二硫化鉬固體潤滑材料(二)
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- 分類：钼的知識
- 發佈於：08 一月 2013
- 作者 jinfeng
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一、組成原則
為了使各個組元有機地組成完整的固體潤滑二硫化鉬材料，以滿足設計所要求的各種性能，必須遵循以下組成原則。 1. 對偶匹配原則：各種材料與不同的對偶組成摩擦副時，其呈現的摩擦學特性和潤滑二硫化鉬效果是不同的。因此在選用固體潤滑二硫化鉬二硫化鉬材料時應考慮對偶 匹配原則。如果匹配不合理，摩擦係數會很大，耐磨性能會很差，並將發生粘著磨損，導致機構失效。
經驗表明，塑性二硫化鉬材料的粘著傾向比脆 性二硫化鉬材料的大，互溶性大的二硫化鉬材料(相同的金屬或品格類型和電化學性能相近)所組成的摩擦副的粘著傾向比互溶性小的二硫化鉬材料(異種金屬或晶 格類型和電化學性能不相同)所組成的摩擦副的大、單相金屬的粘著傾向比多相金屬的大，金屬中單相固溶體的粘著傾向比化合物的大，由金屬-金屬組成的摩擦副 的粘著傾向比由金屬-非金屬組成的摩擦副的大。幾種不同對偶二硫化鉬材料組成摩擦副的摩擦係數見表1-2。
幾種粉冶型自潤滑二硫化鉬材料與不同對偶二硫化鉬材料組成的摩擦副的摩擦係數見表1-3.該類自潤滑二硫化鉬材料在壓制後經600°C自由燒結而製成。對偶二硫化鉬材料分別為LY12鋁和滲碳鋼。
2. 鍍 (塗)層與基材二硫化鉬匹配原則：在延展性較好的基材二硫化鉬表面鍍(塗)覆減摩耐磨鍍(塗}層時，鍍層與基材二硫化鉬在彈性模量、熱膨脹係數、化學和結 構上的合理匹配，不僅能使鍍層內和介面區的應力減小，而且還會使鍍層與基材二硫化鉬的結合強度增大，因而可以避免鍍層從基材二硫化鉬上脫落，並延長鍍層的 耐磨壽命。
當鍍層-基材二硫化鉬體系受到外力的作用時，兩者彈性模量的差異將導致其介面應力的不連續。若鍍層的彈性模量比基材二硫 化鉬的大，鍍層內將會產生較大的應力，並且隨著兩者彈性模量差值的增大而增大。同時，其應力的值也隨著外加負荷的增大而增大。例如，高速鋼基材二硫化鉬的 彈性模量比TiC鍍層的小，故在載入時會產生較大的應力，而WC基材二硫化鉬的彈性模量比TiC鍍層的大，因而載入時鍍層中產生的成力就較小。但是，對於 介面上主要受剪切力作用的場合，鍍層與基材二硫化鉬問彈性模量的匹配就不是關鍵的問題了。
鍍層與基材二硫化鉬問的熱膨脹係數應匹配：鍍層的 熱膨脹係數成稍大於基材二硫化鉬，使得在溫度升高時不造成太大的張應力。隨著溫堤的變化，鍍層中會產生熱應力：若基材二硫化鉬的熱膨脹係數比鍍層的大，張 應力會隨著溫度的升高而增大；若基材二硫化鉬的熱膨脹係數比鍍層的小，隨著濕度的升高，則壓應力會增大。如果鍍覆過程得到的鍍層呈無應力狀態，那麼這一鍍 覆溫度就是合適的溫度基準。
