CN102942983B - 一种复合固体润滑材料及制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合固体润滑材料及制备方法和应用，属于机械行业润滑减磨技术领域。该固体润滑材料由如下重量份配比的原料组成：热塑性聚酰亚胺 10-25、WS₂纳米粉体 3-5、纳米α-Al₂O₃粉体 5-8、石墨微粉 10-15、云母微粉20-30、硅烷偶联剂0.1-0.5。该方法按如下步骤进行：a.取WS₂纳米粉体、纳米α-Al₂O₃粉体、石墨微粉、云母微粉和硅烷偶联剂混合，然后球磨20-23小时，得球磨改性后的粉体；b.取a步骤经球磨改性后的粉体加入到重量浓度为30-50%的热塑性聚酰亚胺乳液中混合，砂磨5-6小时，得产品。该产品应用于刷涂、喷涂、浸涂于机械设备的表面。

Description

一种复合固体润滑材料及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及机械行业润滑减磨技术领域，尤其涉及一种具有纳米结构的复合固体润滑材料；同时还涉及该复合固体润滑材料的制备方法；另外还涉及该复合固体润滑材料的应用。

背景技术

摩擦磨损是机械设备、航天航空等有相对运动或相对运动趋势的物体间普遍存在的自然现象，据初步统计，我国每年因磨损造成的损失约占国民生产总值的1%，因此，如何解决减磨润滑、延长机械部件的使用寿命、降低生产成本，是目前及将来相当长一段时间亟需解决的问题。

目前，解决机械部件间的减磨润滑，概括起来有三种途径，一是选择使用自身硬度、强度高、耐磨性好的结构材料；二是在通用结构材料表面通过热喷涂、电沉积、化学沉积、激光熔覆等各种表面处理工艺，在基体表面沉积一层硬度高或摩擦系数小或二者兼具的复合涂镀层；另一种途径是在摩擦面间涂覆各种形式的润滑剂，形成极薄的润滑膜，起到减磨润滑作用。第一种方法，由于结构材料的整体性能需要提高，而且结构材料用量大，造成机械设备成本大幅度提高。表面处理是公认的最节约材料、最节省能源的方法，通过薄膜涂镀层可提高设备的整体性能，但考虑到磨合面加工精度要求，施工相对复杂。润滑材料是界面间减磨润滑的最简单方法，具有成本低、施工方便等突出优点，是机械设备不可缺少的材料。

根据润滑材料的状态和特点，润滑材料可分为气体润滑剂、流体(油)、润滑脂(半固态)、固体润滑材料等。液态、半固态润滑是传统的润滑方式，也是最常用的润滑方式，主要应用于常低温，高温时，流动性增强，导致承载能力下降、润滑性能减弱，甚至失去润滑作用，而且可能由于流动渗出而造成环境污染；低温下，黏度增大，减磨效果降低；真空状态下，更难以使用。因此，传统的润滑材料难以满足特殊环境下抗磨、减磨的要求。对于高温、真空、高速、重载、干摩擦等的零部件，必须采用固体润滑材料。

固体润滑材料主要依靠材料本身或其转移膜的低剪切特性而起到抗磨、减摩作用，包括金属(基)润滑材料、无机非金属(基)润滑材料和高分子(基)润滑材料以及组合而成的复合固体润滑材料。

复合固体润滑材料综合了各种润滑材料的优势，利用组分之间的协同作用，表现出一些优异的性能，在固体润滑材料中最具潜力和应用前景。但目前看，复合固体润滑材料存在成分复杂、环保性差、各组元间功能难以协同等不足，需要不断研究探索。纳米结构材料，由于其小尺寸效应，显示出独特的抗磨润滑效果，如何发挥纳米材料的优势，也是复合固体润滑材料需要重点探讨的内容。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种充分利用物料间的协同作用和纳米结构材料的特点，选择环境友好型润滑材料，形成适合于在高温、高湿、高载环境下使用、成分简单、具有突出减磨润滑效果的复合固体润滑材料；目的之二是提供该复合固体润滑材料的制备方法；目的之三是提供该复合固体润滑材料的用途。

