一种宽温域润滑的摩擦配副方法及应用 |
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| 申请号 | CN202310566433.2 | 申请日 | 2023-05-19 | 公开(公告)号 | CN116554950B | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 中国科学院兰州化学物理研究所; | 发明人 | 吴䶮平; 陈磊; 李红轩; 周惠娣; 陈建敏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种宽温域润滑的摩擦配副方法，是将摩擦配副的两 接触 表面构筑成无机盐类粘结固体润滑涂层和 氧 化铬润滑 薄膜 。本发明充分利用软硬涂层的合理配副，可有效降低摩擦配副的 摩擦系数 和磨损率，进一步降低摩擦配副间的刮擦和磨损，获得长寿命的润滑摩擦配副体系，同时可满足室温至800oC宽温域范围内长期的润滑防护，应用在动压气浮 轴承 系统中 转子 和箔片轴承上的表面润滑，可有效延长气浮轴承系统服役寿命，提升轴承系统的 气动 稳定性 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种宽温域润滑的摩擦配副方法，其特征在于：将摩擦配副的两接触表面构筑成无机盐类粘结固体润滑涂层和氧化铬润滑薄膜，且无机盐类粘结固体润滑涂层构筑于下摩擦副表面，氧化铬润滑薄膜构筑于上摩擦副表面； |
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| 说明书全文 | 一种宽温域润滑的摩擦配副方法及应用技术领域[0001] 本发明涉及一种适用于宽温域润滑的摩擦配副方法，尤其涉及一种无机盐类粘结固体润滑涂层和氧化铬润滑薄膜的配副，主要用于动压气浮轴承系统中转子和箔片（定子）接触表面的润滑耐磨涂层的构筑，属于机械工程润滑技术领域。 背景技术[0002] 提高能源动力设备的转速、效率和服役寿命对于节能减排、绿色发展具有重要意义。弹性箔片轴承由于具有摩擦损耗小、结构紧凑、高速稳定性好、耐高低温、耐辐射等优点，被广泛应用于飞机空气循环机、低温透平膨胀机、高速鼓风机、燃料电池空气压缩机以及高温高速涡轮机械等领域。然而，在实际运行过程中发现，气体轴承在启动、停止和过载阶段没有稳定的润滑气模，导致转子与箔片表面处于干摩擦状态。为了增加启停次数和轴承寿命，往往需要在转子或箔片表面增加自润滑耐磨涂层。同时，由于轴承系统与高温部件直接相连，这就要求自润滑涂层具有良好的耐高温性能。CN 101798679 B专门针对气浮轴承用复合涂层，提供了一种用于气浮轴承的复合涂层的制备方法，其采用磁控溅射技术制备了Ti/AlTiN/ Ti: DLC高硬度、高耐磨复合膜；CN111286701 A公开了一种利用物理气相沉积技术制备MeSiCN‑Ag涂层，通过碳化物相（MeC）的低温润滑、软金属Ag的中低温润滑以及MAX相的高温润滑等多种润滑相的复配技术实现了室温至1000℃的协同润滑防护；同样，o oCCN 102041466 A针对低温（‑55 C）到高温（800 ）范围内空气轴承的磨损问题，利用大气等离子喷涂技术在箔片表面制备了由NiCr、Cr2O3、Ag和共熔物BaF3/CaF3组成的高温固体自润滑涂层。调研现有技术发现，目前针对气浮轴承的宽温域润滑问题，只是利用不同技术在转子或箔片表面制备了涂层材料，并未同时考虑两摩擦对偶配副的问题；同时由于现有耐高温自润滑涂层本身的润滑性能不佳，耐高温性能有限等原因导致动压气浮轴承在启动和停车过程中产生严重的划痕和磨损，启停次数严重不足，气动稳定性显著下降。