高分子固体润滑耐磨涂层摩擦学性能研究

高分子固体润滑耐磨涂层摩擦学性能研究

1固体润滑涂层近年来，随着传统流机磨损机油盐系统的发展和摩擦机材料的表面工程，固体润湿涂层的研究越来越受到重视。摩擦副表面实施固体润滑涂层处理可在少油或无油润滑的工况下使用,明显降低摩擦系数,提高耐磨性能,既简化了润滑机构,延长使用寿命,同时又提高了设备的可靠性。2固体润滑涂料固体润滑涂层的主要类型包括高分子涂层、金属涂层以及氧化物、氮化物、碳化物的陶瓷涂层。高分子涂层又可以分为有机粘结型和涂料型两类。前者是采用一种粘结剂作为载体,把一种或多种固体润滑剂粘附在摩擦部件表面,这种传统的粘结型固体润滑涂层是目前品种最多、应用最广的一类。通常采用的粘结剂有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺导师:郭强教授树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯等,采用二硫化钼(MoS2)、石墨、PTFE、金属氧化物、卤化物、硒化物、软金属等作为固体润滑剂。后者是由具有固体润滑和耐磨性能的特种高分子工程涂料形成的涂层。用作涂料的不仅有溶液型涂料,还包括粉末型涂料,如聚乙烯粉末涂料、聚酯粉末涂料、环氧树脂粉末涂料以及聚酯/环氧树脂粉末涂料等。溶液型涂料采用的树脂与上述粘结剂树脂类似。高分子固体润滑耐磨涂层的作用机理可以是下述的一项或几项:(1)高分子涂层可以隔离摩擦副表面间直接接触,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可储藏润滑油,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。高分子涂层的使用性能主要依赖于基体树脂的种类和固体润滑剂配方,常以高分子树脂的种类来划分高分子涂层品种。3亲水、橡胶和涂层材料的特性3.1其他阻燃涂层环氧树脂具有优异的粘着、分散和力学性能,在耐腐蚀、耐水等方面性能也较优,但耐湿热老化性能差,韧性也不高,因此,许多研究工作致力于改善环氧树脂的韧性和耐老化性能。两种不同环氧值的双酚A型环氧树脂混合可使其抗冲击性能和柔韧性得到改善。如在E-44和E-51两种环氧值不同的双酚A型混合树脂中加入聚苯胺,通过脂肪族多元胺和改性多元胺固化,可制得高耐磨耐腐蚀涂层,树脂与固化剂质量比为4∶1时,涂层耐磨性最佳(GB/T1768-93)。陈建敏等用氨基四官能环氧树脂AG-80,以钛酸丁酯、改性酸酐作固化剂和改进剂,并添加少量活性CuO,制得耐磨性涂料,喷涂层在大气中放置2~5h后再固化,使耐磨寿命明显提高。近期有人通过添加无机氧化物纳米粉末来提高环氧涂层的耐磨性,对于618环氧树脂(E-51)和651聚酰胺固化剂的环氧涂层,采用Al2O3纳米粉末的粒度越小,涂层的耐磨性能改善越明显;添加质量分数10%、粒度30~60nm的γ-Al2O3的涂层耐磨性能较优。酚醛环氧树脂基干涂层也是较常见的粘结型固体润滑涂层。早在上世纪60年代,美国就开发了以酚醛环氧树脂为粘结剂、MoS2为固体润滑剂的固体润滑防锈涂料,在海军飞机上应用,还通过添加Sb2O3或二碱式亚磷酸铅改善防腐蚀性能。在酚醛环氧树脂/MoS2干涂层中,加入稀土化合物(氟化镧)可显著提高耐磨寿命。在酚醛环氧树脂中加入无机胶正硅酸丁酯,可改善涂层表面性能,制得铝合金专用黑色耐磨涂料。对于酚醛环氧树脂/MoS2干涂层,采取底材处理和复合涂层技术可明显提高耐磨性。3.2泵、柴油的压压板和泵聚酰胺具有较优异的耐磨性能,尤其是在尘土、泥砂的环境中,其耐磨性能优于一般工程塑料。由于聚酰胺涂层导热系数较小,而热膨胀系数较大,同时干摩擦时摩擦系数也偏大,因此常用于少油润滑和有冷却装置的场合。泵、柴油机的铜制零部件经尼龙1010粉末喷涂后,其使用寿命提高两倍以上。添加环氧树脂可以提高聚酰胺涂层的粘结性能、强度和耐蚀性。添加PTFE可以改善聚酰胺涂层的耐磨性,但PTFE分散性较差,用三乙撑二胺或苄叉丙酮作分散剂可取得满意效果。填充纳米SiO2和碳黑明显影响尼龙11耐磨性能,如填充体积分数15%疏水性纳米SiO2和碳黑的尼龙11涂层,其耐磨性提高67%。3.3pi涂层用固体润滑涂层聚酰亚胺(PI)的结构随着合成时两种单体(二胺和二酸)不同而改变。PI涂层具有突出的耐高温性能,在315℃下仍较稳定,而且摩擦磨损性能优异。