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技术知识

主要固体润滑剂介绍

固体润滑剂是指用以分隔摩擦副对偶表面的一层低剪切阻力的固体材料。对于这类材料,除了要求具有低剪切阻力外,与基底表面之间还应具备较强的键联力。这也就是说,载荷由基底承受,而相对运动发生在固体润滑剂内。
使用固体润滑剂的优点在于:润滑油脂的使用温度范围一般为-60℃~+350℃,超过这一温度范围,润滑油脂将无能为力,而固体润滑剂却能充分发挥其效能;润滑油脂的承载能力也远远不如固体润滑剂;在高真空、强辐射、活性或惰性气体环境中以及在水或海水等流体中,润滑油脂容易失效,也需借助于固体润滑剂;固体润滑剂在贮存,运输和使甩过程中,对环境和产品的污染也比润滑油脂少得多;固体润滑剂还特别适合于要求无毒、无臭、不影响制品色泽的食品和纺织等行业;固体润滑剂的时效变化小,保管较为方便。然而,固体润滑剂的缺点也很突出,例如润滑膜一旦失效就难以再生;一般地说,其摩擦因数比润滑油脂的大;摩擦界面上的热量不易被带走或逸散;容易产生碎屑、振动和噪声等。
常用的固体润滑剂有:层状固体材料(如石墨、二硫化钼、氮化硼等)、其它无机化合物(如氟化锂、氟化钙、氧化铅、硫化铅等)、软金属(如铅、铟、锡、金、银、镉等)、高分子聚合物(如尼龙、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等)和复合材料。
一、层状固体材料
层状固体具有层片状结晶结构,同一层内的原子间结合力较强,而层与层之间原子间的结合力较弱。这种层片状晶体的叠合,意味着垂直于层片方向可以承受很大的压力,而沿层片方向只要有一个较小的切向力作用,就会很容易地使层片与层片相互错开,故能承受较大压力而摩擦因数较小。这种承压能力大而抗剪切力低的材料,为摩擦副提供了良好的润滑。这一点与吸附膜相似。
1、石墨
石墨为层片状碳,层与层之间的结合力较小。在切向力作用下,层与层之间容易滑动。在大气条件下,石墨对石墨或石墨对钢的摩擦因数大约为0.1~0.15,具有明显的减摩效果;而在真空中,石墨间的摩擦因数则上升为0.5~0.8。在摩擦过程中,经过除气处理的石墨一旦导入空气、氧气、水蒸气或苯、乙醇、丙酮、庚烷蒸汽等,则摩擦因数将很快降低,而当导入氮或二氧化碳等气体,却并先降低摩擦的效果。
不论是天然石墨还是人造石墨,使用前均应粉碎。作为润滑剂,特别是粉剂,应以天然石墨为主。使用时,可直接将石墨粉加在摩擦副对偶表面之间,也可以将石墨和其它材料制成复合材料使用;也有把碳一石墨粉压制成块,经切削(或不经切削)制成零件(已成功地应用于压缩机活塞环等零件上),这种材料具有很好的自润滑效果。若把石墨粉加在油(或脂)中作为润滑剂使用,则在重载作用下油膜破裂时,石墨仍能继续起润滑作用。将石墨粉加在水中,并添加合适的粘结剂制成的润滑剂,已成功地应用于热轧等工艺中。
石墨的化学稳定性好,抗辐射能力强,无毒,价格低等,都是其优点,但因石墨的热稳定性较差,所以限制了它以粉状或块状固体膜的形式使用。石墨在325℃时与氧接触会生成CO2,因而一般最高使用温度不超过400℃。
将石墨置于氟气中,经加热可制备氟化石墨。氟化石墨呈白色(或接近白色),不像石墨的磨屑会污染摩擦副或产品。在27~345℃的温度内,氟化石墨的摩擦因数比石墨小,其寿命则比石墨长。它在真空和惰性气体中也具有润滑性,从而改善了石墨在无水蒸气条件下的润滑性。氟化石墨的缺点是价格较贵。
2、二硫化钼
二硫化钼粉剂是由天然辉钼精矿经化学提纯制成。其分散性高、纯度高、吸附性强、色黑稍带银灰色、有金属光泽、触之有滑腻感、不溶于水。它也是一种具有层状结构的材料。由于结合强度低,很容易沿解理平面滑移,所以剪切阻力小,摩擦因数小。在大气中,MoS2解理面与钢表面的摩擦因数只有0.1左右,即使在真空中也只有0.2。MoS2在干燥氮气中的润滑性能很好,但在干燥氧气和潮湿空气中则润滑性较差,这些润滑特性均与石墨不同。MoS2在420~430℃内就会快速氧化,当温度超过800℃时,MoS2可能分解,而金属钼的摩擦因数相当大,因此润滑性能就大大下降。
二硫化钼的常见使用方法有下列几种。
