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4)增强了防锈蚀能力。
这对于潮湿气候的南方具有重要意义。
5)固体润滑剂分散悬浮在液体润滑剂中,既可以发挥固体润滑剂本身的性能,弥补固体润滑剂的摩擦系数大和导热性能不良的缺点。
三、固体润滑材料缺点
1)摩擦系数较大(比润滑油等流体润滑的摩擦系数大100—500倍,比润滑脂润滑的摩擦系数大50—100倍),
2)散热性能差,因而固体润滑剂主要用在其他润滑材料不能承担的润滑场合。
3)固体润滑膜的寿命较短,保膜时不仅增加工作量,有时还要停车检查,在一定程度上影响生产。
4)导人性不好,即使是粉末状,不易补充到摩擦表面。
5)塑料自润滑材料存在强度不高、线膨胀系数大、导热性差、不耐高温、摩擦系数有的还不够低的缺点。
因此目前还不能完全取代润滑油脂。
四、对固体润滑剂的要求
固体润滑剂应满足以下性能要求:
1)较低的摩擦系数在滑动方向要有低的剪切强度,而在受载方向则要有高的屈服极限。
同时还要具有防止摩擦表面凸峰的穿透的能力(即材料的物理性能是各向异性的);
2)附着力要强。
要求附着力要大于滑动时的剪切力,以免固体润滑剂(或膜)从底材上或金属表面被挤刷(或撕离)掉;
3)固体润滑剂粒子间要有足够的内聚力,以建立足够厚的润滑膜,以防止摩擦表面的凸峰穿透并能贮存润滑剂;
4)润滑剂粒子的尺寸在低剪切强度方向应最大,这样才能保证粒子在滑动表面间能很好地定向;
5)在较宽的温度范围内,能保持性能稳定而不起化学反应。
要完全满足上述要求是不容易的。
不同的固体润滑剂,具有不同的特殊性能,一般情况只能满足或达到上述要求的某一项或几项。
根据摩擦副的不同工况,选用相宜的固体润滑材料。
五、固体润滑剂的种类
(1)金属基润滑材料是以具有高强度的耐热合金作为基体,以固体润滑剂作为分散相,通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料。
金属基润滑材料有软金属(铅Ph、锡Sn、铟In、锌Zn、银Ag)、
具有以下特点:
熔点高、机械强度高,有较好的韧性和延展性;
热传导性和导电性好;
组织致密,尺寸稳定,耐潮湿;
摩擦系数小,耐磨寿命长等;
容易加工,适用于高负荷、高温、高真空等特殊工况。
(2)高分子基润滑材料具有一定的机械强度,韧性好,能有效地吸收震动,不损伤对偶材料,有良好的耐磨性能,且可与润滑油脂共存使用。
它的化学稳定性好,摩擦学特性受气氛的影响较小,在低温下仍然具有良好的摩擦学性能,但承载能力较差。
目前常见的高分子润滑材料有塑料(聚四氟乙烯PTFE、聚苯、聚乙烯、尼龙—6等)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)等。
(3)陶瓷润滑材料是由各种具有润滑性能的微粉经过压制烧结而制成的,可分为非金属陶瓷和金属陶瓷两类。
陶瓷材料的硬度高,抗压强度大,耐高温性、耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性能都较好,适宜作高温摩擦副构件。
(4)石墨及其化合物、金属的硫化物(二硫化钼MoSz、二硫化钨WS2)、金属的氧化物(四氧化三铁FeaO:
、氧化铝AIO、氧化铅PbO)、金属的溴化物(氯化铁FeCl、氯化镉CdCl、碘化镉CdI、碘化铅PbI、碘化汞Hgl)、金属的硒化物(二硒化铌NbSe:
