分子泳鍍納米二硫化鉬潤滑涂層工藝設計

彭俊鋒

在邦潤滑材料（上海）有限公司 （上海 201801）

二硫化鉬是一種固體潤滑劑，色黑稍帶銀灰色，有金屬光澤，觸之有滑膩感，不溶于水，結構非常穩定，以自然態存在于礦物質中。因具有類似石墨的層狀結構，其減摩性能很好，摩擦系數為0.05～0.1。此外，其具有以下特性：耐溫區域寬（-180～380 ℃）；在高溫、高壓、高轉速、高負荷的條件下機械工作狀態良好；在極壓狀態下結構穩定并能保持潤滑狀態；具有填平補齊作用，可以恢復某些零件的幾何尺寸；具有防潮、防水、防酸堿等特性。二硫化鉬粉有抗磁性，可用作線型光電導體、顯示P 型或N 型導電性能的半導體，具有整流和換能的作用；二硫化鉬還可用作復雜烴類脫氫的催化劑。基于二硫化鉬分子結構中硫元素的存在，其與鐵元素可形成鍵聯，因此對鋼鐵工件具有自然吸附作用。

將二硫化鉬粉末與液體樹脂、涂料助劑混合制得二硫化鉬涂料液，用浸涂、噴涂、刷涂和泳鍍等方式，在工件表面（或對偶面）制作一層致密的膜，起到潤滑、耐磨、防卡等作用，兼具耐極壓、耐溫、防輻射、防腐蝕、耐候性等功能。使用納米級二硫化鉬粉末，其上述特性體現得更好。所以在進行研發時，均使用納米二硫化鉬進行配料。

二硫化鉬潤滑耐磨涂層主要應用于航空航天、核電設施、汽車零部件、標準件、鎖具、電動工具等領域以及超高低溫、真空、防腐等環境。

生產實踐中，在某些零部件表面做二硫化鉬潤滑耐磨涂層時，用常規的噴涂方法無法噴涂到有內腔的工件內表面，用浸涂的方式通常會出現如涂料太稀掛不住，涂料太稠導致涂層太厚或不均勻、堵孔、流掛等問題。基于此，對其生產工藝進行研究探討，最終確定將納米二硫化鉬和耐磨料通過分子泳鍍的方式沉積在工件內外表面，得到的涂層表面平滑均勻、光潔度好，結合力也可滿足工藝技術要求。

1 納米二硫化鉬泳鍍液配方工藝的設計

納米二硫化鉬泳鍍液的配方是主要研究內容之一，配方中各組分的作用、協同、搭配是一個非常復雜的過程，需要無數次的實驗驗證。基于電泳的基本原理，電泳液體系須為水性體系，所有組分材料的原料，都必須是水溶性的，或是經過水分散劑活化可與水性體系混溶的。

（1）溶劑的選擇：基于泳鍍技術的原理和成本核算，選擇去離子水為溶劑和稀釋劑。

（2）黏結劑的選擇：選擇陰離子或陽離子水性樹脂，包覆不溶性顆粒，在電荷場中向工件端移動，在工件內外表面沉積。

（3）潤滑劑的選擇：納米二硫化鉬粉末結構非常穩定，不溶于水和常見溶劑。加入水中立刻沉降；加入水溶性樹脂，其沉降性有所改觀，但需要進一步解決團聚和分散問題。通過加入一定比例的復配乳化劑和分散劑，實現納米二硫化鉬粉末在水性體系中的分散性。經過測試，質量分數99.80%、粒徑50 nm 的二硫化鉬粉末呈現的潤滑性能最好。

（4）耐磨料的選擇：從 TiO2、SiC、BN、玻璃粉、石英粉等耐磨材料中，選擇其中2 種或多種進行復合，粒徑控制在5～10 μm，耐磨性最好。

（5）助劑的選擇：經過性能測試，確定水性分散劑為BYK-156，水性流平劑為BYK-333，水性防沉劑為BYK-420。

2 產品泳鍍工藝流程的設計

工件必須是導電體，二硫化鉬潤滑涂層的制作與工件的前處理、鍍液溫度、電流、電壓、泳鍍時間、鍍液黏度、進出槽速率、固化時間、固化溫度等密切相關，經過數次實驗后確定最合適的技術指標。

2.1 前處理工序

將工件在二氯甲烷溶劑中浸泡30 min，除去表面油脂。采取以下方式增加工件表面的粗糙度，以求涂層有較好的結合度：作噴砂、滾砂處理，砂粒平均粒徑為150～180 μm；對于有內外表面的復雜形狀工件，作化學砂化處理。經過噴砂或化學砂化處理的工件，用溶劑或清水清洗干凈，在100～120 ℃下干燥。

2.2 生產控制工序

（1）生產準備

泳鍍槽清洗干凈，未加料或停止泳鍍時蓋好；泳鍍液分散均勻，在泵循環的狀態下緩慢加入泳鍍槽；泳鍍液液面深度控制在槽三分之二高度處；槽液黏度為180 mPa·s、固含量為20%（以二硫化鉬計）、溫度為 20～30 ℃；泳鍍電壓為 10～200 V、電流為 1～20 A。

