固态干膜润滑涂层的研究与应用

■ 高升文/成都航利（集团）实业有限公司

0 引言

固态干膜润滑涂层（Solid Dry Film Lubricants）又称粘结固体润滑膜或固体润滑涂层,是固体润滑涂层的主要类型之一,通常是将其分散于有机或无机胶粘剂中,通过特定工艺将其涂敷于机械部件的摩擦面上,以减小摩擦与磨损。固体润滑涂层在极重的载荷下有极低的摩擦系数,这是普通润滑涂层所无法达到的,且其工作温度范围很大（-70℃～+380℃）。固体润滑涂层适用于精密零部件,可提高部件材料表面的润滑性、耐腐蚀性、耐磨损性、耐高热性等性能,以及改善脱模性、非粘着性等润滑性能以外的性能要求。

航空零部件润滑通过运用固体润滑系统技术,使部件原材料的性能得以大幅扩展,特别是在耐磨耗性、耐热性、防止磨损性、初期融合性、防止微振磨损和点状腐蚀等方面具有优良的性能。

多年的研究表明,干膜润滑涂层不仅具有较低的摩擦系数（0.02～0.20）和较高的承载能力（14000g／cm2）,而且还可能具有较长的耐磨寿命和较好的防腐、耐温及动密封等性能。

固态干膜润滑涂层的成膜技术有两类：一种是以固体润滑粉末分散在粘接剂中,喷涂后再以常温或加热固化而成膜；另一种是以物理气相沉积或化学气相沉积等其他特殊方法成膜。本文主要讨论前一种成膜技术。

1 干膜润滑涂层的构成

润滑涂层由无机润滑剂、无机或有机粘结剂、增韧剂、稀释剂等组成。典型的无机润滑剂包括二硫化钼、石墨粉、氟树脂等,有机粘结剂包括酚醛树脂漆、环氧酚醛漆、改性有机硅漆等,增韧剂包括邻苯二甲酸二丁酯等。

2 部分典型成分的性能

2.1 二硫化钼（molybdenum disulfide）

二硫化钼是黑色固体粉末,有金属光泽,熔点为1185℃,密度为4.80g／cm3（14℃）,莫氏硬度1.0～1.5。1370℃开始分解,1600℃可分解为金属钼和硫。在空气中加热至315℃时开始被氧化,温度升高,氧化反应加快。二硫化钼不溶于水,只溶于王水和煮沸的浓硫酸。二硫化钼广泛用于制造钼化合物、固体润滑剂、各种润滑剂的添加剂、催化剂、试剂等。高纯二硫化钼纯度可达99%以上,粒度达0.5μm。二硫化钼具有分散性好,不粘结的优点,可添加在各种油脂里,形成绝不粘结的胶体状态,能增加油脂的润滑性和极压性,同时也适用于高温、高压、高转速高负荷的机械工作状态,可延长设备寿命,被誉为“高级固体润滑油王”。

二硫化钼作为摩擦材料的主要功能是低温时减摩,高温时增摩,烧失量小,在摩擦材料中易挥发。减摩：由超音速气流粉碎加工而成的二硫化钼粒度达到325～2500目,微颗粒硬度1～1.5,摩擦系数0.05～0.1,因此其用于摩擦材料中可起到减摩作用。增摩：二硫化钼不导电,存在二硫化钼、三硫化钼和三氧化钼的共聚物。当摩擦材料因摩擦而温度急剧升高时, 共聚物中的三氧化钼颗粒随着升温而膨胀,起到了增摩作。防氧化：二硫化钼经过化学提纯综合反应而得,PH值为7～8,略显碱性。它覆盖在摩擦材料的表面,能保护其他材料,防止材料被氧化,尤其可使其他材料不易脱落,贴附力增强。