、二硒化钨WSe2)、滑石、云母、玻璃粉、氮化硼等。
把具有自润滑作用的整体材料制成零件,自润滑材料有了新的发展。
作为减摩、耐磨、长寿命的自润滑材料是由两种或多种不同物质经过一定的工艺合成。
自润滑复合材料(金属基、石墨基、塑料基自润滑复合材料——即以金属、石墨或塑料作为基体材料,并加入某些为改善机械性能、降低摩擦、改善耐磨和耐热性能等的填充剂与增强剂,按一定的工艺方法复合配制而得的材料)、
加粘结剂和添加剂的固体润滑膜、粉末冶金含油轴承等。
常用固体润滑剂。
1.石墨
石墨是碳的同素异形体,外观呈黑色,有脂肪质滑腻感;
分子结构为六方晶系的层状结晶,成鳞片状,层内的原子结合较强,层间的结合较弱,容易滑移;
密度为2.2~2.3g/cm3;
融点3527℃,耐热性在大气中是454℃,对金属及橡胶均不起反应;
在高温,638℃下具有良好的润滑性能。
石墨的劈开面在常温下,具有吸附气体的能力,这种气体吸附层,促进了石墨的润滑性。
石墨在干燥时摩擦系数较大,当吸收一定量的潮湿气(约2%~13%),摩擦系数就显著降低(为0.15~0.20);
石墨在真空中的润滑性极低,这与真空中水汽的蒸发消失有关。
石墨粉剂性能见表。
2.氟化石墨
氟化石墨的摩擦系数在27~344℃的温度范围内比石墨低;
耐磨寿命比MoSz或石墨长;
塑料基自润滑材料的固体润滑剂填人组分,用氟化石墨也比用石墨或MoS2的效果更好,耐磨寿命更长,极限pv值比较高。
由于C-F的键能强,不易切断,在高压、高温下性能优于石墨或MoS2。
分析几种润滑膜的摩擦系数对比如表2—70所示。
氟化石墨作为高温极压润滑剂是具有较好的效果。
3.二硫化钼(MOS2)
外观呈黑灰略带蓝色,有滑腻感,分子结构为六方晶系的层状结晶构造,容易劈开成鳞片状,这种劈开是由于硫原子与硫原子相互结合面的滑移所产生,其滑移层的厚度,也就是每层MoS2分子层的厚度为6.25人,每两层MoS2分子层之间距为12.30人,因此可知在0.1/xm厚的一层膜中就有约54层53个滑移面。
密度为4.7~4.8g/cm3;
熔点为1185℃;
在大气中,在349℃以下可长期使用;
在一般溶剂、水、沸水、石油、合成润滑剂中不溶解,对周围的气体也是安定的。
一般条件下,与金属表面不产生化学反应,也不侵蚀橡胶材料。
MoS2中的硫原子与金属表面的附着、结合能力是相当强的,并能生成一层牢固的膜,能够耐2800MPa以上的接触压力,能耐40m/s的摩擦速度。
摩擦系数根据使用条件不同,一般为0.03~0.15。
表2—71所示为二硫化钼粉剂性能。
4.聚四氟乙烯(PTFE)
聚四氟乙烯是一种工程塑料。
本身具有自润滑性,被誉为“塑料之王”,耐温性能和自润滑性在目前一般塑料中是最好的一种(可达250℃)。
可以代替金属制成某些机械零件或密封材料。
聚四氟乙烯可以作为填料掺人到各种塑料材料中,从而能明显地提高其摩擦性能。
用各种金属或金属的氧化物或硫化物等作为填料掺人到聚四氟乙烯中用以改善其机械性能、导热率和线膨胀系数等指标。
例如与铜粉、石墨、二硫化钼混合制成的活塞环,用在空气压缩机上,可以不需另外再加入润滑剂,实现了无油润滑。
经过试运转,情况良好,可以连续运行8000h。
聚四氟乙烯的物理、化学性能如表2—72所示。
