤滑膜以及自潤滑膜等。某些固體潤滑劑能夠與摩擦表面形成牢固的物理吸附膜;潤滑劑
    的極性分子能夠同摩擦表面經由化學吸附形成化學吸附膜;某些潤滑劑分子可以同摩擦表面發 生化學反應而形成化學反應膜;摩擦表面或工件材料中的某些元素在高溫作用下產生氧化形成 氧化物潤滑膜;利用涂層技術可以在摩擦表面形成潤滑涂層;通過對摩擦表面材料進行合理組
    合的組分設計可以使摩擦表面材料形成自潤滑作用的自潤滑膜。 在摩擦力較小的情況下,潤滑膜較容易保持并起到減摩作用;隨著摩擦力增大,潤滑膜不
    斷磨損并脫落,摩擦副處于邊界潤滑或混合潤滑狀態;當摩擦力進一步加大并導致邊界潤滑膜
    發生破裂失效,則摩擦副將處于無潤滑的干切削狀態。在邊界潤滑條件下,摩擦力 F 為:

    F ? A ? Qs
    式中:F 為法向負荷,N;A 為真實接觸面積,m2;Qs 為壓縮屈服極限,Pa。

    (1)

    在這種情況下,摩擦表面將出現牢固的粘結點。在切向力的作用下粘結點被減斷,表面隨 即發生滑移。摩擦的過程就是粘結與滑移交替進行的過程。摩擦力主要表現為剪斷金屬粘結點
    所需的剪切力。設粘結點部分的剪切強度為 n,則摩擦力 f 為:

    f ? A ? n ? nF / Qs
    摩擦系數 u 為:
    u ? f / F ? n / Qs

    (2)

    (3)

