高分子固體潤滑耐磨涂層摩擦學性能研究

1固體潤滑涂層近年來，隨著傳統(tǒng)流機磨損機油鹽系統(tǒng)的發(fā)展和摩擦機材料的表面工程，固體潤濕涂層的研究越來越受到重視。摩擦副表面實施固體潤滑涂層處理可在少油或無油潤滑的工況下使用,明顯降低摩擦系數(shù),提高耐磨性能,既簡化了潤滑機構,延長使用壽命,同時又提高了設備的可靠性。2固體潤滑涂料固體潤滑涂層的主要類型包括高分子涂層、金屬涂層以及氧化物、氮化物、碳化物的陶瓷涂層。高分子涂層又可以分為有機粘結(jié)型和涂料型兩類。前者是采用一種粘結(jié)劑作為載體,把一種或多種固體潤滑劑粘附在摩擦部件表面,這種傳統(tǒng)的粘結(jié)型固體潤滑涂層是目前品種最多、應用最廣的一類。通常采用的粘結(jié)劑有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰胺導師:郭強教授樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚氨酯等,采用二硫化鉬(MoS2)、石墨、PTFE、金屬氧化物、鹵化物、硒化物、軟金屬等作為固體潤滑劑。后者是由具有固體潤滑和耐磨性能的特種高分子工程涂料形成的涂層。用作涂料的不僅有溶液型涂料,還包括粉末型涂料,如聚乙烯粉末涂料、聚酯粉末涂料、環(huán)氧樹脂粉末涂料以及聚酯/環(huán)氧樹脂粉末涂料等。溶液型涂料采用的樹脂與上述粘結(jié)劑樹脂類似。高分子固體潤滑耐磨涂層的作用機理可以是下述的一項或幾項:(1)高分子涂層可以隔離摩擦副表面間直接接觸,而涂層摩擦阻尼較小。(2)高分子涂層在對磨金屬表面形成轉(zhuǎn)移膜,隔離摩擦表面間直接接觸,降低摩擦阻尼。(3)高分子涂層表面微觀多孔狀或桔皮狀結(jié)構可儲藏潤滑油,與固體潤滑劑產(chǎn)生減摩協(xié)同效應。(4)高分子涂層易于塑性變形,與對磨表面相適配,增大真實接觸面積,緩解應力集中。(5)高分子涂層具有良好的防腐性能和吸震功能,從而避免了腐蝕磨損和沖擊磨損的發(fā)生。高分子涂層的使用性能主要依賴于基體樹脂的種類和固體潤滑劑配方,常以高分子樹脂的種類來劃分高分子涂層品種。3親水、橡膠和涂層材料的特性3.1其他阻燃涂層環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘著、分散和力學性能,在耐腐蝕、耐水等方面性能也較優(yōu),但耐濕熱老化性能差,韌性也不高,因此,許多研究工作致力于改善環(huán)氧樹脂的韌性和耐老化性能。兩種不同環(huán)氧值的雙酚A型環(huán)氧樹脂混合可使其抗沖擊性能和柔韌性得到改善。如在E-44和E-51兩種環(huán)氧值不同的雙酚A型混合樹脂中加入聚苯胺,通過脂肪族多元胺和改性多元胺固化,可制得高耐磨耐腐蝕涂層,樹脂與固化劑質(zhì)量比為4∶1時,涂層耐磨性最佳(GB/T1768-93)。陳建敏等用氨基四官能環(huán)氧樹脂AG-80,以鈦酸丁酯、改性酸酐作固化劑和改進劑,并添加少量活性CuO,制得耐磨性涂料,噴涂層在大氣中放置2~5h后再固化,使耐磨壽命明顯提高。近期有人通過添加無機氧化物納米粉末來提高環(huán)氧涂層的耐磨性,對于618環(huán)氧樹脂(E-51)和651聚酰胺固化劑的環(huán)氧涂層,采用Al2O3納米粉末的粒度越小,涂層的耐磨性能改善越明顯;添加質(zhì)量分數(shù)10%、粒度30~60nm的γ-Al2O3的涂層耐磨性能較優(yōu)。