①、干膜将MoS2置于摩擦副对偶表面间,靠摩擦副对偶表面间的机械作用而形成一层附结于摩擦表面的薄膜。制备干膜以前,应先将摩擦表面净化,擦除油污、锈斑并清除尘埃,只有这样才能在摩擦表面上形成一层粘结强度高的MoS2表面膜。对于不易导入MoS2粉剂的摩擦副,可将MoS2粉混入有挥发性的流体中,将其喷涂在摩擦表面上,待流体挥发后即形成表面膜。但这样制备的表面膜,不仅粘结强度低,而且不像经机械作用所形成的表面膜那样按最优取向排列。
②、涂敷膜将MoS2粉加入树脂或其它粘合剂形成悬浮胶体,然后喷涂、侵入或简单地刷涂到表面上。事先对表面进行仔细清洗和预处理,这有利于耐磨寿命的增加。
③、复合材料将MoS2粉加入金属基或塑料基的复合材料中,可以直接用来制造零件,也可用来覆盖在金属表面上,其中所含的MoS2(或其它低剪切强度材料)组分起润滑作用。
④、润滑油或脂的添加剂可将MoS2粉以较低的浓度(<1%)作为齿轮油和发动机油的添加剂,也可以较高的浓度作切削液的添加剂。但主要是以0.5%~18%的浓度用作润滑脂的添加剂,最常用于锂基脂。当由于热或机械作用而使油或脂的润滑能力衰减时,MoS2就起着保护摩擦表面的作用。当用于在接近润滑脂滴点温度下工作的滑动轴承中时,MoS2的浓度以6%-8%为最佳。
3、与二硫化钼相类似的材料
硫族元素,除硫外,尚有硒(Se),碲(Te)等。它们与难熔金属如钨(W),钒(V),钽(Ta)和铌(Nb)等形成二硫族化合物,如WS2,WSe2,NbSe2,TaS2等,其结构均为六方晶体。在真空、辐射以及高温下,这些化合物的性能均优于石墨、MoS2。这一特点可能因铌、钽、钨的原子直径大于钼原子,削弱了解理面间的范德华力,因而使这些化合物的剪切阻力降低。
4、氮化硼
氮化硼(BN)也是一种具有层状结构的材料,它与传统的固体润滑剂相比,石墨的解理面上全是碳原子,MoS2的解理面上全是硫原子,而氮化硼的解理面上既有氮原子又有硼原子。当它在大气中常温条件下与金属表面接触而相对运动时,摩擦因数约为0.2~0.4,比石墨大,但随着温度的升高而减小。BN的摩擦性能不受水蒸气影响,但在有气体(如庚烷)中,摩擦因数小于0.2。在大气条件下,BN在温度高达900℃时仍有较小的摩擦因数和良好的化学稳定性。将BN加入润滑油中,可以作为高温润滑剂使用。
二、氧化物、卤化物及其它化合物
1、氧化物
众所周知,钢铁表面的氧化膜具有保护表面的作用。当金属表面直接接触并发生粘着时,摩擦磨损就增加,一旦表面存在.氧化物则摩擦磨损就可减小。氧化铬(Cr2O3),氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)的熔点约在1600~3000℃之间,均有可用作高温工况下的表面保护膜。氧化硼(B2O3)在400℃以下的摩擦因数并不小,但当温度接近熔点时下降到0.1左右。氧化铅(PbO)在常温下的摩擦因数不小(约为0.3~0.4),但在200~650℃温度范围内只有0.1~0.15,确实也是一种很好的高温润滑材料。
2、卤化物
氟化物的质地较软,抗剪强度较低,并且有化学惰性,可覆盖在金属表面上起润滑作用,是良好的高温固体润滑剂。氟化钙(B2O3)和氟化钡(BaF2)应用温度范围比PbO更宽,在空气或氢气中,CaF2-LiF以及CaF2-BaF2等混合物,即使在高达650~820℃的高温下,仍有低摩擦的效果。
3、其它化合物
硼酸盐也是高温固体润滑剂,在熔融状态下才显示出优良的润滑性能,当温度超过480℃时,它具有流体动力效应,超过760℃时则起边界润滑剂作用。在高温下,硼酸与金属氧化物起反应而形成玻璃。硫化硼在高温中的低摩擦则归因于硼酸。此外,各种玻璃,如硼酸铅玻璃、硼硅酸铅玻璃、铝硅酸盐玻璃等,可以用于500~800℃的温度范围,而硅玻璃甚至可用于超过1100℃的高温。用玻璃润滑的缺点是难以从润滑表面将其清除。
三、聚合物
近年来,高分子材料在工程中的应用日益普遍。热固性塑料,如酚醛树脂、环氧树脂等,具有网络状结构,但无晶态性状,并不是理想的润滑材料,与其它润滑剂组合使用,实质上只起到粘结剂的作用。热塑性塑料有晶态的,也有非晶态的,如聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙(PA),聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC),聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等,其中有些材料可以直接用于润滑,有些材料则须与其它材料组合在一起而产生润滑效果。用聚合物润滑的主要优点是:化学稳定性好,在低温、真空中以及各种气氛中仍能有效润滑,与润滑油脂一起使用不发生干扰。其缺点则是:机械强度和承载能力低,热传导能力弱,只能在有限的载荷及温度条件下使用。
