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    固体润滑技术-二硫化钼
    浏览?#38382;?2014-11-29
      

    润滑就是用润滑剂减少(或控制)两摩擦表面之间的摩擦力或其他?#38382;?#30340;表面破坏的作 用。润滑剂包括润滑油、润滑脂、润滑性粉末、薄膜材料(粘结干膜、电镀、电泳、溅射、离 子镀固体润滑膜、陶瓷膜等)和整体材料(金属基、无机非金属基或塑料基自润滑材料等)。润 滑剂根据其物?#39318;?#24577;可以分成四类,即气体、油类、脂类和固体润滑剂。固体润滑是将固体物 质涂或镀于摩?#20004;?#38754;,以降低摩擦,减少磨损的措施。利用固体润滑剂进行润滑的方法称为固 体润滑。利用固体润滑剂?#38405;Σ两?#38754;进行润滑的技术统称为固体润滑技术。
    当前,可作为固体润滑剂的物质有石墨和二硫化钼等层状固态物质、塑料和树脂等高分 子材料、软金属及其各种化合物等。固体润滑技术最早应用于军事工业,后来应用于一些高科 技领域解决了一些液体润滑剂难以解决的困难,现在逐渐推广到常规生产领域中,取得了良好 的效果。因而,固体润滑技术越来越受到人们的重视;加之当前全球性能源紧迫,因此将固体 润滑逐渐代替液体润滑的呼声日见高涨。目前,虽然从理论上研究固体润滑机理日益增多,应 用固体润滑技术解决?#31896;?#36935;到的润滑问题所取得的成效也日益显著。但各种物质的润滑机理还 有待深入研究,许多制备工艺还有待完善[1~6],润滑技术的效果和经济效益还有待提高。
    本文在分析固体润滑机理的基础上,归?#21892;?#36848;国内外固体润滑技术的研究进展,阐明了 各种润滑方式的优缺点,以期对实际遇到的固体润滑问题有一定的参考。
    1 固体润滑机理
    固体润滑的主要?#24247;?#26159;用镀、?#24247;?#26041;法将固体润滑剂粘着在摩擦表面上形成固体润滑膜,
    摩擦时在对偶材料表面形成转移膜,使摩擦发生在润滑剂内部,从而减少摩擦,降低磨损。润
    滑膜一方面可以防止对偶材料表面直接接触,另一方面可以减小接触薄层的剪切强度,从而显 著减小摩擦系数。
    固体润滑剂具有润滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜、氧化膜、 涂层润滑膜以及自润滑膜等。某些固体润滑剂能够与摩擦表面形成牢固的物理吸附膜;润滑剂
    的极性分子能够同摩擦表面经由化学吸附形成化学吸附膜;某些润滑剂分子可以同摩擦表面发 生化学反应而形成化学反应膜;摩擦表面或工件材料中的某些元素在高温作用下产生氧化形成 氧化物润滑膜;利用涂层技术可以在摩擦表面形成润滑涂层;通过?#38405;?#25830;表面材料进行合理组
    合的组分设计可以使摩擦表面材料形成自润滑作用的自润滑膜。 在摩擦力较小的情况下,润滑膜较容易保持并起到减摩作用;随着摩擦力增大,润滑膜不
    断磨损并脱落,摩擦副处于边界润滑或混合润滑状态?#22351;?#25705;擦力进一步加大并导致边界润滑膜
    发生破裂失效,则摩擦副将处于无润滑的干切削状态。在边界润滑条件下,摩擦力 F 为:

    F ? A ? Qs
    式中:F 为法向负荷,N;A 为真?#21040;?#35302;面积,m2;Qs 为压缩屈服极限,Pa。

    (1)

    在这种情况下,摩擦表面将出现牢固的粘结点。在切向力的作用下粘结点被减断,表面随 即发生滑移。摩擦的过程就是粘结与滑移交替进行的过程。摩擦力主要表现为剪断金属粘结点
    所需的剪切力。设粘结点部分的剪切强度为 n,则摩擦力 f 为:

    f ? A ? n ? nF / Qs
    摩擦系数 u 为:
    u ? f / F ? n / Qs

    (2)