现在已大量地采用聚四氟乙烯来作密封材料,它对于抗燃液压油磷酸脂有良好的耐蚀性能。
5,聚苯
聚苯是一种新型的合成塑料。
聚苯的外观呈红棕色粉末,堆积比重为2.4。
冷压成型后是一种深蓝色带金属光泽的固体,密度为1.24g/《m’,不溶于一般溶剂,无溶点。
它在500℃时开始失重,其分解产物为碳氢化合物,无腐蚀性,摩擦系数为o.055(与石墨混合后摩擦系数为0.15一o.0175),它具有卓越的热稳定性,在40~C以下无分解现象,把聚苯填充于聚四氟乙烯之中制成零件,耐磨性能可以提高,如化肥厂压缩机的活塞环使用这种材料已有显著效果。
聚苯与石墨混合后用于汽车底盘传动齿轮箱,以及耐火厂隧道窑小车轴承润滑,也已取得良好效果。
6,浇铸尼龙—6
浇铸尼龙—6又称MC尼龙—6,
是一种很普通的工程塑料,也具有一定的自润滑性。
可以浇铸成多种机械零件。
它具有良好的抗拉强度和冲击韧性,但耐热性较差,一般只能在低于100℃以下使用。
大型轧钢厂的1200矫正机的大铜套,采用尼龙套后效果极佳,某厂钢板轧机的主联轴节的半圆瓦,采用尼龙瓦后,效果较好。
7.氮化硼(BN)
氮化硼是新型润滑材料之一,近似于石墨的结晶和性质,因而有“白石墨”之称,在许多方面比石墨有更特殊的优越性,如石墨是导电体,而氮化硼是良好的绝缘体,这作为润滑材料来讲是很重要的。
氮化硼则可用在900~C左右的高温。
氮化硼优点,良好的加工性、耐腐蚀性、良好的热传导性、良好的润滑性及电绝缘性等。
高温时氮化硼仍保持良好的润滑性能,氮化硼可认为是惟一耐高温的润滑材料。
8.二硫化钨和二硒化钨
二硫化钨(WS:
)、二硒化钨(WSe2)的外观与性能都和二硫化钼(MOS2)相近似,但
耐高温程度略高于MoS:
,导电性能几乎比MoS2高6倍。
其用途和MoS:
相同,由于钨和硒是稀有原料,价格比钼贵,所以目前尚未大量使用,其基本特性见表2—74所示。
9.自润滑复合材料
自润滑复合材料与黏结固体润滑膜不同,它是两种或多种材料经过一定的工艺合成的整体材料。
它具有一定的机械强度、又具有减摩、耐磨和自润滑作用。
用这种自润滑复合材料加工制成的机械零件,代替原来需要加入润滑剂的金属机械零件。
这样在运行中就不需要再加入任何润滑剂,,实现了自润滑或无油润滑。
8.钢背聚合物衬层
新型自润滑复合材料是在厚度约为0.2~10mm的钢板背上烧结或喷涂上一层多孔青铜,作为中间层(厚度约0.04~0.25mm)。
然后在表面上再粘结上一层浸透到中间层中的聚合物衬层。
多孔青铜中间层使聚合物衬层的强度与导热性提高,而表面聚合物衬层则具有摩擦一速度性能好,不易产生擦伤和出现爬行现象等优点。
钢背聚合物衬层大致有两类:
聚合物以氟碳树脂为基材,用于自润滑性良好场合;
类聚合物以聚缩醛或尼龙为基材,用于需要加入润滑剂的场合。
DU材料(金属塑料),日本称为氟命,前苏联称为金属一氟塑材料AMAH),表面聚合物是一层聚四氟乙烯与铅的混合物,含铅量20%,
一般厚度0.02一0.05mm。
摩擦系数在不同的负荷下为0.03~0.11,应用温度范围为200—280℃,
pv值比其他自润滑材料都高,约为0.7~2.8MPa·
m/s。
DX材料在英、美、苏等国已有商品生产,应用范围比较广,在各种机械、液压与气动元件、超音速飞机、宇航机械、船舶、汽车、拖拉机、机床及某些冶金机械特定部位的零件也使用这种材料。