本发明的目的之一可通过如下技术措施来实现：

该固体润滑材料由如下重量份配比的原料组成：

热塑性聚酰亚胺（PI）    10-25            WS₂纳米粉体        3-5

纳米α- Al₂O₃粉体         5-8             石墨微粉          10-15

云母微粉                 20-30           硅烷偶联剂       0.1-0.5 。 

本发明的目的之一还可通过如下技术措施来实现：

所述的WS₂纳米粉体为30-200nm，所述的纳米α- Al₂O₃粉体为30-300nm，所述的石墨微粉为3-10μm。

本发明的目的之二可通过如下技术措施来实现：

采用目的之一所述的原料制备复合固体润滑材料的方法，该方法按如下步骤进行：

a.取WS₂纳米粉体、纳米α- Al₂O₃粉体、石墨微粉、云母微粉和硅烷偶联剂混合，放入球磨罐中，加入适量的研磨球，在球磨机上球磨20-23小时，得球磨改性后的粉体；

b.取a步骤经球磨改性后的粉体加入到重量浓度为30-50%的热塑性聚酰亚胺乳液中混合，砂磨5-6小时，得产品。

本发明的目的之三可通过如下技术措施来实现：

本发明制备的复合固体润滑材料应用于刷涂、喷涂或浸涂于机械设备或其零部件的表面。

聚酰亚胺（PI）自身具有稳定的芳杂环结构，具有良好的机械性能，拉伸强度可达200Mpa；耐热、耐辐射性好，在高温、高真空及辐照下性能稳定；在与金属干摩擦时,可向对偶面发生转移,起到自润滑作用，且静摩擦因数与动摩擦因数接近，防止爬行的能力好；聚酰亚胺防腐、抗紫外光老化、抗氧化能力强，可长时间在户外使用，尤其适合于在户外、沿海潮湿环境中使用的机械设备。因此聚酰亚胺综合性能优异。本发明中利用聚酰亚胺的上述优异性能，并起到胶黏剂的作用，在摩擦面间形成稳定的连续相，减少各类粉体消耗，延长润滑材料的使用周期。

α-Al₂O₃ 具有高硬度，在固体润滑膜层属于弥散相，均匀分散于润滑膜层中，起到支撑作用。其最佳用量为5%-8%，粒度范围控制在30-300nm。

WS₂和石墨都具有层状结构，层与层之间的滑移能产生良好的自润滑效果。WS₂可以用于通常润滑条件，也可用于一定的高温、低温、高负荷、高真空、有幅射线以及有腐蚀性介质等的苛刻工作环境中，是一类性能良好的固体减磨润滑材料。本发明选用30-200nmWS₂纳米粉体，用量为3%-5%，在充分发挥WS₂粉体特性的同时，利用其纳米效应，增强其使用效果。

石墨是一类传统润滑材料，摩擦因数是随温度上升而下降，但它可吸附水气而使层间易于滑动,所以在潮湿介质中的摩擦磨损性能优于干燥环境。

硅烷偶联剂是一类低表面张力的有机硅化合物，本发明主要是利用其表面活性，对云母微粉进行表面改性，提高云母微粉等粉体与聚酰亚胺等连续相的润湿程度。其用量为0.1-0.5%。

云母微粉自身具有层状结构，有一定减磨润滑作用。本发明主要利用其作为填充剂，降低成本。

本发明的固体润滑材料施工时，可采用刷涂、喷涂或浸涂等方法，施工于工件磨合面之间，自然固化或低温固化后使用。

对所得润滑膜层，按照国家标准GB/T3142-1982和GB/T12583-1998，利用四球摩擦试验机，在22℃、相对湿度26%、载荷392N、转速1200r/min、磨损60min，测得平均摩擦直径（WSD）0.54mm，最大无卡咬负荷（PB）784N，烧结负荷（PD）7845N，润滑膜层摩擦系数0.095；在钢铁基体上附着力达到1-2级（划圈法），在-60-350℃下长时间使用；该材料在减磨润滑的基础上，还对基体具有良好的保护作用，厚度20-30um的润滑层，中性盐雾试验可达到200h以上，尤其适合于沿海地区机械设备使用。

