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机械设备固体润滑机理
机械设备固体润滑机理
用镀、涂等方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,从而减小摩擦,降低磨损。
固体润滑膜作用效果的好坏反映在它的各种特性上,如摩擦磨损特性、承载特性、温度特性和气氛特性等。
固体润滑膜在摩擦过程中会逐渐磨损,但固体润滑剂作为供给源能够不断提供固体润滑,甚至在局部磨损的部位具有自行修补性。
这些功能随不同的固体润滑剂和不同的制备方法而异。
两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动(或具有相对运动的趋势)时,在接触表面间产生切向运动阳力,这种现象叫做摩擦。
这种阻力叫做摩擦力。
一般情况下,相同金属摩擦副纯净表面在干摩擦状态滑动时,摩擦阻力很大,并将出现严重的破坏和咬合现象∶当软金属在硬金属表面上滑动时,将呈现出具有"粘附滑动"特性的间歇运动,软金属将间断地涂抹在硬金属表面的摩擦轨道上;反之,当硬金属在软金属表面滑动时,运动比较平稳,在软金属表面的摩擦轨道上可以看到硬金属擦过的沟槽。
一、干摩擦机制
严格地讲,干摩擦是指纯净表面在无润滑条件下直接接触时的摩擦。
但是,通常所讲的干摩擦是指在无润滑条件下,两物体因处于各种不同环境气氛条件下表面可能存在着自然污染膜时的摩擦6这种干摩擦的摩擦系数,对于金属来说,一般在0.5~1.5之间,它比纯净金属表面的干摩擦系数要小得多。
1.固体表面的性质
固体摩擦副发生摩擦时所表现的摩擦学特性,如摩擦系数、承载能力和耐磨性等,与固体表面的性质有很大的关系。
因此在研究干摩擦时,以须了解物体的表面性质。
(1)纯净表面
纯净表面是处于真空条件下加工所获得的新生表面,不存在任何其他物质(包括自然污染膜)。
所谓自然污染膜是指物体表面处于各种环境气氛条件下,不是因人为的原因而自然形成的表面覆盖膜(如水汽吸附膜、氧化膜等)。
存在自然污染膜的表面可以在物体发生显著塑性变形时或在表面膜破坏的情况下出现。
裸露的纯净表面的分子由于在此面上失去了限制,表面结晶点阵处于不平衡状态,因而呈现出相当活泼的性质,极易吸附其他物质的分子、原子甚至与其起化学反应。
纯净表面摩擦时的摩擦系数一般都很高,见表3-5-1。
有时还会发生粘附现象。
(2)表面粗糙度
虽经抛光的固体表面仍然存在着一定的凸峰和凹谷,形成一定的表面粗糙度。
表面粗糙度直接影响物体的摩擦系数。
一般情况下,表面粗糙度越小,物体的摩擦系数越小,但当表面粗糙度小到一定程度后,摩擦系数却反而增大。
(3)接触表面
由于物体微观表面的凹凸不平,使得摩擦的两个物体总是在个别点上接触。
接触表面的面积可分为∶
名义接触面积表面的宏观面积叫做名义接触表面;
轮廓接触面积固体的接触表面中被压皱部分所形成的面积;
真实接触面积所有轮廓接触面积之和为真实接触面积。
一般材料在塑性变形情况下的真实接触面积与负荷成正比,而与表面的形状和大小无关。
2.干摩擦理论
两个粗糙表面接触时,接触点相互啮合,摩擦力就是所有这些啮合点的切向阻力的总和。
在这种情况下,降低表面粗糙度就可以降低摩擦系数。
对于干摩擦机理进行解释的经典理论适用于金属对金属的摩擦。
