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1、#润滑的基本原理之固体润滑固体润滑基本原理固体润滑基本原理一、固体润滑膜的形成利用固体粉末、涂(镀)膜和复合材料隔离相互接触的摩擦表面，可达到减少焊接和磨损的目的。固体润滑剂在摩擦表面面形成的固体润滑膜能够满足上述要求。具有层状结构的润滑剂与摩擦表面较强的粘着力，在基材表 面形成固体润滑膜，其本身各层之间有较低的剪切强度。对于非层状结构的润滑剂它与摩擦表面通过物理粘结或化学结合等方法粘着在基材表而，形成固体润滑 膜。由于其剪切 J 强度低，摩擦过程中在对偶构料表面形成转移膜，使摩擦发生在润滑剂内部。1、什么是固体润滑膜所谓固体润滑膜，并不是固体润滑涂层， 而是指固体润滑涂层或复合材料最表面的那
2、层薄膜，以及在对偶材料表而上形成的转移膜。在润滑油（脂）存在的情况下，则是在滑动摩擦表面上所形成的摩擦聚合膜。这些膜的厚度一般在 10-810-6mm、并能显示独特的润滑效果。固体润滑成功与否取决于固体润滑膜的形成能力。如果固体润滑膜的生成和消耗是平衡的，那就可以说润滑状态良好。若是固体润滑膜接连不断的消耗，那就会逐渐磨损。需要说明的是：固体润滑膜的组成不一定与基材的组成相同，它们之间的差异有时还可能很大。因为粘着于基材表面的固体润滑剂与基材之间将发生较为复杂的物理吸附和固溶效应，以及较为复杂的化学反应，生成新的互化物。2、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接涂在摩
3、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。 （1）转移膜的形成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。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。有人认为，在摩擦过程中，材料表面化学物理性质和机械性质会影响固体润滑剂的转移，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相接触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
4、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。也有人认为，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。还有人认为；转移膜的形成是物理吸附或化学吸附效应的结果。在物理吸附效应中 润滑剂
5、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。在化学吸附效应中 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发生化学反应而形成的反应产物。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。（2）摩擦聚合膜的形成摩擦聚合膜是一种在摩擦过程种形成的聚合物膜。 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磨、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
6、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，有机宫能团与金属的相互作用等等。二、固体润滑膜的特性所谓固体润滑膜，并不是固体润滑涂层， 而是指固体润滑涂层或复合材料最表面
7、的那层薄膜，以及在对偶材料表而上形成的转移膜。在有存在润滑油脂的情况下，则是在滑动方向上所形成的磨擦聚合膜。这些膜的厚度一般在 10-810-6mm、并能显示独特的润滑效果。固体润滑成功与否取决于固体润滑膜的形成能力。如果固体润滑膜的生成和消耗是平衡的，那就可以说润滑状态良好。若固体润滑膜接连不断的消耗，那就会逐渐磨损。需要说明的是：固体润滑膜的组成不一定与基材的组成相同，它们之间的差异有时还可能很大。因为粘着于基材表面的固体润滑剂与基材之间会发生较为复杂的物理吸附和固溶效应，以及较为复杂的化学反应，生成新的互化物。1、润滑特性固体润滑膜有较高的承载能力，在液体润滑油、脂不能承受的高负荷情况下
8、照样发挥润滑作用而不破裂。 般说来，固体润滑膜可以承受 108Pa 以上的平均赫芝接触压力。试验结果表明，负荷越大，摩擦系数反而越小。固体润滑膜的润滑持性与基材硬度、对偶材料及其表面粗糙度、热膨胀系数等有关。如果固体润滑膜是由镀复形成的那么基材硬度与镀膜硬度之差对润滑特性有较大的影响。（1）基材硬度的影响固体润滑膜是通过基材分担负荷而发挥润滑作用的，因而基材的硬度必然要对膜的特性产生影响：基材的硬度越高，固体润滑膜的摩擦系数越小、而且抗磨损就越强。金属基材硬度对磨损寿命的影响。A-连续铸造磷青铜、B-冷铸磷青铜、C-铝青铜、D-铜镍合金、E-铍铜。 润滑剂 PTFE+Pb 、250N （2）对