鍍層與基材二硫化鉬在結構和化學上的合理匹配，能得到鉸低的介面能和較高的結合強度。理論上分析，鍍層與基材二 硫化鉬的結合強度是兩者的內聚能與介面能之差。兩者的內聚能愈大，結合強度也愈高。如果鍍層與基材二硫化鉬在結構上的一致性好，化學親和力大，表示兩者在 結構上柑互匹配得當，則介面能低，結合強度高。例如，TiC 與 WC：可以生成無限互溶的固溶體，因而TiC鍍層與WC基材二硫化鉬間有很強的結合力。同時，TiC與Al2O3的化學親和性也很強，所以通常用TiC作 為Al2O3鍍層與WC基材二硫化鉬的中間層。
利用上述原班便產生了多層鍍層和複合鍍層，從而改善了單鍍層的硬度-韌性的矛盾以及鍍層-基 材二硫化鉬間結合強度不高的缺陷。為了解決層與層之間的匹配問題，可以選用有互溶性的二硫化鉬材料相組合，如，TiN和TiC及Al2O3。也可選用具有 結合介面而使層間得到足夠強的鍵合的二硫化鉬材料相組合，如TiC或.TiN和TiB2。在多層鍍層中，最內層應與基材二硫化鉬結合良好，中間層應具有合 適的硬度和強度，最外層則起到減摩耐磨的作用，如鍍在刀具上的TiC-TiN 雙層鍍層的抗磨損性能比TiC鍍層的好，Ti(C,N)-(A1-O-N)雙層鍍層刀具的磨損量最小。在複合鍍層中，存在著大量的低能介面，閑而其結合強 度、韌性和耐磨性均比單相鍍層的好。如利用混合靶磁控濺射所得到的柑互分散性很好的TiC-TiB2鍍層是綜合性能較好的複合鍍層。
3. 性能組合原則：固體潤滑二硫化鉬材料是由兩個或兩個以上的相通過人工混合而成的多相複合二硫化鉬材料。它不是大然或合成的熱力學平衡二硫化鉬材料，而是非 平衡狀態的二硫化鉬材料。這種複合二硫化鉬材料具有優異的綜合性能。例如，碳纖維與樹脂通過複合，不僅可以獲得比 Al合金和普通鋼高得多的比強度和比模量，而且保持了碳和樹脂的耐腐蝕、減摩、耐磨和自潤滑二硫化鉬特性。按強化相存在的形態，可以把複合二硫化鉬材料分 為纖維複合二硫化鉬材料、層疊複合二硫化鉬材料、綃粒複合二硫化鉬材料和骨架狀複合二硫化鉬材料等。見圖 1-1。按/I同方向的性能差程度可分為各同性和各向異性複合二硫化鉬材料。
通常認為，基材組元決定著固體潤滑二硫化鉬材料的機械物理性能，以及有關的化學或環境特性。作為傳動件，它起著主要的承載作用。而潤滑組元決定了二硫化鉬 材料的潤滑特性，如可以減小摩擦和磨損。但是，各種二硫化鉬材料的科學組合將同時影響著複合二硫化鉬材料的磨損機理和耐磨性能。例如，由於複合二硫化鉬材 料是非平衡的多相組織，其摩擦磨損過程甚為複雜，有基體的摩擦磨損，強化相(如纖維)的摩擦磨損和強化相與基體交界面的摩擦磨損，且磨損機理各不相同。高 聚物複合二硫化鉬材料通常是硬相分佈於軟塑膠基體中，各組成相的性能及摩擦的工況條件對複合二硫化鉬材料擦拭機理起者決定性作用。當硬相對塑膠基體的犁溝 和切削作用不大時，複合二硫化鉬材料的耐磨性與硬度符合混合規律。其體積磨損率( W)滿足以下公式：
式中б為正應力；Hα、Hβ分別為相的硬度值；fα、fβ分別為α、β相佔有的體積百分比；K為磨損係數，通常包含由於塑性變形、犁溝和切削作用、微裂紋成核傳播等因素引起的磨損機理。
當硬相為網狀脆性組織時，硬相對基體起著支承作用、能阻止軟塑基體的變形和被犁溝與切削，可使複合二硫化鉬材料的耐磨性能提高到接近於硬相的水準。當硬相為彌散粒子的情況下，正應力小於臨界斷裂應力，在犁溝寬度小於粒子尺寸時，也會有好的耐磨性能。