因此，发展高性能润滑材料以及优化两接触面间摩擦配副的问题与技术对延长气浮轴承系统服役寿命，提升气动稳定性等方面均具有重要的作用。 发明内容[0003] 本发明的目的在于提供一种宽温域润滑摩擦配副方法，以通过构筑摩擦配副两接触面间的涂层改善摩擦配副的润滑性能和提高耐磨寿命。 [0004] 一、宽温域润滑摩擦配副方法及性能 [0005] 本发明的另一目的还在于将上述宽温域润滑摩擦配副方法应用在动压气浮轴承系统转子与箔片组件上，以提高气浮轴承启停寿命并改善气动稳定性。 [0006] 本发明的宽温域润滑摩擦配副方法，是将摩擦配副的两个接触表面构筑成无机盐类粘结固体润滑涂层和氧化铬润滑薄膜。 [0007] 所述无机盐类粘结固体润滑涂层，是以压缩空气或氮气为载流气体，将由无机盐粘结剂、金属单质、具有润滑性能的金属化合物粉末及分散溶剂组成的液体润滑涂料均匀涂敷于金属基材表面，并经加热固化得到厚度为20 30 µm的润滑涂层。~ [0009] 所述金属单质为Ag粉，粒径为1 3 µm。~ [0010] 所述金属化合物粉末为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、BN、LaF3、CeF3中的两种或两种以上的混合物，优选二硫化钨（WS2）和三氟化铈（CeF3）的混合物，且WS2和CeF3的质量比为1:0.5~1:1.5。各化合物的粒径为0.5 5 µm。 ~ [0011] 所述无机盐粘结剂、金属单质、金属化合物粉末的质量比为1：（2 3）：（3 5）。~ ~ [0012] 所述分散溶剂为去离子水或N,N‑二甲基甲酰胺，优选去离子水。所述液体润滑涂料中，总固体含量为30 40 wt%。~ [0015] 所述氧化铬润滑薄膜，是以纯铬靶为阴极靶材，高纯氩气为溅射气体，高纯氧气为反应气体，通过多弧离子镀技术沉积在摩擦配副基材表面沉积厚度为0.5 4µm的氧化铬硬~质薄膜。其中，纯铬靶、高纯氩气和高纯氧气的纯度均大于99%；氧化铬润滑薄膜对应的摩擦配副基材为钢、不锈钢、高温合金、钛合金，且摩擦配副基材粗糙度Ra≤0.1µm。 [0016] 利用CSM高温球‑盘摩擦试验机对上述所述摩擦配副在不同温度下的高温摩擦学性能进行评价。上摩擦副选取制备有氧化铬薄膜的不锈钢球（直径6 mm），下摩擦副选取制备有粘结固体润滑涂层的金属块组成摩擦副体系。并在同样测试条件下对比了上摩擦副选取为不锈钢球，氧化铝球和氮化硅球（直径均为6 mm），下摩擦副为制备有粘结固体润滑涂层的金属组块组成摩擦副体系的高温摩擦学性能。结果显示，在相同下摩擦副的情况下，以镀氧化铬薄膜小球为上摩擦副时，平均摩擦系数除了室温外均较小，磨损率也最低，尤其在高温条件下，其平均摩擦系数和磨损率性能，相对于其他配副的优势更加明显，在室温至800℃内的平均摩擦系数和磨损率均为最低。因此，本发明制备的摩擦配副体系具有良好的‑5 3 宽温域润滑性能和优异的摩擦学性能，同时平均摩擦系数均低于0.3，磨损率在10 mm/Nm量级，表现出优异的长寿命润滑性能。 [0017] 二、宽温域润滑摩擦配副的应用 [0018] 本发明的上摩擦副通过多弧离子镀技术制备的硬质氧化铬薄膜涂层，涂层的光洁度和精度高，可满足高精度零部件表面的润滑防护处理，适用于对精度要求高的机械部件表面的润滑处理。下摩擦副表面利用空气喷涂技术制备的无机盐粘结固体涂层具有较好的致密性和较好的结合强度，便于在复杂形状、尺寸的特殊结构异形件基材上涂敷作业，因此，本发明的摩擦配副方法适用在动压气浮轴承系统中转子和箔片轴承上的表面构筑。 [0019] 具体构筑方法为：在箔片轴承表面涂敷厚度为20 30 µm的无机盐粘结固体润滑涂~料，在转子组件上通过多弧离子镀技术沉积厚度为0.5 4µm的氧化铬硬质薄膜。 ~ [0020] 综上所述，本发明相对现有技术具有以下优势： [0021] 1、本发明充分利用软硬涂层的合理配副，可有效降低摩擦配副的摩擦系数和磨损率，进一步降低摩擦配副间的刮擦和磨损，获得长寿命的润滑摩擦配副体系； [0022] 2、上下摩擦副表面涂层材料本身均具有优异的耐高温性能，可保证摩擦配副体系在室温至800℃范围内均表现出良好的摩擦学性能，尤其是高温摩擦学性能更加优异； [0024] 图1是本发明实施例1中下摩擦副表面制备的粘结固体润滑涂层的截面微观形貌。 [0025] 图2是本发明实施例1中制备的下摩擦副与实施例1及对比例1 3中的上摩擦副体~系在25℃下的摩擦系数曲线。 [0026] 图3是实施例1中制备的下摩擦副与实施例1及对比例1 3中的上摩擦副体系在200~℃下的摩擦系数曲线。 [0027] 图4是实施例1中制备的下摩擦副与实施例1及对比例1 3中的上摩擦副体系在400~℃下的摩擦系数曲线。 具体实施方式[0028] 下面通过具体实施例对本发明摩擦配副表面的制备及摩擦性能做详细说明。 [0029] 实施例1 [0030] （1）下摩擦副表面粘结固体润滑涂层的制备：选取Ag粉、二硫化钨和三氟化铈（三者的质量比为1:2:3）混合物为润滑填料，无机磷酸铬铝和硅酸钠混合物（二者的质量比为1:0.8）为粘结剂，以去离子水作为稀释剂将润滑填料与粘结剂调配成液体润滑涂料，并控制润滑填料与粘结剂的质量比为1:2，润滑涂料总体固含量为38%；然后利用压缩空气喷枪将润滑涂料喷涂在经过喷砂处理的高温合金钢基材上，通过喷涂次数控制涂层厚度为25 μm左右；最后在鼓风烘箱中300℃保温固化3h，获得表面制备有粘结固体润滑涂层的下摩擦副。下摩擦副表面粘结固体润滑涂层的截面形貌如图1所示，涂层整体致密性较好，厚度约为26 μm，涂层中润滑填料分散比较均匀，涂层与基体界面清晰可见，且具有较好的结合强度。 [0031] （2）上摩擦副表面氧化铬薄膜的制备：利用多弧离子镀技术在直径为6 mm的钢球表面制备氧化铬薄膜：以纯铬靶为阴极靶材，高纯氩气为溅射气体，高纯氧气为反应气体，通过控制沉积时间控制薄膜厚度约为4 μm，最终获得表面沉积有氧化铬薄膜的上摩擦副。 [0032] （3）摩擦学性能：使用CSM高温摩擦试验机对制备的摩擦配副体系在25℃、200℃、400℃、600℃和800℃的摩擦学性能进行测试：下摩擦副与上摩擦副间的运动模式为旋转模式，载荷5 N，线速度为10 cm/s。测试结果如图2‑4及表1所示。 [0033] 实施例2 [0034] （1）下摩擦副表面粘结固体润滑涂层的制备：选取Ag粉，二硫化钨和三氟化铈（三者的质量比为1:2:3）混合物为润滑填料，无机磷酸铬铝和硅酸钠混合物（二者的质量比为1:0.8）为粘结剂，以去离子水作为稀释剂将润滑填料与粘结剂调配成液体润滑涂料，并控制润滑填料与粘结剂的质量比为1:2.5，润滑涂料总体固含量为35%；然后利用压缩空气喷枪将润滑涂料喷涂在经过喷砂处理的高温合金钢基材上，通过喷涂次数控制涂层厚度为25 μm左右；最后在鼓风烘箱中300℃保温固化3h，获得表面制备有粘结固体润滑涂层的下摩擦副。 [0035] （2）上摩擦副表面氧化铬薄膜的制备：利用多弧离子镀技术在直径为6 mm的钢球表面制备氧化铬薄膜，以纯铬靶为阴极靶材，高纯氩气为溅射气体，高纯氧气为反应气体，通过控制沉积时间控制薄膜厚度约为4 μm，最终获得表面沉积有氧化铬薄膜的上摩擦副。 [0036] （3）摩擦学性能：使用CSM高温摩擦试验机对制备的摩擦配副体系在25℃、200℃、400℃、600℃和800℃的摩擦学性能进行测试：下摩擦副与上摩擦副间的运动模式为旋转模式，载荷5 N，线速度为10 cm/s。测试结果如表1所示。 [0037] 实施例3 [0038] （1）下摩擦副表面粘结固体润滑涂层的制备：选取Ag粉，二硫化钨和三氟化铈（三者的质量比为1:2:3）混合物为润滑填料，无机磷酸铬铝和硅酸钠混合物（二者的质量比为1:0.8）为粘结剂，以去离子水作为稀释剂将润滑填料与粘结剂调配成润滑涂料，并控制润滑填料与粘结剂的质量比为1:3，润滑涂料总体固含量为32%；然后利用压缩空气喷枪将润滑涂料喷涂在经过喷砂处理的高温合金钢基材上，通过喷涂次数控制涂层厚度为25 μm左右；最后在鼓风烘箱中300℃保温固化3h，获得表面制备有粘结固体润滑涂层的下摩擦副。 [0039] （2）上摩擦副表面氧化铬薄膜的制备：在直径为6 mm的钢球表面利用多弧离子镀技术制备氧化铬薄膜，选择以纯铬靶为阴极靶材，高纯氩气为溅射气体，高纯氧气为反应气体，通过控制沉积时间控制薄膜厚度约为4 μm，最终获得表面沉积有氧化铬薄膜的上摩擦副。 [0040] （3）摩擦学性能：使用CSM高温摩擦试验机对制备的摩擦配副体系在25℃、200℃、400℃、600℃和800℃的摩擦学性能进行测试：下摩擦副与上摩擦副间的运动模式为旋转模式，载荷5 N，线速度为10 cm/s。测试结果如表1所示。 [0041] 对比例1 [0042] （1）下摩擦副表面粘结固体润滑涂层的制备：同实施例1； [0043] （2）摩擦学性能：使用CSM高温摩擦试验机对制备的摩擦配副体系在25℃、200℃、400℃、600℃和800℃的摩擦学性能进行测试。下摩擦副为步骤（1）制备的润滑涂层，上摩擦副为直径6 mm的氮化硅球，运动模式为旋转模式，载荷5 N，线速度为10 cm/s。测试结果如图2‑4及表1所示。 [0044] 对比例2 [0045] （1）下摩擦副表面粘结固体润滑涂层的制备：同实施例1； [0046] （2）摩擦学性能：使用CSM高温摩擦试验机对制备的摩擦配副体系在25℃、200℃、400℃、600℃和800℃的摩擦学性能进行测试。下摩擦副为步骤（1）中制备的润滑涂层，上摩擦副为直径6 mm的氧化铝球，运动模式为旋转模式，载荷5 N，线速度为10 cm/s，测试结果如图2‑4及表1所示。 [0047] 对比例3 [0048] （1）下摩擦副表面粘结固体润滑涂层的制备：同实施例1； [0049] （2）不同温度下的摩擦学性能：使用CSM高温摩擦试验机对制备的摩擦配副体系在25℃、200℃、400℃、600℃和800℃的摩擦学性能进行测试，下摩擦副为步骤（1）中制备的润滑涂层，上摩擦副为直径6 mm的不锈钢球，运动模式为旋转模式，载荷5 N，线速度为10 cm/s。测试结果如图2‑4及表1所示。 [0050] [0051] 通过比较不同温度下的摩擦系数曲线、平均摩擦系数和磨损率表明，当下摩擦副表面均为涂敷粘结固体润滑涂层，上摩擦副为不同摩擦副时，摩擦配副体系的平均摩擦系数和磨损率差别较大。很显然，在相同下摩擦副的情况下，以镀氧化铬薄膜小球为上摩擦副时的平均摩擦系数除了室温外均较小，磨损率也最低，尤其在高温条件下更加明显。200℃‑5 3时，平均摩擦系数小于0.08，磨损率小于10 mm/Nm 量级；800℃时低于0.2，磨损率小于3.0‑5 3 ×10 mm/Nm。即本发明制备的摩擦配副体系不仅具有良好的宽温域润滑性能，同时平均摩擦系数和磨损率均为最低，表面出优异的长寿命润滑性能。 |
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