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2023
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多種潤滑劑材料的優(yōu)缺點及應(yīng)用
凡是能降低摩擦力的介質(zhì)都可作為潤滑材料,潤滑材料亦稱潤滑劑。潤滑劑用以降低摩擦副的摩擦阻力、減緩其磨損的潤滑介質(zhì)。
常用的潤滑劑有液體、半固體和固體.
液體類有:礦物性潤滑劑(如機械油)、植物性潤滑劑(如蓖麻油)和動物性潤滑劑(如牛脂)。此外,還有合成潤滑劑,如硅油、脂肪酸酰胺、油酸、聚酯、合成酯、羧酸等,其優(yōu)點是容易得到,常見常用,缺點是無法處理難度要求稍高情況。
半固體潤滑劑:類潤滑油脂類的使用溫度范圍一般為-60℃~+350℃,超過這一溫度范圍,潤滑油脂將無能為力,處理能力比液體類潤滑能力高。
固體潤滑劑的出現(xiàn)主要是處理以上兩種潤滑材料都不理想的情況下的應(yīng)用,能充分發(fā)揮其效能,承載能力強。然而,固體潤滑劑的缺點也很突出,例如潤滑膜一旦失效就難以再生等。
常用的固體潤滑劑有:層狀固體材料(如石墨、二硫化鉬、氮化硼等)、其它無機化合物(如氟化鋰、氟化鈣、氧化鉛、硫化鉛等)、軟金屬(如鉛、銦、錫、金、銀、鎘等)、高分子聚合物(如尼龍、聚四氟乙烯、聚酰亞胺等)和復(fù)合材料。
1.石墨為層片狀碳,層與層之間的結(jié)合力較小。在切向力作用下,層與層之間容易滑動。在大氣條件下,石墨對石墨或石墨對鋼的摩擦因數(shù)大約為0.1~0.15,具有明顯的減摩效果;而在真空中,石墨間的摩擦因數(shù)則上升為0.5~0.8。在摩擦過程中,經(jīng)過除氣處理的石墨一旦導(dǎo)入空氣、氧氣、水蒸氣或苯、乙醇、丙酮、庚烷蒸汽等,則摩擦因數(shù)將很快降低,而當(dāng)導(dǎo)入氮或二氧化碳等氣體,卻先降低摩擦的效果。
作為潤滑劑,特別是粉劑,應(yīng)以天然石墨為主。使用時,可直接將石墨粉加在摩擦副對偶表面之間,也可以將石墨和其它材料制成復(fù)合材料使用;也有把石墨粉壓制成塊,經(jīng)切削制成零件,這種材料具有很好的自潤滑效果。若把石墨粉加在油(或脂)中作為潤滑劑使用,則在重載作用下油膜破裂時,石墨仍能繼續(xù)起潤滑作用。石墨的化學(xué)穩(wěn)定性好,抗輻射能力強,無毒,價格低等,都是其優(yōu)點,但因石墨的熱穩(wěn)定性較差,所以限制了它以粉狀或塊狀固體膜的形式使用。石墨在325℃時與氧接觸會生成CO2,因而一般最高使用溫度不超過400℃。將石墨置于氟氣中,經(jīng)加熱可制備氟化石墨。在27~345℃的溫度內(nèi),氟化石墨的摩擦因數(shù)比石墨小,其壽命則比石墨長。它在真空和惰性氣體中也具有潤滑性,從而改善了石墨在無水蒸氣條件下的潤滑性。
2.二硫化鉬粉劑是由天然輝鉬精礦經(jīng)化學(xué)提純制成。其分散性高、純度高、吸附性強、色黑稍帶銀灰色、有金屬光澤、觸之有滑膩感、不溶于水。它也是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的材料。由于結(jié)合強度低,很容易沿解理平面滑移,所以剪切阻力小,摩擦因數(shù)小。在大氣中,MoS2解理面與鋼表面的摩擦因數(shù)只有0.1左右,即使在真空中也只有0.2。MoS2在干燥氮氣中的潤滑性能很好,但在干燥氧氣和潮濕空氣中則潤滑性較差,這些潤滑特性均與石墨不同。MoS2在420~430℃內(nèi)就會快速氧化,當(dāng)溫度超過800℃時,MoS2可能分解,而金屬鉬的摩擦因數(shù)相當(dāng)大,因此潤滑性能就大大下降。
與二硫化鉬相類似的材料硫族元素,除硫外,尚有硒(Se),碲(Te )等。它們與難熔金屬如鎢(W),釩(V),鉭(Ta )和鈮(Nb)等形成二硫族化合物,如WS2,WSe2, NbSe2, TaS2等,其結(jié)構(gòu)均為六方晶體。在真空、輻射以及高溫下,這些化合物的性能均優(yōu)于石墨、MoS2。
3. 氮化硼類潤滑劑(BN)也是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的材料,它與傳統(tǒng)的固體潤滑劑相比,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。當(dāng)它在大氣中常溫條件下與金屬表面接觸而相對運動時,摩擦因數(shù)約為0.2~0.4,比石墨大,但隨著溫度的升高而減小。BN的摩擦性能不受水蒸氣影響,但在有氣體(如庚烷)中,摩擦因數(shù)小于0.2。在大氣條件下,BN在溫度高達900℃時仍有較小的摩擦因數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性,可以作為高溫潤滑劑使用。