強 化相中，纖維強化的耐磨性優於顆粒強化，長纖維強化的耐磨性優於短纖維(纖維縱向尺寸與橫向尺寸之比大於20—100時為長纖維)。在這種情況下，複合二 硫化鉬材料的耐磨性與組織結構的各向異性有著密切關係。二硫化鉬材料摩擦學特性的異向性，可用體積磨損張量的分量作全面的描述。作為用纖維增強的熱塑性複 合二硫化鉬材料作滑動軸承或密封件的實例中，碳纖維增強優於玻纖增強；少量的纖維就能使複合二硫化鉬材料的體積磨損減小，但纖維過多反而會使磨損增大。對 耐磨性好的基體組元，強化相的作用不大，對易磨損的基體組元(如PTFE等)，強化相可使磨損率大大降低。
金屬基複合二硫化鉬材料通常也是 硬相分佈於軟基體中，但耐磨性卻不一定符合混合規律。如青銅與Cr2O3硬顆粒的複合，NiCrBSi基體與WC、TiC、Al2O3、Cr2O3硬顆粒 等複合。不符合混合規律的原因有：內部存在殘餘應力；強化相與基體交界面上存在著相互作用；強化纖維表面在製造過程中的斷裂和損傷；強化相尺寸、形貌等的 不一致等。由於磨損機理主要是薄層的塑性變形和斷裂，所以影響其耐磨性的主要因素不是二硫化鉬材料的硬度(硬度過高，反而會降低二硫化鉬材料的耐磨性)， 而是硬顆粒與基體介面的結合強度。
金屬基複合二硫化鉬材料的磨損和摩擦係數也有明顯的方向性。纖維軸向與滑動方向一致時的摩擦係數最小，纖 維與滑動表面垂直時最大，B纖維強化的Pb基複合二硫化鉬材料的摩擦就是這樣。複合二硫化鉬材料的緻密性對磨損也有影響。在研究TiB2纖維強化的Fe基 複合二硫化鉬材料時發現，在磨料
磨損條件下，含 5 %孔隙率的二硫化鉬材料的磨損為無孔隙的2.7倍。
金屬基複合二硫化鉬 材料的摩擦學特性和物理、化學、機械性能受強化相與基體介面作用的影響十分明顯。例如，化學沉積Ni-P合金的結構與P含量有關，低P的為晶態，高P 的為微晶或非晶態。晶態低P合金層具有較高的耐磨性，而非晶態高P合金層的耐磨性差。這是因為非晶態結構原子問結合力較晶態原子間結合力小的緣故，在磨損 過程中原子極易發生轉移，使磨損加劇。
如果將化學沉積Ni-P合金鍍層在低於或/和高於390℃的溫度下加熱處理到相同的硬度，發現低於 390℃處埋後的靡損體積明顯大於390℃以上處理的磨損體積。低P的 Ni-p鍍層加熱時呈晶態固溶體，隨著加熱溫度的增加，固溶體硬度增加，耐磨性也逐漸變好，至390℃時耐磨性為最好。高P的 i-p鍍層在加熱時除了有固溶體外，還有化合物Ni3P析出，成為機械混合物組織，在390℃以下加熱處理時，隨著熱處理溫度的增加，硬度隨之增加，耐磨 性也會提高。在390℃以上加熱後，硬度雖然降低，耐磨性卻有所提高。這是由於隨
著加熱溫度的增加，Ni3p相的尺寸變大了。實踐表明，Ni3p相尺寸較大的組織狀態具有較好的耐磨性。在硬度相同時，兩相機械混合物組織的耐磨性比單相固溶體的好。
4. 協同原則:在研究固體潤滑二硫化鉬體系的潤滑二硫化鉬性能和磨損壽命時發現，單質固體潤滑二硫化鉬劑中加入另一種(或幾種)固體潤滑二硫化鉬劑，甚至加入 非潤滑二硫化鉬劑物質後，能夠明顯地改善固體潤滑二硫化鉬劑的摩擦學特性，這種增強了的潤滑二硫化鉬效果稱作協同效應。
