固体润滑剂

固体润滑剂是一种耐磨性能高、抗极压能力强、耐高温和耐强辐射热并适应重负荷、低转数的新型通用润滑材料。经过长时间润滑试验,证明它是一种对钢、铁无锈蚀作用、不泄漏、不污染环境、润滑效果良好的润滑剂。 固体润滑剂第一个特点是抗压强度高。传统的润滑是以流体而形成油膜,把摩擦面隔开,而固体润滑是用固体粉末或薄膜代表液体来隔离互相接触的摩擦面。固体膜抗压强度高,适合大窑托轮,轮轴压力为312吨,吃力不均的情况下,压力还要大,油膜压强=F/s=230千克力/厘米2,甚至更高。固体润滑剂的主要成分二硫化钼，润滑性能好，使用寿命长。

二硫化钼固体润滑性能介绍及其相关应用

二硫化钼(MoS2)作为固体润滑剂的历史可以
上溯到17世纪。在19世纪中期的加利福尼亚淘金热
时代，二硫化钼就被作为马车轴承润滑剂 [1]。二战
期间，德国的马克思·普朗克研究所和美国国家航空
和宇航局的前身国家航空委员会都曾进行过将二
硫化钼用于工业应用的试验，并开发了有机粘结固
体润滑膜。到20世纪50年代初，美国制定二硫化钼
的美国军用标准，并将其作为军事机密。随后，二
硫化钼溅射膜和离子镀膜相继出现。在新兴的产业
部门和新兴的技术领域中都在逐渐应用固体润滑，
如以机器人和电子计算机为主的电子机械中，其主
要的润滑部分(如齿轮机构、谐波减速器、轴承、滚
珠丝杠、链索和链轮等)就是常用聚四氟乙烯和二硫
化钼润滑剂。
1 二硫化钼的基本特性
1.1 二硫化钼结构
二硫化钼层状结构是钼和硫通过共价键结合
在一起的六方晶系结构(见图1)，每一个晶体有很多
二硫化钼分子组成，每一个二硫化钼分子层分为3
个原子层(见图2)，上下两层为硫原子层，中间一层
为钼原子层，每个钼原子被6个硫原子所包围（6个
硫原子分布在三棱柱体的各顶端），只有硫原子暴
露在分子层的表面，每个分子层的厚度为0.626 nm。
由于钼和硫原子之间的键较短，而硫原子之间
的间隔较大，致使相邻的硫原子层之间的键较弱，
以至它们之间容易发生劈理，这些劈理面表面能
低，是亲水性的。另外由于在含有S-Mo-S原子群的
薄片中键结很强，使晶体的棱边具有高的表面能，
在空气中特别是与氧气将迅速起反应，天然二硫化
钼常常是大粒晶体，而合成的二硫化钼通常是很小
的颗粒 [2] 。
1.2 二硫化钼一般性质
由表1的二硫化钼物理、化学性质可见：
a) 该物质摩擦系数低、硬度低, 适用的温度、
载荷及速度变化范围广, 具有优良的润滑性、附着
性、抗压性、抗腐蚀性和超低温及热稳定性等；
b) 特别适用于接触面极紧密以及精度高的机
械摩擦副润滑；
c) 能长时间地保持润滑状态；
d) 可以解决一般润滑油难以润滑和工作环境
恶劣的摩擦面。
1.3 二硫化钼的润滑性能
二硫化钼良好的润滑性能是由其晶体结构决
定的。因为每个分子层的硫原子与钼原子之间的结
合力很强，而分子之间的硫原子与钼原子之间的结
合力很弱，因而产生了一个低剪切力的平面，当分
子之间受到很小的剪切力时沿分子层很容易断裂，
而形成滑移面。例如，在厚度为0.5 μm的二硫化钼
图1 MoS2的晶体结构表面膜中有800个分子层和799个滑移面。这些众多[3] 图2 MoS2 分子层示意图[3]

的滑移面使原来相对滑移的两金属表面的直接接
