（机械设计及理论专业论文）刀具软涂层技术研究.pdf

摘要 摘要 环境污染问题是当今世界面临的三大问题之一，其恶化程度与同俱增，正在对 人类社会的生存与发展造成严重威胁。切削加工中使用的切削液是机械工业中最大 的污染源，它的废液处理从技术上、成本上都是个难题。为了适应绿色制造的要 求，在切削加工中，应该尽量避免使用切削液。为此，在刀具表面涂敷一层固体润 滑涂层( 又称刀具软涂层) ，它可以代替切削液，实现干切削。 选择具有减摩润滑性能的三种固体润滑剂材料m o s 2 、石墨、a 1 2 0 3 粉末作为固 体润滑涂层材料，实验研究了它们的不同配比、不同涂层工艺参数等对涂层减摩性 能的影响。整个实验分为模拟实验和切削实验。 在模拟实验阶段，借助于m 2 型摩擦磨损实验机、k y k y 2 8 0 0 扫描电子显微镜 分析了涂层材料配比和涂层工艺对固体润滑涂层性能的影响。1 ，通过正交实验优化 了三种固体润滑材料的最佳质量配比为：m o s 2 ：石墨：a 1 2 0 3 = 1 2 ：5 ：3 。2 通过改 变涂层制备中的工艺参数，研究其减摩性能，得出了最佳的工艺参数为：烘干温 度、烘干时间和水煮时间分别为2 0 。、6 0 i n i n 和9 0 m i n 。 在切削实验阶段，选用高速钢刀具如：车刀、钻头、丝锥等进行了刀具软涂层 试验，收到理想的试验效果。研究结果表明，软涂层刀具比未涂层刀具在切削过程 中切削温度有所降低：使用寿命得到了提高；积屑瘤的生长得到有效抑制，提高了 加工工件的表面质量。这表明在刀具表面涂覆复合固体润滑剂涂层具有良好的自润 滑作用。 利用扫描电镜对软涂层刀具磨损前后的表面状况进行了分析，并对软涂层的减 摩机理进行了探讨，发现在形成的固体润滑膜的结构中，三种固体润滑材料在摩擦 过程中已经形成了一种新的润滑膜结构，这种新润滑膜的减摩性能明显优于单因素 形成的固体润滑膜。所以在刀具表面涂覆一层复合固体润滑材料，切削时与工件表 面间形成一种固体润滑膜，它具有较低的摩擦系数，能够起到润滑作用，在切削中 可以代替切削液，实现干切削，从而为实现绿色制造奠定基础。 图2 l 表1 8 参5 8 关键词：固体润滑剂；软涂层：涂敷；减摩性能 分类号：t h l l 7 河北理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp 0 1 l u t i o nh a sb e c o m eo n eo f t h em o s ts e r i o u sp r o b k m so ft h ew o r l d ， w 1 1 i c hi st 1 1 r e a t e n i n gs o c i a le x i s t e n c ea 1 1 dd e v e l o p m e n t c u m n gn u i du s e di nc u t t i n gm a c h i 1 1 i n gi st l l eb i g g e s tp o l l u t i o ns o u r c ei n 也em e c h a r i i c a l i n d u s t r ya i l d1 i q u i dw a s t ed i s p o s a l i s ad i f ! e i c u np r o b l e mi nt e c h n i q u ea n dc o s t i n0 r d c rt oa d a p tw e l lt ot h ed e m a n do fg r e e n m a n u f k t u r e ，w es h o u l dt r yt oa v o i du s i n gc 眦i n gn u i d o n eo ft 圭l ew a y si st ow a s has o l i d l u b r i c a t j o nc o a t i n g 珏e ，s o rc o a t i n g ) r a t h e rt h a nc u t t i n gf l u i do nt h es u r f a c eo f t h ec u t e rt o c u tw i t h o u tc u t 【i n gn u i d i ne x p e r i m e n t ，如r e es o l i dl u b r i c a t i o n sw i t ha n t i f h c t i o nn a t u r ei n c l u d i n gm o l y b d e n 啪， g r a p h i t ea n da l u r l d u ma r es e l e c t e da sm a t e r i a lo ft h es o l i d1 b r i c a t i o nc o a t i n g t h ee x p e r i - m e n tt e s t st h ee f t f e c to fs o l 磁l u b r i c a t i o nc o a t i n go na