第六章 齿轮固体润滑高分子涂层材料

第六章齿轮固体润滑高分子涂层

一、概述

早在19世纪产业革命期间，诸如石墨、锡，铅等已经作为润滑剂用于低速运转的机器上。在二战期间，固体润滑就作为研究对象提了出来。德国的马克思⋅普朗克研究所和美国国家航空和宇航局的前身国家航空委员会都曾进行过研究开发，如将二硫化钼用于工业应用的试验，并开发了有机粘结固体润滑膜、二硫化钼润滑脂和聚四氟乙烯润滑剂等。到50年代初，美国制定了二硫化钼的美国军用标准，并将其作为军事机密。1957年，前苏联把固体润滑应用到人造卫星上。随后，二硫化钼溅射膜和离子镀膜相继出现，氟化石墨研制成功。在以后发射的气象卫星、国际通讯卫星、宇宙飞船等航天工程中大量使用着各种各样的固体润滑材料。在新兴的产业部门和新兴的技术领域中都在逐渐应用固体润滑，如以机器人和电子计算机为主的电子机械中，其主要的润滑部分(如齿轮机构、谐和减速器、轴承、滚珠丝杠、链索和链轮等)就是常用固体润滑剂聚四氟乙烯和二硫化钼作润滑剂。

齿轮的润滑是为了防止齿面的磨损、点蚀、胶合，以延长其使用寿命，提高齿轮的传动效率，从而达到提高生产率和节约能源的目的。要分析齿轮传动的润滑，就要了解齿轮传动的特点：齿轮传动是复合运动，除滚动外还有滑动，且滑动方向不断变化；两齿轮的相对曲率半径非常小；接触应力大；载荷变化大；接触点不固定；材料、加工、装配等条件不一样，可见其运动特性非常复杂。二、固体润滑涂层的作用

固体润滑涂层技术是指将固体物质涂或镀于摩擦副界面，作为固体润滑材料或固体润滑剂，对摩擦副界面进行润滑的方法，以降低摩擦或减少磨损。利用固体润滑材料进行润滑的方法称为固体润滑。摩擦副表面实施固体润滑涂层处理可在高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化还原、强辐射、少油或无油润滑的工况下使用，明显降低摩擦因数，提高耐磨性能，既可简化润滑机构，延长使用寿命，同时又提高了设备的可靠性。可作为固体润滑材料的物质有石墨、二硫化钼等层状固态物质、塑料和树脂等高分子材料、陶瓷、软金属及各种化合物等。固体润滑涂层技术由于其自身的优点已应用于军工、航空航天和高科技领域。解

决了一些液体润滑难以解决的问题，现在逐渐推广到汽车、机械工程等领域。

三、固体润滑的作用机理

高分子固体润滑涂层常用于无油或少油润滑、间歇式或短期工作的摩擦副零件，它的固体润滑耐磨机理可以是下述的一项或几项：（1）高分子涂层本身隔离摩擦副表面之间直接接触，而涂层摩擦阻尼较小；（2）高分子涂层在对磨金属表面形成转移膜，隔离摩擦表面间直接接触，降低摩擦阻尼；（3）高分子涂层表面微观多孔状或桔皮状结构淤藏润滑油，与固体润滑剂产生减摩协同效应；（4）高分子涂层易于塑性变形，与对磨表面相适配，增大真实接触面积，缓解应力集中；（5）高分子涂层具有良好的防腐性能和吸震功能，从而避免了腐蚀磨损和冲击磨损的发生。

四、固体润滑涂层组成

高分子树脂基固体润滑涂层是将高分子树脂或分散有固体润滑剂的高分子基体树脂通过特定喷涂工艺将其涂敷于机械传动摩擦构件的表面，以减小摩擦副的摩擦系数与磨损。固体润滑高分子涂层主要由树脂、固体润滑剂和助剂组成。通过树脂粘结的作用将固体润滑剂粘结与运动工件表面。

研究表明，高分子树脂基固体润滑涂层不仅具有较低的摩擦系数和较高的承载能力，而且还可能具有较长的耐磨寿命和较好的防腐性能、耐温性能及动密封性能等。

固体润滑涂层的性能除了与润滑材料种类有关外，粘结剂的性能对涂层的主要使用性能有重要的影响，因此常常以高分子树脂的种类来划分高分子涂层品种。常用的有机树脂包括环氧树脂、聚酰胺（PA）、聚酰亚胺（PI）、醇酸树脂、聚氨酯（PU）、酚醛树脂、有机硅树脂、芳香族杂环聚合物及其它热塑性树脂等。

为了进一步降低高分子树脂基固体润滑涂层的摩擦系数和磨损率，通常采用二硫化钼、石墨、PTFE、金属氧化物、卤化物、硒化物、软金属粉末等固体润滑剂填充在树脂中。而这些固体润滑剂的本身耐磨、抗氧化、以及分散状态等性能也将直接影响到高分子树脂基固体润滑涂层的摩擦学性能。

五、常用固体润滑剂

固体润滑剂是通过涂或镀等方法被引入摩擦界面、以降低摩擦和减少磨损的固体物质。固体润滑的技术关键在于用适当的方法将固体润滑剂粘着在摩擦表面

上形成固体润滑膜，摩擦时固体润滑剂存在于摩擦界面上，同时在摩擦副的摩擦表面之间转移，形成转移膜，隔离了摩擦副的摩擦表面之间直接接触，使摩擦发生在固体润滑剂内部，从而达到减摩耐磨目的。固体润滑剂在摩擦界面上停留时间越长，其固体润滑效果越好。固体润滑突破了液体润滑的极限，能在超高温、超低温、超真空、超高速和强辐射等恶劣条件下工作，已在航空、航天、化工、冶金、电子、食品、医药等机械领域以及火车、汽车上得到了广泛的应用。

常用的固体润滑剂有石墨、二硫化钼（MoS2）以及聚四氟乙烯（PTFE）等。石墨、MoS2具有层状结构的物质，剪切强度低，容易粘附于基材表面，四氟乙烯具有低的摩擦系数，容易在摩擦对偶表面形成转移膜，从而起到减摩耐磨作用。除了以主要成分单独使用外，还可以与其他材料制成复合材料使用。

图1.1 二硫化钼润滑机理示意图

六、高分子树脂基体

高分子润滑材料根据其温度特性分为热塑性和热固性两大类。在不同使用场合，由于其物理机械性能的某些不足，通常在其中加入起增强作用的填料和固体润滑剂制成复合材料后使用。热塑性高分子润滑材料由长链状高分子构成，有结晶型和非晶型两种。这种材料受热后软化熔融，冷却后再恢复，可以反复多次而化学结构基本不变；常见的有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯、ABS 树脂、聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃)、聚先胺(尼龙)、聚甲醛，聚碳酸脂、氯化聚醚、聚对本二甲酸乙二醇脂(线型聚酯)、氟塑料、聚苯醚、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚。轴承等材料所用多为熔点比较固定的结晶型高分子材料，如聚乙烯、尼龙、聚缩醛、聚四氟乙烯和聚酰亚胺。热固性的高分子材料包括酚醛树脂和环氧树脂等具有三维网络结构但又不显结晶性的物质。在固体润滑膜中，这些树脂与其说用其润滑性，不如说作为粘结剂而发挥其作用更为合适，热固性高分子材料