触转化为二硫化钼分子层的相对滑移，从而降低了
摩擦因数，减少了磨损（如图3所示)。
表1 二硫化钼物理化学性质
项 目 特 性
化学式 MoS2
色泽 蓝灰色
莫氏硬度 1
比重/g·cm-3 4.8
摩擦系数 0.04
结晶构造 层片六方晶系
耐压性/MPa 2 744
电阻较大 如电压和温度上升，电阻显著减小
熔点/℃ 1800以上
使用温度/℃ -180～343
空气氧化 400℃慢慢氧化
化学稳定性
与气体的反应除与氧气反应，与氯气、
氢气在高温下反应以外，不受侵害;
与酸的反应除王水，热硫酸，热硝酸
以外，不受侵害;水 、有机溶媒不溶
解;在油脂、醇中操作均能保持高度的
化学稳定性
生成热/kJ·mol-1 △H298.16K=-56.1
生成自由能
/kJ·mol-1 △F298.16K=-56.1
溶解热/kJmol-1 △H1458K=10.9
二硫化钼晶体每一层的厚度约为6×10-10 m。如
果至此厚度其润滑性仍不消失，那么厚度1×10-6m
的涂层膜就应能经受1 700 次的往复摩擦。实际上，
即使厚度仅有1×10-6 m 的涂层膜，也可以有耐几十
万次摩擦的长寿命。
图3 二硫化钼晶体的滑移面[4]
2 粘结型固体润滑膜技术及应用
粘结固体润滑涂层(亦称干膜润滑剂)是摩擦学
应用中最广泛的一种固体润滑技术。它是将固体润
滑剂（二硫化钼或聚四氟乙烯等）、耐磨添加剂等
固体粉末成分分散于有机粘结剂(酚醛、环氧树脂、
硅树脂、近年来新型的树脂如聚酰亚胺、聚苯骈噻
唑、聚苯骈咪唑等)或无机粘结剂(Na2SiO3、K2SiO3、
B2O3、Na2B4O7、Na3PO4、K2PO4等)体系中，再用
类似于油漆的涂装工艺在摩擦部件上形成一层微
米厚度的润滑涂层，以降低部件的摩擦和磨损。它
可以在干摩擦条件下作润滑剂，也可与润滑油、脂、
膏共用；它可以作为零件磨合时的预涂膜，也可以
作为已有磨痕表面的修补剂；还兼有防护或防粘等
作用。该涂层厚度很薄，不影响零件的尺寸和机械
强度，在压力的作用下，涂层不易被挤出摩擦接触
面，因而承载力较高。其涂层施工简单，成本低廉，
可根据零件的不同形状及要求，采用喷涂、刷涂或
滚涂等工艺，以实现在各种不同摩擦面上的涂敷。
它还特别适合在高低温、高真空、辐照、强氧化、
腐蚀等环境中使用。该涂层可广泛地应用于航天、
航空、机械、交通、轻重工业的各种摩擦部件及需
适当防护的零件上。
粘结固体润滑涂层分常温固化和加温固化两
大类型，固化热处理可以提高膜的粘着强度。但是，
热处理的温度受到膜工作特性的影响。如飞机用的
铝合金，其热处理温度被限制在150℃以下，因而
不能使用聚酰亚胺类有机粘结剂。某些轴承钢在
200℃下加热会使其硬度降低，所以不能使用须经
高温热处理的无机粘结剂。
常见二硫化钼干膜的组份、使用方法和用途见
表2。
国外二硫化钼润滑剂见表3，从膜的耐磨性来
看，使用有机粘结剂的效果比无机粘结剂的好，但
就耐热性而言却是前者的效果比后者的差。
据文献[5]报道，在相同条件下，含MoS2的粘结
固体润滑膜在真空中的摩擦系数约为大气中的
1/3 ，而耐磨寿命比大气中的高几倍甚至几十倍。
故MoS2粘结固体润滑膜是真空机械润滑的首选材
料。研究发现一些硫化物可以提高MoS2在金属底材
