第四章固体润滑材料

第四章:固体润滑二、固体润滑材料固体润滑剂的作用是以固体润滑物质（如固体粉末、薄膜及固体复合材料等）来减少作相对运动两表面的摩擦与磨损，并保护该表面，在固体润滑过程中，固体润滑剂和周围介质要与摩擦表面发生物理、化学反应生成固体润滑膜，降低磨擦磨损。固体润滑剂的材料有无机化合物（石墨、二硫化钼、氮化硼等）、有机化合物（蜡、聚四氟乙烯、酚醛树脂）和金属（Pb\Sn\Zn）以及金属化合物，其中以石墨和二硫化钼应用最广。固体润滑剂的适用范围比较广，从1000℃以上的白热高温到液体氢的深冷低温，无论在严重腐蚀气体环境中工作的化工机械，还是受到强辐射的宇宙机械，都能有效地进行润滑。1、常见固体润滑剂的种类：①粉状润滑剂：有二硫化钼粉剂、二硫化钨粉剂、二硫化钼P型、胶体石墨粉。②膏状润滑剂：有二硫化钼重型机床油膏、二硫化钼齿轮油润滑油膏、二硫化钼高温齿轮油膏、特种二硫化钼油膏、齿轮润滑用GM-1型成油膜膏。2、固体润剂的基本性能与摩擦表面能牢固地附着，有保护表面功能固体润滑剂应具有良好的成膜能力，能与摩擦表面形成牢固的化学吸附膜或物理吸附膜，在表面附着，防止相对运动表面之间产生严重的熔焊或金属的相互转移。抗剪强度较低固体润滑剂具有较低的抗剪强度，这样才能使摩擦副的摩擦系数小，功率损耗低，温度上升小。而且其抗剪强度应在宽温度范围内不发生变化，使其应用领域较广。稳定性好，包括物理热稳定，化学热稳定和时效稳定，不产生腐蚀及其他有害的作用。①、物理热稳定是指在没有活性物质参与下，温度改变不会引起相变或晶格的各种变化，因此不致于引起抗剪强度的变化，导致固体的摩擦性能改变。②、化学热稳定是指在各种活性介质中温度的变化不会引起强烈的化学反应。要求固体润滑剂物理和化学热稳定，是考虑到高温、超低温以及在化学介质中使用时性能不会发生太大变化，而时效稳定是指要求固体润滑剂长期放置不变质，以便长期使用。此外还要求它对轴承和有关部件无腐蚀性、对人畜无毒害，不污染环境等。要求固体润滑剂有较高的承载能力：因为固体润滑剂往往应用于严酷工况与环境条件如低速高负荷下使用，所以要求它具有较高的承载能力，又要容易剪切。3、固体润滑剂的使用方法1)作成整体零件使用：某些工程塑料如聚四氟乙烯、聚缩醛、聚甲醛、聚碳酸脂、聚酰胺、聚砜、聚酰亚胺、氯化聚醚、聚苯硫醚和聚对苯二甲酸酯等的摩擦系数较低，成形加工性和化学稳定性好，电绝缘性优良，抗冲击能力强，可以制成整体零部件，若采用环璃纤维、金属纤维、石墨纤维、硼纤维等对这些塑料增强，综合性能更好，使用得较多的有齿轮、轴承、导轨、凸轮、滚动轴承保持架等。2)作成各种覆盖膜来使用：通过物理方法将固体润滑剂施加到摩擦界面或表面，使之成为具有一定自润滑性能的干膜，这是较常用的方法之一。成膜的方法很多，各种固体润滑剂可通过溅射、电泳沉积、等离子喷镀、离子镀、电镀、粘结剂粘结、化学生成、挤压、浸渍、滚涂等方法来成膜。市面上已出现了无润滑轴承及采用纳料技术的固体润滑剂。3)制成复合或组合材料使用：所谓复合（组合）材料，是指由两种或两种以上的材料组合或复合起来使用的材料系统。这些材料的物理、化学性质以及形状都是不同的，而且是互不可溶的。组合或复合的最终目的是要获得一种性能更优越的新材料，一般都称为复合材料。4)作为固体润滑粉末使用：将固体润滑粉末（如ＭoＳ2）以适量添加到润滑油或润滑脂中，可提高润滑油脂的承载能力及改善边界润滑状态等，如ＭoＳ2油剂、ＭoＳ2油膏、ＭoＳ2润滑脂及ＭoＳ2水剂等。4、几种常用固体润滑剂的润滑作用及性能1)胶体石墨粉：石墨在摩擦状态下，能沿着晶体层间滑移，并沿着摩擦方向定向。石墨与钢、铬和橡胶等的表面有良好的粘附能力，因此，在一般条件下，石墨是一种优良的润滑剂。但是，当吸附膜解吸后，石墨的摩擦磨损性能会变坏。所以，一般倾向于在氧化的钢或铜的表面上以石墨作润滑剂。2)氟化石墨：与石墨或二硫化钼相比，它的耐磨性好，这是由于氟碳键的结合能较强所致。