    (3)

    因此,摩擦力的大小仅与法向负荷成正比,而与实际接触面积无关。摩擦系数取决于材 料的机械物理性能:与剪切强度成正比,与压缩屈服极限成反?#21462;?br />2 固体润滑材料
    早在 19 世纪产业革命期间,诸如石墨、锡,铅等已经作为润滑剂用于低速运转的机器上。 在二战期间,固体润滑就作为研究对象提了出来。德国的马克思?普?#22763;?#30740;究所和美国国家航 空和宇航局的前身国家航空委?#34987;?#37117;曾进行过研究开发,如将二硫化钼用于工业应用的试验, 并开发了有机粘结固体润滑膜、二硫化钼润滑脂和聚四氟乙烯润滑剂等。到 50 年代初,美国 制定了二硫化钼的美国军用标准,并将其作为军事机密。1957 年,前苏联把固体润滑应用到 人造卫星上。随后,二硫化钼溅射膜和离子镀膜相继出现,氟化石墨研制成功。在以后发射的 气象卫星、国际通讯卫星、宇宙飞船等航天工程中大量使用着各?#25351;?#26679;的固体润滑材料。在新 兴的产业部门和新兴的技术领域中都在逐渐应用固体润滑,如以机器人和电子计算机为主的电 子机械中,其主要的润滑部分(如齿轮机构、谐和减速器、轴?#23567;?#28378;珠丝杠、?#27492;?#21644;链轮等) 就是常用固体润滑剂聚四氟乙烯和二硫化钼作润滑剂
    2.1 常用固体润滑材料
    常用固体润滑材料主要是指具有层状结构的材料,如石墨,二硫化钼等无机物,以及用于
    250℃以上的高温润滑材料,其中有单质硫化物、氧化物、氟化物、硒化物等。具有层状结构 的物质,剪切强度低,容易粘附于基材表面。其他作为固体润滑的无机物具有低的摩擦系数和高的粘着强度,容易在对偶材料表面形成转移膜,从而起到减摩耐磨作用这些材料,除了以主 要成分单独使用外,还可以与其他材料制成复合材料使用。
    2.2 金属基润滑材料
    随着宇航技术的发展,对于在真空和惰性气体中工作的滚动轴承提出了更高的要求。采 用一般的油脂进行润滑较为困难,并带来结构上的复?#26377;浴?#22312;真空环境无润滑状态下,普通不 锈钢球轴承的球和套圈界面之间常发生“冷焊”而咬合,采用固体润滑轴承取得了实用效果。 如普通不锈钢球轴?#24615;?#27169;拟 24 000 r?min-1 转速的陀螺仪上运转 3 000 h 后就有磨痕,而用化学 气相沉积法在硬质合金球与不锈钢套圈表面镀碳化钛,经淬火后,在 24 000 r?min-1 转速下运
    转 25 000 h,表面没有明?#38405;?#25439;痕迹。同?#20445;?#22266;体润滑剂仍保持良好的润滑性能,球轴承仍然 保持着适当的弹性,没出现“冷焊”痕迹。
    软金属润滑材料早已应用到滑动轴承上,如铅、锡等应用于巴氏合金或铅(锡)青铜滑动 轴承中,或用电镀的方法把他们镀在轴承上。这些轴承以往都采用流体润滑,但在开始还没有 形成膜?#20445;?#38085;锡等软金属便作为固体润滑剂使用,且效果较好。通常,单独使用的软金属都是 以物理化学镀覆的方法在基材表面镀上一层极薄的固体润滑膜,或以金属微粉用粉末冶炼的方 法制成复合材料使用。在摩擦过程中,单质的金属固体润滑膜或金属基复合材料在对偶材料表 面形成转移膜,因而减小了摩擦磨损。软金属基固体润滑膜的实用温度很广,可以从超低温直 到一定的高温;软金属的剪切强度低,同种软金属的纯度越高,其临界剪切应力就越小;软金 属的蒸发率低,因而能适应在几百度的高温和真空环?#25345;?#24037;作。