它是建立在下列假设的基础上的∶
1)真实接触面积由塑性变形决定;
2)两个接触表面被一个剪切强度较低的膜隔开;
3)膜的剪切强度较高时,摩擦取决于基材金属的剪切强度。
在负荷的作用下,摩擦表面真实接触点上接触应力很大,以致产生塑性变性,形成小平面接触,直到接触面积增大到能够承受全部负荷时为止。
对于理想的弹一塑性材料,真实接触面积与负荷的关系可用下式表达∶
F=A·σS(5-1)
式中F—法向负荷,N;
A—真实接触面积,m²;
σS—压缩屈服极限,Pa。
在这种情况下,金属表面将出现牢固的粘结点。
在切向力的作用下,粘结点被剪断,表面随即发生滑移占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。
若硬表面的粗糙凸峰嵌入较软金属的表面,在摩擦时也会增加滑动阻力。
因此,摩擦力可以近似地等于剪断金属粘结点时所需的剪切力。
设粘结点部分的剪切强度为τ,则摩擦力f为∶
f=A·τ=F·τ/σS
则摩擦系数μ为∶
μ=f/F=τ/σS
由上两式可知,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比。
3.摩擦系数
摩擦系数μ是两个物体之间的摩擦力f与其法向负荷F之比值。
它是表示材料摩擦学特性的主要参数之一。
它与材料本身的物理性质、机械性能、表面状况、摩擦状态和环境气氛条件等密切相关。
表2-5-2为几对金属摩擦副的摩擦系数。
摩擦系数的影响因素较多,下面分别进行介绍。
(1)材质对摩擦系数的影响
纯净金属材料组成的摩擦副,由于表面不存在自然污染膜,摩擦系数都较高,见表2-5-3。
摩擦系数随对偶材料的材质不同而不同。
相同金属或互溶性较大的金属组成的摩擦副,易发生粘附现象,摩擦系数增大。
不同金属组成的摩擦副,如果相互间的互溶性小,不易发生粘附现象,摩擦系数一般都比较小。
非金属材料的清洁表面一般不存在自然污染膜,因而摩擦系数都比较小。
具有表面氧化膜的摩擦副,如果氧化膜的塑性好,剪切强度比基材金属低,摩擦则发生在表面膜之间,表面膜首先磨损,金属表面不易发生粘附,摩擦系数较小。
表面氧化膜对摩擦系数的影响见表2-5-4。
(2)负荷对摩擦系数的影响
在弹性接触情况下,由于真实接触面积与负荷有关,摩擦系数将随负荷的增加而越过一极大值。
当负荷足够大时,真实接触面积变化很小,因而使摩擦趋于稳定。
在弹塑性接触情况下,材料的摩擦系数也随负荷的增大而越过一极大值;然后随负荷的继续增加而逐渐减小,见图2-5-1和表2-5-5。
(3)温度对摩擦系数的影响
摩擦副相互滑动时,产生的温升使材料表面的性能发生变化,从而影响摩擦系数,并随摩擦副工作条件的不同而变化。
例如,高分子聚合物聚酰亚胺、聚乙烯、PTFE等对钢的摩擦系数随温度的升高而增大。
除掉氧化膜后的铁与铁对摩、摩擦系数随着温度的升高而越过最大值。
多数金属的摩擦系数(如镍一镍、镍-钨、铜-铜等)也随温度的升高而减小。
但金一金对摩时,摩擦系数随温度的升高而增大。
在压力加工情况下,摩擦系数随温度的升高越过一极大值。
如轧制铜材时,极大值出现在600~700℃左右。
当温度再升高时,摩擦系数反而下降,如图2-5-2所示。
在使用导热性较差的高分子材料时,当表面温度达到一定值时,材料表面便将熔化(特别是热塑性高分子材料),所以一般高分子材料只能在一定的温度范围内使用。