层与层之间的距离比石墨大得多，因此更容易在层间发生剪切。由于氟的引入，使它在高温、高速、高负荷条件下的性能优于石墨或二硫化钼，改善了石墨在没有水气条件下的润滑性能。3)二硫化钨粉剂：不溶于水、油、醇、脂及其他有机溶剂，除氧化性很强的硝酸、氢氟酸、硝酸与盐酸的混合酸以外，对一般的酸、碱溶液也不溶。在大气中分解温度为510℃，593℃氧化迅速，在425℃以下可以常期润滑，4)二硫化钼齿轮润滑油膏:由极压抗磨的二硫化钼粉剂再调制高粘度矿油的油膏中，并添加增粘剂制成。具有很强的抗水性、粘着性、抗极压性（PB值为1200N），抗磨减摩性，以良好的润滑性、机械安定性和胶体安定性。适合中、轻型齿轮设备、各类型的推土机、通井机的齿轮及开式齿轮。使用前，先将齿轮洗干净，然后在齿面上涂上一层油膏。不要过厚。但要均匀无空白。5)聚四氟乙烯：聚四氟乙烯有很好的化学安定性和热稳定性。在高温下与浓酸、浓碱、强氧化剂均不发生反应，即使在王水中煮沸，其重量及性能都没有变化。而且它在很宽的温度范围和几乎所有的环境气氛下，都能保持良好化学安定性、热稳定性以及润滑性。聚四氟乙烯具有各向异性的特性，在滑动摩擦条件下，也能发生良好的定向。它的摩擦系数比石墨、ＭoＳ2都低。一般聚四氟乙烯对钢的摩擦系数常引用为0.04在高负荷条件下，摩擦系数会降低到0.06.6)尼龙：尼龙的摩擦系数随负荷的增加而降低，在高负荷条件下，摩擦系数可以降至0.1～0.15左右；在摩擦表面存在有油或水时，摩擦系数有更大的下降趋势。尼龙的摩擦系数还随着速度的增加或表面温度的升高而下降。尼龙的耐磨损性好，特别是在有大量尘土、泥砂的环境中，它所表现出来的耐磨损性是其他塑料无法与之相比的。在摩擦表面上有泥砂、尘土或其他硬质类材料存在时，尼龙的耐磨性比轴承钢、铸铁甚至比经淬火表面镀铭的碳钢还要好。在应用尼龙材料时，要特别注意选择与其相互对摩的材料。在摩擦界面有硬质微粒存在时，尼龙的耐磨损性是一般钢材不能与之相比的。如用尼龙轴瓦代替表铜轴瓦时，被磨损的是轴，轴是不易更换零件，它被磨损后会带来严重后果。尼龙的缺点是：吸潮性强、吸水性大、尺寸稳定性差，这在铸型尼龙表现得更为突出。尼龙的热传导系数小，热膨胀系数大，加之摩擦系数也不算低，因此最好用于有油至少是少油润滑和有特殊冷却装置的条件下。7)聚甲醛：聚甲醛是一种不透明乳白色的结晶性线型聚合物，具有良好的综合性和差色性的高熔点、高结晶性的热塑性工程塑料，是塑料中力学性能与金属较为接近的品种之一，它的尺寸稳定性好，耐水、耐冲击、耐油、耐化学药品及耐磨性等都非常优良。它的摩擦系数和磨耗量较低，适用于长期经受摩擦滑动的部件，如机床导轨。在运动部件中使用时不需使用润滑剂，具有优良的自润滑作用。8)聚酰亚胺：均苯型聚酰亚胺的长期使用温度为260℃，具有优良的耐摩擦、耐磨损性能和尺寸稳定性。它具有优良的耐油和耐有机溶剂性，能耐一般的酸，但在浓硫酸和发烟硝酸等强氧化剂作用下会发生氧化降解，在高温下仍具有优良的介电性能。但它不耐碱，成本也较高。它在惰性介质中，在高负荷和高速下的磨损量极小。9)聚对羟基苯甲酸酯：聚对羟基苯甲酸酯是全芳香族的聚酯树脂。分子结构是直链状的线性分子，但结晶度很高（大于90％），使它难以熔融流动，因而具有热固性树脂的成型特性。它与金属的性能接近，是目前塑料中热导率和空气中的热稳定性最高的品种，在高温下还呈现与金属相似的非粘性流动。它是一种摩擦系数极低的自润滑材料，摩擦系数可达到0.005，甚至比用润滑油、脂润滑时的还低。它可作为耐腐蚀泵、超音速飞机外壳钛合金的涂层材料。但其热塑成型较为因难，需用高速高能锻造成直接经济损失成型，或是采用等离子喷涂及一般金属加工方法加工。10)软金属：金、银、锡、铅、镁、铟等软金属可作为固体润滑剂使用。软金属可以单独或是和其他润滑剂一起使用。其应用方法有二种，一是以薄膜的形式应用，既将铅、锌、锡等低熔点软金属、合金作为干膜那样使用，铜和青铜等虽然并非低熔点，有时也可这样使用。