    在实际软金属固体润滑剂使用?#20445;?#20027;要使用的他们的复合材料。即把?#38050;指?#20855;不同特点 的材料(如软金属和其他固体润滑剂)进行人工复合,构成复合材料,使各组分间能相互取长 补短,从而得到机械性能、化学性能和摩擦学性能都较理想的金属基复合材料。金属基复合 材料的主要特点是:抗张强度高、剪切强度低、熔点高、尺寸稳定、?#32479;?#28287;、?#38468;有阅?#22909;、 组织致密、有高的延展性和韧性。金属基复合材料一般是硬质相分布于软基体中,如青铜中 添加 Cr2O3 硬?#22763;?#31890;;镍、铬、硼、硅基体中添加碳化钨、碳化?#36873;?#19977;氧化二铝、氧化铬硬
    质相等复合材料。
    2.3 高分子润滑材料
    高分子润滑材料根据其温度特性分为热塑性和热固性两大类。在不同使?#36152;?#21512;,由于其 物理机械性能的某些不足,通常在其中加入起增强作用的填料和固体润滑剂制成复合材料后使 用。热塑性高分子润滑材料由长链状高分子构成,有结晶型和非晶型两种。这种材料受热后软 化熔融,冷却后再?#25351;矗?#21487;以反复多次而化学结构基本不变;常见的有:聚乙烯、聚丙烯、聚 氯乙稀、聚苯乙烯、ABS 树脂、聚甲基丙烯酸?#23383;?有机玻璃)、聚先胺(尼龙)、聚甲醛,聚 碳酸脂、氯化聚?#36873;?#32858;对本二甲酸乙二醇脂(线型聚酯)、氟塑料、聚苯?#36873;?#32858;酰?#21069;貳?#32858;砜、 聚苯硫?#36873;?#36724;承等材料所用多为熔点比较固定的结晶型高分子材料,如聚乙烯、尼龙、聚缩醛、 聚四氟乙烯和聚酰?#21069;貳?#28909;固性的高分子材料包括酚醛树脂和环氧树脂等具有三维网络结构但 又不显结晶性的物质。在固体润滑膜中,这些树脂与其说用其润滑性,不如说作为粘结剂而发 挥其作用更为合适,热固性高分子材料可以在常温或受热后起化学反应,固化成形,再加热时 不可逆;常用的有:酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂、聚邻(间)苯二甲酸二丙 烯酯树脂、有机硅树脂、聚氨酯树脂。
    与其他固体润滑剂相比较,高分子材料作为滑动?#32771;?#20855;有以下优点:① 韧性好,能有效地吸收振动,无噪音,不损伤对偶材料;② 化学稳定性好,摩擦磨损对气氛的?#35272;?#24615;小,在水中或海中?#26448;?#20351;用;③ 低温性能好,即使在液?#20445;?#28082;氢的超低温条件下?#38405;?#21457;挥其润滑作 用,在真空?#22411;?#26679;可以应用;④ 高分子材料最引人注?#24247;?#20248;点是其与润滑油的共存性,他具 有很?#24247;?#32784;油性,诸如酚醛树脂和聚缩醛等?#38469;?#24212;作含油轴承使用,而其他许多承受高负荷的 固体润滑膜却不行;⑤ 电绝缘性优良。其缺点为:机械强度低,?#24615;?#33021;力差;不宜再高温下 使用;有吸湿性,时效变化明显;轴承的间隙大,因而配合精度低。
    3 固体润滑剂的应用
    可以作为固体润滑剂的物质很多,由于其种类和性质的差异,润滑机理有所不同,因而 使用的?#38382;?#21644;方法也有所不同。由于摩擦学性能是随着各种摩擦所处的条件(如负荷、速?#21462;?温?#21462;?#27668;氛等)不同而有明显的差异,因此在首次应用?#25345;?#22266;体润滑剂?#20445;?#36824;应根据润滑剂的 特性,结合摩擦条件进行分析,?#39029;?#26368;佳使用条件和使用方法。
    3.1 在机械加工中的应用