n t i m c t i o nn a t u r ew h e nt h em i x t u r e r a t i oo ft 1 1 em r e es o i i dl u b r i c a t i o n sa j l dt e c h n o i o g i c a lp a r a n l e t e ro ft h e s o l i di u b r i c a t i o n c o a t i n gv a r y t h ew h 0 1 ee x p e r i m e n ti sd i v i d e di n t om o d e lt e s ta r l dc u m n gt e s t mm o d e lt e s ts t a g e ，w i mt 1 1 eh e l po fm e 丘i c t i o nw e a rt c s t i n gm a c h i n em 一2a n ds c a r m - m ge l e c t r o n i cm i c m s c 叩e ( s e m ) k y k y 2 8 0 0 ，t h ee f f e c to f s o l i dl u 嘶c a t i o nc o a t i n go n 雒t i 一 丘i c t i o nn a t u r eh a sb e e ns t u d i e dw i t h 小ec h a i l g eo fm em i x t i 盯er a t i oa n dt e c h n 0 1 0 9 i c a l p a r 姗e t e ro fm es o i i di u b r i c a t i o nc o a t i n gt h er e s u i t ss h o w ：n i eb e s tm i x t u r er a t i oo ft h e t 1 1 r e es o l i dl u b r i c a t i o ni sm o l y b d e n u i i l ：酽a p h i t e ：a l u n d l n = 1 2 ：5 ：3a n dt h eb e s tt c c h n o l o 百c a lp a r 锄e t e ro fas 0 1 i di u b r i c a t i o nc o a t i n gi sd r y i n gt e n l p e r a t u r e ：d r y i n gt i m e ：w a t e r c o o k e d 血n e = 2 0 0 ：6 0 ：9 0 t l l r o u 曲t h em o d e lt e s tt h eb e s tm i x t u r er a t i oo ft h et h r e es o l i d l u b r i c a t i o na i l dt h eb e s tt e c h n o i o g i c a lp a r 啪e t e ro fas o i i dl u 嘶c a t i o nc o a t i n gi sf i x e d i nt h ec u m n gs t a g e ，h i 曲s p e e ds t e e lc u n e r ，s u c ha sl a t h et o o l s ，t w i s td r i l la 1 1 ds c r e w t a p ，a r es e l e c t e dt ot e s tt l l ee f 诧c to f t h es 0 1 i dl u b r i c a t i o nc o a t i n ga n dt h er e s u l t sp e r f b c t l y s h o w ：t h eu s eo f m es o rc o a t i n go nt h ec u t t e rt o o l sd e c r e a s e s 也et e m p e m t u r co f c u t t i n g w o r k i n g ；i n c r e a s e si t ss e r v i c el i f e ；r e j e c t st h eg m w i n go f t h ef i l i n gl u m p sa n di m p r o v e st h e q u a l i t yo fw o r k p i e c ea p p e a r a n c e i tp r o v e st 1 1 a tt h es o rc o a t i n go nt h ec u t t e rt 0 0 1 sh a se x c e l i e ms e l f - 1 u b r i c a t i n gn a t u r e s e mi su s e dt oa n a l y z et h es u r f a c es i t u a t i o no ft 1 1 es o nc o a t