另一种使用方法是将软金属添加到合金或粉末合金中作为润滑成分以利用其润滑效果，如一般的白色合金（轴承合金）、油膜轴承合金（Kelmet）等就含有铅、锑、锌、锡、铟等软金属，又如烧结合金摩擦材料与电刷材料集流环和触点等也可使用含软金属如银、金等成分。软金属的摩擦系数较大，但与润滑油并用时，可降低其摩擦系数及磨损，膜厚对软金属的润滑影响较大，如烟膜厚度小于0.1ｍ时，则润滑膜易于破环，厚于0.01mm时则摩擦系数增大，故应有适当的厚度。5、二硫化钼粉剂：①、二硫化钼的理化性质;二硫化钼（MoS2）是由钼矿化学加工制得的一种主要的钼化合物。黑色粉末，有金属光泽，属六方晶系，有类似石墨的滑腻感。熔点高达1185℃，密度4.80克／厘米3（14℃），莫氏硬度1.0～1.5。1370℃开始分解，1600℃分解为金属钼和硫。在空气中加热至450℃开始升华。摩擦系数较低（0.05～0.09）,并且高温下仍保持低摩擦系数。有反磁性，化学稳定性和热稳定性能好。不溶于水，不易受酸、碱的侵蚀。二硫化钼是辉钼矿的主要含钼组分，工业上采用辉钼矿提纯法和合成法来制取。①提纯法：用盐酸和氢氟酸加热处理辉钼矿,除去对润滑不利的硅、铁等杂质,再用热水洗涤，在110℃下干燥得二硫化钼产品，纯度约98％。此法需使用毒性大的氢氟酸，但收率高、流程短、经济效果好。②合成法：将钼酸铵溶液送入硫化器，用硫化氢硫化，生成硫代钼酸铵，用盐酸酸化成三硫化钼，再进行热分解得到二硫化钼，其反应如下：(NH4)2MoO4+4H2S─→(NH4)2MoS4+4H2O(NH4)2MoS4+2HCl─→MoS3+2NH4Cl+H2SMoS3─→MoS2+S此法所得产品纯度可达99％，但流程长、收率低。②、二硫化钼的用途：它也被被誉为“高级固体润滑油王”。二硫化钼是由天然钼精矿粉经化学提纯后改变分子结构而制成的固体粉剂。黑色稍带银灰色，有金属光泽，触之有滑腻感，溶于水。产品具有分散性好，不粘结的优点，可添加在各种油脂里，形成绝不粘结的胶体状态，能增加油脂的润滑性和极压性。也适用于高温、高压、高转速高负荷的机械工作状态，延长设备寿命。二硫化钼用于摩擦材料主要功能是低温时减摩，高温时增摩，烧失量小，在摩擦材料中易挥发;主要用于制润滑脂、固体润滑膜添加剂、尼龙等填充剂、催化剂。③、二硫化钼的特性;减摩:由超音速气流粉碎加工而成的二硫化钼粒度达到325-2500目，微颗粒硬度1-1.5，摩擦系数0.05-0.1，所以它用于摩擦材料中可起到减摩作用；增摩:二硫化钼不导电，存在二硫化钼、三硫化钼和三氧化钼的共聚物。当摩擦材料因摩擦而温度急剧升高时，共聚物中的三氧化钼颗粒随着升温而膨胀，起到了增摩作用；防氧化:二硫化钼是经过化学提纯综合反应而得，其PH值为7-8，略显碱性。它覆盖在摩擦材料的表面，能保护其他材料，防止它们被氧化，尤其是使其他材料不易脱落，贴附力增强；细度:325目-2500目;SIO2:0;PH值:7-8;密度:4.8-5.0g/cm3;硬度:1-1.5;烧失量:18-22%;摩擦系数:0.05-0.09。④、二硫化钼的润滑性能：二硫化钼良好的润滑性能是由其晶体结构决定的。因为每个分子层的硫原子与钼原子之间的结合力很强，而分子之间的硫原子与钼原子之间的结合力很弱，因而产生了一个低剪切力的平面，当分子之间受到很小的剪切力时沿分子层很容易断裂，而形成滑移面。例如，在厚度为0.5µm的二硫化钼表面膜中有800个分子层和799个滑移面。这些众多的滑移面使原来相对滑移的两金属表面的直接接触转化为二硫化钼分子层的相对滑移，从而降低了摩擦因数，减少了磨损。二硫化钼涂在螺栓、螺母上的作用：1）装配顺畅。这是螺纹装配的最低要求。有的螺栓在拧紧时非常吃力，如果加点润滑剂使摩擦变小，拧起来自然就省力多了。2）应力均布。在精密装配当中，希望各个螺栓的预紧力一致，通常采取力矩扳手来测量。因为每个螺栓的摩擦力各不相同，同样的力矩，每个螺栓的拉伸长度和夹紧力肯定也不相同，过大则可能使螺栓断裂或机体