酚醛環(huán)氧樹脂基干涂層也是較常見的粘結(jié)型固體潤滑涂層。早在上世紀60年代,美國就開發(fā)了以酚醛環(huán)氧樹脂為粘結(jié)劑、MoS2為固體潤滑劑的固體潤滑防銹涂料,在海軍飛機上應用,還通過添加Sb2O3或二堿式亞磷酸鉛改善防腐蝕性能。在酚醛環(huán)氧樹脂/MoS2干涂層中,加入稀土化合物(氟化鑭)可顯著提高耐磨壽命。在酚醛環(huán)氧樹脂中加入無機膠正硅酸丁酯,可改善涂層表面性能,制得鋁合金專用黑色耐磨涂料。對于酚醛環(huán)氧樹脂/MoS2干涂層,采取底材處理和復合涂層技術可明顯提高耐磨性。3.2泵、柴油的壓壓板和泵聚酰胺具有較優(yōu)異的耐磨性能,尤其是在塵土、泥砂的環(huán)境中,其耐磨性能優(yōu)于一般工程塑料。由于聚酰胺涂層導熱系數(shù)較小,而熱膨脹系數(shù)較大,同時干摩擦時摩擦系數(shù)也偏大,因此常用于少油潤滑和有冷卻裝置的場合。泵、柴油機的銅制零部件經(jīng)尼龍1010粉末噴涂后,其使用壽命提高兩倍以上。添加環(huán)氧樹脂可以提高聚酰胺涂層的粘結(jié)性能、強度和耐蝕性。添加PTFE可以改善聚酰胺涂層的耐磨性,但PTFE分散性較差,用三乙撐二胺或芐叉丙酮作分散劑可取得滿意效果。填充納米SiO2和碳黑明顯影響尼龍11耐磨性能,如填充體積分數(shù)15%疏水性納米SiO2和碳黑的尼龍11涂層,其耐磨性提高67%。3.3pi涂層用固體潤滑涂層聚酰亞胺(PI)的結(jié)構隨著合成時兩種單體(二胺和二酸)不同而改變。PI涂層具有突出的耐高溫性能,在315℃下仍較穩(wěn)定,而且摩擦磨損性能優(yōu)異。一般而言,含有柔性醚鍵的PI涂層摩擦系數(shù)低且耐磨損性能好,但醚鍵又使PI玻璃化溫度降低,導致耐溫性下降,塑性變形增大,從而使磨損率增加。因此,對于PI涂層摩擦學性能來說,并非PI的鏈段越柔順越好。常用于PI涂層的填料有石墨、MoS2、氟化石墨、PTFE等,其中石墨在高真空無水分子吸附的環(huán)境中不具有固體潤滑效果;MoS2填充與PI匹配性不好,不利于低摩擦阻尼剪切層的形成;PTFE填充可導致PI涂層承載能力的降低;氟化石墨填充可促使低摩擦阻尼剪切層的形成;固體粉末填充劑一般使PI涂層的承載能力降低,對降低摩擦系數(shù)和磨損量不利。粘結(jié)型固體潤滑涂層FM-110是以主鏈上帶有酰胺基的改性聚酰亞胺作為粘結(jié)劑,以PTFE微細粉末作為固體潤滑劑。PI涂層還可采取離子注入處理,提高涂層硬度,增大交聯(lián)度,提高耐磨性。3.4減摩添加劑改性聚氨酯膠料聚氨酯彈性體具有杰出的耐磨料磨損性能,但由于它分子結(jié)構中含有-NCO,-OH和脲等強極性基團,表面能相對較高,滑動摩擦系數(shù)偏大,易產(chǎn)生摩擦熱,總是通過加入一些減摩添加劑進行改性。用聚醚多元醇與甲苯二異氰酸酯反應,合成分子鏈末端帶有-NCO基團的預聚體,加入不同的添加劑,可制得多種耐磨聚氨酯膠料。有機硅類、有機蠟類添加劑與聚氨酯相容性較好,而含氟材料、無機添加劑的相容性較差。PTFE通過60Coγ輻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絡合物(MCA)以改善PTFE耐磨性。