i n go n 廿l ec 眦e rt o o l s b e f o r ea i l dm e ri t sw o r k i n ga i l dt of u m l e rs t u d yt h ea n t i 仃i c t i o nm e c h a n i c so ft 1 1 ec o m p o u n dc o a t i n g ，w l l i c hs h o w st h a tan e wi n t e g r a ls t m c t u r ef 0 玎n si nt h ec o m p o u n ds o l i d i i a b s t r a c t l u b r i c a t i o n 基l m t h i sn e wl u b r i c a t i o nn l mh a se x c e l l e n t1 u b r i c a t i n gn a t u r e s ow a s h i n ga s o l i d1 u b r i c a t i o nc o a t i n go nm ec u t t e r ss u r f 如ec a nf 0 咖as o l i dl u b r i c a t i o nf i l mb e t w e e n t o o l sa n d 啪r k p i e c ei nw o r k i n g t h e 衔c t i o nc o e 伍c i e n to f t t l ef i l mi sl o w e fa 1 1 dc a i lr e p l a c e t h cc u t t i n gn u i dt oc u tw i t l l o u tc u m n gn u i d ，b yw h i c ht h ef b u i l d a t i o n so fm 删f a c t u r i n g w i t h o u tp o l l u t i o nh a sb e c nl a i d f i g u r e 2 1 ；t a b l e1 8 ；r e f e r c n c e5 8 k e yw o r d s ： s o l i dl u b r i c a t i o n ；w a s h i n g ；s o rc o a t i n g ；锄t i f r i c t i o nn a t 呲 c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：n 1 17 i i i 独创性说明 木人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：饭牧日期：。年牛月嚣日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：盛监。翩签名：哟鹕日期：五年细金日 引言 引言 机械制造业是工业的基础，既是创造人类财富的支柱产业，又是造成当前环 境污染问题的主要根源 i 】。而切削加工是机械制造的主要加工方法，随着切削液 的广泛使用，人们发现切削液废液成为金属切削加工的主要污染源，使用时不仅 会对操作人员的身体健康构成危害，而且废液的排放也会对环境造成严重污染， 切削液废液的回收成本又很高，面对人类社会可持续发展的需要，制造业必须尽 可能减少资源消耗和解决带来的环境问题【2 ，3 1 。因此，研究绿色切削技术干切 削，寻求一种降低甚至消除切削液的加工方法是环保的要求，是可持续发展战略 的需要，也是推动绿色制造发展的重要课题。 在高速切削加工中，在强度高、韧性较好的刀具基体上，涂敷上一层或多层 硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜，而形成涂层刀具，称为硬质涂层 刀具【4 ，“。而在中低速切削领域，切削温度较低，切削中要解决的是润滑问题。基 于涂层思想和固体润滑机理，为避免切削液的各种不利影响，提出在中低速刀具 涂上一层相对较软的摩擦系数较低的润滑物质，即将固体润滑材料涂覆于刀具 上，在切削时能在摩擦表面形成一层固体润滑膜来代替切削液，从而可以减小刀 具和工件间的摩擦，实现刀具的自润滑，即进行刀具软涂层的研究。 刀具软涂层技术的关键问题是寻找最佳的固体润滑材料和刀具软涂层的制备 工艺，以保证固体润滑膜的形成和具有较高的强度。本研究的创新点是：1 采用 m o s 2 、石墨、a 1 2 0 3 多种固体润滑材料复配作为复合减摩润滑材料。减摩效果明 显提高。2 ，优化刀具软涂层的涂覆工艺参数。 目前在刀具硬涂层方面，国内外研究非常多，且技术已经比较成熟。而在刀 具软涂层方面，国内外研究较少。因此，研究中低速刀具的软涂层技术，推动绿 色制造的发展具有重大的意义。 本项目来源于河北省教育厅科研计划项目( 项目编号；2 0 0 2 2 5 3 ) 和唐山市科 研计划项目( 项目编号：0 3 2 0 0 8 0 l b ) 。 河北理工大学硕十学位论文 1 1 切削液的作用及危害 1 1 1 切削液的作用 1 文献综述 切削液是金属切削加工中使用的配套材料。