黏结固体润滑膜

类别

性能和应用

黏结固体润滑膜

黏结固体润滑膜是将固体润滑剂分散于有机或无机黏结剂中，采用喷涂、刷涂或浸涂等方法涂敷于摩擦表面上，经固化而成的膜。干膜厚度一般为20~50μm，厚的可大于100μm。干膜具有与基体相同的承载能力，摩擦因数通常在0.05~0.2之间，最小可达0.02。因其可在高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化还原和强辐射等环境下有效地润滑，而获得了从民用机械到空间技术等各个方面的广泛应用

1.有机黏结固体润滑膜

(1)环氧树脂黏结干膜

以环氧树脂为黏结剂、EMR为固化剂、邻苯二甲酸二丁酯为添加剂与固体润滑剂MoS₂所组成的干膜具有较好的摩擦学性能。按环氧树脂∶邻苯二甲酸二丁酯∶固化剂∶MoS₂(质量)＝1∶0.07∶0.072∶(3~4)的配比在不锈钢表面进行喷涂，常温下固化5天，而后在MHK-500型环-块试验机上进行摩擦学性能测定。在负荷327N、转速1000r/min下，其摩擦因数为0.07~0.16，磨损寿命为144~212m/μm。根据“协同效应”，在MoS₂中添加石墨，MoS₂与石墨的质量比为(4~15)

∶1。按环氧树脂∶邻苯二甲酸二丁酯∶固化剂∶(MoS₂+石墨)(质量)＝1∶0.07∶0.072∶3.5的配比，以同样的方法制备干膜。在同样的测试条件下，测得的摩擦因数基本相同，但磨损寿命却增加到186~274m/μm。不同的基材影响着干膜的黏着强度。干膜如果浸泡在油中会降低其耐磨性

以环氧树脂为黏结剂、环氧丙烷丁基醚为固化剂、邻苯二甲酸二丁酯为添加剂，并添加各种填充剂和固体润滑剂所组成的HNT涂层系列配方见右表。基材表面涂敷该涂层后，在常温下固化24h后即可投入使用。为增加涂层的结合强度，在涂层固化时应对其施加约0.1MPa的压力。在龙门铣床的铸铁导轨表面涂敷HNT涂层，按正常条件运行，其年磨损量为5~7μm

配方号及加入量

组分

HNT11-J5

HNT17-5

HNT20-1

HNT21-4

加入量/g

环氧树脂(6101)

100

100

100

100

邻苯二甲酸二丁酯

10

10

15

15

环氧丙烷丁基醚

12

10

10

15

气相二氧化硅

2

1

2

1

铁粉

25

15

25

15

二氧化钛

30

15

30

MoS₂

100

80

80

80

石墨

25

20

20

20

总量

274

266

267

276

类别

性能和应用

黏结固体润滑膜

1.有机黏结固体润滑膜

(2)聚双马来酰亚胺干膜

几种这类干膜的性能如下表：

组成(质量)

室温下性能

真空下性能

说明

膜厚

/μm

摩擦因数

磨损寿

命/m·

μm^-1

膜厚

/μm

摩擦因数

磨损寿

命/m·

μm^-1

①

②

③

④

氟化石墨∶树

脂＝0.5∶1

33

35

0.04~0.07

0.03~0.07

612

602

本表是以聚(氨基)双马来酰亚胺树脂为黏结剂，氟化石墨、MoS₂和石墨为固体润滑剂，二甲基甲酰胺为稀释剂，喷涂在不锈钢表面静置12h，然后在240℃固化3h而成的几种干膜的性能

在室温下和高真空(133.322×10^-6Pa)下的试验条件为：负荷25MPa，滑动速度1.25m/m，可见，室温下IF-3干膜有优良的摩擦学性能；高真空下氟化石墨黏结膜的性能不如MoS₂黏结膜，但优于石墨黏结膜

聚(氨基)双马来酰亚胺树脂具有聚酰亚胺的优良力学性能，且价格低，能溶解在一些有机溶剂中

氟化石墨∶树

脂＝0.6∶1

54

43

0.04~0.07

0.04~0.09

777

870

41

44

0.02

0.02~0.03

69

86

IF-3

氟化石墨∶树

脂＝0.7∶1

42

52

0.05~0.09

0.05~0.11

462

452

氟化石墨∶

树脂＝1∶1

59

54

0.04~0.08

0.03~0.07

238

274

MoS₂∶树脂

＝1.52∶1

38

39

0.05~0.13

0.08~0.10

72

84

29

37

0.01~0.02

0.01~0.03

258

126

石墨∶树脂

＝0.6∶1

37

31

0.06~0.07

0.05~0.09

662

707

47

0.26

13

黏结固体润滑膜

1.有机黏结固体润滑膜

以聚双马来酰亚胺为黏结剂，固体润滑剂为氟化石墨+MoS₂及氟化石墨+石墨，分别制成的IF-1及IF-2干膜，其使用温度可达300℃，蒸发率低，且有耐辐射能力。IF干膜已成功用于航天工业机械的防冷焊和润滑

