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1、固体润滑技术的研究现状及展望摘要： 固体润滑是将固体物质涂或镀于摩擦界面， 以降低摩擦， 减少磨损的措施。 当前，可以作为固体润滑剂的物质有石墨和二硫化钼等层状物质、塑料和树脂等高分子材料、软金属及其各种化合物等。 在分析固体润滑机理的基础上， 对常用的固体润滑材料，金属基润滑材料和高分子润滑材料的基本性质及使用特性进行了简要分析； 简要说明了固体润滑技术的实际应用的基本常识； 分析了各种状况下应该使用何种固体润滑剂； 展望了固体润滑剂的发展方向。 Abstract: Solid lubricating is a technical method, with which a solid sub
2、stance is smeared or plated on the friction surfaces and friction and abrasion are therefore reduced. Currently, lamellar substances (e. g. graphite and MoS2 ), macromolecular materials (e .g.plastics and colophony), and flexible metals and related compounds etc. are generally used for solid lubrica
3、tion. Based on an analysis of the mechanisms of solid lubricating, physiochemical properties and performance characteristics of common solid lubricating materials, metallic lubricating materials and macromolecular lubricating materials are discussed in this paper. Fundamentals for the usage of solid
4、 lubricants are briefly described. In addition, future prospects on the development of solid lubricats are presented. 关键词 : 固体润滑剂 ; 金属基润滑材料 ; 高分子润滑材料 ; 润滑剂 ; 边界润滑 Key words: solid lubricant; metallic lubricating material; macromolecular lubricating material; lubricant; verge-lubricating 1 固体润滑机理 固体润
5、滑的主要目的是用镀、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
6、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； 通过对摩擦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； 当摩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=AQS式中： F 为法向负荷 ； A 为真实接触面积; Q S 为压缩屈服极限 。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
7、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=An=nF/QS摩擦系数 u 为： u=f/F=n/QS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比。 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 普朗克研究所和美国国家航空和宇航局的前身国家航空委员会都曾进行过研究开发，如将二硫化钼用于工业应用的试验，并开发了有机
8、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种各样的固体润滑材料。 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、 轴承、滚珠丝杠、链索和链轮等)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
9、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， 并带来结构上的复杂性。 在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
10、发生“冷焊”而咬合，采用固体润滑轴承取得了实用效果。如普通不锈钢球轴承在模拟 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 ， 表面没有明显磨损痕迹。 同时， 固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时， 铅锡等软金属便作为
11、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境中工作。在实际软金属固体润滑剂使用时，主要使用的他们的复合材料。即把几种各具不同特点的材料(如软金属和其他固体润滑剂) 进行人工复合， 构成复合
12、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、耐潮湿、 焊接性能好、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 Cr 2O3硬质颗粒； 镍、 铬、 硼、 硅基体中添加碳化钨、 碳化钛、 三氧化二铝、 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。在不同使用场合，由于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
13、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， 冷却后再恢复， 可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、聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃)、聚先胺(尼龙)、聚甲醛，聚碳酸脂、氯化聚醚、聚对本二甲酸乙二醇脂(线型聚酯)、氟塑料、聚苯醚、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚。 轴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、聚四氟乙烯和聚酰亚胺。热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
14、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部件具有以下优点： 韧性好， 能有效地吸收振动，无噪音，不损伤对偶材料； 化学稳定性好，摩擦磨损对气氛的依赖性小，在水中或海中也能使用； 低温性能好，即使在液氨，液氢的超低温条件下仍能发挥其润滑作用，在真空中同样可以应用； 高分子材料最引人注目的优点是其与润滑油的共存性，他具有很强的耐油性， 诸如酚醛树脂和聚缩醛等都适应作含油轴承使用
15、， 而其他许多承受高负荷的固体润滑膜却不行； 电绝缘性优良。其缺点为：机械强度低，承载能力差；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，因而使用的形式和方法也有所不同。由于摩擦学性能是随着各种摩擦所处的条件(如负荷、速度、温度、气氛等)不同而有明显的差异，因此在首次应用某种固体润滑剂时，还应根据润滑剂的特性，结合摩擦条件进行分析，找出最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。有时，为了提高加工的质量或提高生产加工的效率
16、，必须提高加工时的温度。但是，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，切削中的摩擦将产生大量的热，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， 这时， 润滑和冷却同样重要。 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、 MoS 2 、玻璃和铅等 。利用固体润滑剂的特性，使滑移发生在润滑剂内部， 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， 是决定工艺成败的关键。 由于摩擦面间的接触压力
