固態(tài)干膜潤滑涂層的研究與應(yīng)用

■ 高升文/成都航利（集團）實業(yè)有限公司

0 引言

固態(tài)干膜潤滑涂層（Solid Dry Film Lubricants）又稱粘結(jié)固體潤滑膜或固體潤滑涂層,是固體潤滑涂層的主要類型之一,通常是將其分散于有機或無機膠粘劑中,通過特定工藝將其涂敷于機械部件的摩擦面上,以減小摩擦與磨損。固體潤滑涂層在極重的載荷下有極低的摩擦系數(shù),這是普通潤滑涂層所無法達到的,且其工作溫度范圍很大（-70℃～+380℃）。固體潤滑涂層適用于精密零部件,可提高部件材料表面的潤滑性、耐腐蝕性、耐磨損性、耐高熱性等性能,以及改善脫模性、非粘著性等潤滑性能以外的性能要求。

航空零部件潤滑通過運用固體潤滑系統(tǒng)技術(shù),使部件原材料的性能得以大幅擴展,特別是在耐磨耗性、耐熱性、防止磨損性、初期融合性、防止微振磨損和點狀腐蝕等方面具有優(yōu)良的性能。

多年的研究表明,干膜潤滑涂層不僅具有較低的摩擦系數(shù)（0.02～0.20）和較高的承載能力（14000g／cm2）,而且還可能具有較長的耐磨壽命和較好的防腐、耐溫及動密封等性能。

固態(tài)干膜潤滑涂層的成膜技術(shù)有兩類：一種是以固體潤滑粉末分散在粘接劑中,噴涂后再以常溫或加熱固化而成膜；另一種是以物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積等其他特殊方法成膜。本文主要討論前一種成膜技術(shù)。

1 干膜潤滑涂層的構(gòu)成

潤滑涂層由無機潤滑劑、無機或有機粘結(jié)劑、增韌劑、稀釋劑等組成。典型的無機潤滑劑包括二硫化鉬、石墨粉、氟樹脂等,有機粘結(jié)劑包括酚醛樹脂漆、環(huán)氧酚醛漆、改性有機硅漆等,增韌劑包括鄰苯二甲酸二丁酯等。

2 部分典型成分的性能

2.1 二硫化鉬（molybdenum disulfide）

二硫化鉬是黑色固體粉末,有金屬光澤,熔點為1185℃,密度為4.80g／cm3（14℃）,莫氏硬度1.0～1.5。1370℃開始分解,1600℃可分解為金屬鉬和硫。在空氣中加熱至315℃時開始被氧化,溫度升高,氧化反應(yīng)加快。二硫化鉬不溶于水,只溶于王水和煮沸的濃硫酸。二硫化鉬廣泛用于制造鉬化合物、固體潤滑劑、各種潤滑劑的添加劑、催化劑、試劑等。高純二硫化鉬純度可達99%以上,粒度達0.5μm。二硫化鉬具有分散性好,不粘結(jié)的優(yōu)點,可添加在各種油脂里,形成絕不粘結(jié)的膠體狀態(tài),能增加油脂的潤滑性和極壓性,同時也適用于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速高負荷的機械工作狀態(tài),可延長設(shè)備壽命,被譽為“高級固體潤滑油王”。

二硫化鉬作為摩擦材料的主要功能是低溫時減摩,高溫時增摩,燒失量小,在摩擦材料中易揮發(fā)。減摩：由超音速氣流粉碎加工而成的二硫化鉬粒度達到325～2500目,微顆粒硬度1～1.5,摩擦系數(shù)0.05～0.1,因此其用于摩擦材料中可起到減摩作用。增摩：二硫化鉬不導(dǎo)電,存在二硫化鉬、三硫化鉬和三氧化鉬的共聚物。當摩擦材料因摩擦而溫度急劇升高時, 共聚物中的三氧化鉬顆粒隨著升溫而膨脹,起到了增摩作。防氧化：二硫化鉬經(jīng)過化學(xué)提純綜合反應(yīng)而得,PH值為7～8,略顯堿性。它覆蓋在摩擦材料的表面,能保護其他材料,防止材料被氧化,尤其可使其他材料不易脫落,貼附力增強。

2.2 酚醛樹脂漆性能

酚醛樹脂漆是以酚醛樹脂或改性酚醛樹脂為主要樹脂制成的漆類。酚醛樹脂可使涂料在硬度、光澤、快干、耐水、耐酸堿及絕緣方面有較好的性能。具體包括以下幾種。

1) 改性酚醛樹脂漆

2) 松香改性酚醛樹脂漆

是用量最大的一種酚醛樹脂漆,漆膜硬度大、干性好、堅韌耐久、耐化學(xué)作用、絕緣性能好,價格低廉。缺點是漆膜易泛黃。廣泛應(yīng)用于建筑、一般機械產(chǎn)品以及船舶等。

