固体润滑技术的工程应用
来源: 作者:admin 发布时间:2015-04-29 09:29:52 浏览量:
轴承温度升高地起因以及处理方法固体润滑技术的工程应用
1 在机械传动零部件中的应用
机械传动中的摩擦包括滑动摩擦和滚动摩擦, 用固体润滑剂解决传动中的摩擦, 可以从以下3 方面入手: 传动部件用由固体润滑剂和其他填料组成的复合材料制造; 用涂( 镀) 覆的方法在摩擦表面形成一层固体润滑膜; 用含有固体润滑剂的油脂进行润滑。
1. 1 在轴承中的应用
在机械零部件中, 固体润滑技术在轴承中的应用最为广泛。一般来说, 可作为固体润滑轴承使用的有Cu、Ag、Pd 和Au 等软金属, MoS2、WS2 等层状结晶结构的材料以及以PTFE、PI 为代表的高分子系复合材料。
用PTFE 添加MoS2 或Pb 制成的背衬型轴承, 承载能力好, 被国外军队用于高速宽温工作的飞机轮轴承、抗磨齿轮箱轴承和仪表轴承等轴承中。例如, 美国研制的PTFE 基背衬型轴承材料, 其动载能力可达300 MPa~350 MPa, 静载能力可达900 MPa, 并已经成功地应用在B- 1 型超音速战略轰炸机和F- 14 型战斗轰炸机等可变主翼的支承轴承上。
用MoS2、WS2 等层状结晶结构的材料制成的粘接固体润滑膜, 其减摩、耐磨性能良好, 在轴承中亦有应用。如英国Wit ford 公司的Xylan 粘接固体润滑膜应用于汽车发动机的气缸、活塞环、活塞裙以及连杆机构的大头轴承和小头轴承等部位, 既改善了滑动性能和密封性能而使发动机的效率得到提高, 又能起到减震、降噪和取消磨合工序的作用, 这种产品已应用于“美洲豹”汽车, 年产近百万辆。
1. 2 在齿轮中的应用
齿轮润滑条件比轴承更复杂, 负荷条件更苛刻。由于齿轮啮合是线接触形式, 接触应力很大, 一般在500 MPa~3 000 MPa之间, 接触变形和温升也较大, 因此在齿轮中一般采用喷涂固体润滑膜和固体粉末飞溅等方式来进行润滑。
为了降低齿面的摩擦磨损, 通常往齿轮油中添加二烷基二硫磷酸钼、二烷基二硫氨基甲酸钼等有机钼化合物、MoS2、石墨、硼酸盐等固体润滑剂。
在开式齿轮用的润滑油中, 加入聚异丁烯、聚苯乙烯等粘度添加剂可以提高齿轮油的粘附性, 防止在齿轮运转中将油挤出和甩掉。
添加固体润滑剂的油脂在齿轮传动中的应用多见于汽车的齿轮油。如将MoS2 添加油用于汽车后轮轴的差动齿轮上, 可使效率提高5% ; 添加有机钼化合物和石墨的润滑油, 可使桥式起重机和带钢热轧机分别节能3% ~9% 和3%~4%。
1. 3 在导轨中的应用
机床导轨的耐磨性是影响机床精度和使用寿命的主要因素之一, 是衡量机床质量好坏的重要标志。导轨滑台工作中容易产生爬行, 破坏导轨滑动台的工作平稳性和匀速运动, 造成加工精度下降。应用于机床导轨的固体润滑剂以高分子材料为主, 主要有PTFE 塑料软带、环氧树脂耐磨涂层和聚甲醛塑料等。
PTFE 塑料软带制造工艺简单, 使用方便, 摩擦学性能优良。试验结果表明, 填充PTFE 塑料软带等含氟塑料与铸铁对磨时, 即使在干摩擦状况下, 摩擦系数也很小, 约为铸铁与铸铁对磨时的1/ 8~1/ 3。据测量, 机床导轨采用PTFE 塑料软带后, 移动部件的拖动功率可降低30% ~50%; 移动手柄的拖动力可降低40%以上。
1. 4 在气缸与活塞中的应用
活塞对于气缸壁的摩擦速度很高, 因此两者间的温度较高, 而且活塞和活塞环作用于气缸的压力也较大, 因此摩擦磨损严重。一般汽油发动机活塞与气缸壁间的温度为105℃~270℃, 活塞环处温度达150℃~ 315℃; 活塞作用于气缸壁上的压力最大可达2 MPa~ 3 MPa, 平均也有0. 5 MPa~1. 5 MPa, 而活塞环作用于气缸壁上的压力高达3 MPa~4 MPa。为了减少摩擦和磨损, 可向气缸与活塞的润滑油中加入适当的摩擦缓和剂, 如油溶性有机钼化合物, 胶体MoS2 和胶体石墨等。在润滑油中加入质量分数为1% ~3%的0. 3μm~3μm胶体MoS2, 可减小摩擦阻力10% ~20% , 减少磨损10%~30% 。在内燃机油中加入二硫脲钼或二硫磷酸钼, 可使发动机摩擦力减半, 节约燃油5% ~6% 。
