固体润滑是用固体微粉、薄膜或负荷材料代替润滑油脂,隔离相对运动的摩擦面以达到减摩和耐磨的目的。固体润滑材料是由基体组元、润滑组元以及各种辅助作用的其它组元按照一定的组成原则和配比,经过相应的制备工艺而制成。固体润滑材料应该具有:较小的摩擦因数和较好的耐磨性能;与负荷相适应的承载能力;高温下的抗氧化稳定性;相当高的导热性和最佳的热膨胀系数;在真空和各种特殊环境气氛中工作的适应能力,特别是抗咬合能力和抗疲劳破坏的能力等。轴承保持架、衬套、滑动轴承、齿轮组合件、止推垫圈及密封环等就是较为典型的产品。
随着高科技的发展,宇航、机械、电子、航空和能源等工业部门对材料的耐磨性、耐蚀性和高温性能等提出了越来越高的要求,在高温(t>400℃)、高真空(10-6帕)、高转速、重载荷条件下工作的零部件一般不能采用润滑油和润滑脂进行润滑,而必须采用新型的固体润滑材料以防止部件的磨损与系统的污染。这类复合材料除了具有一般固体润滑材料的特征,如使用温度范围宽、耐腐蚀、抗污染以及能在极压、辐射和真空等条件下工作等之外,还有较长的寿命,并能直接加工成零部件,如空间机械中使用的红外线照相机自润滑滚动轴承、功率环一电刷材料、液氧输送泵滑动轴承和液氢中工作的齿轮等。这些零部件工作时,一般不需要添加润滑油脂,就有良好的润滑和抗磨效果。
根据组成不同,固体自润滑复合材料大致可分为金属基(包括金属基多层复合材料),石墨基和高聚物基(或称塑料基)三类。高聚物基和石墨基固体自润滑复合材料,由于摩擦因数低、耐化学腐蚀性能好、重量轻等优点,工业上己广泛应用。但在结构强度,磨损寿命等方面却不如金属基固体自润滑复合材料。金属基固体自润滑复合材料不仅用于航空、航天、电子、军工等尖端技术,而且在农业和其它工业如冶金、机械、交通运输、船舶、原子能、医疗、办公设备和各种科学领域也同样重要。国外科学工作者认为,在固体润滑材料技术领域里金属基固体自润滑复合材料仍将获得重大发展。
金属基固体自润滑复合材料是固体润滑剂作为组元加入到金属基体中形成的复合材料,它具有如下特点:熔点高,机械强度高,有较好的韧性和延展性;热传导性和导电性好;尺寸稳定,耐潮湿,摩擦因数小,耐磨寿命长等优良的摩擦学特性,而且容易加工,适用于高负荷、高温、高真空等特殊工况下工作。这类材料的特性取决于摩擦过程中其所含固体润滑剂的析出和弥散分布,固体润滑剂可以在对摩表面发生转移形成润滑膜,使材料的摩擦学性能得到明显改善。从使用工况不同,该类复合材料可以分为无流体润滑条件下、在润滑和活性介质条件下、在真空和各种气体介质下、在某些其它特殊工况条件下等;从金属基材的种类不同,可以分为难熔金属及其合金基(W,Mo等)、高温金属及其合金基(Ni,Cr,Co等)、常温金属及其合金基(Cu,A1、Fe等)。
金属基固体自润滑复合材料的制备方法很多,除了粉末冶金方法(P/M)之外,还有机械合金化(MALLOY),涡流制造(VCAST)、特殊制造(SCAST)、压力渗入(PINFIL)、真空喷涂(VPLAT)等方法。然而,目前工业上应用较多的仍然是粉末冶金方法(其中包括:粉末压型烧结、粉末热压、粉末热挤压、粉末加压烧结、粉末等静压等)。该方法不仅是一种少切屑或无切屑的近成形技术,而且可以把金属和非金属组合起来,制造出具有某些特殊性能的复合材料。现代粉末冶金减摩自润滑材料一般具有如下特点:利用烧结材料的多孔性,可浸渍各种润滑油,或填充固体润滑剂,或热敷和滚轧改性塑料带等,使材料更具自润滑性能,减摩性能更佳;优良的自润滑性,使它能够在润滑剂难以到达之处和难以补充加油或者不希望加油的场合下使用;较易制得无偏析的、两种以上金属的密度差大的铜铅合金一钢背、铝铅合金一钢背等双金属材料;材料具有多孔的特性,能减振和降低噪声;材质成分选择灵活性大,诸如无机材料、金属及合金、非金属、化合物和有机材料聚合物等,均可加入其中,并能获得较理想的减摩性能,例如高石墨含量的固体润滑减摩材料等。特殊用途的减摩自润滑材料,如空气轴承、液压轴承、耐腐蚀性轴承等,更发挥了粉末冶金材料的特点。它具有高的耐磨性、低摩擦因数;既能在高速和大负荷条件下工作、也能在不同的活性介质中工作。其中,能够在不补充润滑条件下工作,可以大大简化机械结构,减少机械维修,特别是在低温条件下工作时,可提高工作的可靠性。如按基体材质分类,粉末冶金烧结减摩材料可分为:铁一石墨材料、青铜一石墨材料、铝基减摩材料、金属一塑料、双金属铜铅轴瓦材料、减摩不锈钢、镍基和银基固体润滑材料、金属一玻璃、难熔碳化物基减摩材料等。粉末冶金烧结自润滑减摩材料现已广泛应用于农机、纺织机械、汽车、拖拉机和航空航天等领域。
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