1、聚乙烯(PE)
聚乙烯的摩擦因数约为0.3~0.35,耐磨性也比较好。高密度聚乙烯的摩擦因数只有0.1~0.14,减摩效果更佳。
2、聚四氟乙烯(PTFE)
聚四氟乙烯的摩擦因数很小(约为0.05-0.1),而耐磨性能很差,化学稳定性则很好,在高达260℃的温度下仍能表现出良好的低摩擦性能。PTFE可通过涂敷工艺或在金属表面上涂擦而靠机械作用附结于表面上,也可以将其编织而用粘结剂粘合在表面上,还可将PTFE喷涂于表面上,在>325℃温度下烧结(可用其它树脂粘结),再在较低温度下固化。单独使用PTFE时,只适用于中等滑动速度、轻载以及防粘,但使用MoS2会造成污染的场合。
3、尼龙(PA)
尼龙有一定的低摩擦性能(摩擦因数约为0.15~0.35)和良好的耐磨性,在载荷作用下会发生冷流,在潮湿空气中会吸水膨胀。尼龙基体中以玻璃纤维作填充料可以降低冷流,而添加MoS2和PTFE则可降低摩擦。
4、聚酰亚胺(PI)
聚酰亚胺在常温时摩擦因数较高(约0.47),在100℃以上时,摩擦较小,寿命也比较长。PI的机械强度和耐温性能较好,使用温度范围为-240~+360℃,连续使用的最高温度可达260℃。
四、软金属
软金属如铅、镉、铟、金或银等,可用作硬质基底的表面涂层。在常规润滑剂不起作和在极高温以及特殊工况下,它们可以为摩擦面提供一层有效的润滑膜。载荷由基底承受,切向运动则发生在低抗剪强度的软金属膜中。虽然这些软金属的摩擦因数要比MoS2、PTFE等材料高些,但可有效地应用于防腐蚀、耐辐射和高温的场合。
软金属膜的膜厚对润滑的有效性影响很大。在硬基底(如钢)表面镀敷或浸涂一层软金属(铅膜或铟膜等),与钢配对摩擦,如果软金属层过薄,则在承载并作相对运动的过程中很容易破裂或穿透,这时又变成基底金属直接接触,使摩擦增大且磨损加剧。在轻载作用下,钢对以铅膜覆盖的钢表面的摩擦因数与钢对整块铅的摩擦一样;当载荷增加到某一数值时,涂敷的软金属层减薄,此薄层在载荷的作用下有类似流体膜的特性,摩擦因数也同时降低。一般地说,软金属膜的厚度为10-6~10-7m时,润滑效果最佳。实质上,在适当的膜厚和载荷条件下,当温度达到软金属的熔点时,其摩擦因数为最小。
软金属层材料与基底金属应有较好的相容性,同时还要求软金属有一定的耐磨能力。例如,摩擦副为同种材料(如钢对钢),当采用能溶于基底金属的软金属时,就可能得到满意的粘附强度,但是这与配对表面的相容性要求相矛盾,因当薄层被穿透后,或摩擦副穿过软金属层扩散时,就将发生钢与钢的直接接触,从而引起粘着。如摩擦副用钢(S)对钢(S)组成,在某一钢表面上用不溶于钢的软金属(A)涂敷,这种S/A-S的组合也是不适用的。在S和A层之间再加一层金属B,如果B既能溶于S又能溶于A,则这种S/B/A-S的组合(即双金属层)仍然不适用,因为基底S可以通过B扩散到A层中,就会发生A层中的S成分与配对表面S相接触,仍有增强配对表面(S与S)间粘着的趋势。现在往往采用三金属层,即S/B/C/A-S的组合,这里的中间层C是可溶于A和B的,但C不溶于S,这样,基底S就不能穿过C层而向A层扩散,于是可以获得满意的减摩效果。这三种金属覆盖层最满意的结构组成为钢/镍/金/银,覆盖层可用电解法分层镀敷,表面的银层最厚(约为5μm)。这样配对的摩擦因数仅0.11左右。
工程中常用的金属摩擦副,在高真空环境下会产生强粘着,如选择合适的软金属层加以隔离可取得满意效果。例如,在工具钢表面用电镀法镀敷铅,则摩擦因数小于0.4。
软金属薄层的一种新发展为使用混合金属涂层,例如用Ag+Mo层在500℃下往复3000次行程后,摩擦因数仍能保持0.05的低值。软金属膜Cu+Pb,在-240~816℃及高压、高真空中能有效地进行润滑。
 
文章来源:中国工业润滑网 商机苑设备润滑管理咨询
 
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