为了改善刀具与工件及切屑间的摩擦 状况，降低切削温度和切削力，减轻刀具磨损，减小工件热变形，从而可以延长刀具 使用寿命，提高加工质量和生产效率，降低加工成本，在金属切削中，必须选用合适 的切削液【6 】o 切削液的作用如下：冷却作用、润滑作用、清洗作用、防锈作用等。 1 1 。2 切削液的负面影响 随着切削液的广泛使用，人们发现切削液废液成为金属切削加工的主要污染源， 除使用时会对操作人员的身体健康构成危害外，废液的排放也会对环境造成严重污 染，而它的回收成本很高。使用切削液的主要负面效应【8 是： 1 增加制造成本：在欧洲汽车制造业，切削液的成本占总制造成本的1 6 9 ，而刀 具成本仅占总制造成本的7 5 。 2 污染环境：切削液中含有矿物油及硫、磷、氯等对环境有害的添加剂，切削液 废液处理不当会污染土地、水源和空气。 3 损害工人健康：切削液中含有害成分( 如硫、亚硝酸胺、甲醛、苯酚类物质) ，使 用中直接与人体接触，会诱发多种皮肤病；它受热挥发形成烟雾，会引起工人呼吸道 和肺部的诸多疾病。 从生态学和经济学的观点应该避免或减少切削液的使用量，由此，绿色切削加 工技术的研究便应运而生。最近提出了干式切削技术和切削液最少量润滑技术【9 l o 】。在 解决这些问题的众多方法中，研究开发绿色切削即不使用切削液的干切削是最有 前途的。 1 1 3 刀具涂层技术 降低切削液污染的最好方法就是不使用切削液，实现干切削，这样就对刀具提出 了更高的要求。干切削必须解决切削过程中的冷却和润滑问题，不能只是简单的 2 1 文献综述 去掉切削液，而刀具涂层技术就是针对这一实际难题提出的。通过在刀具表面上 涂覆一层物质来提高刀具的性能，使其具有自润滑性能，从而实现绿色制造 干切削加工。在高速切削领域，使用刀具涂层的主要目的是提高刀具的硬度和耐 磨性，在强度高、韧性较好的刀具基体上，涂覆上一层或多层硬度高、耐磨性好 的金属或非金属化合物薄膜，可以提高刀具使用性能，形成涂层刀具，称为硬质 涂层刀具1 2 】。在中低速切削领域，切削温度较低，切削中要解决是润滑问题。 基于固体润滑机理和刀具的涂层思想，避免切削液的各种不利影响，提出在中低 速刀具上涂上一层较软的润滑物质，实现刀具的自润滑，即用固体润滑剂代替切 削液，并称该技术为刀具软涂层技术。 目前在刀具硬涂层方面，国内外研究非常多，且技术已经比较成熟。而在刀具软 涂层方面，国内外研究得很少。因此，研究中低速刀具的软涂层技术具有重大的 意义。 1 2 固体润滑材料 刀具软涂层技术是基于固体润滑理论。所谓固体润滑就是用固体微粉、薄膜或复 合材料代替润滑油( 脂) ，隔离相对运动的摩擦表面以达到减摩和耐磨的目的。这种 能够降低摩擦、减少磨损的固体物质称为固体润滑剂。利用固体润滑剂进行润滑的方 法称为固体润滑，利用固体润滑剂对摩擦表面进行润滑的技术成为固体润滑技术【l ”。 1 2 1 固体润滑材料的种类 利用某种单质或复合材料的固体粉末，采用各种方法在摩擦表面形成固体润滑 膜，以减少摩擦、磨损的物质统称为润滑剂 1 4 ，” 。固体润滑剂的使用形式，可以是单 质，也因各种不同的使用目的而进行多元组合，形成自润滑复合材料。 固体润滑剂的种类较多，润滑机理也较复杂。若以基本原料来分，可以分为软金 属类、金属化合物类、无机物类和有机物类等。 1 软金属类固体润滑剂i l 6 j 许多软金属，如铅、锡、锌、铟、金、银等，在辐射、真空、高低温和重栽条件 下具有良好的润滑效果，可以充当固体润滑剂。通常，将软金属润滑粉末制成合金材 料，或用电镀、离子镀等方法将其涂敷于摩擦表面，形成固体润滑膜。如宇宙飞船的 太阳能机构，液氢液氧火箭发动机涡轮泵轴承仅镀0 6 1 “m 厚的银膜，就能可靠的工 作。 3 河北理工大学硕十学位论文 软金属固体润滑材料作为固体润滑剂，它的特点是剪切强度低，能够发生晶间滑 移。具有定强度和韧性的软金属，一旦粘着于基材表面，便能牢固地粘接在一起， 发挥它优异的减摩和润滑作用。 2 金属化合物类固体润滑剂 可做固体润滑剂的金属化合物较多。如金属的氧化物、卤化物、硫化物、硒化 物、硼酸盐、磷酸盐、硫酸盐和有机酸盐等。主要使用的金属化合物类固体润滑剂有 三类：金属氧化物、金属硫化物和金属硒化物等。 3 无机物类固体润滑剂 无机物固体润滑剂有石墨、氟化石墨等具有层状晶体结构，剪切强度很小。当它 与摩擦表面接触后便有较强的粘着力，并能防止对偶材料直接接触。玻璃在一定的温 度和压力条件下成熔融状态，可隔离两摩擦表面，在高温下有良好的润滑作用。华 石、云母、氟化硅等虽然润滑性能较差，但是电绝缘性能好，能在高温和特殊工况下 充当固体润滑剂以及润滑填料。氮化硼为六方晶体，具有石墨一样的层状结构和类似 的性质，且为白色粉末，可以用于高温和绝缘性隔热润滑材料。 4 有机物类固体润滑剂 各种高分子材料，如蜡( 石蜡、地蜡等) 、固体脂肪酸和醇、联苯和涂料( 如阴 丹士林、酞菁等) 可以充当固体润滑剂。各种树脂和塑料：热塑性树脂( 如聚四氟乙 烯、聚乙烯、尼龙、聚甲醛、聚苯硫醚等) 和热固性树脂( 如酚醛、环氧、有机硅、 聚氨酯等) 可以充当固体润滑剂。热塑性材料在一定温度下有降低摩擦的趋势。 