超过这个温度范围,材料将丧失工作能力,如图2-5-3所示。
图中摩擦副材料是尼龙6与钢,负荷为196N,滑动速度为1cm/s,用电热方法加温,在高温三号试验机上测得。
(4)滑动速度对摩擦系数的影响
一般情况下,摩擦系数随滑动速度的增加而升高,越过一极大值后,又随滑动速度的增加而降低,如图2-5-4所示。
图中曲线是在铸铁轧辊稳定轧制铅材时,按功率消耗值间接得到的,轧制时的压下率为50%。
据测定,在较高的滑动速度下,摩擦接触面上的温度大约升高到1000℃左右时,它所出现的摩擦性能,与极低速度下在接触处通以大电流使其升温到1000℃时出现的摩擦性能相同。
这就说明,滑动速度对摩擦系数的影响实质上是由温度变化的作用而引起的。
对温度不敏感的材料(如石墨),摩擦系数几乎与滑动速度无关。
(5)表面粗糙度对摩擦系数的影响
在塑性接触情况下,由于表面粗糙度对真实接触面积的影响不大,因此可以认为摩擦系数不受表面粗糙度的影响。
对于弹性和弹塑性接触的干摩擦,当光洁的表面达到使表面分子吸引力有效地发生作用时(如超精加工表面),机械啮合的摩擦理论就不适用了。
表面粗糙度越小,真实接触面积越大,因而摩擦系数也越大,如图2-5所示。
图中钢和尼龙后面的数字表示打磨表面所用砂纸的规格号。
图中曲线是在高温三号试验机上测量得到的,滑动速度为10cm/s。
二、固体润滑机理
如果硬金属在软金属表面滑移,在负荷的作用下,硬金属压入软金属中,真实接触面积增加,则摩擦力也将增加,如图2-5-6(a)所示,将发生犁沟现象。
如果硬金属在硬金属表面滑移,尽管硬金属间的接触面积不会增加,但因硬金属的屈服强度大,则摩擦力也将增加,如图2-5-6(b)所示,由于摩擦表面的温升,容易发生咬合现象。
这两种情况的摩擦系数都比较大。
如果在硬金属基材表面涂复一层剪切强度很小的薄膜,使摩擦副间的接触面积
既不增加,又能使剪切强度降低得很多,如图2-5-6(c),因而摩擦力和摩擦系数都有较大的降低,这就起到了固体润滑的作用。
但是,如果这层薄膜涂复在软金属表面,仍将发生如图2-5-6(a)所示的现象,这层薄膜不能起到润滑作用。
因此,在摩擦表面粘着一层剪切强度很小的薄膜能够起到减摩的润滑作用。
如果这层薄膜由固体物质来充填,则可称该物质为固体润滑剂。
而这层极薄的膜称谓固体润滑膜。
1.固体润滑膜的形成
固体润滑膜的形成方法很多,既有把固体润滑剂粉末擦涂在摩擦部位上的原始方法,也有在真空中使固体润滑剂以原子状态溅射成膜的方法。
用各种方式使固体润滑剂粘着于基材表面,以形成固体润滑膜。
如图2-5-6(c)的模型,由于其剪切强度很小,在摩擦过程中,存在于基材表面的固体润滑膜会转移到对偶材料表面,形成转移膜。
使摩擦发生在转移膜和润滑膜之间,即使摩擦发生在固体润滑剂内部,则可以减小摩擦系数和减少磨损。
固体润滑膜进行润滑的成功与否,有赖于基材表面上固体润滑膜的形成和补充,也依赖于固体润滑膜由基材转移到对偶材料的成功。
为了使固体润滑剂能够牢固地附着在基材表面形成固体润滑膜,这就提出了"粘着"问题。
某固体润滑剂能牢固地附着于某基材表面,在摩擦时不易脱落,并且能够稳定而持久地提供转移膜,表示该固体润滑剂粘着强度高,或称粘着性好。