    在压力加工中,润滑剂的首要作用应该是润滑。有?#20445;?#20026;了提高加工的质量或提高生产 加工的效率,必须提高加工时的温?#21462;?#20294;是,高温对工具的硬度和强度都将提出更高的要求, 而且工具和坯料间容易发生粘附磨损和咬合等,这时压力加工的润滑和冷却都显得十分重要。 在切削加工中,切削中的摩?#20004;?#20135;生大?#24247;?#28909;,导致切削温度升高,有时可以高达 1 000℃以 上。为了保证切削的质量,这?#20445;?#28070;滑和冷却同样重要。机械加工中所用的固体润滑剂,一般 作为添加剂加入油基或水基润滑冷却液中。常用的固体添加剂有石墨、膨润土、高岭土、碳酸 钙、硅酸钠、硼酸盐、MoS2、玻璃和铅等[7~11]。利用固体润滑剂的特性,使滑?#21697;?#29983;在润滑 剂内部,防止金属间的直接接触,避免产生烧结和烧伤。使用时可以将含有固体润滑剂的液体 喷涂或涂抹在摩擦表面上,也可以将坯料浸入润滑液中,使其表面形成含有固体润滑剂的薄膜, 或将含有固体润滑剂的液体浇注在切削区,起到润滑冷却作用。
    3.1.1 固体润滑剂在压力加工中的使用 金属压力加工包括压延、拉拔、锻造、挤压和压铸等过程。压力加工中的摩擦磨损和润滑
    问题,是决定工?#31896;?#36133;的关键。由于摩擦面间的接触压力极高且高压接触面积很大,随着高压
    所产生的变形,接触表面不断增大,并产生新的摩擦表面,摩擦温度极高例如热压延温度在
    1 200℃以上,有时加工过程中还要承受冲击负荷或较?#24247;?#25391;动,因此对润滑剂要求特别?#37327;獺?一般?#36947;矗?#21387;力加工用固体润滑剂需要具备的特性为:能显著降低摩擦系数;能牢固地粘着在 模具或坯料表面;在加工温?#35748;?#26377;良好的热稳定性;对金属模具和坯料无腐蚀作用;脱膜性好 对人体无伤害;不污染环境等。用于金属模具涂敷的固体润滑剂不仅应对表面的粘着强度高, 而?#19968;?#38656;要满足反复使用的要求。用于坯料涂敷的固体润滑剂最好加工?#22411;?#30041;在坯料表面,而 在加工后应能很容易?#20248;?#26009;表面被清除掉。压力加工都必须承受 2 GPa 以上的负荷,一般使用 石墨或二硫化钼为主体的固体润滑剂进行润滑?#22351;?#21270;硼 BN 的熔点高于 3 100℃,是一种性能良 好的耐热润滑剂,工作温度可以高达 1 000℃,可作润滑脱膜剂;硫化锌 ZnS 可作压力加工下的 润滑剂;耐热瓷漆和氟塑料也可以作耐热润滑剂;用玻璃粉或水玻璃作润滑剂,一般使用温度 可以高达 1 200℃,低温时可以用磷酸盐玻璃,中温时用硼酸盐玻璃,高温时用硅酸盐玻璃。
    3.1.2 固体润滑剂在切削加工中的使用
    切削加工通常使用液体润滑,以油基和水基切削液为基础添加起各种作用的添加剂,以解决切削加工的冷却润滑问题。但在生产实践中,人们逐渐发现,固体润滑剂在切削加工中所 起的作用有时比常规液体润滑还要好。因而在油基或水基切削液中添加了各?#25351;?#26679;的固体润滑 剂,如石墨、二硫化钼、氧化铅、四氧化三铅、硼酸盐、聚丁烯和各种脂肪酸金属皂等,有的 甚至淘汰了液体润滑,直接采用固体润滑,效果很好。在切削加工中,新发展的镀层刀具实际 是在原刀具的基础上镀了一层具有一定强度和硬度并具有较好耐磨性的固体润滑膜,一般镀层 厚度在 5 ?m ?#38405;冢?#21487;以延长道具使用寿命数倍以上。在切削加工中,因为磨削的速度高,切 削液的主要作用在于冷却,其次才是润滑。所以,一般切削液的浓?#32570;冉系停?#28155;加相应的固体 润滑剂能改善切削液的润滑作用,但切削液的浓度?#31995;停?#22266;体润滑剂优异的润滑性能不易显露 出来。因此,要使固体润滑剂在磨削中发挥作用,主要应用在制作砂?#36136;?#30452;接添加润滑剂,制 成含有一定比例的固体润滑剂砂轮;也可以将砂轮浸泡在含有固体润滑剂的液体中,时固体润 滑剂深入砂轮空隙处,也可以采用相应的装置将固体润滑剂输入切削区,或用含有固体润滑剂 的“蜡笔”涂抹有关部位。