本发明制备的固体润滑材料是具有纳米结构的复合固体润滑材料，其原料组成、制备方法，以及施工均很简单，在高温、高湿、高载、有氧环境下具有优异的减摩润滑效果，提高机械设备的使用寿命，降低生产成本，节约资源。

具体实施方式：

实施例1：

该复合固体润滑材料的制备方法按如下步骤进行：

a.取30nm WS₂纳米粉体5重量份、30nm纳米α- Al₂O₃粉体5重量份、10μm石墨微粉10重量份、云母微粉30重量份和硅烷偶联剂0.1重量份混合，放入球磨罐中，加入适量的研磨球，在球磨机上球磨23小时，得球磨改性后的粉体；

b.取热塑性聚酰亚胺25重量份，制成热塑性聚酰亚胺（PI）重量浓度为30%的热塑性聚酰亚胺乳液，将a步骤经球磨改性后的粉体加入到热塑性聚酰亚胺乳液中混合，砂磨6小时，得产品。

将制备的复合固体润滑材料应用于刷涂机械设备或其零部件的表面。

实施例2：

该复合固体润滑材料的制备方法按如下步骤进行：

a.取200nm WS₂纳米粉体3重量份、300nm纳米α- Al₂O₃粉体8重量份、3m石墨微粉15重量份、云母微粉20重量份和硅烷偶联剂0.5重量份混合，放入球磨罐中，加入适量的研磨球，在球磨机上球磨20小时，得球磨改性后的粉体；

b.取热塑性聚酰亚胺10重量份，制成热塑性聚酰亚胺（PI）重量浓度为50%的热塑性聚酰亚胺乳液，将a步骤经球磨改性后的粉体加入到热塑性聚酰亚胺乳液中混合，砂磨5小时，得产品。

将制备的复合固体润滑材料应用于喷涂机械设备或其零部件的表面。

实施例3：

该复合固体润滑材料的制备方法按如下步骤进行：

a.取110nm WS₂纳米粉体34重量份、110nm纳米α- Al₂O₃粉体6重量份、7μm石墨微粉12重量份、云母微粉25重量份和硅烷偶联剂0.3重量份混合，放入球磨罐中，加入适量的研磨球，在球磨机上球磨21小时，得球磨改性后的粉体；

b.取热塑性聚酰亚胺17重量份，制成热塑性聚酰亚胺（PI）重量浓度为40%的热塑性聚酰亚胺乳液，将a步骤经球磨改性后的粉体加入到热塑性聚酰亚胺乳液中混合，砂磨5.5小时，得产品。

将制备的复合固体润滑材料应用于浸涂于机械设备或其零部件的表面。

Claims (1)

1.一种复合固体润滑材料，其特征在于该固体润滑材料由如下重量份配比的原料组成：

热塑性聚酰亚胺          10-25            WS₂纳米粉体        3-5

纳米α- Al₂O₃粉体         5-8             石墨微粉          10-15

云母微粉                20-30            硅烷偶联剂       0.1-0.5 ；

所述的WS₂纳米粉体为30-200nm，所述的纳米α- Al₂O₃粉体为30-300nm，所述的石墨微粉为3-10μm。

2．一种用权利要求1所述的复合固体润滑材料的制备方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

a.取WS₂纳米粉体、纳米α- Al₂O₃粉体、石墨微粉、云母微粉和硅烷偶联剂混合，然后球磨20-23小时，得球磨改性后的粉体；

b.取a步骤经球磨改性后的粉体加入到重量浓度为30-50%的热塑性聚酰亚胺乳液中混合，砂磨5-6小时，得产品。

3．权利要求2制备的复合固体润滑材料应用于刷涂、喷涂或浸涂于机械设备或其零部件的表面。