4.氧化物 眾所周知,鋼鐵表面的氧化膜具有保護表面的作用。當(dāng)金屬表面直接接觸并發(fā)生粘著時,摩擦磨損就增加,一旦表面存在.氧化物則摩擦磨損就可減小。氧化鉻(Cr2O3 ),氧化鈦(TiO2 )、氧化鋯(ZrO2)的熔點約在1600~3000℃之間,均有可用作高溫工況下的表面保護膜。氧化硼(B2O3 )在400℃以下的摩擦因數(shù)并不小,但當(dāng)溫度接近熔點時下降到0.1左右。氧化鉛(PbO)在常溫下的摩擦因數(shù)不?。s為0.3~0.4),但在200~650℃溫度范圍內(nèi)只有0.1~0.15,確實也是一種很好的高溫潤滑材料。
5.鹵化物 氟化物的質(zhì)地較軟,抗剪強度較低,并且有化學(xué)惰性,可覆蓋在金屬表面上起潤滑作用,是良好的高溫固體潤滑劑。氟化鈣(B2O3 )和氟化鋇(BaF2 )應(yīng)用溫度范圍比PbO更寬,在空氣或氫氣中,CaF2-LiF以及CaF2-BaF2等混合物,即使在高達650~820℃的高溫下,仍有低摩擦的效果。
6.其它化合物 硼酸鹽也是高溫固體潤滑劑,在熔融狀態(tài)下才顯示出優(yōu)良的潤滑性能,當(dāng)溫度超過480℃時,它具有流體動力效應(yīng),超過760℃時則起邊界潤滑劑作用。在高溫下,硼酸與金屬氧化物起反應(yīng)而形成玻璃。硫化硼在高溫中的低摩擦則歸因于硼酸。此外,各種玻璃,如硼酸鉛玻璃、硼硅酸鉛玻璃、鋁硅酸鹽玻璃等,可以用于500~800℃的溫度范圍,而硅玻璃甚至可用于超過1100℃的高溫。用玻璃潤滑的缺點是難以從潤滑表面將其清除。
7、聚合物 熱塑性塑料有晶態(tài)的,也有非晶態(tài)的,如聚四氟乙烯(PTFE )、尼龍(PA),聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC),聚酰亞胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )等,其中有些材料可以直接用于潤滑,有些材料則須與其它材料組合在一起而產(chǎn)生潤滑效果。用聚合物潤滑的主要優(yōu)點是:化學(xué)穩(wěn)定性好,在低溫、真空中以及各種氣氛中仍能有效潤滑,與潤滑油脂一起使用不發(fā)生干擾。其缺點則是:機械強度和承載能力低,熱傳導(dǎo)能力弱,只能在有限的載荷及溫度條件下使用。
A.聚乙烯(PE)的摩擦因數(shù)約為0.3~0.35,耐磨性也比較好。高密度聚乙烯的摩擦因數(shù)只有0.1~0.14,減摩效果更佳。
B.聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦因數(shù)很?。s為0.05-0.1),而耐磨性能很差,化學(xué)穩(wěn)定性則很好,在高達260℃的溫度下仍能表現(xiàn)出良好的低摩擦性能。PTFE可通過涂敷工藝或在金屬表面上涂擦而靠機械作用附結(jié)于表面上,也可以將其編織而用粘結(jié)劑粘合在表面上,還可將PTFE噴涂于表面上,在>325℃溫度下燒結(jié)(可用其它樹脂粘結(jié)),再在較低溫度下固化。單獨使用PTFE時,只適用于中等滑動速度、輕載以及防粘,但使用MoS2會造成污染的場合。
C.尼龍(PA)有一定的低摩擦性能(摩擦因數(shù)約為0. 15~0. 35)和良好的耐磨性,在載荷作用下會發(fā)生冷流,在潮濕空氣中會吸水膨脹。尼龍基體中以玻璃纖維作填充料可以降低冷流,而添加MoS2和PTFE則可降低摩擦。
D.聚酰亞胺(PI)在常溫時摩擦因數(shù)較高(約0.47),在100℃以上時,摩擦較小,壽命也比較長。PI的機械強度和耐溫性能較好,使用溫度范圍為- 240~+360℃,連續(xù)使用的最高溫度可達260℃。
8、軟金屬 軟金屬如鉛、鎘、銦、金或銀等,可用作硬質(zhì)基底的表面涂層。在常規(guī)潤滑劑不起作和在極高溫以及特殊工況下,它們可以為摩擦面提供一層有效的潤滑膜。載荷由基底承受,切向運動則發(fā)生在低抗剪強度的軟金屬膜中。雖然這些軟金屬的摩擦因數(shù)要比MoS2、PTFE等材料高些,但可有效地應(yīng)用于防腐蝕、耐輻射和高溫的場合。軟金屬薄層的一種新發(fā)展為使用混合金屬涂層,例如用Ag+Mo層在500°C下往復(fù)3000次行程后,摩擦因數(shù)仍能保持0.05的低值。軟金屬膜Cu+Pb,在一240~816℃及高壓、高真空中能有效地進行潤滑。
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