2.2 酚醛树脂漆性能

酚醛树脂漆是以酚醛树脂或改性酚醛树脂为主要树脂制成的漆类。酚醛树脂可使涂料在硬度、光泽、快干、耐水、耐酸碱及绝缘方面有较好的性能。具体包括以下几种。

1) 改性酚醛树脂漆

2) 松香改性酚醛树脂漆

是用量最大的一种酚醛树脂漆,漆膜硬度大、干性好、坚韧耐久、耐化学作用、绝缘性能好,价格低廉。缺点是漆膜易泛黄。广泛应用于建筑、一般机械产品以及船舶等。

3) 丁醇改性酚醛树脂漆

可溶于苯类溶剂中。单独制漆其漆膜耐水、耐酸性较好,允许高温烘烤,但较脆。

4) 100%油溶性纯酚醛树脂漆

纯酚醛树脂漆有非油反应型和油反应型两种。纯酚醛树脂漆有很好的耐水性、耐酸性、耐溶剂性和电绝缘性能。可制成底漆、磁漆、清漆等品种,还可制成分散型酚醛树脂漆。这是一种附着力极好,漆膜有良好的耐久性、耐磨性、高度防潮性能的树脂漆。

5) 酚醛环氧树脂漆

以线形酚醛为聚合物骨架进行环氧化生成的酚醛环氧树脂漆,具备酚醛树脂的高热稳定性和环氧树脂的主反应性。

2.3 增韧剂

为增加干膜涂料韧性,防止脆性开裂脱落,需要添加增韧剂,如邻苯二甲酸二丁酯等,以弥补酚醛树脂脆性较大的缺点。

图1 不同基体材料的干膜涂层制备工艺流程

3 工艺流程

3.1 制备干膜涂层的工艺流程

根据零件基体材料的不同,制备干膜涂层采用不同的工艺流程。钢铁、不锈钢、铝、镀镍及镀铬、镀锌及镀镉、铜及铜合金、镁、钛等各种类型零件制备干膜涂层的工艺流程如图1所示。

3.2 工艺说明

1） 除油

喷砂前借助毛刷或绢布,用酒精、丙酮、涂料稀释剂等有机溶剂将零件清洗干净。

2） 喷砂

包括水喷砂和干喷砂,磨料可用氧化铝刚玉砂。水喷砂对零件基体材料及尺寸影响小,适用于尺寸公差为±0.001英寸或更严格的零件,如带螺纹或内孔零件、圆柱形零件等。喷砂处理：在规定空气压力下对零件指定表面采用吸入型吹砂机。进行水喷砂或干喷砂处理,用连续的砂流进行吹砂,不允许砂流停滞,经喷砂处理后的零件表面呈均匀无光泽的灰色,且目视检查吹砂表面有均匀一致的外观,零件表面无残余的吹砂介质。

3） 其他表面预处理

如果有要求规定喷涂前还需进行其他表面预处理的,则按要求进行表面预处理,如阳极化、磷化及钝化处理等。

4） 检查并清洁零件表面

喷涂前检查所要喷涂干膜润滑涂层的表面应无灰尘、油污。如果被处理表面被污染,在喷涂前立即用酒精、丙酮等有机溶剂清洗零件。被清洗的零件在喷涂润滑剂前应彻底干燥。

5） 用专用夹具或医用胶布、粘胶带（如3M 232胶带）等保护非涂面。

6） 涂料配制

a. 搅拌：润滑剂含有会快速沉淀的大量填料,在取出涂料前应使用涂料摇晃器混合涂料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,喷涂期间应重复搅拌。

b. 稀释：浸涂和刷涂操作通常不稀释涂料；采用喷涂方法时,喷涂前应按厂商推荐的稀释剂和稀释比例稀释涂料到正确的喷涂粘度, 用计量合格的涂4杯检测涂料粘度。

7） 喷涂

a. 喷涂方法：润滑剂可被浸涂、刷涂或喷涂。

b. 在喷涂前,将涂料搅拌均匀后,用200目或更细的铜滤网过滤到喷枪料斗内,盖好喷枪盖。

c. 喷涂：润滑剂被稀释到正确的喷涂粘度并按照同样喷漆或陶瓷的喷涂参数进行喷涂,这是达到涂层厚度要求所必须的。将经过油水分离器过滤的压缩空气的压力调节到0.25～0.35MPa内,喷口到零件表面距离为200～250mm,然后对零件进行均匀喷涂。在喷涂过程中注意控制涂层的厚度,以保证符合有关规范的要求。