    因此,摩擦力的大小僅與法向負荷成正比,而與實際接觸面積無關。摩擦系數取決于材 料的機械物理性能:與剪切強度成正比,與壓縮屈服極限成反比。
    2 固體潤滑材料
    早在 19 世紀產業革命期間,諸如石墨、錫,鉛等已經作為潤滑劑用于低速運轉的機器上。 在二戰期間,固體潤滑就作為研究對象提了出來。德國的馬克思?普朗克研究所和美國國家航 空和宇航局的前身國家航空委員會都曾進行過研究開發,如將二硫化鉬用于工業應用的試驗, 并開發了有機粘結固體潤滑膜、二硫化鉬潤滑脂和聚四氟乙烯潤滑劑等。到 50 年代初,美國 制定了二硫化鉬的美國軍用標準,并將其作為軍事機密。1957 年,前蘇聯把固體潤滑應用到 人造衛星上。隨后,二硫化鉬濺射膜和離子鍍膜相繼出現,氟化石墨研制成功。在以后發射的 氣象衛星、國際通訊衛星、宇宙飛船等航天工程中大量使用著各種各樣的固體潤滑材料。在新 興的產業部門和新興的技術領域中都在逐漸應用固體潤滑,如以機器人和電子計算機為主的電 子機械中,其主要的潤滑部分(如齒輪機構、諧和減速器、軸承、滾珠絲杠、鏈索和鏈輪等) 就是常用固體潤滑劑聚四氟乙烯和二硫化鉬作潤滑劑
    2.1 常用固體潤滑材料
    常用固體潤滑材料主要是指具有層狀結構的材料,如石墨,二硫化鉬等無機物,以及用于
    250℃以上的高溫潤滑材料,其中有單質硫化物、氧化物、氟化物、硒化物等。具有層狀結構 的物質,剪切強度低,容易粘附于基材表面。其他作為固體潤滑的無機物具有低的摩擦系數和高的粘著強度,容易在對偶材料表面形成轉移膜,從而起到減摩耐磨作用這些材料,除了以主 要成分單獨使用外,還可以與其他材料制成復合材料使用。
    2.2 金屬基潤滑材料
    隨著宇航技術的發展,對于在真空和惰性氣體中工作的滾動軸承提出了更高的要求。采 用一般的油脂進行潤滑較為困難,并帶來結構上的復雜性。在真空環境無潤滑狀態下,普通不 銹鋼球軸承的球和套圈界面之間常發生“冷焊”而咬合,采用固體潤滑軸承取得了實用效果。 如普通不銹鋼球軸承在模擬 24 000 r?min-1 轉速的陀螺儀上運轉 3 000 h 后就有磨痕,而用化學 氣相沉積法在硬質合金球與不銹鋼套圈表面鍍碳化鈦,經淬火后,在 24 000 r?min-1 轉速下運
    轉 25 000 h,表面沒有明顯磨損痕跡。同時,固體潤滑劑仍保持良好的潤滑性能,球軸承仍然 保持著適當的彈性,沒出現“冷焊”痕跡。
    軟金屬潤滑材料早已應用到滑動軸承上,如鉛、錫等應用于巴氏合金或鉛(錫)青銅滑動 軸承中,或用電鍍的方法把他們鍍在軸承上。這些軸承以往都采用流體潤滑,但在開始還沒有 形成膜時,鉛錫等軟金屬便作為固體潤滑劑使用,且效果較好。通常,單獨使用的軟金屬都是 以物理化學鍍覆的方法在基材表面鍍上一層極薄的固體潤滑膜,或以金屬微粉用粉末冶煉的方 法制成復合材料使用。在摩擦過程中,單質的金屬固體潤滑膜或金屬基復合材料在對偶材料表 面形成轉移膜,因而減小了摩擦磨損。軟金屬基固體潤滑膜的實用溫度很廣,可以從超低溫直 到一定的高溫;軟金屬的剪切強度低,同種軟金屬的純度越高,其臨界剪切應力就越小;軟金 屬的蒸發率低,因而能適應在幾百度的高溫和真空環境中工作。
    在實際軟金屬固體潤滑劑使用時,主要使用的他們的復合材料。即把幾種各具不同特點 的材料(如軟金屬和其他固體潤滑劑)進行人工復合,構成復合材料,使各組分間能相互取長 補短,從而得到機械性能、化學性能和摩擦學性能都較理想的金屬基復合材料。金屬基復合 材料的主要特點是:抗張強度高、剪切強度低、熔點高、尺寸穩定、耐潮濕、焊接性能好、 組織致密、有高的延展性和韌性。金屬基復合材料一般是硬質相分布于軟基體中,如青銅中 添加 Cr2O3 硬質顆粒;鎳、鉻、硼、硅基體中添加碳化鎢、碳化鈦、三氧化二鋁、氧化鉻硬
    質相等復合材料。
    2.3 高分子潤滑材料