的成膜能力和抑制MoS2的氧化进程[6]。同时Fischer
等认为MoS2和石墨具有协同效应,可以降低摩擦系
数和磨损。Bartz[7]也指出, MoS2及石墨与Sb2SbS4之
间存在着明显的协同效应。
表2 常用二硫化钼干膜组份及用途
名称 配方 使用方法和用途
淡
金
水
膜
MoS2 25～30份
无水乙醇 50份
淡金水 15～20份
淡金水配方：虫胶 13%
松香 3%
正丁醇 42%
无水乙醇 42%
适用于齿轮、蜗轮、轴
套和导轨等
尼
龙
膜
MoS2粉 50份
尼粉龙1010 粉 100份
可以冷喷（常温）和热
盆（180～200℃）。适
用于齿轮箱、光杆和丝
杆等
聚乙
烯膜
MoS2粉 10份
低压聚乙烯 90份
聚乙烯熔化后喷涂。适
用于挂轮箱、溜板箱、
尾座等
MoS2粉 140份
环氧树脂 100份
磷苯二甲酸二丁酯20份
乙二胺 10份
丙酮 300～400份
丙酮的数量还可适量
增加，调稀一些便于施
工。在空气中干燥0.5h
后方如160～200的烘
箱中固化23h ,冷却后
即可使用。
环氧
树脂
膜 MoS2粉 140份
环氧树脂618# 50份
酚醛树酯2127# 20份
环己酮 15份
丙酮 80份
适用于轻载齿轮和内
燃机活塞裙部等。
聚酰
亚安
树脂
膜
MoS2粉 50g
二甲基二苯醚
（升华品） 7g
均苯四甲酸二酐
（升华品） 8g
二甲基酰胺
（溶剂） 100mL
先用溶剂溶解两升华
品，不断搅拌，在完全
溶解后加入MoS2粉即
可喷涂。固化条件为
80℃/0.5h，100℃/h，
200℃/h ，300℃/h 。
适用于机床，减速机，齿轮箱齿轮等
水玻
璃膜
MoS2粉 200份
水玻璃 100份
硫化铅 20份
蒸馏水 适量
水分含量以便于喷涂
为原则。喷涂后在
120℃下烘干1.5h。适
用于齿轮等
最新的将固体润滑剂直接涂敷零件表面的方
法有：
a) 动涂膜法 把要涂膜的零件放入盛有金属
球的滚筒中,加入固体润滑剂粉末,然后在温度为
120～150 ℃、振幅为1.5 mm、频率为40 Hz下,将旋
转着的滚筒振动30～60 min；
b) 离子涂膜法 在拟涂膜的摩擦表面,通过抽
气、溅射蚀刻、化学反应、扩散和蒸发等的物理嵌
入等几个过程,在蒸发源与被涂膜零件表面之间加
上3～5kV的直流电压、在辉光放电中进行操作；
c) 润滑剂 润滑剂的粉末分散在挥发性的溶
剂中或者制成气溶胶，刷抹或喷涂在零件表面上，
待溶剂挥发后即留下一层固体润滑膜；
d) 超声波涂层工件 超声波的频率约为22
000 Hz；这种强大的脉冲能使金属表面涂上一层均
匀的MoS2 层。有些高负荷、慢速滑动的部件，如
果采用液体润滑，流体动压不够高，此时采用MoS2
粉剂能得到最好的效果。
表3 国外二硫化钼润滑剂一览表
粘结剂
固体润
滑剂粉
末
公司 产品牌号
MoS2
SandstromTM
27A
环氧树脂
MoS2/
PTFE
SandstromTM
#103
改性有机
硅树脂
MoS2
Sandstrom
SandstromTM
HT-650
酚醛树脂
MoS2/
石墨
Acheson Molydag. 250
耐高温热
固性树脂
MoS2 DowCorning
MOLYKOTE.