9、偶材料及其表面粗糙度的影响虽说固体润滑剂是容易剪切的材料，但它毕竟还是固体、因而在重复摩擦过程中，对偶材料同样要遭到磨损。对偶材料的硬度 越大，其耐磨性就越仔。基材越硬越有利于减少润滑膜的磨擦磨损，对偶材料越硬则越有助于减少其自身的磨损。同时还应当注意，基材和对偶材料的延展性对固体 润滑膜的性能也有影响；延展件越好，膜的磨损就越小。对偶材料的表面粗糙度影响转移膜的形成。粗糙度越小，会减少固体润滑剂在表面上的机械嵌合；而粗链度越大，则易导致磨粒磨损。 般人为，对偶材料的表面粗糙度 Ra 以 15m 为宜。（3）热膨胀系数的影响影响固体润滑膜摩擦磨损的其他物理性质还有热膨胀系数，它应当尽可能与基材
10、的热膨胀系数相接近。为了更有效地散发摩擦热，膜的导热系数越高越好。当表面因摩擦发热时、能够因热膨胀而不断供给固体润滑剂，并将摩擦热散发出去。（4）镀层与基材硬度差的影响如果在软基材上镀硬膜随着镀层厚度的变化将会出现最大摩擦系数区；如果在硬基材上镀软膜，随着膜层厚度的变化，将会出现最小摩擦系数区。为了改善软基材 上镀硬膜的摩擦擦状况，可以加镀中间过渡层。过渡镀层的硬度既要大于基材的硬度又要大于表面镀层的硬度。并且，中间过渡镀层的厚度应该大于临界厚度。2、摩擦特性摩擦特件是指负荷和滑动速度对磨擦系数和磨损的影响。下图是几种固体润滑膜的摩擦系数与速度及压力的关系曲线。可以看出，摩擦系数基本上足随速度
11、相负荷的增大而减小的。一般说来，速度和负荷越大，固体润滑膜的耐久性就越差。但是，如果固体润滑膜是由两种以上的复合材料组成、或者添加了多量的抗氧化剂和防腐蚀剂等，那么尤其是速度特性将变得更加复杂。3、温度特性从温度特性看，固体润滑膜的适用范围是从270左右仓到 l000以上。因而很难找到通用的固体润滑膜来适应这样宽的温度范围。每种单质的润滑剂或复合润滑材料都只能在某一温度范围内工作因此每种润滑膜都有其独特的温度特性。4、气氛氛围固体润滑膜应该在空气和其他各种气氛中工作。但是，固体润滑膜的润滑效果对气氛有依赖性，这种依赖性又因固体润滑剂的不同而不同。气氛对固体润滑膜磨损特性的影响润滑膜有氧气氛无氧
12、气氛真空气氛湿气气氛软合金膜+ 铅膜+ 金膜+银膜+ 二硫化钼膜+石墨膜+ 聚四氟乙烯膜+耐久性降低，+耐久性提高，对偶材料都是铁基材料。液体环境对固体润滑膜摩擦磨损持性世有影响。如果不管有无固体润滑膜，只是看到摩擦面就滴上几滴润滑油、往往会事于愿违。实际上应该严格禁止给固体润滑膜加油，因为润滑油会大大降低固体润滑膜的使用寿命。5、磨损特性通常，固体润滑膜的厚度在 10m 以下，在承受 105106 次以上重复摩擦后就达到了膜的寿命。为了使其连续维持润滑性能，必须采用适当的方法向摩擦部位补充固体润滑剂，以形成新的润滑膜。固体润滑膜的耐磨性受下列因素的影响：（1）固体润滑膜材料与基材间的合理匹配
13、（2）基体表面处理的状态（3）固体润滑膜的组成及其膜厚等。三、固体润滑机理固体润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。在摩擦机理的课程中，我们介绍过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，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本会增加，但因硬金属的屈服强度大，则摩擦力也将增加，由于摩擦表面的温
14、升，容易发生咬合现象。这两 种情况的摩擦系数都比较大。朋友们欲了解更多关于润滑、摩擦、磨损等关于机械相关更多的知识，您可以到深圳超润达网站上看看，里面有个润滑课堂模块，内容讲的会更加全面。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，因而摩擦力和摩擦系数都有较大的降低，这就起到了固体淘滑的作用。但是，如果这层薄膜涂复在软金属表面，仍将发生犁沟的现象，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，则称该物质为固体润滑剂，而这层极薄的膜称谓固体润滑膜。固体润滑剂具有
15、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、涂层润滑膜以及白润滑膜等。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 材料形成白润滑作用的白润滑膜。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
16、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，为：F=AQs (1)式中：，为法向负荷，N；A 为真实接触面积，m ；Q 为压缩屈服极限，Pa。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=nFQs (2)摩擦系数 U 为：u=f/F=n/Qs (3)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。在磨擦面之间放入固体粉状物质的润滑剂，同样也能起到良好的润滑效果。在两磨擦面之间有固体润滑剂，它的剪切阻力很小，稍有外力，分子间就会产生滑移。这样 就把两磨面之间的外磨擦转变为固体润滑剂分子间的内磨擦。固体润滑有两个必要条件，首先是固体润滑剂分子间应具有低