高分子材料除了以粉末形式作为润滑添加剂加入其它润滑剂中外，一般都作为基 材，添加其它固体润滑剂( 如二硫化钼等) 后制成高分子基复合材料。 1 2 2 固体润滑材料的特性 为了实现对摩擦表面的固体润滑，应该选择比较理想的固体润滑剂。固体润滑剂 应能在使用中不断地为表面提供润滑，形成的固体润滑剂转移膜应具有低的摩擦系 数，并对金属基材和对偶材料有较强的粘着力和良好的耐磨性。为此，固体润滑剂应 具有不低于金属基材的热膨胀性能。当然，也可以添加各种适合的添加剂，以改善固 体润滑剂的润滑性能。由此可见，摩擦面上能否形成固体润滑剂的转移膜，这层膜与 基材粘着的牢固程度及耐磨性如何，是影响润滑性能的重要因素【1 7 】。 1 摩擦特性 4 1 文献综述 所有的摩擦副都要承受一定的负荷或传递一定的动力，并且以一定的速度运动。 粘着与摩擦表面的固体润滑剂在于对偶材料摩擦时，在对偶材料摩擦表面形成转移 膜，使摩擦发生在固体润滑剂内部。这样才能表现出良好的摩擦特性较低的摩擦 系数。所谓摩擦特性，应该包含以下内容： 1 ) 对偶材料间的摩擦时在一定负荷的作用下进行的，固体润滑剂应使其保持较低 的摩擦系数，不是对偶材料间发生咬合【1 ”。而且，固体润滑的摩擦系数随着负荷的增 加而减小。 2 ) 对偶材料间的运动是以一定速度进行的，固体润滑剂应使其保持较低的摩擦系 数，不使对偶材料间发生咬合。而且，固体润滑的摩擦系数随着速度的增加而减小。 固体润滑剂的摩擦特性与其剪切强度有关，剪切强度越小，摩擦系数越小。层状 结构润滑材料在摩擦力的作用下，容易在层与层之间发生滑移，所以摩擦系数小。软 金属润滑材料能产生晶阃滑移，剪切强度也小。因而这些物质可以作为固体润滑剂。 2 耐磨特性 对偶材料间在一定的负荷和运动速度条件下发生的摩擦，总会产生磨损。经过若 干周期的摩擦，固体润滑剂全部磨损完时，便是其磨损寿命。通常，固体润滑剂的耐 磨性随着负荷、速度的增加而下降。因此，应用于每个具体摩擦副组件的固体润滑剂 应该具有与设计寿命相一致的耐磨性【坶l 。固体润滑剂的耐磨性与下列两个因素有关： 1 ) 固体润滑剂对摩擦表面的粘合力越强，越容易形成转移膜，其耐磨性也越好， 固体润滑剂的寿命也越长。影响固体润滑剂对摩擦表面粘着的因素较多，最主要的因 素在于固体润滑剂与其所粘着的材料间的匹配应该合理，才能使其牢固粘着在表面 上。 2 ) 固体润滑剂应该具有不低于基材的热膨胀系数。当摩擦引起温升时，由于其热 膨胀系数较高而将突出于基材表面，并与对偶材料接触，不断提供固体润滑，以维持 较好的摩擦性能。 3 宽温特性 固体润滑剂应该能在一定的温度范围内工作。目前，固体润滑剂的使用温度上限 在1 2 0 0 以上( 金属压力加工中所使用的固体润滑剂) ，最低温度在一2 7 0 左右( 液 氧和液氮等输液泵轴承的固体润滑剂) ，但是，无论如何固体润滑剂都没有这么宽的 工作范围。实际使用的固体润滑剂只要求使用于某一特定的温度范围。而且通过制造 特定的复合润滑材料便可以适用于某个温度范围工作。在一定工作温度范围内，固体 润滑剂应该具有较低的摩擦系数，较好的润滑性能和耐磨性【2 0 1 。 河北理工大学硕士学位论文 在较高的使用温度条件下，因摩擦而产生的热量将会影响材料的性能。因此，对 于适用于较高温度下的固体润滑剂提出耐热性的要求是合理的。耐热性好的材料熔点 高，且在较高温度下仍能保持良好的物理性能。同时，适用于高温的固体润滑剂的热 传导性要好，使摩擦产生的热量易于传导出。有时，摩擦点的温度回升得很高，热传 导性好的材料容易把摩擦热向外传导，有利于降温，使摩擦材料维持f 常的工作性 能。 4 气氛特性 许多固体润滑剂的润滑效果具有气氛依赖性。而且，有的固体润滑剂( 如软金属 银、金、铅等) 受气氛环境的影响较大，只能适应于特定的气氛条件下工作。为此， 可以采用以下两种办法来解决：在特定的气氛条件下选择特定的固体润滑剂及其复合 材料；在固体润滑剂中添加某些添加剂来改善它的气氛特性。例如，二硫化钼在空气 中可能氧化，特别是处于4 0 0 以上高温时，易与氧气激烈反应生成二硫化钼，这是 个硬质合金颗粒，会加剧对偶材料的磨损。但是二硫化钼处于真空或惰性气体条件 下，甚至可以用到1 0 0 0 以上的高温。因此，选择二硫化钼作为固体润滑剂时，若在 空气中使用应该注意，工作温度不得超过4 0 0 。若在短时间内使用温度超过4 0 0 ， 可在其中添加抗氧化剂。同时，二硫化钼及其复合材料可以应用于真空或惰性气体气 氛中。又如，润滑油脂药在特定的含有一定比例的氧气和氮气气氛中才能形成原位摩 擦聚合膜。 固体润滑剂还有耐辐射性、耐腐蚀性、蒸发性等特性。 1 2 3 固体润滑材料的应用 固体润滑材料的发展和应用虽有较长的历史，但自润滑复合材料在工业上的广泛 应用还是2 0 世纪6 0 年代以后的事川。它的出现，弥补了轴承材料的不足，满足了航 空航天和其他新产品在苛刻条件下的润滑需要，成为润滑领域里的一类新型材料。同 时，它对农业和其他行业，如钢铁、机械、原子能、交通运输、船舶制造、建筑、食 品、纺织、家电、医疗设备和各种科学仪器等，也同样重要。 