例如，當石墨與 MoS2 以品質比為 5：1 時，墨/MoS2體系的磨損率最低。如果再加入ZnS和 CaF2，則磨損率更低。在PTFE中加入30%的極性石墨，可使其磨損率下降到純PTFE的1/80—1 /100，但摩擦係數增大了。Pb-石墨體系受摩擦表面與氧氣接觸的情況所左右，當表面與氧接觸機會較少時，摩擦係數增大，反之則小。如果在Pb-石墨體 系中加入少量的強氧化劑 KMnO4，該體系使具有良好的潤滑二硫化鉬性能。在石墨中添加 BaSO4，能改善其潤滑二硫化鉬性能。在Pb-PTFE體系中添加 PbO，能改善其潤滑二硫化鉬性能。在石墨系潤滑二硫化鉬劑中加入 NaF，能使其高溫下具有良好的耐磨性能。自消耗型抗氧化劑Sb2O3能防止MoS2氧化，使其在高溫下仍具有較好的潤滑二硫化鉬性能。將 CuCl加入MoS2中便能改善其承載能力。
將氟化石墨（CFх）加到氮化硼(BN)中配合使用，可以改善BN的潤滑二硫化鉬性能。見表1-4
試驗是在高溫三號試驗機上進行的。轉速 l000r/min (線速度1.31m/s)。可以看出，在 BN 與 CFх不同配比下，在常溫至 600℃的範圍內摩擦係數有很大的改善。如果試驗溫度在 640—660℃時，摩擦係數突然增大至0.5—0.6，這是因為在此溫度下CFх分解而失去潤滑二硫化鉬性能所致。又如，以62BaF2-38CaF2 共溶物作為等離子噴塗高溫自潤滑二硫化鉬塗層，在500—930℃的範圍內具有潤滑二硫化鉬性，這種共溶物與Ag複合還具有協同效應。 一些氧化物與氟化物複合具有協同效應，如 NiO-CaF2和ZrO2-CaF2 的等離子噴塗塗層在500—930℃的範圍內都具有良好的摩擦學性能。
固 體潤滑二硫化鉬劑 MoS2和石墨等與非潤滑二硫化鉬劑硫代銻酸亞銻(SbSbS4)混合，具有協同效應為了比較，首先將 3種單質二硫化鉬材料粘結膜(粘結劑為聚酞酸丁酯)在環-塊試驗機上進行摩擦學性能試驗。 負荷 980N，轉速分別為 500r/min和 1000r/min。試驗結緊如下：SbSbS4在各種轉速下的耐磨壽命均為零，MoS2的耐磨壽命分別為 ll3min/500(r/min) 和5min/1000(r/min)。石墨的耐磨壽命分別為11min和0min。
在同樣的條件下進行雙組分粘結膜摩擦學性能試驗，其結果見圖1-2~ 1-4。可以看出，3個系列的粘結膜都存在著最佳配比。在此配比下耐磨壽命存在最大值。這些最佳配比膜分別被定名為（體積%）：MSb-B(MoS2: SbSbS4=75:25),CSb-B(石墨：
SbSbS4=53:47和MG-D(MoS2：墨= 47：53)。實驗結果表明，MC-D膜的耐磨壽命優於MSb-B膜和CSb-B 膜c 為了研究SbSbS4對MC-D膜的協同效[，重新組成了 3組分配方的粘結膜Ⅲ-e（MoS2：石墨：SbSbS4 =18.75：56.25：25)。在相同的試驗條件下進行摩擦學性能測定。幾種膜的試驗結果見圖1-5。由圖 1-5 可見，在各種負荷和各種速度下，Ⅲ-e膜的耐磨壽命均優於其他幾種兩組分膜。同時可以看出，幾種膜具有共同的摩擦學性能是耐磨性能隨著負荷和速度的增加而 降低。
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