DX材料是以聚缩醛或尼龙作为表面聚合物。
在这层表面上留有均匀分布的存油坑,以便在装配时添加润滑脂或润滑油。
DX作为需要另加润滑剂的材料,具有优良的摩擦和抗磨特性,承载能力较大,尺寸稳定性较好,寿命较长,低速下无爬行现象。
DX材料多用在汽车的低速大载荷的部件中,如汽车悬挂中的轴套、用DX材料寿命可达到16万km,中间还不用加油;
用在万向接头的轴套中,寿命曾达到20万km。
国外还用于数控车床、数控转塔立式钻床、立式铣床等机床的滑动导轨上。
此外在齿轮油泵的轴套,斜轴式柱塞油泵的铰轴支承套上使用DX材料效果也很好。
铁基含油轴承的主要特点如下:
1)可以在铁粉中按不同配比加入铜、铅、石墨、硫、硫化锌、二硫化钼等成分,从而获得减摩和耐磨较好的组织;
2)自润滑性好。
由于铁基含油轴承存在一定的孔隙度(一般为制品体积的20%~30%),而且在孔隙中挤满了润滑油。
因此蕴藏于轴承中的润滑油,保证轴承磨合表面的稳定油膜的形成,从而改善了材料的使用特性,减少了轴承与轴颈的磨损,节省润滑剂,减少维护轴承的工作量,同时还避免了因润滑油滴落在产品表面造成污染而出现废品的现象;
3)铁基含油轴承中添加了石墨、MoS:
等固体润滑剂,提高了减摩、耐磨性能,防止轴承与轴颈的粘结或划伤,起自润滑作用;
4)铁基含油轴承可作青铜、巴氏合金及部分滚珠轴承的代用品,因而可节约有色金属的消耗;
5)铁基含油轴承是采用粉末冶金的办法制造的。
其工艺简单,生产周期短,生产率高,节约原料,省去了大量的机械加工;
6)原材料(主要是铁鳞和石墨等)来源充足,价格便宜,并且是属于“利废”,易于实现综合利用。
铁基含油轴承的主要用途是代替青铜轴承;
在低速度和一定负荷情况下,可以代替巴氏合金和滚珠轴承。
缺点;
脂的腐蚀性。
润滑脂的组成分析主要包括水分、灰分、游离碱、游离有机酸、机械杂质、皂分等项
六、固体润滑技术及其工程应用
1 在机械传动零部件中的应用
机械传动中的摩擦包括滑动摩擦和滚动摩擦,用固体润滑剂解决传动中的摩擦,可以从以下3方面入手:
传动部件用由固体润滑剂和其他填料组成的复合材料制造;
用涂(镀)覆的方法在摩擦表面形成一层固体润滑膜;
用含有固体润滑剂的油脂进行润滑。
1.1 在轴承中的应用
在机械零部件中,固体润滑技术在轴承中的应用最为广泛。
一般来说,可作为固体润滑轴承使用的有Cu、Ag、Pd和Au等软金属,MoS2、WS2等层状结晶结构的材料以及以PTFE、PI为代表的高分子系复合材料。
用PTFE添加MoS2或Pb制成的背衬型轴承,承载能力好,被国外军队用于高速宽温工作的飞机轮轴承、抗磨齿轮箱轴承和仪表轴承等轴承中。
例如,美国研制的PTFE基背衬型轴承材料,其动载能力可达300MPa~350MPa,静载能力可达900MPa,并已经成功地应用在B-1型超音速战略轰炸机和F-14型战斗轰炸机等可变主翼的支承轴承上。
用MoS2、WS2等层状结晶结构的材料制成的粘接固体润滑膜,其减摩、耐磨性能良好,在轴承中亦有应用。
如英国Witford公司的Xylan粘接固体润滑膜应用于汽车发动机的气缸、活塞环、活塞裙以及连杆机构的大头轴承和小头轴承等部位,既改善了滑动性能和密封性能而使发动机的效率得到提高,又能起到减震、降噪和取消磨合工序的作用,这种产品已应用于“美洲豹”汽车,年产近百万辆。
1.2 在齿轮中的应用
齿轮润滑条件比轴承更复杂,负荷条件更苛刻。