对形成粘着现象进行解释的理论较多,主要有根据范德华力提出的学说、扩散学说、相互溶解学说、表面能作用学说、与外层轨道电子行为有关的学说等。
影响金属粘着的因素可归纳为下述若干条∶金属与金属的匹配,包括表面的晶体结构与取向,金属间的互溶性和合金化倾向等;应变硬化特性∶显微结构稳定性;弹性系数;硬度、屈服强度;扩散速度、应力与温度的影响;表面活性;表面清洁度;表面自然污染膜的粘结强度和稳定性;表面粗糙度;表面能和表面张力;环境气氛的影响∶接触压力、接触时间和赫芝应力等。
但影响粘着的主要原因与物质的匹配有关,在理论上也许是多方面因素组合影响的结果。
2.摩擦聚合膜
摩擦聚合膜是一种在摩擦过程中形成的聚合物膜。
一般以固体膜的形式存在于摩擦表面上。
它的形成是一个复杂的过程,取决于摩擦条件、成膜物质和基材的性质等。
摩擦聚合膜能有效地起到抗摩、极压和抗擦伤的作用。
在摩擦条件下能够形成具有上述性能的聚合膜的物质称为成膜剂。
摩擦聚合膜是在磨损部位附近逐渐聚合的。
由于它对表面凹谷有填补作用,减轻了凸峰的负荷,因而最终导致了磨损的减少。
在气相和液相有机介质中的金属表面上,由于摩擦而形成固态的摩擦聚合膜,可以改善界面的摩擦性质。
它不同于一般的流体润滑,也不同于干摩擦中的固体润滑。
从润滑机理来分析,可以看作一种特殊的固体润滑膜。
不过,它与摩擦过程中表面上的物理和化学作用密切相关∶如摩擦过程中新裸露的金属表面的催化作用,金属表面的晶格缺陷,金属表面发射外逸电子的效应,在气相和液相有机介质中金属表面的吸附,由于机械、化学等作用和聚合物在高热下的热解等导致的游离基反应,有机官能团与金属的相互作用等等。
例如,常规矿物油和酯基润滑剂可以原位形成摩擦聚合膜。
常规矿物油在300~1000℃范围内的抗氧化性能和热稳定性很差,通常在液体循环润滑系统中会产生大量的挥发物和固体产物。
在边界润滑条件下,当气态常规矿物油和酯基润滑剂与纯氮气或空气混合时,在高温摩擦表面上不能生成厚的固体润滑膜。
然而,当常规矿物油或酯基润滑剂在纯氮气中含有1%~5%的氧气时,则能于300~1000℃内在摩擦表面生成厚的固体润滑膜。
膜的生成机理看来是一种复杂的氧化反应和热作用的综合效应。
固体润滑膜的沉积速率随供气系统中润滑剂含量的增加而增加,同时也随温度的升高而增加。
研究表明,常规矿物油形成膜的最大沉积速率在750℃左右,而多元醇酯形成膜的最大沉积速率在900℃左右。
而且,氮气中氧的浓度对沉积速率也有较大的影响,常规矿物油所处氮气中的最佳氧含量为5%~21%,而且沉积速率随氧浓度的增加而增加。
多元醇酯所处氮气中最佳氧含量为0~1%,而且沉积速率随氧浓度的增加而减小。
在200~1500℃范围内,在氮气氛中磷酸酯将生成很厚的固体润滑膜。
人们已经成功地使用这些原位形成的固体润滑膜作为铝和不锈钢铸造模具的润滑剂,并已证实它具有优异的润滑性能。
3.固体润滑膜的转移
多年来,人们对转仪膜与金属材料相互作用机理进行了多方面的研究。
由于实验条件、研究角度以及实验手段的限制,致使诸如机械作用、静电吸附、自由能效应、极性相互作用和化学作用等观点各树见解。
有人认为∶摩擦过程中,材料表面化学物理性质和机械性质会影响它的转移,具有高表面能和低硬度的材料比具有低表面能和高硬度的材料在产生和接受转移粒子方面有更明显的倾向。
按照这种模型,软金属很容易转移,而高硬的陶瓷材料则不易转移而容易接受转移粒子,它类似于材料的化学吸附效应。