固体润滑材料的使用温度范围、耐腐蚀、抗污染、能在极压、辐射和真空等条件 下工作，使用寿命长，并能直接加工成零部件，如轴承保护架、衬套、轴承套圈、齿 轮组合件及密封环等。这些零部件工作时，一般不需要加润滑油脂，就有良好的润滑 和抗摩效果。 6 l 文献综述 前沿科学和高技术发展的水平集中体现在空间技术上。我国从第一颗人造卫星起 己研制出不少固体润滑材料，成功地解决了空间机械的许多润滑问题。如人造卫星的 拉杆天线、太阳能电池帆板铰链及扭簧机构、卫星姿态控制用重力平衡杆伸缩机构、 百叶窗温控轴承、红外线照相机自润滑滚动轴承、光学仪器驱动机构的润滑、万向接 头和继电器开关的自润滑、液氧输送泵轴承和液氢工作的齿轮、轴承等，都成功地应 用了固体润滑材料【2 “。 1 固体润滑材料的应用 固体润滑剂材料的应用可归纳为如下诸多方面1 2 ”7 j ： 1 1 负荷高的运动部件，如重型机械、拉丝机械等。 2 ) 高速运动的运动部件，如弹丸与枪弹之问的滑动面。 3 ) 速度低的运动部件，如机床导轨等。 4 ) 温度高的运动部件，如炼钢机械、汽轮机等。 5 ) 温度低的运动部件，如制冷机械、液氢、液氧输送机械等。 6 1 高真空条件下的运动部件，如宇航器的机械、医疗x 光管等。 7 1 耐腐蚀的运动部件，如处于强酸、强碱和海水中的活动部件。 8 ) 接受强辐射的运动部件，如原子能发电站的某些机械等。 9 ) 环境条件很清洁的运动部件，如办公机械、食品机械、精密仪器等。 1 0 ) 耐磨粒磨损的运动部件，如钻探机械、农业耕作机械等。 还可以列出一些固体润滑材料的应用范畴。每一类固体润滑材料可以在多个领 域、多种工作或多种工况条件下得到应用。而每一个领域、每一种工作或每一种工况 条件下也可以应用多种类型的固体润滑材料。其中涉及到固体润滑材料的设计、制备 工艺方法和应用技术等。 2 固体润滑剂的选用原则 在选用固体润滑剂时，首先要明确其工作环境( 温度、介质等) 、工作参数( 压 力、速度) 和摩擦学性能( 摩擦系数、磨损量、使用寿命) 的要求以及散热等情况， 参照各种材料的耐温性、环境适应性、承载能力、极限p v 值和工作p v 值下的磨损速 率等。并考虑温度和润滑的影响，考虑负荷的性质以及原料和加工等方面的经济因 素，才能合理地选择出性能指标略高于工作参数的理想的固体润滑材料。 选用固体润滑剂时，首先确定选用何种类型的原料( 如层状类材料、高分子类、 软金属类或是金属化合物类等) 。如果选用高分子材料或软金属基复合材料，还应首 先选择合适的基材，如选用铁基基材还是铜基基材等。在选基材时，同时应考虑对偶 7 河北理工大学硕士学位论文 材料的性质和结构等，便于基材和对偶材料形成合理的匹配，以免固体润滑膜破裂时 发生金属间的咬合。 1 ) 根据使用性能来选用 自润滑复合材料从使用角度分，可分为两类：一类为处于干摩擦状态下使用的固 体润滑膜：另一类为必须具有润滑油脂存在的含油复合材料。 固体润滑膜的润滑特性随环境因素而变化，若同时使用润滑油或脂，则膜的寿命 就会明显降低。如果想要延长润滑膜的使用寿命，可以将其同时粘接在对摩的两个滑 动面上。这与只在个滑动面上粘接的情形相比较，膜的寿命可以延长3 5 倍。例 如，只要一个摩擦面上粘接固体润滑膜，那就要求对偶材料的表面粗糙度r a 在0 8 岫 以下。表面粗糙度不平或有毛刺，都会降低润滑膜的使用寿命。 2 1 根据环境特性来选用 各种润滑材料对环境介质的适应性是不同的，其润滑性能对环境气氛均不同程度 的依赖性。这主要取决于固体润滑剂的性质、填料和粘结剂的耐腐蚀性等。因而，在 选用固体润滑剂时应考虑它的环境特性【2 8 1 。 例如，聚四氟乙烯具有最好的化学惰性，他耐强酸、强碱、强氧化剂和任何溶剂 的作用。聚苯硫醚的耐酸、耐碱性和与溶剂相互作用的性能均良好。聚酰亚胺的耐辐 射、耐化学性良好，它还可以耐油、大多数有机溶剂和稀酸，但不耐浓硫酸和碱的作 用。 石墨具有良好的润滑性能，但它的润滑作用受水蒸汽及其它气体吸附层的影响较 大，在真空中润滑性较差。并且耐腐蚀性也较差。 酚醛和聚甲醛均耐湿、酸和氧化，但不耐碱。 二硫化钼具有降低粘滑现象，改善摩擦磨损的作用。最适宜在真空中使用。但其 易与氧、氟、氯、浓盐酸、王水等化学试剂起作用，应避免在这些介质中使用。 金属的化学性质活泼，耐腐蚀性差，不宜再腐蚀介质中使用。有时，软金属还容 易与化工生产中的某些气体或液体介质起反应，因此在选用软金属或软金属基自润滑 复合材料对，必须对化学环境作全面的了解。 1 2 4 本研究所选用的固体润滑材料 根据以上对固体润滑材料的应用和选用原则的介绍，本文将以二硫化钼、石墨和 三氧化二铝为研究对象，通过实验的方法寻求他们的最佳配合比例和最佳涂敷方法， 制备一种可以在中低速切削中应用的固体润滑膜，以解决在金属切削加工领域的切削 8 1 文献综述 液的各种污染问题，实现切削领域的绿色切削方法干切削。在对该减摩材料及涂 层的形成工艺研究的基础上，分析了该减摩材料的摩擦磨损性能。下面介绍一下这三 种固体润滑材料性能。 1 二硫化钼 二硫化铝( m o s ，) 的密度4 5 4 8 9 ，c m 3 ，熔点1 1 8 5 ，外观呈黑灰微带蓝色，手 摸有滑腻感。