（机械设计及理论专业论文）复合固体润滑膜的试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 复合固体润滑膜试验研究是基于改善某厂s d z h 2 1 0 阀门电动装置蜗 轮蜗杆过量磨损失效而提出的。 s d z h 2 - 1 0 阀门电动装置蜗轮蜗杆传动比为7 0 、载荷约为4 1 3 7 n 、相对 滑动速度为5 3 m s ，蜗轮蜗杆材料分别为z c u a l 9 f e 4 n i 4 m n 2 ，4 0 c r 钢( 调 质h b 2 5 0 - 2 8 0 ) ，该设备频繁启动、停止，摩擦温度高，润滑油难以发挥 作用，使得摩擦副传动时处于无油而转化为干摩擦或边界润滑状态，导 致表面氧化磨损和粘着磨损而失效。该工作条件适合采用固体润滑，由于 普通固体润滑剂，如石墨和二硫化钼等固体润滑时不能象油一样持续补 给，受材料本身与基体表面的附着强度的限制，使用寿命短，很难满足 上述苛刻条件。为了提高固体润滑膜与基体的结合强度： 一方面是通过表面磷化来改善其结合力，增加其使用寿命。本文进 行了磷化膜显微结构检测、磷化膜厚度检测、磷化膜摩擦学性能测试等。 确定了最佳磷化配方为：z n ( n o 。) 。2 0 9 l 、马日夫盐6 0 9 l 、m n ( n o 。) 。 1 5 9 l 、n i ( n o 。) 。2 9 l 、c a ( n o ：，) ：2 9 l 、酒石酸l g l ，少量添加剂。最 佳磷化工艺艺参数为：温度6 0 7 0 ，时间l o 1 5 m i n 。磷化后表面磨损 明显低于未磷化试样，磷化膜与基体是以化学键结合的，因而结合力达 到了4 7 4 7 n ，通过表面调整工艺，使磷化膜的摩擦系数由原来的0 8 降到 了o 3 。 另一方面是把自制的少量微纳米钛酸钾晶须加入到石墨和二硫化钼 粘结固体润滑膜中来改善其结合力，增加其使用寿命。通过进行扫描电 镜测试形貌、成分分析，摩擦学性能测试等。结果表明，在3 0 0 和5 0 0 时，粘结固体润滑膜中加钛酸钾晶须的耐磨寿命分别是未加钛酸钾晶 须的2 4 倍和3 倍，且磨痕明显小于未加钛酸钾晶。 l 江苏大学硕士学位论文 将磷化膜作为表面预处理，与加入自制的微纳米钛酸钾晶须增强的 固体润滑剂组合使用( 称之为复合固体润滑膜) ，通过进行摩擦学性能测 试及划痕测试。结果表明，复合固体润滑膜的耐磨寿命是未磷化直接喷 涂固体润滑膜的3 倍，且摩擦系数值仅只有未磷化处理的1 半以下。未磷 化直接喷涂固体润滑膜时与基体的结合力为5 3 2 n ，而复合固体润滑膜与 基体的结合力则提高到1 1 2 8 n 。复合固体润滑膜提高了与基体的结合力， 能保持固体润滑膜的稳定性和持久性，从而能改善阀门电动传动装置原 有的蜗轮蜗杆传动中载荷大，滑动速度高，压力大，摩擦温度高的极端 磨擦状态，达到减磨的效果。 同时，为了进一步考查复合固体润滑膜在高温高压下润滑性能，还 进行了高速钢刀具切削性能试验研究。如摩擦性能测试、磨损形貌分析、 切削性能测试、磨损量测试等。结果表明，当进给量达n o 3m m r 时， 随着进给量的增大，复合固体润滑膜的磨损量逐渐呈下降趋势，在 0 5 m m r 时，仅为煤油切削液的1 2 ；在切削速度9 - 3 6m m i m 时，复合膜+ 煤油的切削性能均优于煤油；在进给量0 2 - 0 7m m r 时，复合膜+ 煤油的 磨损量均低于煤油，尤其是在0 5 m m r 时，仅为煤油的1 3 ；在切削速度为 1 8 3 6 时m m i n 时，复合膜+ 煤油的磨损量均低于煤油，尤其是在3 6 m m i n 时，仅为煤油的1 3 。表明高速钢刀具表面经涂敷复合固体润滑膜后，明 显提高了刀具的切削性能、刀具的耐用度和加工精度。 复合固体润滑膜能产生“多重协同效应 ，因此在载荷大，压力大， 摩擦温度高的极端磨擦状态下，能改善润滑条件，提高了固体润滑膜的 稳定性和持久性。从而能改善某厂s d z h 2 - 1 0 阀门电动传动装置中原有的 蜗轮蜗杆传动中的润滑状况，达到减磨的效果。 关键词：磷化，石墨和二硫化钼，钛酸钾晶须，复合固体润滑膜，摩擦学 性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o m p o s i t es o l i dl u b r i c a t i n gf i l mi s b a s e do nt h e p r o p o s i t i o nt or e d u c e t h ee x c e s s i v ew e a r i n gr a t eo fs d z h 2 10v a l v e e l e c t r i c a ld e v i c e sw o r mw h e e la n dw o r ms h a f t w h e nt h et r a n s m i s s i o nr a t i oo fs d z h 2 10v a l v ee l e c t r i c a ld e v i c e s w o r mw h e e la n dw o r ms h a