注意：喷涂过多时造成涂料累积,应该用纸毛巾或棉布轻轻擦去多余涂料,以满足涂层厚度的要求范围。

8) 固化

a. 不同零件材料,干膜涂层的固化时间和温度不同。

b. 如果干膜涂层是热固化型的,加热前应先在空气中固化至少30～60min,再入烘箱中固化。对于已喷丸的铝合金,不要在超过225℉的温度下固化；对于一般铝合金零件,不要使用400℉ (204.4℃)温度固化。

c. 固化用的烘箱应定期进行炉温均匀性校验,有条件时或工艺有要求时还应进行系统精度测试。

9) 返工

已喷涂并固化的干膜涂层一般很难去除,可采用喷砂、吹核桃壳、铬酸去除法、除漆剂去除法、碱液去除法等,其中喷砂是最有效的去除方法。

4 涂层性能检查及质量控制

4.1 涂料性能验收

对采购回的成品涂料需要进行入厂复验,复验项目包括耐溶剂性、耐热性和耐脱脂性等。工厂自配的涂料首次使用前也需要进行性能测试,以确保涂料质量。具体检测方法根据工艺或标准要求进行。

4.2 产品验收

产品加工完成后的验收要求包括：进行外观、膜层验证、厚度、结合力和固化效果测试；对涂层表面的平面、宽度或检测区域不够的零件（如小零件、螺纹件或小圆柱形零件等）,使用不锈钢试片代替进行测试。

1) 外观检查：涂层颜色应符合每种涂料说明书或专用工艺要求；涂层应平整、均匀、无物理缺陷或损伤,平滑连续,不允许存在有粗糙、颗粒、流痕、气泡、起层等缺陷。

2) 膜层验证：润滑涂层的存在可以通过用白色薄纸轻轻擦拭零件表面的方法检测,纸上灰色印迹表明有润滑涂层存在。

3) 厚度检查：根据具体工艺要求,可采用尺寸测量法、显微截面法或微测厚仪方法测量。使用测厚仪测厚时,测量前必须用标准片校正。螺纹和难以测量的表面（如小曲面、尖角、小凹槽等）上的干膜涂层厚度不作检查,其厚度由干膜涂层涂敷工艺保证或由试片代替。

4) 结合力检查：每批零件应进行结合力检查。结合力试验时,不得有涂层脱落的痕迹,不得暴露零件表面预处理层。结合力检查方法可根据具体工艺要求,采用如贴粘胶带法、弯折法、划痕法等。

5) 固化效果检查：有要求时,按规定方法检查固化效果。例如,零件涂层表面应用经异丙醇或丙酮浸润的干净的白色棉签或布迅速擦拭,以适中的压力擦拭约10个来回,允许棉签有轻微变色,但不允许有露底现象。

5 固态干膜润滑剂技术新进展

1） 满足航空航天的特殊工况要求

由于航空航天特殊工况要求,涂层需要具备良好的耐超低温性、耐真空性、与液态氧相溶性等特殊性能。

2） 新型常温固化干膜润滑剂

常温固化干膜润滑剂不需要专门的加热设备固化,加工简单,节约能源。但常温固化干膜润滑剂使用温度较低,提高其使用温度是常温固化干膜润滑剂技术进步的发展方向之一。

3） 耐高温干膜润滑剂

一般有机粘结剂型干膜润滑剂使用温度在200℃以下,采用耐高温性热固性树脂、改性有机硅树脂、无机粘结剂等,可满足耐高温要求。耐高温温度可达到371℃～1093℃,如Tiodize公司的Tiolube 29型干膜润滑剂使用温度可达1093℃。

4） 挥发性有机化合物的控制

为减少挥发性有机化合物（VOC）的影响,应严格控制有机化学物的用量。开发VOC或无VOC的干膜润滑剂,如以水代替分散介质的新品种。

6 结束语

由于固态干膜润滑剂具有常规油脂润滑剂难以达到的优异特性,而且可满足航空航天等军工领域的特殊技术要求,所以无论国内还是国外,固态干膜润滑剂在航空航天等军工领域的应用都非常广泛。而且它还被广泛应用于机电、化工、汽车、泵阀等领域。