    通常,加入切削液中的固体润滑剂有石墨,二硫化钼和红丹粉。切削韧性材料?#20445;?#21487;用 含有胶体石墨或二硫化钼的切削?#28023;?#20999;削脆性材料?#20445;?#21487;用胶体石墨的乳化?#28023;?#23558; Pb3O4 加入10#机械油中配成粘稠液(比例不限)用于调节钢质和不锈钢等材料的拉丝和拉削,效果极为显
    著;将氮化钛,碳化钛等耐磨性镀层镀于车刀,刨刀,?#36710;叮?#38075;头和丝锥(压头)等刀具和工具 表面,可以延长其使用寿命。用物理气相沉积法(HCD 法)在高速钢(如 W18Cr4V 等)刀具表 面镀硬?#20351;?#20307;润滑膜可以获得良好的镀膜刀具。HCD 法镀覆氮化钛膜层,具有高硬度,低摩
    擦系数和高耐磨性等固体润滑膜的特性,且性能稳定,因而大大降低了刀具的磨损。
    3.2 固体润滑剂在特殊工况中的应用
    许多特殊机械设备,包括在原子能,航空航天和电子等新兴工业领域中的设备,处于特 殊工况下工作。其传动?#32771;?#20013;的许多摩擦副处于高速、高温或低温、真空和辐射等特殊条件下 工作,其摩擦状况也具有特殊性。许多金属基润滑材料和高分子复合润滑材料就是适应各种特 殊工况摩擦而产生的特殊润滑材料。
    低温(一般指在 0℃以下工作的摩擦副)摩擦?#20445;?#23545;偶材料在低温时的冷脆性和晶格结构的 变化?#38405;?#25830;的影响较大。适应作低温摩擦的材料主要是面心立方晶格如铝、镍、铅、铜、银等,
    以及致密的六方晶格(如?#36873;?#38156;、镁、钴等)及其合金,石墨和氟塑料等。高温摩擦(如航空发
    动机、原子反应?#36873;?#27668;轮机等设备中)?#20445;?#38543;温度升高,摩擦系数逐渐下降,当达到一定值后 ?#31181;?#26032;增大。这是因为高温下的分子热运动使粘?#38477;?#30340;剪切阻力减小;若氧化物组成的薄膜的
    物理机械性能与基?#21335;?#25509;近,便能起到减摩和防止咬合的作用。一般石油系润滑油最高使用温
    度为 250℃,合?#19978;?#28070;滑油最高使用温度为 350℃。而固体润滑剂氧化铅 PbO 在 700℃时仍保 持润滑性能,氟化钙在 1 000℃时仍保持润滑性能。高速摩擦状况下,一般使用高分子复合润
    滑剂,如将二硫化钼添加在纯环氧树脂;铅是耐辐射能力特别?#24247;?#36719;金属固体润滑添加剂。
    4 结束语
    (1) 可以作为固体润滑剂的材料很多,根据其种类、性质和润滑机理的不同,在选用?#20445;?一定要根据润滑剂的特性,结合摩擦条件进行分析,?#39029;?#26368;佳使用条件和使用方法;
    (2) 固体润滑膜的?#24615;?#33021;力虽好,但耐久性不理想;自润滑复合材料的?#24615;?#33021;力较差;
    如何?#39029;?#26082;具有好的?#24615;?#33021;力,又具有理想的耐久性的固体润滑滑动材料,这是今后固体润滑 剂研究发展的方向。


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