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無機非金屬固體潤滑劑的摩擦學性能 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-01-20 11:14:02 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/班建偉)無機非金屬固體潤滑劑種類較多,具有代表性的物質有石墨、氟化石墨、氮化硅、氮化硼、云母、滑石和玻璃等。無機非金屬固體潤滑劑具有重量輕和體積小等特點,是一種天然的優質潤滑劑。
無機非金屬固體潤滑劑憑借自身抗氧化能力強、硬度高、耐腐蝕性強、產品尺寸精確度高,可以很好地解決高輻射、高真空、高低溫和強腐蝕等特殊工況下的潤滑難題等優勢,已經在潤滑領域得到了廣泛的關注。
無機非金屬固體潤滑劑的研究比較多,研究面也比較廣。在此主要介紹目前應用比較多的石墨、氟化石墨等無機非金屬固體潤滑劑的摩擦學性能。
1 石墨的摩擦學性能
石墨是碳的一種形態,外觀呈黑色,有脂肪質的滑膩感,密度為2.2 g/cm3~2.3 g/cm3,熔點為3 527℃。石墨的分子結構是同一層內的碳原子牢固地結合在一起,不易破壞;層與層之間的碳原子則是由較弱的范德華力相連接,層與層的間距為0.335 nm。石墨具有龜甲狀排列的碳原子平行層,在1μm 厚的結晶中就有幾千層重疊的原子層,受到剪切力之后易于滑動,這就使得石墨滿足固體潤滑劑的要求。
石墨具有較好的高溫安定性,粘著性和化學穩定性,摩擦因數為0.05~0.19。Alberts 等研究了納米石墨在摩擦面的潤滑性能。研究結果表明,在D-2 型鋼表面摩擦過程中,納米石墨能很好地降低摩擦力和比能,并且能拋光摩擦表面。
侯越峰等通過濕法化學研磨方法制備了納米石墨濾餅,并通過相轉移方法轉移到潤滑油中,得到了分散穩定性良好的納米石墨潤滑油。用四球摩擦磨損試驗機研究了其抗磨性、承載能力和摩擦因數,并通過掃描電鏡對磨斑的形貌進行了觀察。
結果發現,在392N的負荷下,在基礎油中加入納米石墨后,基礎油的磨斑直徑由0.52 mm 下降至0.46 mm,摩擦因數由0.0867 下降至0.0612,承載能力基本保持不變。根據試驗結果推測,納米石墨在金屬表面上實際上起到了“分子滾珠”的作用,降低了摩擦。
王海斗等選用無機硅水基涂料作為溶劑,石墨與金屬鋅粉(尺寸均為5 μm 左右)作為溶質,利用刷涂法在鋼基體表面制備石墨固體潤滑涂層,利用MM-200 型摩擦磨損試驗機對不同石墨含量的固體潤滑涂層進行了詳細的摩擦學性能對比試驗,選用的固體潤滑層中石墨的質量分數分別為10%,26%,28%,30%,32%,34%和50%。
試驗結果發現,石墨固體潤滑涂層的摩擦學性能與石墨質量分數之間呈“馬鞍形”變化規律,當石墨的質量分數為28%時,固體潤滑涂層的減摩,抗磨性能最佳。分析其原因,當石墨質量分數太低時,不能很好地發揮固體潤滑作用;當石墨的質量分數太高達到50%時,相應鋅的質量分數降低(只有50%),使石墨在涂層中沒有足夠的附著平臺,摩擦過程中容易剝落,因此潤滑性能也下降。
通過以上文獻可以看出,石墨作為一種性能優異的固體潤滑劑在潤滑摩擦領域已經獲得了廣泛的應用,但石墨及其衍生物的極性弱,對金屬的吸附能力弱,需要一定的條件下才能發揮出良好的潤滑性,因此在這方面需要進一步的研究。另外,石墨在介質中的分散穩定性比較差,這也是以后重點研究的一個方面。
2 氟化石墨的摩擦學性能
氟化石墨是一種重要的無機非金屬材料,具有優良的潤滑性能。在干燥或潮濕的高溫環境中(400 ℃~500 ℃)的摩擦因數較小,使用壽命較長。由于氟化石墨的表面能低,層間能小,且具有良好的熱安定性和化學穩定性,幾乎在所有氣氛中都能保持良好的潤滑特性,故作為固體潤滑劑,特別適合于在高溫、高壓、高速、高負荷和腐蝕性介質等苛刻條件下使用。最近幾年,在飛機、轎車的發動機上有用氟化石墨作潤滑劑的趨勢。
王鶴壽等研制了粒徑小于0.5 μm 的超細氟化石墨,通過使用MS-800A 四球機和俄歇電子能譜(AES) 研究超細氟化石墨的理化性能和潤滑性能。研究發現,超細氟化石墨能在摩擦表面產生碳和氟,形成物理吸附膜,從而產生較好的極壓抗磨作用,具有良好的開發和應用前景。
黃之杰等采用四球機研究了納米級氟化石墨在26 號白油中的抗磨性能、減摩性能和承載能力。研究表明,納米級氟化石墨對鋼-鋼摩擦副表現出良好的抗磨減摩性能,與未加添加劑的基礎油相比,可使磨斑直徑平均減少25%以上,摩擦因數降低35%左右,具有較好的承載能力,使用效果稍好于T321 硫化異丁烯,與T301 氯化石蠟配伍后具有增效性。
夏金童等制備氟化石墨之后,用石墨、二硫化鉬和氟化石墨3 種粉末分別以85%和15%的質量分數與樹脂配料,經攪拌混合、壓型和固化處理,使之成為6 種滑塊體。在相同條件下,用MHK-500型摩擦試驗機測試樣品的摩擦因數。結果表明,二硫化鉬摩擦因數較高,石墨次之,氟化石墨最低,說明氟化石墨具有優良的潤滑性能。
從上述研究中可以看出,氟化石墨潤滑性能優于常用的石墨和二硫化鉬,具有較好的應用潛力。近年來氟化石墨作為汽車和飛機發動機的潤滑劑也越來越引起人們的重視。但由于其粒徑較大,通常在潤滑油中不能均勻分散,會產生沉淀,應用受到限制。氟化石墨在潤滑油中的分散問題還有待進一步研究。
無機非金屬固體潤滑劑本身具有一定的缺點,比如會產生磨屑污染,有時會產生噪音和振動,不如液體潤滑油那樣具有較低的摩擦因數,也不像其它金屬固體潤滑劑那樣具有一定的自修復性能等,但它憑借著自身對環境要求低,耐熱性好,化學性質穩定等優勢,已逐步被摩擦潤滑領域所關注。而且非金屬類無機固體潤滑劑維修保養簡單,制作成本低廉,具有巨大的應用潛力。
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