以改性聚酰亚胺树脂为黏结剂，在固体润滑剂MoS₂中添加Sb₂O₃，在300℃下固化2h所制备的干膜称为PI干膜。其组成(质量)为聚酰亚胺∶MoS₂∶Sb₂O₃＝1∶3∶1。可用于-178~300℃温度范围及真空条件下，其磨损寿命为270m/μm

用环氧树脂来改性聚双马来酰亚胺使聚合物的综合性能进一步提高，以其作为黏结剂，MoS₂作润滑剂，二甲苯和间甲酚为溶剂，喷涂后，在200℃下固化3h，形成的干膜称为DMI-2干膜。它比以聚双马来酰亚胺为黏结剂的DMI-1干膜(润滑剂、溶剂和制备过程均与前者相同，仅改在240℃下固化3h)的摩擦学性能进一步提高。在高真空下测试DMI-2干膜也表现出良好的摩擦学性能

(3)粉末喷涂黏结干膜

粉末喷涂聚合物基固体润滑黏结膜具有与悬浮液涂层膜相同的摩擦学性能，可以实现100%固体粉末的喷涂。膜厚100~300μm，有较好的弹性和韧性。喷涂方法可采用流化床法、高压静电喷涂法、粉末电泳法、氧-乙炔火焰喷涂法等。用作黏结剂的聚合物有聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚酰胺(尼龙)等热塑性树脂和环氧、酚醛、聚氨酯等热固性树脂。以聚酰胺作黏结剂的粉末喷涂干膜，常根据基体工况要求再添加其他材料组成复合膜

添加物质

可提高干膜的

环氧树脂

黏结强度(如尼龙1010由10.6MPa提高到64.1MPa)

Al粉或Cu粉

导热性和抗压强度

石英粉(或刚玉粉)

硬度、强度和耐热性等

不同组成的干膜

可用于

(由)尼龙粉+石英粉(组成的干膜)

发电机驱动轴轴承

尼龙粉+MoS₂粉+Cu(Al)粉

滑动轴承、凸轮轴、纺织机械和车床主轴等

尼龙粉+MoS₂粉(或MoS₂+石墨)

机床导轨、滑动轴承、柴油机的活塞等

尼龙粉+玻璃粉

发动机汽缸套

尼龙粉+环氧树脂粉等

水力机械的轮机和水泵叶片和轴等

尼龙1010粉(100份)+MoS₂粉(50份)经常温冷喷涂或180~200℃热喷涂

齿轮箱、光杠、丝杠等

低压聚乙烯(90份)+MoS₂粉(10份)经热喷涂(聚乙烯熔融后喷涂)

车床的挂轮箱、溜板箱和尾座等

在耐热、耐多种酸碱和溶剂的氯化聚醚中，添加MoS₂、石墨和PTFE等

化工池槽内壁、输液管道、齿轮的耐磨涂层、铝质旋塞的密封涂料等

2.无机黏结固体润滑膜

无机黏结固体润滑膜是以硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等无机盐以及陶瓷、金属等作黏结剂的黏结型润滑材料。虽然具有使用温度宽、耐辐射、真空出气率低、与液氧液氢的相容性好等优点，但因存在脆性大、耐负荷性差、摩擦学性能不如有机膜等不足，目前多数限于在特殊工况(如液氧液氢介质、特殊高温、忌有机蒸气污染的航天机械等)下使用

(1)SS-2干膜

在硅酸盐黏结干膜中，以硅酸钾为黏结剂，MoS₂和石墨为润滑剂，水作稀释剂的黏结干膜称为SS-2干膜。该膜适于-178~400℃温度范围内工作。在不锈钢上喷涂40~50μm厚的这种干膜，在TimKen试验机上，以负荷315N、速度2.5m/s的条件试验，其摩擦因数为0.06~0.08，平均磨损寿命为120m/μm。在⁶⁰Co源的射线下累积辐照量达6.8×10⁸R(伦琴)后，7次试验的平均磨损寿命100m/μm。SS-2干膜具有良好的储存稳定性，可以满足液氧输送泵轴承的润滑要求