3) 丁醇改性酚醛樹脂漆

可溶于苯類溶劑中。單獨制漆其漆膜耐水、耐酸性較好,允許高溫烘烤,但較脆。

4) 100%油溶性純酚醛樹脂漆

純酚醛樹脂漆有非油反應(yīng)型和油反應(yīng)型兩種。純酚醛樹脂漆有很好的耐水性、耐酸性、耐溶劑性和電絕緣性能?？芍瞥傻灼?、磁漆、清漆等品種,還可制成分散型酚醛樹脂漆。這是一種附著力極好,漆膜有良好的耐久性、耐磨性、高度防潮性能的樹脂漆。

5) 酚醛環(huán)氧樹脂漆

以線形酚醛為聚合物骨架進行環(huán)氧化生成的酚醛環(huán)氧樹脂漆,具備酚醛樹脂的高熱穩(wěn)定性和環(huán)氧樹脂的主反應(yīng)性。

2.3 增韌劑

為增加干膜涂料韌性,防止脆性開裂脫落,需要添加增韌劑,如鄰苯二甲酸二丁酯等,以彌補酚醛樹脂脆性較大的缺點。

圖1 不同基體材料的干膜涂層制備工藝流程

3 工藝流程

3.1 制備干膜涂層的工藝流程

根據(jù)零件基體材料的不同,制備干膜涂層采用不同的工藝流程。鋼鐵、不銹鋼、鋁、鍍鎳及鍍鉻、鍍鋅及鍍鎘、銅及銅合金、鎂、鈦等各種類型零件制備干膜涂層的工藝流程如圖1所示。

3.2 工藝說明

1） 除油

噴砂前借助毛刷或絹布,用酒精、丙酮、涂料稀釋劑等有機溶劑將零件清洗干凈。

2） 噴砂

包括水噴砂和干噴砂,磨料可用氧化鋁剛玉砂。水噴砂對零件基體材料及尺寸影響小,適用于尺寸公差為±0.001英寸或更嚴格的零件,如帶螺紋或內(nèi)孔零件、圓柱形零件等。噴砂處理：在規(guī)定空氣壓力下對零件指定表面采用吸入型吹砂機。進行水噴砂或干噴砂處理,用連續(xù)的砂流進行吹砂,不允許砂流停滯,經(jīng)噴砂處理后的零件表面呈均勻無光澤的灰色,且目視檢查吹砂表面有均勻一致的外觀,零件表面無殘余的吹砂介質(zhì)。

3） 其他表面預(yù)處理

如果有要求規(guī)定噴涂前還需進行其他表面預(yù)處理的,則按要求進行表面預(yù)處理,如陽極化、磷化及鈍化處理等。

4） 檢查并清潔零件表面

噴涂前檢查所要噴涂干膜潤滑涂層的表面應(yīng)無灰塵、油污。如果被處理表面被污染,在噴涂前立即用酒精、丙酮等有機溶劑清洗零件。被清洗的零件在噴涂潤滑劑前應(yīng)徹底干燥。

5） 用專用夾具或醫(yī)用膠布、粘膠帶（如3M 232膠帶）等保護非涂面。

6） 涂料配制

a. 攪拌：潤滑劑含有會快速沉淀的大量填料,在取出涂料前應(yīng)使用涂料搖晃器混合涂料10～20min后再取出涂料,已取出的涂料不得再倒回涂料罐中,以防污染,噴涂期間應(yīng)重復(fù)攪拌。

b. 稀釋：浸涂和刷涂操作通常不稀釋涂料；采用噴涂方法時,噴涂前應(yīng)按廠商推薦的稀釋劑和稀釋比例稀釋涂料到正確的噴涂粘度, 用計量合格的涂4杯檢測涂料粘度。

7） 噴涂

a. 噴涂方法：潤滑劑可被浸涂、刷涂或噴涂。

b. 在噴涂前,將涂料攪拌均勻后,用200目或更細的銅濾網(wǎng)過濾到噴槍料斗內(nèi),蓋好噴槍蓋。

c. 噴涂：潤滑劑被稀釋到正確的噴涂粘度并按照同樣噴漆或陶瓷的噴涂參數(shù)進行噴涂,這是達到涂層厚度要求所必須的。將經(jīng)過油水分離器過濾的壓縮空氣的壓力調(diào)節(jié)到0.25～0.35MPa內(nèi),噴口到零件表面距離為200～250mm,然后對零件進行均勻噴涂。在噴涂過程中注意控制涂層的厚度,以保證符合有關(guān)規(guī)范的要求。