    高分子潤滑材料根據其溫度特性分為熱塑性和熱固性兩大類。在不同使用場合,由于其 物理機械性能的某些不足,通常在其中加入起增強作用的填料和固體潤滑劑制成復合材料后使 用。熱塑性高分子潤滑材料由長鏈狀高分子構成,有結晶型和非晶型兩種。這種材料受熱后軟 化熔融,冷卻后再恢復,可以反復多次而化學結構基本不變;常見的有:聚乙烯、聚丙烯、聚 氯乙稀、聚苯乙烯、ABS 樹脂、聚甲基丙烯酸甲脂(有機玻璃)、聚先胺(尼龍)、聚甲醛,聚 碳酸脂、氯化聚醚、聚對本二甲酸乙二醇脂(線型聚酯)、氟塑料、聚苯醚、聚酰亞胺、聚砜、 聚苯硫醚。軸承等材料所用多為熔點比較固定的結晶型高分子材料,如聚乙烯、尼龍、聚縮醛、 聚四氟乙烯和聚酰亞胺。熱固性的高分子材料包括酚醛樹脂和環氧樹脂等具有三維網絡結構但 又不顯結晶性的物質。在固體潤滑膜中,這些樹脂與其說用其潤滑性,不如說作為粘結劑而發 揮其作用更為合適,熱固性高分子材料可以在常溫或受熱后起化學反應,固化成形,再加熱時 不可逆;常用的有:酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺樹脂、環氧樹脂、聚鄰(間)苯二甲酸二丙 烯酯樹脂、有機硅樹脂、聚氨酯樹脂。
    與其他固體潤滑劑相比較,高分子材料作為滑動部件具有以下優點:① 韌性好,能有效地吸收振動,無噪音,不損傷對偶材料;② 化學穩定性好,摩擦磨損對氣氛的依賴性小,在水中或海中也能使用;③ 低溫性能好,即使在液氨,液氫的超低溫條件下仍能發揮其潤滑作 用,在真空中同樣可以應用;④ 高分子材料最引人注目的優點是其與潤滑油的共存性,他具 有很強的耐油性,諸如酚醛樹脂和聚縮醛等都適應作含油軸承使用,而其他許多承受高負荷的 固體潤滑膜卻不行;⑤ 電絕緣性優良。其缺點為:機械強度低,承載能力差;不宜再高溫下 使用;有吸濕性,時效變化明顯;軸承的間隙大,因而配合精度低。
    3 固體潤滑劑的應用
    可以作為固體潤滑劑的物質很多,由于其種類和性質的差異,潤滑機理有所不同,因而 使用的形式和方法也有所不同。由于摩擦學性能是隨著各種摩擦所處的條件(如負荷、速度、 溫度、氣氛等)不同而有明顯的差異,因此在首次應用某種固體潤滑劑時,還應根據潤滑劑的 特性,結合摩擦條件進行分析,找出最佳使用條件和使用方法。
    3.1 在機械加工中的應用
    在壓力加工中,潤滑劑的首要作用應該是潤滑。有時,為了提高加工的質量或提高生產 加工的效率,必須提高加工時的溫度。但是,高溫對工具的硬度和強度都將提出更高的要求, 而且工具和坯料間容易發生粘附磨損和咬合等,這時壓力加工的潤滑和冷卻都顯得十分重要。 在切削加工中,切削中的摩擦將產生大量的熱,導致切削溫度升高,有時可以高達 1 000℃以 上。為了保證切削的質量,這時,潤滑和冷卻同樣重要。機械加工中所用的固體潤滑劑,一般 作為添加劑加入油基或水基潤滑冷卻液中。常用的固體添加劑有石墨、膨潤土、高嶺土、碳酸 鈣、硅酸鈉、硼酸鹽、MoS2、玻璃和鉛等[7~11]。利用固體潤滑劑的特性,使滑移發生在潤滑 劑內部,防止金屬間的直接接觸,避免產生燒結和燒傷。使用時可以將含有固體潤滑劑的液體 噴涂或涂抹在摩擦表面上,也可以將坯料浸入潤滑液中,使其表面形成含有固體潤滑劑的薄膜, 或將含有固體潤滑劑的液體澆注在切削區,起到潤滑冷卻作用。
    3.1.1 固體潤滑劑在壓力加工中的使用 金屬壓力加工包括壓延、拉拔、鍛造、擠壓和壓鑄等過程。壓力加工中的摩擦磨損和潤滑
    問題,是決定工藝成敗的關鍵。由于摩擦面間的接觸壓力極高且高壓接觸面積很大,隨著高壓
    所產生的變形,接觸表面不斷增大,并產生新的摩擦表面,摩擦溫度極高例如熱壓延溫度在
    1 200℃以上,有時加工過程中還要承受沖擊負荷或較強的振動,因此對潤滑劑要求特別苛刻。 一般說來,壓力加工用固體潤滑劑需要具備的特性為:能顯著降低摩擦系數;能牢固地粘著在 模具或坯料表面;在加工溫度下有良好的熱穩定性;對金屬模具和坯料無腐蝕作用;脫膜性好 對人體無傷害;不污染環境等。用于金屬模具涂敷的固體潤滑劑不僅應對表面的粘著強度高, 而且還需要滿足反復使用的要求。用于坯料涂敷的固體潤滑劑最好加工中停留在坯料表面,而 在加工后應能很容易從坯料表面被清除掉。壓力加工都必須承受 2 GPa 以上的負荷,一般使用 石墨或二硫化鉬為主體的固體潤滑劑進行潤滑;氮化硼 BN 的熔點高于 3 100℃,是一種性能良 好的耐熱潤滑劑,工作溫度可以高達 1 000℃,可作潤滑脫膜劑;硫化鋅 ZnS 可作壓力加工下的 潤滑劑;耐熱瓷漆和氟塑料也可以作耐熱潤滑劑;用玻璃粉或水玻璃作潤滑劑,一般使用溫度 可以高達 1 200℃,低溫時可以用磷酸鹽玻璃,中溫時用硼酸鹽玻璃,高溫時用硅酸鹽玻璃。