(2)SS-3干膜

以硅酸钾为黏结剂，MoS₂、石墨和银粉为润滑剂，水作稀释剂的黏结干膜称为SS-3干膜。该膜的耐磨性优于SS-2干膜

(3)SS-4干膜

在SS-3干膜基础上通过改进工艺制成的

该膜在TimKen试验机上，以负荷320N、转速1000r/min的条件做试验，测得其摩擦因数为0.09~0.016，平均磨损寿命为206~417m/μm(膜厚20~50μm，室温)。在环-块试验机上的测定表明，它的摩擦因数随负荷和速度的增加而减小，磨损寿命随负荷和速度增加而降低。在CZM型真空试验机上对10~20μm的SS-4干膜进行摩擦学性能测定(真空度133.322×10^-6Pa，负荷15MPa，滑动速度10m/s，栓、盘材料均为不锈钢)，结果由下图可见，该膜在真空条件下的摩擦因数随负荷和速度的增加而减小，磨损寿命随负荷和速度的增加而降低。由于薄的SS-4干膜的耐磨性较好，所以可以用在滚动轴承和精度要求较高的相对运动部件上

以磷酸盐为黏结剂，石墨、氟化石墨和BN为固体润滑剂，水为稀释剂的黏结干膜是为了在室温到700℃的宽范围内使用而研制的。在650~700℃的温度下，该干膜的摩擦因数很小，但耐磨性很差。将干膜喷剂进行表面活化处理后再进行喷涂可提高干膜的结构强度和耐磨性

对于黏结固体润滑干膜的润滑和失效机理的某些研究得出：一般黏结固体润滑干膜的磨损寿命受速度的影响比负荷的影响更敏感，即润滑膜在重负荷、低速度下的使用寿命长于在同样pv值下低负荷、高速度下的耐磨寿命；部分黏结固体润滑干膜的磨损过程主要是由于摩擦过程中所产生的小气泡的作用，气泡的形成、扩大和破裂是这部分润滑膜的主要失效过程；在摩擦对偶表上可看到转移膜的形成及其性质是影响润滑膜摩擦学性能的重要因素之一，如在摩擦中能迅速在对偶面上形成与基材结合良好的均匀转移膜，则摩擦因数就低而稳定，耐磨寿命长

3.应用

(1)在高低温条件下的应用

由于这类干膜在适用温度范围内无相的变化，且摩擦因数比较稳定，因而被广泛用于解决润滑油脂所无法解决的高低温机械的润滑和防粘问题。在从-200℃下的极低温到接近1000℃的高温下都有可供使用的黏结固体润滑干膜。如各类发动机(包括火箭发动机)的高温滑动部件、远程炮炮膛、热加工模具、炼钢机械、耐高温烧蚀紧固件等；低温下的火箭氢氧发动机涡轮泵齿轮和超导设备的有关部件等

(2)在高负荷条件下的应用

由于含MoS₂和石墨等层状固体润滑剂的干膜的耐负荷性超出极压性能好的润滑油脂的10倍以上，且长期静压后不会从摩擦面流失，因而可解决许多高负荷下的润滑难题，如鱼雷舵机蜗轮蜗杆组件、坦克支承传动系统、大型桥梁与立体高速公路支承台座、建筑减振支承移动系统等润滑，以及机床卡盘和金属冷热加工模具的润滑

3)在真空机械中的应用

由于润滑油脂在真空中会急剧蒸发干燥而失效，因而可考虑选用黏结固体润滑涂层。含MoS₂的黏结固体润滑膜在其他条件相同的情况下，其在真空中的摩擦因数约为大气中的1/3，耐磨寿命比大气中长几倍甚至几十倍，是真空机械的首选品种。例如，人造卫星上的天线驱动系统、太阳电池帆板机构、星箭分离机构及卫星搭载机械等都使用了黏结固体润滑涂层技术

(4)在其他方面的应用

这类干膜还具有耐蚀、防污、减振和降噪的作用。某些黏结固体润滑干膜的耐蚀性能甚至与某些耐蚀涂料相当；纺织机械、复印机、印刷机等设备采用固体润滑干膜，解决了污染问题，使产品质量明显提高；汽车等车辆采用黏结固体润滑涂层能明显降低振动和噪声；钟表和电子仪表传动机构、照相机快门机构、计算机磁盘和电子音像设备磁带驱动机构等采用黏结固体润滑涂层使其反应灵敏，精度得到大幅度提高。此外，这类干膜还可以作为动密封材料、非金属材料的润滑材料以及辐射环境和水介质环境下的润滑材料