由于齿轮啮合是线接触形式,接触应力很大,一般在500MPa~3000MPa之间,接触变形和温升也较大,因此在齿轮中一般采用喷涂固体润滑膜和固体粉末飞溅等方式来进行润滑。
为了降低齿面的摩擦磨损,通常往齿轮油中添加二烷基二硫磷酸钼、二烷基二硫氨基甲酸钼等有机钼化合物、MoS2、石墨、硼酸盐等固体润滑剂。
在开式齿轮用的润滑油中,加入聚异丁烯、聚苯乙烯等粘度添加剂可以提高齿轮油的粘附性,防止在齿轮运转中将油挤出和甩掉。
添加固体润滑剂的油脂在齿轮传动中的应用多见于汽车的齿轮油。
如将MoS2添加油用于汽车后轮轴的差动齿轮上,可使效率提高5%;
添加有机钼化合物和石墨的润滑油,可使桥式起重机和带钢热轧机分别节能3%~9%和3%~4%。
1.3 在导轨中的应用
机床导轨的耐磨性是影响机床精度和使用寿命的主要因素之一,是衡量机床质量好坏的重要标志。
导轨滑台工作中容易产生爬行,破坏导轨滑动台的工作平稳性和匀速运动,造成加工精度下降。
应用于机床导轨的固体润滑剂以高分子材料为主,主要有PTFE塑料软带、环氧树脂耐磨涂层和聚甲醛塑料等。
PTFE塑料软带制造工艺简单,使用方便,摩擦学性能优良。
试验结果表明,填充PTFE塑料软带等含氟塑料与铸铁对磨时,即使在干摩擦状况下,摩擦系数也很小,约为铸铁与铸铁对磨时的1/8~1/3。
据测量,机床导轨采用PTFE塑料软带后,移动部件的拖动功率可降低30%~50%;
移动手柄的拖动力可降低40%以上。
1.4 在气缸与活塞中的应用
活塞对于气缸壁的摩擦速度很高,因此两者间的温度较高,而且活塞和活塞环作用于气缸的压力也较大,因此摩擦磨损严重。
一般汽油发动机活塞与气缸壁间的温度为105℃~270℃,活塞环处温度达150℃~315℃;
活塞作用于气缸壁上的压力最大可达2MPa~3MPa,平均也有0.5MPa~1.5MPa,而活塞环作用于气缸壁上的压力高达3MPa~4MPa。
为了减少摩擦和磨损,可向气缸与活塞的润滑油中加入适当的摩擦缓和剂,如油溶性有机钼化合物,胶体MoS2和胶体石墨等。
在润滑油中加入质量分数为1%~3%的0.3μm~3μm胶体MoS2,可减小摩擦阻力10%~20%,减少磨损10%~30%。
在内燃机油中加入二硫脲钼或二硫磷酸钼,可使发动机摩擦力减半,节约燃油5%~6%。
除上述4类零部件外,固体润滑技术还可应用到其他零部件中,如导电滑动面、密封环以及螺钉、螺母等高温紧固件。
2 在机械加工中的应用
机械加工中所用的固体润滑剂通常作为添加剂使用,常用的有石墨、膨润土、高岭土、碳酸钙、硅酸钠、硼酸盐、MoS2、玻璃和铅等。
2.1 在压力加工中的应用
金属压力加工包括压延、拉拔、锻造、挤压等过程,压力加工中的摩擦磨损和润滑问题是决定工艺成败的关键。
金属压延和轧制时,一般使用石墨或MoS2为主体的固体润滑剂进行润滑。
如在润滑油中加入固体润滑剂可以降低摩擦系数,降低摩擦损耗约30%,减少压延负荷10%~20%;
在压延润滑油中悬浮胶体石墨,压延软钢时摩擦系数可达到
0.047,压延电解铜时摩擦系数为0.061,压延铝材时摩擦系数为0.055。
在拉拔加工时,材料拉拔速度较高,一般采用预先造模处理,用浸渍、刷涂或化学反应的方式将固体润滑剂微粒均匀地分布在坯料、模具和铜芯等摩擦表面上,起到减摩作用。
金属锻造的冲击力高达1.5GPa~2.5GPa,要求润滑剂具有良好的极压性和粘着性。