    3.1.2 固體潤滑劑在切削加工中的使用
    切削加工通常使用液體潤滑,以油基和水基切削液為基礎添加起各種作用的添加劑,以解決切削加工的冷卻潤滑問題。但在生產實踐中,人們逐漸發現,固體潤滑劑在切削加工中所 起的作用有時比常規液體潤滑還要好。因而在油基或水基切削液中添加了各種各樣的固體潤滑 劑,如石墨、二硫化鉬、氧化鉛、四氧化三鉛、硼酸鹽、聚丁烯和各種脂肪酸金屬皂等,有的 甚至淘汰了液體潤滑,直接采用固體潤滑,效果很好。在切削加工中,新發展的鍍層刀具實際 是在原刀具的基礎上鍍了一層具有一定強度和硬度并具有較好耐磨性的固體潤滑膜,一般鍍層 厚度在 5 ?m 以內,可以延長道具使用壽命數倍以上。在切削加工中,因為磨削的速度高,切 削液的主要作用在于冷卻,其次才是潤滑。所以,一般切削液的濃度比較低,添加相應的固體 潤滑劑能改善切削液的潤滑作用,但切削液的濃度較低,固體潤滑劑優異的潤滑性能不易顯露 出來。因此,要使固體潤滑劑在磨削中發揮作用,主要應用在制作砂輪時直接添加潤滑劑,制 成含有一定比例的固體潤滑劑砂輪;也可以將砂輪浸泡在含有固體潤滑劑的液體中,時固體潤 滑劑深入砂輪空隙處,也可以采用相應的裝置將固體潤滑劑輸入切削區,或用含有固體潤滑劑 的“蠟筆”涂抹有關部位。
    通常,加入切削液中的固體潤滑劑有石墨,二硫化鉬和紅丹粉。切削韌性材料時,可用 含有膠體石墨或二硫化鉬的切削液;切削脆性材料時,可用膠體石墨的乳化液;將 Pb3O4 加入10#機械油中配成粘稠液(比例不限)用于調節鋼質和不銹鋼等材料的拉絲和拉削,效果極為顯
    著;將氮化鈦,碳化鈦等耐磨性鍍層鍍于車刀,刨刀,銑刀,鉆頭和絲錐(壓頭)等刀具和工具 表面,可以延長其使用壽命。用物理氣相沉積法(HCD 法)在高速鋼(如 W18Cr4V 等)刀具表 面鍍硬質固體潤滑膜可以獲得良好的鍍膜刀具。HCD 法鍍覆氮化鈦膜層,具有高硬度,低摩
    擦系數和高耐磨性等固體潤滑膜的特性,且性能穩定,因而大大降低了刀具的磨損。
    3.2 固體潤滑劑在特殊工況中的應用
    許多特殊機械設備,包括在原子能,航空航天和電子等新興工業領域中的設備,處于特 殊工況下工作。其傳動部件中的許多摩擦副處于高速、高溫或低溫、真空和輻射等特殊條件下 工作,其摩擦狀況也具有特殊性。許多金屬基潤滑材料和高分子復合潤滑材料就是適應各種特 殊工況摩擦而產生的特殊潤滑材料。
    低溫(一般指在 0℃以下工作的摩擦副)摩擦時,對偶材料在低溫時的冷脆性和晶格結構的 變化對摩擦的影響較大。適應作低溫摩擦的材料主要是面心立方晶格如鋁、鎳、鉛、銅、銀等,
    以及致密的六方晶格(如鈦、鋅、鎂、鈷等)及其合金,石墨和氟塑料等。高溫摩擦(如航空發
    動機、原子反應堆、氣輪機等設備中)時,隨溫度升高,摩擦系數逐漸下降,當達到一定值后 又重新增大。這是因為高溫下的分子熱運動使粘附點的剪切阻力減小;若氧化物組成的薄膜的
    物理機械性能與基材相接近,便能起到減摩和防止咬合的作用。一般石油系潤滑油最高使用溫
    度為 250℃,合成系潤滑油最高使用溫度為 350℃。而固體潤滑劑氧化鉛 PbO 在 700℃時仍保 持潤滑性能,氟化鈣在 1 000℃時仍保持潤滑性能。高速摩擦狀況下,一般使用高分子復合潤
    滑劑,如將二硫化鉬添加在純環氧樹脂;鉛是耐輻射能力特別強的軟金屬固體潤滑添加劑。
    4 結束語
    (1) 可以作為固體潤滑劑的材料很多,根據其種類、性質和潤滑機理的不同,在選用時, 一定要根據潤滑劑的特性,結合摩擦條件進行分析,找出最佳使用條件和使用方法;
    (2) 固體潤滑膜的承載能力雖好,但耐久性不理想;自潤滑復合材料的承載能力較差;
    如何找出既具有好的承載能力,又具有理想的耐久性的固體潤滑滑動材料,這是今后固體潤滑 劑研究發展的方向。


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