其结构属于六方晶体系的层状结构( 见图1 ) ，由图可以看出每个单元层均 由s m o s 三个平面层组成，而在单元层内部，每个钼原子被三棱形分布的硫原子包围 着，它们以很强的共价键联系在一起2 9 3 3 】。层与层之间以较弱的范德华分子力相联 系，这就产生下面两个结果： 1 ) 相邻的硫原子层之间的键较弱，以至它们之间容易发生劈理。此外，这些劈理 面表面能低，是亲水性的。 2 ) 在含有s m o s 原子群的薄片中键结合很强。晶体的棱边具有高的表面能， 并且在空气中特别是与氧气将迅速起反应。天然m o s ，常常是大粒晶体，而合成的 m o s ，通常是很小的颗粒( 黑色) 。 s l o 。砬6 n ” l o 6 t 1 f 0 6 2 6 n m l 图l m o s 2 结构 f i g 1s l r u c t u r eo f m o l y b d e n u md i s u j p h i d e 2 石墨 石墨外观呈黑色，有脂肪质的滑腻感，密度为2 2 2 3 吕，c m 3 ，具有明显的层状六方 晶体结构，石墨的分子结构使同一层内的碳原子牢固地结合在一起，不宜破坏；二层 与层之问地结合力较弱，受剪切力作用后容易滑移，满足固体润滑剂的要求。石墨具 有耐高温性、导电导热性、润滑性、化学稳定性、可塑性和抗热震性，所以在冶金、 机械、石油、化工、核工业、国防等领域得到广泛的应用，其用途为作为耐火材料、 导电材料、密封材料、耐腐蚀材料、隔热、耐高温、防辐射材料和耐磨损材料。另 外，石墨还具有容易吸附气体的特性，在其层间引入金属或金属化合物制成层间化合 9 河北理工人学硕士学位论文 物，能有效地提高石墨的耐磨寿命。在许多机械设备中，用石墨作耐磨和润滑材料， 可以在( 2 0 0 2 0 0 0 ) 温度的范围内以1 0 0 州s 的速度滑动。不用或少用润滑油【3 4 3 “。 3 纳米三氧化二铝 三氧化二铝( a 1 ，0 ，) 常温下成白色粉末，硬度较高，耐磨损，耐腐蚀，耐高 温，隔热性能优良，摩擦系数较低，是优良的抗磨粒磨损涂层材料。常用于陶瓷粘结 膜中，作为高温润滑材料。国内外许多刀具的硬质涂层都选用三氧化二铝作为涂层材 料【3 7 。4 ”。 氧化铝( a l ，o ，) 有多种晶形，如( 三角形的) ，p ( 六边形的) ，t ( 立方尖 晶体的) ，6 ( 四棱的) ，e ( 单斜晶系的) ，1 1 ( 立方尖晶体的) ，k ( 斜方晶系 的) ，j c ( 立方的) ，t ( 未知结构的) ，除了( a a l ，o ，) 是稳定的，其它都是亚 稳定的，比如，在8 0 0 1 2 0 0 之间煅烧，可观察到不同程度的纳米转变为a a l ，o ， 在1 5 0 0 下，样品中9 5 以上的a l ，0 ，为c l a 1 ，o ，。在一般的纳米a l ，0 ，中一般存在 两种变体是q a l ：o ，和y a l ，o ，他们的化学性质不同，吐一a l ：o ，化学性质极不活 泼，除溶于熔融的碱外，与所有试剂都不反应。t a l ：0 ，可溶于稀酸，也能溶于碱， 又称为活性氧化铝，被用作工业吸附剂，催化剂和催化剂载体。纳米y a l ，0 ，比纳米 旺一a l ，o ，软，若加到固体润滑涂层中，无法提高所制备涂层的摩擦性能，因此，本试 验选用了纳米q a l ，0 ，作为原料。文献显示反应喷溅沉积法( r e a c t i v es p u t t e r i n g d e p o s i t i o n ) 制得的纳米一a 1 ，o3 硬度为2 0 g p a ，物理蒸汽沉积法( p h y s i c a lv 印o l l r d e p o s i t i o n ) 制得的纳米一a 1 2 03 硬度为9 8g p a ，化学沉积法( c h e m i c a lv 印o l l r d e p o s i t i o n ) 制得的纳米d a 1 ，o ，硬度为1 9 6g p a ，本试验选用了国产化学沉积法制得 的纳米a a l ，0 ，作为原料，以下简称为氧化铝。 1 2 5 固体润滑涂层中成膜物质的选择 固体润滑涂层中的成膜物质是使固体润滑材料牢固附着于基材表面形成连续涂层 的主要物质，是构成涂层的基础，对涂层的物理化学性质起到十分重要的作用。要求 成膜物质对基材有良好的附着力、良好的耐磨性自润滑性能和对填料有良好的粘接作 用。成膜物质主要是指粘接剂、固化剂和固体润滑涂层填料( 包括溶剂和助剂) 。 1 环氧树脂 环氧树脂涂料以其性能优异、应用广泛及品种齐全而闻名于世。环氧树脂涂料大 多工艺简单易行、对金属的附着力很好和耐磨性好。环氧树腊涂料的性能主要有环氧 树脂及其固化剂决定，不同环氧树脂涂料工艺和性能相差很大1 4 6 1 。 1 0 1 文献综述 环氧树脂t g d d m 是一种能够耐高温的缩水甘油胺型环氧树脂，化学名称为 4 ，4 。二氨基二苯甲烷环氧树脂。分子结构式为： 0 q c 地一c h c 地。鼬一c h c 心 n o m d c d b 即环氧树脂) 石墨) a l ：o ，) m o s ：高速时各因素对固 3 固体润滑涂层的模拟实验研究 体润滑涂层影响的主次顺序为：d c a b 即a l ：o ，) 石墨) 环氧树脂) m o s ：。