冷锻时,可以在润滑油中悬浮胶体石墨;
温锻时,一般采用在水基或油基中添加石墨和MoS2进行润滑。
在挤压加工中,一般选用粘度较大且挤压性能好的矿物油或植物油作为基础油,然后添加胶体石墨或MoS2固体润滑剂。
2.2 在切削加工中的应用
通常,加入切削液的固体润滑剂有石墨、MoS2和红丹粉(Pb3O4)等。
尤其在油基或水基切削液中添加了MoS2后,润滑效果更为显著。
切削韧性材料时,可用含胶体石墨或MoS2的切削油;
切削脆性材料时,可用含胶体石墨的乳化液。
例如,将质量分数为0.5%的石墨(或MoS2)、10%~12%的磺酸钠加入润滑油组成乳化油(另加少量的钝化剂),用水将其浓度稀释在1%以下,可用于超硬金属的切削加工,而且该液在各种金属切削加工中均有较好的效果。
另外,由MoS2、硬脂酸和石蜡混合制成的MoS2油膏可以显著提高刀具的使用寿命,对30CrMnSiA材料进行攻丝加工时,不采用固体润滑剂时一个丝锥仅能攻200个螺孔,而涂覆MoS2油膏后一个丝锥可加工1000个螺孔。
3 在特殊工况中的应用
许多特殊机械设备,如核工业、航空航天工业和电子工业等领域中的设备,其传动部件摩擦副处于高(低)温、高真空、高负荷等特殊工况条件下工作,其摩擦状况具有特殊性。
固体润滑技术在解决特殊工况下的润滑问题有其独到之处。
3.1 在极端温度条件下的应用
固体润滑技术的适用温度范围很宽,可从-200℃以下的低温应用到1000℃以上的高温。
因此在低温(如火箭氢氧发动机涡轮泵齿轮、超导设备的有关滑动部件等)和高温(如火箭、飞机和汽车等的发动机的滑动件)条件下都获得了成功的应用。
例如,日本东京大学的H-2型火箭(液氢、液氧发动机)和ETS-4实验卫星的滚动轴承的润滑都采用了固体润滑系统;
法国的SPOT地球观察卫星望远镜上反射镜支承机构和欧共体联合研制的阿里安娜火箭中的涡轮泵用轴承也采用了固体润滑。
3.2 在真空机械中的应用
在真空条件下,除软金属外所有物体都要蒸发,而且在摩擦产生高温的情况下,蒸发量可能加大,破坏了真空环境。
固体润滑技术不会对真空环境构成污染,而且MoS2和PTFE等固体润滑剂具有优异的真空摩擦学性能,因而被广泛用于解决与空间技术有关的真空机械的特殊磨损失效问题。
例如,前苏联1986年发射的和平号空间站,其中载人宇宙飞船的发动机轴承、太阳帆板的展开机构、机械手臂转动机构采用了固体润滑。
荷兰ANS卫星的反作用飞轮轴承、太阳帆板驱动机构的轴承也采用了固体润滑系统。
3.3 在高负荷条件下的应用
含MoS2和石墨等层状固体润滑剂的粘结固体润滑膜的耐负荷性能最好,可用于解决高负荷条件下的润滑难题,如鱼雷舵机蜗轮蜗杆组件、机床卡盘、金属冷加工模具以及大型桥梁、立体高速公路、减振建筑的滑移支承的润滑等。
中国科学院兰州物理研究所研制的PEP粘接固体润滑膜在四川建筑机械厂生产的塔吊设备上获得了成功的应用。
固体润滑剂具有摩擦性能优良、承载能力和耐磨性较高、时效变化小等优点,使得固体润滑技术可以应用于工程实际的各个领域。
特别地,随着机械设备应用范围的不断扩展,重负荷、高真空、高速、辐射、尘埃、潮湿、高温、低温以及高低温频繁变化的工作环境越来越多,对润滑提出了越来越高的要求,固体润滑技术的应用将会越来越广泛。
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