f ti s7 0 ，t h el o a di sa b o u t413 7 n ，t h er e l a t i v es l i d e s p e e di s5 3 m s ，a n dt h ew o r mw h e e la n d w o r ms h a f tm a t e r i a li s z c u a l 9 f e 4 n i 4 m n 2 ，4 0 c rs t e e l ( h b 2 5 0 2 8 0 ) r e s p e c t i v e l y , t h ed e v i c ew i l l s t a r tu pa n d s t o pf r e q u e n t l yw i t hf r i c t i o nt e m p e r a t u r es t a y i n gh i g ha n d l u b r i c a n th a r d l yi ne f f e c t i nt h i ss i t u a t i o n ，t h eo i l - f r e ef r i c t i o n a lt r a n s m i s s i o n w i l lb et u r n e di n t od r y - f r i c t i o no re d g el u b r i c a t i o ns t a t e ，w h i c hw i l lc e a s et o b ee f f e c t i v ed u et ot h eo x i d a t i v ew e a ra n da d h e s i v ew e a r u n d e rs u c h c o n d i t i o n ，s o l i dl u b r i c a n ti sag o o dc h o i c ed u et ot h ef a c tt h a to r d i n a r ys o l i d l u b r i c a n ts u c ha sg r a p h i t ea n dm o s 2c a n n o tb es u p p l i e dc o n t i n u o u s l y , w h i c h l e a dt os h o r ts e r v i c el i f eo w i n gt ot h er e q u i r e m e n to na d h e s i o nb e t w e e nt h e m a t e r i a li t s e l fa n dt h eb a s a lb o d y t oe n h a n c et h ea d h e s i o nb e t w e e ns o l i d l u b r i c a t i n gf i l ma n d t h eb a s a lb o d y , w en e e dt op a ya t t e n t i o nt ot h ef o l l o w i n g ： o nt h eo n eh a n d ，b yp h o s p h a t i n gi t ss u r f a c e ，t h ea d h e s i o na n ds e r v i c e l i f ec a nb ei m p r o v e d i nt h i sa r t i c l e ，t h eo p t i m a lp h o s p h a t i z a t i o nf o r m u l ah a s b e e nd e t e r m i n e da f t e ras e r i e so ft e s t so np h o s p h a t i n gf i l m sm i c r o s t r u c t u r e ， t h i c k n e s s ，t r i b o l o g yp r o p e r t y , e t c t h eo p t i m a lf o r m u l a s e t sa s ：z n ( n 0 3 ) 2 2 0 9 l ，m n ( h 2 p 0 4 ) 26 0 9 l ，m n ( n 0 3 ) 215 9 l ，n i ( n 0 3 ) 22 9 l ，c a ( n 0 3 ) 2 2 9 l 、t a r t a r i ca c i dlg l ，as m a l la m o u n to f a d d i t i v e s t h eb e s tp h o s p h a t i n g t e c h n i q u ep a r a m e t e rs e t sa s ：t e m p e r a t u r eb e t w e e n6 0t 0 7 0 。