这就是说,转移膜的形成取决于材料的硬度和表面能两个因素。
因此要求润滑剂供方具有高的表面能。
同时要保证润滑膜的磨损率较低;而对偶材料方应具有低的表面能,保证转移膜的粘着。
如碳化钛的表面能为9×10-5J/cm²,硬度为24GPa,而铁的表面能为15×10-5J/cm²,硬度为0.82GPa。
在真空中使用的滚动轴承,在其保持架上镀有软金属银,而滚圈和钢球应有足够强的硬度和一定的表面粗糙度,以便在它们表面形成转移膜。
如果球用高硬的陶瓷材料(如氮化硅)制作,则无助于从具有润滑作用的保持架材料转移到球上,然后再转移到轴承滚道表面以形成转移膜。
有人认为∶转移膜的形成是物理作用的结果。
转移膜是利用对偶材料表面两个凸峰之间贮存的弹性能,机械地捕获润滑剂的磨损粒子为基础而形成的。
因为在磨损粒子中也存在着弹性能,因此只要润滑剂供方存在着一个既能形成耐久的润滑膜又显示有润滑能力的材料硬度(耐磨损程度)便能形成转移膜。
而转移膜的粘着性(耐磨性)则取决于对偶材料的弹性能、硬度和表面粗糙度等因素。
有人认为∶转移膜的形成是机械作用的结果。
在摩擦副滑动过程中,润滑剂供方会产生磨损粒子。
由于对偶材料表面存在着的微观不平度,磨损粒子将会镶嵌在对偶材料表面的微波谷处,形成转移膜。
因此,转移膜的形成除了与材料的硬度有关外,还与表面粗糙度密切相关。
如果材料表面太粗糙,基材将会产生磨粒磨损∶如果材料表面太光滑,转移膜无法粘着于材料表面上。
有人认为∶转移膜的形成是物理吸附或化学吸附效应的结果。
物理吸附效应石墨和高分子材料中的碳原子具有吸附性。
高分子材料中的碳原子数越多,其吸附效应越好,因而摩擦系数越小。
由于润滑剂分子结构的不同,因而存在着与对偶材料的晶体组织结构的合理匹配问题。
例如,浓度为40mg/mm²的十八醇苯溶液能吸附铜3.2mg/g,镍3.1mg/g,铝1.8ms/g,而吸附的铁仅为0.6mg/g。
因此,物理吸附膜越厚,摩擦时的摩擦系数越小。
化学吸附效应它主要是由高分子极性基团与活性金属之间在一定压力和温度条件下形成的反应产物。
如脂肪酸在金属(特别是活性金属)或金属氧化物表面上起化学吸附形成皂膜。
化学吸附比物理吸附稳定,在一定的条件下,化学吸附会发展成为化学反应,并生成新的物质。
例如,MoS2,与金属表面摩擦生成的转移膜及其粘着强度受下列因素影响∶
(1)在各种摩擦条件下,MoS2,在金属材料上的转移膜呈明显的取向排列,其基础面平行于金属表面;
(2)MoS,对不同金属材料的转移不一样。
如将它擦涂在铜材上,其膜厚的平均值为0.77μm,而在铁材上的平均膜厚为0.45μm,铝材上的平均膜厚仅为0.17μm。
对硫有较高化学活性的金属材料上的转移膜较厚,其耐磨寿命也长;
(3)MoS2,中的硫为活性元素,在一定的压力和温度条件下会与金属发生化学反应,生成新的物质,这层反应膜能够降低摩擦系数。
实验结果表明,MoS2,最容易与铜发生化学反应,并生成Cu2S;铁次之,可生成FeS;而铝几乎不与它发生化学作用。
因此,MoS,在铝材上的转移膜最薄,而且容易脱落,耐磨寿命也短。
其中
(1)和
(2)为物理吸附,(3)为化学吸附反应。
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