日本立邦公司研制出了一種表面含有-Si(OH)3的聚氨酯預聚體,可自交聯(lián)固化成-Si-O-Si-網(wǎng)狀結(jié)構,具有優(yōu)異的耐磨性能。4影響高材料表面性能的因素4.1高分子樹脂表面改性高分子涂層的附著強度、硬度和韌性對耐磨性能有影響,而這些性能主要依賴于高分子基體樹脂結(jié)構,其中包括鏈段結(jié)構、交聯(lián)結(jié)構、聚集態(tài)結(jié)構、分子量與分子量分布等。一般來說,高分子樹脂基體鏈段有一定柔順性,同時鏈段之間相互作用力又較強,分子量較大,結(jié)晶度較高,或具有液晶結(jié)構的高分子,則耐磨性較好。高分子涂層還可以通過表面改性來提高耐磨性,如涂層表面氟化處理、表面光聚合、等離子處理等。通過高能離子輻射,可在幾毫米厚的高分子表層產(chǎn)生大量高分子鏈的交聯(lián),形成硬質(zhì)耐磨表面。在高分子表面同時注入He+和Ar+,可使耐磨性明顯提高;選擇離子種類和離子能量,調(diào)整離子注入量,可獲得所需的表面性能。4.2噴砂、磷化質(zhì)油一般高分子涂層涂覆于金屬底材表面之前,首先進行底材脫脂和除銹處理,還可以進一步采用化學或物理處理,如噴砂、陽極氧化、電鍍、氮化、化學氧化、硫化和磷化等。有人認為噴砂和磷化并用的效果最好,單純噴砂次之。但用于高溫環(huán)境或發(fā)生彈性變形的部件一般不宜磷化處理。對硬質(zhì)金屬底材應采用粒徑為76μm的細砂進行噴砂處理,對軟質(zhì)金屬底材采用150μm粗砂較好。磷化工藝研究表明,磷酸錳柱狀細晶比粗晶對提高涂層耐磨性能效果更好。4.3固體潤滑添加劑石墨在大氣環(huán)境中具有固體潤滑特性,而在高真空無水環(huán)境中不具有這種特性。石墨與金屬底材接觸易引起電化學腐蝕,必須在制備涂層過程中考慮這一因素。MoS2的四種結(jié)晶形態(tài)中只有一種晶系才有固體潤滑性能,是高真空環(huán)境使用的機械固體潤滑劑的首選品種。在高壓、高溫、高速下,氟化石墨固體潤滑性能優(yōu)于石墨或MoS2。PTFE具有優(yōu)異的固體潤滑、抗粘著和抗腐蝕性能,但其表面能較低,易于團聚,難于分散,相容性較差。而通過60Coγ輻照可提高PTFE相容性和減小粒度,改善其在涂層基體樹脂中的分散。在有機粘結(jié)型固體潤滑涂層中,有些固體潤滑劑同時使用時會產(chǎn)生負面效應,例如石墨與PTFE、石墨與尼龍等,而另一些會產(chǎn)生協(xié)同效應,例如石墨與MoS2、PTFE與MoS2、多種稀土化合物(如LaF3、CeF3)與MoS2等。4.4涂層的耐磨性能對于尼龍靜電噴涂,可通過在低碳鋼底材上涂覆25μm厚的酚醛底膜來提高尼龍涂層的粘結(jié)強度,其耐磨性能較優(yōu)。而聚偏氟乙烯(PVDF)的靜電噴涂涂層,由于存在空洞和未熔化顆粒,會降低涂層與鋼材的粘結(jié)強度,其耐磨性能較差。當固體潤滑劑體積分數(shù)達30%時,電沉積復合涂層具有較高耐磨性,因此,可按底材到涂層表面的順序逐步增加固體潤滑劑含量。5新型固體樹脂開發(fā)新型固體潤滑劑和高性能高分子樹脂基體是高分子固體潤滑耐磨涂層取得突破性進展的根本途徑。已有報道稀土類固體潤滑劑TaS2、NbS2比MoS2減摩耐磨性能和氧化穩(wěn)定性好,這類潤滑劑將是開發(fā)的重點。多元固體潤滑劑如硅氧烷-石墨-MoS2,MoS2-硅油-石蠟