c ，d u r a t i o no f10 t o15m i n u t e s t h ew e a ro ft h ep o s t p h o s p h a t i n gs u r f a c ei ss i g n i f i c a n t l y s l i g h t e rt h a nt h ep h o s p h a t i n g f r e es a m p l e t h e p h o s p h a t i n gf i l mi sc o m b i n e d w i t hb a s a lb o d yt h r o u g hc h e m i c a lb o n d ，t h u sh a v i n ga na d h e r e n c eo f4 7 4 7 n 1 i l t h r o u g ht h ec o a t i n ga d j u s t m e n tt e c h n i q u e s ，t h ef r i c t i o n a lc o e f f i c i e n to f p h o s p h a t i n gf i l md r o p p e dt o0 3f r o m0 8 o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea d h e s i o na n ds e r v i c el i f ec a nb ee n h a n c e db v a d d i n gas m a l lp o r t i o no fs e l f - m a d em i c r o n a n ok 2 t i 4 0 9w h i s k e r si n t o g r a p h i t e - m o s 2s o l i dl u b r i c a t i n gf i l m t h r o u g hs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e o b s e r v a t i o n ，c o m p o n e n ta n a l y s i s ，a n dt r i b o l o g yp r o p e r t yt e s t ，i tr e v e a l st h a t t h ew e a r i n gl i f eo fc o m b i n e ds o l i dl u b r i c a t i n gf i l mw i t hk 2 t i 4 0 9 w h i s k e r s a d d e di s2 4t i m e so f t h ek e t i 4 0 9 w h i s k e r s f r e eo n eu n d e r3 0 0 。c a n d3t i m e s u n d e r 5 0 0 c m e a n w h i l e ，t h ew e a r i n gr a t ew a ss i g n i f i c a n t l yl o w e ra f t e r a d d i n gk 2 t i 4 0 9w h i s k e r s t r i b o l o g yp r o p e r t yt e s ta n dg r i n d i n gc r a c kt e s tw e r ec o n d u c t e da f t e r u s i n gp h o s p h a t i n gp r e - p r o c e s sw i t hs e l f - m a d em i c r o n a n ok 2 t i 4 0 9w h i s k e r s a d d e d ( k n o w na sc o m p o s i t es o l i dl u b r i c a t i n gf i l m ) i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e w e a r i n gl i f eo fc o m p o s i t el u b r i c a t i n gf i l mi st h r e et i m e so ft h eu n p h o s p h a t e d s o l i dl u b r i c a t i n gf i l m ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti so n l yl e s st h a nh a l f o ft h e u n p h o s p h a t e do n e ，a n dt h ea d h e s i o nb e t w e e nc o m p o s i t es o l i dl u b r i c a t i n gf i l m a n dt h eb a s a lb o d yi si n c r e a s e dt o11 2 9 nf r o m5 3 2 nw h e nt h e p h o s p h a t i n g 。