除上述4 类零部件外, 固体润滑技术还可应用到其他零部件中, 如导电滑动面、密封环以及螺钉、螺母等高温紧固件。
2 在机械加工中的应用
机械加工中所用的固体润滑剂通常作为添加剂使用, 常用的有石墨、膨润土、高岭土、碳酸钙、硅酸钠、硼酸盐、Mo S2、玻璃和铅等。
2. 1 在压力加工中的应用
金属压力加工包括压延、拉拔、锻造、挤压等过程, 压力加工中的摩擦磨损和润滑问题是决定工艺成败的关键。
金属压延和轧制时, 一般使用石墨或MoS2 为主体的固体润滑剂进行润滑。如在润滑油中加入固体润滑剂可以降低摩擦系数, 降低摩擦损耗约30% , 减少压延负荷10%~ 20% ; 在压延润滑油中悬浮胶体石墨, 压延软钢时摩擦系数可达到
0. 047, 压延电解铜时摩擦系数为0. 061, 压延铝材时摩擦系数为0. 055。
在拉拔加工时, 材料拉拔速度较高, 一般采用预先造模处理, 用浸渍、刷涂或化学反应的方式将固体润滑剂微粒均匀地分布在坯料、模具和铜芯等摩擦表面上, 起到减摩作用。金属锻造的冲击力高达1. 5 GPa~2. 5 GPa, 要求润滑剂具有良好的极压性和粘着性。冷锻时, 可以在润滑油中悬浮胶体石墨; 温锻时, 一般采用在水基或油基中添加石墨和MoS2 进行润滑。在挤压加工中, 一般选用粘度较大且挤压性能好的矿物油或植物油作为基础油, 然后添加胶体石墨或MoS2 固体润滑剂。
2. 2 在切削加工中的应用
通常, 加入切削液的固体润滑剂有石墨、MoS2 和红丹粉( Pb3O4 ) 等。尤其在油基或水基切削液中添加了MoS2 后, 润滑效果更为显著。切削韧性材料时, 可用含胶体石墨或MoS2 的切削油; 切削脆性材料时, 可用含胶体石墨的乳化液。例如, 将质量分数为0. 5% 的石墨( 或MoS2 ) 、10% ~ 12% 的磺酸钠加入润滑油组成乳化油( 另加少量的钝化剂) , 用水将其浓度稀释在1% 以下, 可用于超硬金属的切削加工, 而且该液在各种金属切削加工中均有较好的效果。另外, 由Mo S2、硬脂酸和石蜡混合制成的MoS2 油膏可以显著提高刀具的使用寿命, 对30CrMnSiA 材料进行攻丝加工时, 不采用固体润滑剂时一个丝锥仅能攻200 个螺孔, 而涂覆MoS2 油膏后一个丝锥可加工1 000个螺孔 。
3 在特殊工况中的应用
许多特殊机械设备, 如核工业、航空航天工业和电子工业等领域中的设备, 其传动部件摩擦副处于高( 低) 温、高真空、高负荷等特殊工况条件下工作, 其摩擦状况具有特殊性。固体润滑技术在解决特殊工况下的润滑问题有其独到之处。
3. 1 在极端温度条件下的应用
固体润滑技术的适用温度范围很宽, 可从- 200℃ 以下的低温应用到1 000℃以上的高温。因此在低温( 如火箭氢氧发动机涡轮泵齿轮、超导设备的有关滑动部件等) 和高温( 如火箭、飞机和汽车等的发动机的滑动件) 条件下都获得了成功的应用。例如, 日本东京大学的H- 2 型火箭( 液氢、液氧发动机) 和ETS- 4 实验卫星的滚动轴承的润滑都采用了固体润滑系统; 法国的SPOT 地球观察卫星望远镜上反射镜支承机构和欧共体联合研制的阿里安娜火箭中的涡轮泵用轴承也采用了固体润滑。
3. 2 在真空机械中的应用
在真空条件下, 除软金属外所有物体都要蒸发, 而且在摩擦产生高温的情况下, 蒸发量可能加大, 破坏了真空环境。固体润滑技术不会对真空环境构成污染, 而且MoS2 和PTFE 等固体润滑剂具有优异的真空摩擦学性能, 因而被广泛用于解决与空间技术有关的真空机械的特殊磨损失效问题。例如, 前苏联1986 年发射的和平号空间站, 其中载人宇宙飞船的发动机轴承、太阳帆板的展开机构、机械手臂转动机构采用了固体润滑。荷兰ANS 卫星的反作用飞轮轴承、太阳帆板驱动机构的轴承也采用了固体润滑系统。
3. 3 在高负荷条件下的应用
含MoS2 和石墨等层状固体润滑剂的粘结固体润滑膜的耐负荷性能最好, 可用于解决高负荷条件下的润滑难题, 如鱼雷舵机蜗轮蜗杆组件、机床卡盘、金属冷加工模具以及大型桥梁、立体高速公路、减振建筑的滑移支承的润滑等。中国科学院兰州物理研究所研制的PEP 粘接固体润滑膜在四川建筑机械厂生产的塔吊设备上获得了成功的应用。
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