由此 可以看出a 1 ：o ，在高速时对涂层的减摩作用影响显著。 随后，用这个最佳比例作为制成a 组分的配比，按照单因素减摩胶制备方法制成 复合减摩胶，涂覆在试样4 上。实验结果见表7 ： 表7 复合减摩涂层的摩擦系数 二n 骂 1 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 0 试样4 0 1 0 7 o 1 0 3o 1 0 0o 0 9 5o 0 9 4 m o s ：、石墨、a i ：o ，及其复合膜的摩擦系数地关系如下图1 3 所示 ，尊样3 、!专迨卜= 型2 1 、： 二：r 试样1 、 烘干温度 水煮时间。 3 3 3 煮涂法涂层和用油作润滑剂的试件摩擦性能比较 试验条件：滚动摩擦试验，载荷为1 0 0 n ，摩擦时间均为5 m i n ，速度2 0 0 r m 血 3 3 河北理二【：人学硕士学位论文 将试样5 ( 不用任何润滑剂) 、试样6 ( 4 6 # 全损耗系统用油做润滑剂) 、试样7 ( 煮涂 法最佳工艺制得涂层) 分别在实验机上测定摩擦系数表1 0 ，用m a t l a b 软件进行曲线拟 合，如图1 4 所示： 表1 0 干摩擦、用油作润滑剂、煮涂法涂层试验的摩擦系数 t a b i e1 0t a b l eo f t h ef r i c t i o nf a c t o “n ol u b r i c a t i 叩卸dw i t ho i la n dw i t hc o a t i n g ) 载荷( n ) 试件 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 试验5 o0 1 8o 0 1 60 0 1 5 3o 0 1 5 500 1 4 6o0 1 4 5 ( 不用润滑剂) 试验6 ( 用油做润滑) 00 1 5o 0 1 30 0 1 2 50 0 1 20 0 1 0 00 l o 试验7 o 0 0 9 50 0 0 7 60 0 0 8 20 0 0 7 7 5o 0 0 7 2 o 0 0 6 8 ( 用固体润滑) ，试样5 试样捧 试样7 印 1 0 01 2 0 02 5 。3 d 0 负荷( n ) 图1 4 试件的摩擦系数与所承受载荷的关系曲线 f 远1 4c o n c e n t r a t i o n sr e l a t i o nb e t w e e n 丹i c t i o nf a c t o ra n dl o a d i n go f t h es a m p l e 从上图可以看出煮涂法形成的涂层同样也能起到了很好的减摩作用，而且优于用 油作润滑剂时的减摩性能。 咖 肼 吲 s糍l墼缎避 3 固体润滑涂层的模拟实验研究 3 3 4 浸涂法和煮涂法比较 我们先做了煮涂法滑动摩擦的试验，但是煮涂法的涂层强度不够，在1 5 0 n 时摩 擦系数迅速升高，涂层就被磨掉了，所以试验条件定为：滚动摩擦试验，载荷为 1 0 0 n ，摩擦时间均为5 m i n ，速度2 0 0 r m i n 。为了使试验更科学，选取5 个试样为一 组，分别进行浸涂法涂敷和煮涂法涂敷，然后进行摩擦试验，测定摩擦系数取平均值 如表1 1 。 表1 1 浸涂法和煮涂法试样的摩擦系数比较表 t a b l e l lc o m p a r et a b l eo f 丹i c t i o nf k t o r ( d i p - c o a t i r 培a n d 、v a t e 卜h e a t i n g - c o a t i n 曲 工淤 5 0l o o 1 5 02 0 02 5 03 0 0 浸涂法 o 0 1 00 0 0 7 50 0 0 7 30 0 0 70 0 0 6 4 0 0 0 6 7 煮涂法 o 0 1 0o 0 0 7 3 o 0 0 7 5o 0 0 7o 0 0 6 4o 0 0 6 8 从上表数据可以看出，两种方法制成的涂层在摩擦性能上相差不大，浸涂法随着 载荷的增高摩擦性能略好些。 综上所述，两种制备固体润滑土层的方法各有优势，对比如下： 1 ，煮涂法较浸涂法便于操作，浸涂法中使用粘接剂和固化剂，这两种物质在气温 很低的时候，会变得很粘稠，不易操作；而煮涂法采用水域加热，工艺参数比较容易 准确控制。 2 ，煮涂法形成涂层的润滑效果略优于浸涂法，但是涂层粘结强度不如浸涂法涂 层。 本章主要通过对m o s ，、石墨、a l ，0 ，三种固体润滑材料单因素以及复合配比而成 的固体润滑涂层的制备工艺和摩擦性能进行了模拟试验研究，对实验数据的极差分 析，最后确定了复合材料摩擦学性能最优时的组成和制备工艺。试验结果表明： 1 磷化处理对粘接强度有很大帮助。适当的固化温度和时恻能改善固体润滑膜的 性能，提高润滑能力。 2 石墨和m o s ，涂层减摩性能良好；三氧化二铝涂层在载荷较小时润滑效果明显不 如石墨和m o s ，减摩性能较差，随着载荷的增加它的减摩性能有明显得提高。 河北理t 大学硕士学位论文 3 多种润滑材料混合