f r e es o l i dl u b r i c a t i n gf i l mw a su s e d b yu s i n gc o m p o s i t es o l i d l u b r i c a t i n gf i l m ，t h ea d h e s i o nw i t ht h eb a s a lb o d yc a nb ei m p r o v e ds oa st o m a i n t a i nt h es u s t a i n a b i l i t ya n dd u r a t i o no fs o l i dl u b r i c a t i n g f i l m t h u s ，w e a r r e d u c t i o nc a nb ea c h i e v e db y a m e l i o r a t i n gt h eo r i g i n a lw e a r i n gs t a t ei nt h e v a l v ee l e c t r i c a ld e v i c e sw o r mw h e e la n dw o r m s h a f tw i t hh e a v y l o a d ，h i g h s l i d i n gs p e e d ，h i g hp r e s s u r ea n dh i g hf r i c t i o nt e m p e r a t u r e i nt h em e a n t i m e ，i no r d e rt os t u d yt h el u b r i c a t i n g p r o p e r t yo f c o m p o s i t es o l i dl u b r i c a t i n gf i l mu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e c o n d i t i o n ，e x p e r i m e n to nh i g h s p e e ds t e e lt o o l sc u t t i n gp r o p e r t yw a s c o n d u c t e di n c l u d i n gas e r i e so ft e s t so nt r i b o l o g y p r o p e r t y , w e a rm o r p h o l o g y , c u t t i n gp r o p e r t y , a b r a s i o nl o s s ，e t c i ts h o w st h a t ，a f t e rt h ef e e dr a t er e a c h e s i v 江苏大学硕士学位论文 0 3m r n r , t h ew e a ro ft h ec o m p o s i t es o l i dl u b r i c a n tf i l mc o a t e dt o o lb e g i n st o r e d u c ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef e e dr a t e ，a t0 5 m m r ，t h ew e a ri so n l yah a l f o fk e r o s e n ec u t t i n gf l u i d w h e nt h ec u t t i n gs p e e di s9 - 3 6 m m i n ，t h ec u t t i n g p r o p e r t yo fc o m p o s i t ef i l m + k e r o s e n ei sb e t t e rt h a nt h ek e r o s e n eo n e w h e n t h ef e e dr a t ei s0 2 0 7 m m r , t h ew e a ro fc o m p o s i t ef i l m + k e r o s e n ei sl e s st h a n t h ek e r o s e n eo n e ，a n do n l yo n et h i r do ft h ek e n o s e n e sw e a rw h e nt h ef e e d r a t ei so 5 m m r w h e nt h ec u t t i n gs p e e di s18 - 3 6 r n m i nt h ew e a ro f c o m p o s i t ef i l m + k e r o s e n ei sl e s st h a nt h ek e r o s e n eo n e ，a n do n l yo n et h i r do f t h ek e n o s e n e sw e a rw h e nt h ec u t t i n gs p e e di s3 6 r n m i n i ts h o w st h a t h i g h - s p e e ds t e e lc