注意：噴涂過多時造成涂料累積,應(yīng)該用紙毛巾或棉布輕輕擦去多余涂料,以滿足涂層厚度的要求范圍。

8) 固化

a. 不同零件材料,干膜涂層的固化時間和溫度不同。

b. 如果干膜涂層是熱固化型的,加熱前應(yīng)先在空氣中固化至少30～60min,再入烘箱中固化。對于已噴丸的鋁合金,不要在超過225℉的溫度下固化；對于一般鋁合金零件,不要使用400℉ (204.4℃)溫度固化。

c. 固化用的烘箱應(yīng)定期進行爐溫均勻性校驗,有條件時或工藝有要求時還應(yīng)進行系統(tǒng)精度測試。

9) 返工

已噴涂并固化的干膜涂層一般很難去除,可采用噴砂、吹核桃殼、鉻酸去除法、除漆劑去除法、堿液去除法等,其中噴砂是最有效的去除方法。

4 涂層性能檢查及質(zhì)量控制

4.1 涂料性能驗收

對采購回的成品涂料需要進行入廠復(fù)驗,復(fù)驗項目包括耐溶劑性、耐熱性和耐脫脂性等。工廠自配的涂料首次使用前也需要進行性能測試,以確保涂料質(zhì)量。具體檢測方法根據(jù)工藝或標準要求進行。

4.2 產(chǎn)品驗收

產(chǎn)品加工完成后的驗收要求包括：進行外觀、膜層驗證、厚度、結(jié)合力和固化效果測試；對涂層表面的平面、寬度或檢測區(qū)域不夠的零件（如小零件、螺紋件或小圓柱形零件等）,使用不銹鋼試片代替進行測試。

1) 外觀檢查：涂層顏色應(yīng)符合每種涂料說明書或?qū)Ｓ霉に囈?；涂層?yīng)平整、均勻、無物理缺陷或損傷,平滑連續(xù),不允許存在有粗糙、顆粒、流痕、氣泡、起層等缺陷。

2) 膜層驗證：潤滑涂層的存在可以通過用白色薄紙輕輕擦拭零件表面的方法檢測,紙上灰色印跡表明有潤滑涂層存在。

3) 厚度檢查：根據(jù)具體工藝要求,可采用尺寸測量法、顯微截面法或微測厚儀方法測量。使用測厚儀測厚時,測量前必須用標準片校正。螺紋和難以測量的表面（如小曲面、尖角、小凹槽等）上的干膜涂層厚度不作檢查,其厚度由干膜涂層涂敷工藝保證或由試片代替。

4) 結(jié)合力檢查：每批零件應(yīng)進行結(jié)合力檢查。結(jié)合力試驗時,不得有涂層脫落的痕跡,不得暴露零件表面預(yù)處理層。結(jié)合力檢查方法可根據(jù)具體工藝要求,采用如貼粘膠帶法、彎折法、劃痕法等。

5) 固化效果檢查：有要求時,按規(guī)定方法檢查固化效果。例如,零件涂層表面應(yīng)用經(jīng)異丙醇或丙酮浸潤的干凈的白色棉簽或布迅速擦拭,以適中的壓力擦拭約10個來回,允許棉簽有輕微變色,但不允許有露底現(xiàn)象。

5 固態(tài)干膜潤滑劑技術(shù)新進展

1） 滿足航空航天的特殊工況要求

由于航空航天特殊工況要求,涂層需要具備良好的耐超低溫性、耐真空性、與液態(tài)氧相溶性等特殊性能。

2） 新型常溫固化干膜潤滑劑

常溫固化干膜潤滑劑不需要專門的加熱設(shè)備固化,加工簡單,節(jié)約能源。但常溫固化干膜潤滑劑使用溫度較低,提高其使用溫度是常溫固化干膜潤滑劑技術(shù)進步的發(fā)展方向之一。

3） 耐高溫干膜潤滑劑

一般有機粘結(jié)劑型干膜潤滑劑使用溫度在200℃以下,采用耐高溫性熱固性樹脂、改性有機硅樹脂、無機粘結(jié)劑等,可滿足耐高溫要求。耐高溫溫度可達到371℃～1093℃,如Tiodize公司的Tiolube 29型干膜潤滑劑使用溫度可達1093℃。

4） 揮發(fā)性有機化合物的控制

為減少揮發(fā)性有機化合物（VOC）的影響,應(yīng)嚴格控制有機化學(xué)物的用量。開發(fā)VOC或無VOC的干膜潤滑劑,如以水代替分散介質(zhì)的新品種。

6 結(jié)束語

由于固態(tài)干膜潤滑劑具有常規(guī)油脂潤滑劑難以達到的優(yōu)異特性,而且可滿足航空航天等軍工領(lǐng)域的特殊技術(shù)要求,所以無論國內(nèi)還是國外,固態(tài)干膜潤滑劑在航空航天等軍工領(lǐng)域的應(yīng)用都非常廣泛。而且它還被廣泛應(yīng)用于機電、化工、汽車、泵閥等領(lǐng)域。