3400A
聚酰亚胺
树脂
MoS2 NPI-425
无机/有机
复合粘结
剂底层陶
瓷/面层酚
醛
MoS2/
石墨
NPI
Vitro-Lube
NPI-1220
无机粘结
剂
Tiodize Tiolube 614-T9B
3 沉积型固体润滑膜技术及应用
沉积型固体润滑膜是运用物理沉积（PVD）或
化学气相沉积（CVD）、等离子化学气相沉积
（P-CVD）的方法制成的超薄膜，厚度从几千埃到
几个微米。
Spalvins提出的由r.f PVD法制备MoS2沉积膜的
开创性工作，是MoS2涂层研究一个新的里程碑[8],
MoS2沉积涂层与涂擦或粘结膜相比，具有成分、厚
度均匀，重复性好，摩擦系数低，和寿命长等特点
[9]。这些性质能满足实际应用中对镀层厚度，均匀
性和与基体结合良好的要求。也可避免粘结涂层在
真空条件下从有机粘接剂释放有害气体。
近来，MoS2涂层在大气或高湿度条件下的应用正
在不断引起重视。在机械行业，需要用大量乳化剂或
有机溶剂作为切削冷却剂使用。采用固体润滑膜涂附
的工具，可以实现干切削或减少和消除冷却剂的使
用，从而改善环境。对于食品、药品工业和水力系统，
减少和消除有机物的用量是至关重要的。
以往的研究，主要强调了通过提高涂层硬度而
增加耐磨性。并且通过物理气相沉积(PVD)、化学
气相沉积(CVD)、离子束辅助气相沉积(IBED)、等
离子体辅助化学气相沉积(PCVD)过程等，制备了
Tic, Ti(C，N), BN和金刚石等硬涂层.然而，从摩擦
学的观点，理想的表面涂层应该是既有高硬度又可
实现低摩擦。在最近几年里，低摩擦和高硬度涂层
正在受到愈来愈广泛的重视。具有MoS2涂层的高速
钢工具与工件间具有低摩擦和低的粘着趋势，从而
可以实现对难加工件如Al, Cu, Ti和不锈钢等材料
的高速切削。MoS2涂层可以使陶瓷刀具的寿命得到
提高[10] 。 MoS2/Ti复合涂层将有望取代传统的TiN
和TiCN等硬涂层实现干切削和冷加工成形。目前，
干切削和快速切削是机器制造业大规模生产的迫
切要求。德国学者研究发现，在大量生产条件下，
冷却剂及其处理费用占机加工费用的16%。相比之
下，切削工具的费用只占4%。在冷却剂的费用中，
冷却剂的处理费用占22%。
二硫化钼涂层有益于提高在微动接触下的磨
损或疲劳抗力，而在微动接触时，由于特殊的接触
几何和高的承载，液体润滑是难以实现的。在机械
零件中，与微动有关的失效是很常见的。微动是指
材料之间的小范围的振动或滑动。通常减少摩擦将
减少切应力并且增加位移，从而减少微动损伤。二
硫化钼还能防止金属与金属之间的直接接触，以及
温度的升高和氧化等。
瑞士电子和微型技术中心CSEM以先进的
PA-PVD（等离子辅助物理气相沉积）技术，研发
成功多层二硫化钼基合金和纳米MoS2复合材料的
固体干膜润滑剂。多层二硫化钼基合金固体干膜润
滑剂不仅具备低摩擦、高耐磨、耐高温、抗腐蚀等
优良品质，而且完全消除了二硫化钼对环境含湿量
的敏感性；纳米二硫化钼复合材料固体干膜润滑剂
作为固体干膜润滑剂的潜质，更令世人瞩目。
近十年来，首都航天机械公司已在航天产品
中，成功地应用了二硫化钼固体干膜润滑剂，例如：
某型号整流罩解锁机构的相关零件、某型号发动机
的轴瓦等产品。
综上所述，二硫化钼固体润滑剂以其固有的优
异特性和不断深化的技术潜力，已广泛应用于航天
军工和机电化工等领域。显然，二硫化钼固体润滑
技术的进一步发展和应用，必将获得不可估量的技
术和商业价值。