u t t i n gt o o l sc o a t e dw i t hc o m p o s i t es o l i dl u b r i c a t i n gf i l m s c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h et o o l sc u t t i n gp r o p e r t y , s e r v i c el i f ea n d m a c h i n i n ga c c u r a c y b yu s i n gc o m p o s i t es o l i dl u b r i c a t i n gf i l m ，m u l t i s y n e r g i s t i ce f f e c tc a n b ea c h i e v e d t h u s ，u n d e re x t r e m ef r i c t i o ns t a t eo fh e a v y l o a d ，h i g hp r e s s u r e ， h i g hf r i c t i o nt e m p e r a t u r e ，a d o p t i n gc o m p o s i t es o l i dl u b r i c a t i n gf i l m t e c h n i q u ec a ne n h a n c el u b r i c a t i o nc o n d i t i o n ，m e a n w h i l ei m p r o v i n gt h e s u s t a i n a b i l i t ya n dd u r a t i o no fs o l i dl u b r i c a t i n gf i l m t h i sc o m p o s i t es o l i d l u b r i c a t i o nf i l mc a ni m p r o v et h ew o r mo r i g i nl u b r i c a t i o ns t a t u sa n dr e d u c e t h ew o r mw e a r 、h e nt h et r a n s m i s s i o nr a t i oo fs d z h 2 一l0v a l v ee l e c t r i c a l d e v i c e sw o r mw h e e la n dw o r ms h a f t k e y w o r d s ：p h o s p h a t i n g ，g r a p h i t e m o s 2 ，k 2 t i 4 0 9w h i s k e r ，c o m p o s i t e s o l i dl u b r i c a t i n gf i l m ，t r i b o l o g yc a p a b i l i t y v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：易，。自 洲。年6 月日 指导教师签名：秽 唧。年彳月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：易q ，自 日期：砷0 年彳月e l 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在机械科学中，通常认为摩擦学是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称。摩擦引 起能量消耗：磨损导致机械零件表面损伤，进而使得机械设备失效：而润滑则是降 低摩擦、控制磨损最有效的措施。因此，润滑设计对于节约能源和原材料，延长机 械设备使用寿命和提高工作可靠性具有重要意义。简言之，润滑技术通过在相互摩 擦表面之间施加润滑剂而形成润滑膜，藉以避免摩擦表面直接接触，构建具有较高 法向承载能力和尽可能低的切向阻力的界面层，达到减少摩擦磨损的目的。同时， 润滑膜还具有散热、除锈、减振和降噪等作用【i 】。 随着现代现代工业的发展，特别是航空工业、空间技术的发展，机械设备的载 荷，速度，等工作参数日益提高，摩擦副往往处于极压情况下工作，已经超越了润 滑油、润滑脂的使用权限，这促使人们去寻找新的润滑材料，固体润滑材料就是在 这种背景下发展起来。为了防护表面在作相对运动时免于损伤，并降低摩擦与磨损 而使用的薄膜或粉未状固体物质【2 】，定义为固体润滑剂。固体润滑不仅可以用于无 油润滑的干摩擦场合，也可以广泛应用于有油润滑的场合，形成流体润滑+ 固体润 滑的混合润滑。固体润滑可以十分有效地降低摩擦和提高零件的耐磨性，从而为机 械设备实现大型化、微型化、高速、高温重载和自动控制等创造了有利条俐3 1 。 目前固体润滑膜的制备有很多方法【3 4 】，但是还是以粘接固体润滑剂为最为普遍 的方法。粘接固体润滑膜具有施工简单、成本低、适用面广等优点，得到了广泛应用。 因此，复合固体润滑膜试验研究课题是基于改善某厂s d z h 2 1 0 阀门电动装置蜗 轮蜗杆过量磨损失效而提出的。 