一般而言,含有柔性醚键的PI涂层摩擦系数低且耐磨损性能好,但醚键又使PI玻璃化温度降低,导致耐温性下降,塑性变形增大,从而使磨损率增加。因此,对于PI涂层摩擦学性能来说,并非PI的链段越柔顺越好。常用于PI涂层的填料有石墨、MoS2、氟化石墨、PTFE等,其中石墨在高真空无水分子吸附的环境中不具有固体润滑效果;MoS2填充与PI匹配性不好,不利于低摩擦阻尼剪切层的形成;PTFE填充可导致PI涂层承载能力的降低;氟化石墨填充可促使低摩擦阻尼剪切层的形成;固体粉末填充剂一般使PI涂层的承载能力降低,对降低摩擦系数和磨损量不利。粘结型固体润滑涂层FM-110是以主链上带有酰胺基的改性聚酰亚胺作为粘结剂,以PTFE微细粉末作为固体润滑剂。PI涂层还可采取离子注入处理,提高涂层硬度,增大交联度,提高耐磨性。3.4减摩添加剂改性聚氨酯胶料聚氨酯弹性体具有杰出的耐磨料磨损性能,但由于它分子结构中含有-NCO,-OH和脲等强极性基团,表面能相对较高,滑动摩擦系数偏大,易产生摩擦热,总是通过加入一些减摩添加剂进行改性。用聚醚多元醇与甲苯二异氰酸酯反应,合成分子链末端带有-NCO基团的预聚体,加入不同的添加剂,可制得多种耐磨聚氨酯胶料。有机硅类、有机蜡类添加剂与聚氨酯相容性较好,而含氟材料、无机添加剂的相容性较差。PTFE通过60Coγ辐照可以改善其在聚氨酯中的分散性,并加入一定量的三聚氰胺氰尿络合物(MCA)以改善PTFE耐磨性。日本立邦公司研制出了一种表面含有-Si(OH)3的聚氨酯预聚体,可自交联固化成-Si-O-Si-网状结构,具有优异的耐磨性能。4影响高材料表面性能的因素4.1高分子树脂表面改性高分子涂层的附着强度、硬度和韧性对耐磨性能有影响,而这些性能主要依赖于高分子基体树脂结构,其中包括链段结构、交联结构、聚集态结构、分子量与分子量分布等。一般来说,高分子树脂基体链段有一定柔顺性,同时链段之间相互作用力又较强,分子量较大,结晶度较高,或具有液晶结构的高分子,则耐磨性较好。高分子涂层还可以通过表面改性来提高耐磨性,如涂层表面氟化处理、表面光聚合、等离子处理等。通过高能离子辐射,可在几毫米厚的高分子表层产生大量高分子链的交联,形成硬质耐磨表面。在高分子表面同时注入He+和Ar+,可使耐磨性明显提高;选择离子种类和离子能量,调整离子注入量,可获得所需的表面性能。4.2喷砂、磷化质油一般高分子涂层涂覆于金属底材表面之前,首先进行底材脱脂和除锈处理,还可以进一步采用化学或物理处理,如喷砂、阳极氧化、电镀、氮化、化学氧化、硫化和磷化等。有人认为喷砂和磷化并用的效果最好,单纯喷砂次之。但用于高温环境或发生弹性变形的部件一般不宜磷化处理。对硬质金属底材应采用粒径为76μm的细砂进行喷砂处理,对软质金属底材采用150μm粗砂较好。磷化工艺研究表明,磷酸锰柱状细晶比粗晶对提高涂层耐磨性能效果更好。4.3固体润滑添加剂石墨在大气环境中具有固体润滑特性,而在高真空无水环境中不具有这种特性。石墨与金属底材接触易引起电化学腐蚀,必须在制备涂层过程中考虑这一因素。MoS2的四种结晶形态中只有一种晶系才有固体润滑性能,是高真空环境使用的机械固体润滑剂的首选品种。在高压、高温、高速下,氟化石墨固体润滑性能优于石墨或MoS2。PTFE具有优异的固体润滑、抗粘着和抗腐蚀性能,但其表面能较低,易于团聚,难于分散,相容性较差。而通过60Coγ辐照可提高PTFE相容性和减小粒度,改善其在涂层基体树脂中的分散。在有机粘结型固体润滑涂层中,有些固体润滑剂同时使用时会产生负面效应,例如石墨与PTFE、石墨与尼龙等,而另一些会产生协同效应,例如石墨与MoS2、PTFE与MoS2、多种稀土化合物(如LaF3、CeF3)与MoS2等。4.4涂层的耐磨性能对于尼龙静电喷涂,可通过在低碳钢底材上涂覆25μm厚的酚醛底膜来提高尼龙涂层的粘结强度,其耐磨性能较优。而聚偏氟乙烯(PVDF)的静电喷涂涂层,由于存在空洞和未熔化颗粒,会降低涂层与钢材的粘结强度,其耐磨性能较差。当固体润滑剂体积分数达30%时,电沉积复合涂层具有较高耐磨性,因此,可按底材到涂层表面的顺序逐步增加固体润滑剂含量。5新型固体树脂开发新型固体润滑剂和高性能高分子树脂基体是高分子固体润滑耐磨涂层取得突破性进展的根本途径。已有报道稀土类固体润滑剂TaS2、NbS2比MoS2减摩耐磨性能和氧化稳定性好,这类润滑剂将是开发的重点。多元固体润滑剂如硅氧烷-石墨-MoS2,MoS2-硅油-石蜡