s d z h 2 - 1 0 阀门电动装置蜗轮蜗杆传动比为7 0 、载荷约为4 1 3 7 n 、相对滑动速度为 5 3 m s ，蜗轮蜗杆材料分别为z c u a l 9 f e 4 n i 4 m n 2 ，4 0 c r 钢( 调质h b 2 5 0 2 8 0 ) ，该设 备频繁启动、停止，摩擦温度高，润滑油难以发挥作用，使得摩擦副传动时处于无 油而转化为干摩擦或边界润滑状态，导致表面氧化磨损和粘着磨损而失效。该工作 条件适合采用固体润滑，由于普通固体润滑剂，如石墨和二硫化钼等固体润滑时不能 象油一样持续补给，受材料本身与基体表面的附着强度的限制，使用寿命短，很难 江苏大学硕士学位论文 满足上述苛刻条件。为了提高固体润滑膜与基体的结合强度，一方面是通过表面磷 化来提高与基体的结合强度，磷化层本身具有一定的减摩作用【5 】，同时又是一种针孔 性膜，均匀分布的孔隙，吸附了固体润滑颗粒，能有效增大了喷涂固体润滑涂层和 基体的接触面积，磷化膜增大了固体润滑涂层和基体的结合力，从而了提高固体润 滑涂层的耐久性。另一方面是在固体润滑膜中加入了自制的微纳米钛酸钾晶须，尤 其在高温下产生了的协同作用，以提高与基体的结合强度。 将磷化膜作为表面预处理，与加入自制的微纳米钛酸钾晶须增强的固体润滑剂 组合使用( 称之为复合固体润滑膜) ，以克服在载荷大，压力大，摩擦温度高的极端 磨擦状态下粘接固体润滑膜存在的结合力低、耐久性差的缺点。 1 2 磷化膜 1 2 1 磷化膜现状 磷化是一种通过化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，由于磷化膜 能够提高零件的耐磨性，防止擦伤融合，延长零件的使用寿命，现已成为解决滑动 金属工作表面油膜保持性差及早期磨损等问题的一种重要手段。近年来，通过调节 工艺可以得到较理想的复合磷化膜，它能有效地降低摩擦副表面的摩擦因数、防止 咬合或擦伤、减小运动阻力和噪声，已广泛应用于汽车、轻工、化工、电器、军事 工业等领域的摩擦零件【纠】，其主要用途是防锈、耐磨减摩、润滑、涂漆底层等【8 】。 1 2 2 磷化膜的结构和性能 1 2 2 1 磷化膜的结构 ( 1 ) 锌系磷化形成的磷化膜主体组成( 钢铁件) ：z n 3 ( p 0 4 ) 2 4 h 2 0 、z n 2 f e ( p 0 4 ) 2 4 h 2 0 。 磷化晶粒呈树枝状、针状、孔隙较多。 ( 2 ) 锌钙系磷化形成磷化膜的主体组成( 钢铁件) ：z n 2 c a ( p 0 4 ) 2 4 h 2 0 、 z n 2 f e ( p 0 4 ) 2 4 h 2 0 、z n 3 ( p 0 4 ) 2 4 h 2 0 。磷化品粒呈紧密颗粒状( 有时有大的针状晶粒) ， 孔隙较少。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 锌锰系磷化形成的磷化膜主体组成( 钢铁件) ：z n 2 f e ( p o a ) 2 4 h 2 0 、 z n 3 ( p 0 4 ) 2 4 h 2 0 、( m n ，f e ) s h 2 ( p 0 4 ) 4 4 h 2 0 ，磷化晶粒呈颗粒针状一树枝状混合晶型， 孔隙较少。 ( 4 ) 锰系磷化形成磷化膜主体组成( 钢铁件) ：( m n ，f e ) s h 2 ( p 0 4 ) a 4 h 2 0 。磷化膜厚度 大、孔隙少，磷化晶粒呈密集颗状。 ( 5 ) 铁系磷化形成的磷化膜主体组成( 钢铁件) ：f e 5 h 2 ( p 0 4 ) 4 4 h 2 0 ，磷化膜厚度大， 磷化温度高，处理时间长，膜孔隙较多，磷化晶粒呈颗粒状。 ( 6 ) 非晶相铁系磷化形成的磷化膜主体组成( 钢铁件) ：f e 3 ( p o a ) 2 8 i - 1 2 0 ，f e 2 0 3 ，磷化膜 薄，微观膜结构呈非晶相的平面分布状。 1 2 2 2 磷化膜的性能 ( 1 ) 耐蚀性磷酸盐膜的厚度在3 1 0 1 t m 之间，甚至更厚，取决于磷化液的成分及工 艺参数的控制。磷酸盐膜与基体金属有很好的结合力，所以常用做油漆底层，一则 可以改善油漆与基体金属结合不好的弊病；二则可以提高油漆对基体金属的保护效 果。 ( 2 ) 涂漆性一般是指磷酸盐膜用做涂料底层时，有机涂料涂覆的难易以及冷加工前 涂膜的附着性能。决定涂漆性的主要因素是磷化膜的厚度和结构。磷酸盐膜是多孔 的，表面积较大的一种吸附层。涂装前的磷化是金属( 主要是钢铁) 涂装前处理的 一个不可缺少的主要工序，也是涂装前处理质量的关键。 ( 3 ) 耐热性在2 5 0 以下，磷酸铁膜保持不变，一般认为它可耐热至5 0 0 c 。 ( 4 ) 不黏附熔融金属的特性在浇铸减磨合金和电机铸铝转子时，将钢模做磷化处理， 以防止黏附。 ( 5 ) 电性能磷酸盐膜是高电阻层膜，有很好的电绝缘性。它的击穿电压为2 4 2 5 0 v ， 涂漆绝缘后可耐1 0 0 0 - 1 2 0 0 v ，一般的变压器，电机的转子和定子以及其它的电磁装 置的硅钢片，均采用磷化处理，因为它不影响透磁，可以保证电器元件的导磁性。 ( 6 ) 耐磨性磷化膜具有一定的耐磨性，可以用于密封层打底保护、耐磨、耐微动磨 损和抗擦伤，还可以用于冷作成型中的润滑剂载体，这类膜多数为厚膜，以锰系居 多。 1 2 3 磷化的分类 3 江苏大学硕士学位论文 磷化的分类方法很多，但一般是按磷化成膜体系、磷化膜厚度、磷化使用温度、 促进剂类型进行分类。 1 ) 按磷化膜体系分类分为锌系、锌钙系、锌锰系、锰系、铁系、非晶相铁系六大 类。常见的是锌系，近年来越来越多的人开始研究锌钙锰三元阳离子磷化体系。 目前镀锌板上广泛采用锌钙锰三元阳离子磷化体系【9 】。 2 ) 按磷化膜厚度( 膜重) 分类分为以下四种，见表1 1 ： 表1 - 1 磷化膜厚度( 膜重) 分类( 国家标准g b t 6 8 0 7 2 0 0 1 ) t a b l el lc l a s s i f yo f p h o s p h a t i n gb yt h i c k n e s s 分类 膜重g m 2 膜的组成 次轻鼍级o 2 1 0 主要由磷酸铁、磷酸钙或其它金属的磷酸盐所组成 轻量级1 1 4 5 主要由磷酸锌和( 或) 其它金属的磷酸盐所组成 次重量级4 6 - 7 5 主要由磷酸锌和( 或) 其它金属的磷酸盐所组成 重量级 7 5 主要由磷酸锌、磷酸锰和( 或) 其它金属的磷酸盐组成 3 ) 按磷化施工方式分类分为全浸泡方式、浸泡喷淋结合方式、全喷淋方式。 4 ) 按磷化处理温度分类分为常温、低温、中温、高温四类。常温磷化就是不加温 磷化。低温磷化一般处理温度3 0 - 4 5 。中温磷化一般6 0 - - 一7 0 。高温磷化一 般大于8 0 。 5 ) 按促进剂类型分类分为硝酸盐型、亚硝酸盐型、氯酸盐型、有机氮化物型、钼 酸盐型等主要类型。 6 ) 按材质类型分类分为钢铁件、铝件、锌件以及混合件磷化等。 1 2 4 磷化的应用 4 江苏大学硕士学位论文 磷化的应用见表1 2 ： 表1 - 2 不同磷化膜厚度的用途 t a b l el lt h ep u r p o s eo f d i f f e r e n tp h o s p h a t i n gb yt h i c k n e s s 膜重g m e 膜的成分主要用途 用作较大形变钢铁工件的涂装底层或 主要由磷酸铁、磷酸钙或其它耐蚀性要求较低的涂装底层，一般是非品相 o 2 1 0 金属的磷酸盐所组成铁系磷化膜，仅用于漆前打底，特别是变形 大t 件的涂漆前打底效果很好。 主要由磷酸锌和( 或) 其它金用作涂装底层广泛应用于漆前打底，在 1 1 _ 4 5 属的磷酸盐所组成防腐蚀和冷加：j ：行业应用较少。 可川作基本不发生形变钢铁 ：件的涂 主要由磷酸锌和( 或) 其它金装底层较少作为漆前打底( 仅作为基本不变 4 6 7 5 属的磷酸盐所组成形的钢铁什漆前打底) ，可用于防腐蚀及冷 加i ：减摩滑润。 主要由磷酸锌、磷酸锰和( 或)不宜作涂装底层，广泛用丁防腐蚀及冷 7 5 其它金属的磷酸盐组成 加下。 1 3 固体润滑 1 3 1 固体润滑剂 1 3 1 1 固体润滑剂的定义 为了防护表面在作相对运动时免于损伤，并降低摩擦与磨损而使用的薄膜或粉 末状固体物质【2 1 ，称之为固体润滑剂。许多固体润滑剂都具有层状( 或层的) 结构， 如石墨、二硫化钼等；某些固体材料在界面上仅以熔融状态润滑，例如玻璃和冰， 这些都不属于固体润滑剂。 1 3 1 2 固体润滑剂的分类 固体润滑剂有几种不同分类方法，现重点介绍同本润滑学会的松永正久、津古 裕子等人的分类法【2 】： ( 1 ) 层状固体润滑剂 按结合形式、结晶体系和组成可以分为：硫化物( z r s 2 、v s 2 、n b s 2 、t r s 2 、 5 江苏大学硕士学位论文 m o s 2 、w s 2 、r e s 2 等) ；硒化物、碲化物( w s e 2 、m o s e 2 、n b s e 2 等) ；氟化物( c f x n 等) ；卤化物( c d c l 2 、c d l 2 等) ；单质( 石墨等) ；氮化物( b n 、s i n 等) ；氧化物 ( 云母、s b 2 0 3 等) ；有机物( 酞青等) 。 ( 2 ) 非层状无机物 按成分组成可以分为：硫化物( p b s 、f e s 、c d s 等) ；碲化物( p b t e 等) ；氟化 物( n a f 、b a f 2 、c a f 2 、l a f 3 、c e f 3 、y f 3 、d i f 3 等) ；陶瓷( m 0 0 2 、p b o 、w 0 3 、 玻璃、f e 2 0 3 、a 1 2 0 3 等) ；超硬合金。 ( 3 ) 软金属( 金、银、铅、锌、锡、铟等) 。 ( 4 ) 塑料( p t f e 、聚酰胺、聚缩醛、聚乙烯、尼龙、环氧、酚醛、聚酰亚胺、硅树 脂等) 。 ( 5 ) 化学生成膜( 如磷酸盐膜等) 。 ( 6 ) 化学合成膜( 如在镀钼的金属表面通以硫蒸气，生成m o s 2 膜) 。 1 3 1 3 常用的几种固体润滑剂的结构及润滑特性 ( 1 ) 石墨：石墨呈黑色、柔软，有脂肪的滑腻感，具有稳定的层状六方晶体结构， 如图1 1 所示。石墨的分子结构特点是同一层的碳原子以共价键牢固地结合在一起， 每个碳原子与相邻的三个碳原子以互为1 2 0 。角相连结，碳原子之间的距离为1 4 2 埃。而层与层之间的碳原子是由较弱的范德华力( 分子间的吸引力) 相连结，层与 层之问的距离为3 4 l 埃【10 1 。在具有龟甲状排列的碳原子平行层里，1g m 厚的结晶中 就有几千层重叠在一起，受剪切力作用后容易产生层问滑移。 6 江苏大学硕士学位论文 品格常数a ：2 4 5 6 a ：c ：6 6 9 6a 结合间隔c 吒：1 4 2a 图1 1 石墨的晶体结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo fg r a p h i t e 石墨具有优良的润滑性能。可以从它的晶体结构得到解释。在摩擦过程中，因 平面层与平面层之间的结合键能低，容易滑移，而平面层内的碳原子之间的结合键 能较强，在层问产生滑移时，平面层却不会发生崩溃。这就保证了石墨作为一种润 滑剂，具有低的摩擦系数【l l 】。 使用条件对石墨润滑性的影响主要有三方面： a 使用温度的影响。石墨从室温到5 3 8 都是良好的的润滑剂，当温度超过5 3 8 时， 由于石墨的急剧氧化，从而造成了摩擦系数突然增高。若在其中添加五氧化磷或硼 化物等抗氧化剂，则石墨能用到7 0 0 左右。 b 速度负荷的影响。盛选禹 2 1 1 的研究认为，石墨的静摩擦系数不是简单的随载荷 的增加而减少，还受环境气氛的影响。摩擦速度的增加可使表面温度逐渐上升，从 而出现温度效应。在石墨膜的承载能力的范围内，其摩擦系数随负荷的增加而有所 降低，当负荷超过了石墨的承载能力时，则会发生摩擦偶件的直接接触而使摩擦系 数突然增高。 c 环境气氛的影响。在干的真空环境实验中，石墨的磨损很快，石墨的磨损速度随 水蒸气压的上升而下降，当压力增大到4 6 6p a 以下，磨损就很小了。但当将蒸气导 入真空室达一个临界值的量时，石墨的磨损就突然下降到原来的1 1 0 0 0 ，摩擦系数 则从o 8 降到0 1 8 。在大气环境下，石墨凝聚了水蒸气或吸附了其它气体后会使摩擦 系数降低；同时，因气体的存在，它提供了一个金属与石墨问的原子键，在气体进 7 江苏大学硕士学位论文 人石墨晶体后，它降低了层间的剪切强度，因而增加了石墨的润滑性能【1 2 】。 石墨的一些基本特性如表1 3 所示。 袁1 - 3 石墨的一些基本特性 t a b l e1 - 3p r o p e r t i e so fg r a p h i t e 外观黑色、片状、有一定的脂肪质感 密度2 2 2 3 克厘米3 松装密度1 6 7 i 8 3 克n 米3 耐热性大气中，5 4 0 时可短期使用，4 2 6 以下可长期使用 摩擦系数随条件不同，一般在o 0 5 到0 1 9 之间 硬度莫氏硬度1 2 化学稳定性好 电阻率 2 6 4 x1 0 。欧姆厘米，差不多与金属导电率相同 抗拉强度2 5 3 5m p a 抗压强度2 0 一2 4 m p a 抗弯强度 8 l om p a 线膨胀系数2 2 x1 0 - 6 注：表中所列的彳i 墨的一些机械特性，均为碳石墨材料的机械特性 ( 2 ) 二硫化钼：二硫化钼( m o s 2 ) 呈黑灰略带兰色，有滑腻感，其外观、颜色很类 似石墨。它是由辉钼矿提纯的一种矿物质，同石墨一样具有六方晶系的层状结构。 如图1 2 所示，m o s 2 晶体是由s m o s 组成的单元层叠加所组成的。在单元层的内 部，每个钼原子被三棱形分布的硫原子包围着，它们是以很强的共价键结合在一起。 单元层的厚度约为6 2 5 埃，层与层之间的距离约为1 2 3 0 埃。层与层之间的s 原子 是以弱的范德华力相连结，故m o s 2 极易从层与层之间劈开，仅在0 0 2 5 毫米的薄片 内，就约有四万个“可劈开面”。 江苏大学硕士学位论文 图1 2 二硫化钼的晶体结构 f i g 1 2s t r u c t u r eo fm o s 2 m o s 2 晶体在真空中能保持低的摩擦系数。但是m o s 2 的耐湿性很差，随着相对 湿度由o 上升到5 0 ，m o s 2 涂层膜的摩擦系数增大2 3 倍，寿命则降低到原有的 5 左右【引。 使用条件对二硫化钼润滑性的影响主要有三方面： a 使用温度的影响。通常，二硫化钼在空气中于1 8 4 4 0 0 。c 下都具有低摩擦的润 滑特性，但是当摩擦表面的温度上升时，由于二硫化钼本身或底材机械性质的改变； 二硫化钼的氧化或分解；底材表面的氧化等，使其周围气氛相对湿度及其水的吸附 量下降，从而降低m o s 2 的摩擦系数。 b 速度负荷的影响。由于摩擦生热引起m o s 2 发生解吸除水而干燥的关系，因此m o s 2 的摩擦系数随着滑动速度增大及负荷加大而呈降低。 c 环境气氛的影响。霍尔特尼曾报告，在中间真空度下，摩擦速度加快时，摩擦系 数降低。在大气中和1 0 7 p a 真空中，速度对二硫化钼摩擦系数无明显影响。负荷的 增加会使二硫化钼的摩擦系数减少。 二硫化钼的一些基本特性列于表1 4 【13 1 。 9 江苏大学硕士学位论文 表1 - 4m o s ：的一些基本特性 t a b l e1 - 4p r o