（2）工件泳鍍

將經前處理的工件掛上工裝架；吊裝工裝架緩緩向下移動進入泳鍍液，至工件被完全浸沒；接通電源，時間控制在30～120 s 或直到電流趨0 為止（視涂層厚度要求而定）；緩慢吊起工裝架出液面，靜停60 s 并以壓縮空氣切殘液，平移進入清洗工段。保持泳鍍液循環泵正常工作，補充泳鍍液并保持液面不變。

（3）清洗

吊裝工裝架緩緩向下移動進入1#預洗槽，完全浸沒工件，反復升降3 次；進入2#清洗槽，參照前一步驟，反復升降3 次，以壓縮空氣切去水。

（4）干燥

將工裝架置于可移動導軌架，推入烤箱進行干燥，溫度為 80～100 ℃，時間為 15 min。

（5）固化

160 ℃下固化40～80 min，由爐溫冷卻至常溫。

2.3 產品檢驗

涂層外觀為灰黑色，厚度為2～5 μm，均勻度誤差在 2 μm 以內；涂層附著力，百格法 0～2 級；涂層柔韌度，折彎10 次不脫落（實驗板）；涂層耐溫300℃。檢測合格的產品進行包裝，不合格產品返回。

3 工藝技術創新點

3.1 實現超薄（2～5 μm）二硫化鉬潤滑涂層的制作

現有工藝技術常用噴涂方式制作二硫化鉬涂層，厚度一般為10～30 μm，熟練噴涂工人的最小誤差約為5 μm，因此以噴涂方式制作小于5 μm 的涂層難度很大。采用分子泳鍍技術，可以通過調整電壓、電流的大小制作超薄（2～5 μm）二硫化鉬潤滑涂層。

3.2 實現二硫化鉬潤滑涂層厚度的精確控制

現實應用中，不同工況所要求的二硫化鉬潤滑涂層的厚度不同，由于手工噴涂誤差的不確定性，以及噴涂工熟練程度和操作水平的不同，很難精確控制涂層的厚度。泳鍍理論表明分子泳鍍的電壓、電流、泳鍍時間與涂層的厚度存在一定的線性關系。所以，采用分子泳鍍技術通過調整相關因素的數值可以精確控制涂層的厚度。

3.3 實現復雜結構尤其是內腔表面二硫化鉬潤滑涂層的制作

需要涂覆二硫化鉬潤滑涂層的工件千差萬別，結構復雜的工件在噴涂時縫隙及內腔表面不容易噴涂到，如果噴涂到，會造成容易噴涂的地方形成積液，這樣不符合工件表面涂層均勻的技術要求。利用分子泳鍍的方法可以解決這一問題，使工件表面涂層厚度均勻程度得到很大提高。

3.4 控制涂層均勻度誤差在2 μm以內

用噴涂方式制作的二硫化鉬潤滑涂層均勻度與噴涂工的熟練程度、操作手法、經驗有很大關系，最小誤差也在5 μm 左右。分子泳鍍通過固定電壓、電流和泳鍍液黏度來保證二硫化鉬涂層均勻度，其誤差在 2 μm 左右。

4 工藝設計技術要點

4.1 二硫化鉬粉末在水性體系中的分散性

由于二硫化鉬粉末不溶于水和常見溶劑，通過加入一定比例的復配乳化劑和分散劑，實現其在水性體系中的分散性。

4.2 水性體系中二硫化鉬沉積的浸潤性

二硫化鉬分子隨樹脂分子在工件表面沉積時出現多種問題，如漏點、起泡、結合度差等，原因是表面清洗不干凈、表面粗糙度不夠等。采取以下方法來避免上述問題：清洗工件表面的油漬和灰塵；確保工件表面粗糙度；鍍液中添加潤濕劑，增加基材浸潤性。

4.3 泳鍍液中二硫化鉬含量的提高

二硫化鉬粉末在泳鍍液中的含量直接影響泳鍍效果（即在工件上沉積涂層的二硫化鉬含量和涂覆層的性能）。在泳鍍過程中，泳鍍液中二硫化鉬的含量會逐步減少，如何保證并維持其含量，成為技術關鍵和難點。通過加入納米級二硫化鉬顆粒和不間斷小流量補充加入泳鍍液的方法使問題得到解決。

4.4 二硫化鉬在泳鍍液中的沉降性

二硫化鉬泳鍍液的沉降性主要體現在歇產后和運輸過程中槽液的沉降，在容器或槽液底部出現結塊。短時結塊通過攪拌尚可分散，長時間結塊不易分散，影響泳鍍液質量。在制作過程中，先將一種水性樹脂和二硫化鉬粉末攪拌制成漿液，達到包裹二硫化鉬的目的，然后將漿液加入整個體系分散。

5 未來工藝技術深層研究

5.1 泳鍍涂層厚度極限值的提高

二硫化鉬不具導電性，隨著工件上二硫化鉬的沉積，涂層厚度越來越大，繼而電阻越來越大，電流越來越小，至電流為0 時涂層的電阻已足夠大，電泳現象不再進行，涂層厚度達極限值。通過加入具有導電性、潤滑性的石墨為沉積涂層提供持續導電性。

5.2 其他固體潤滑材料替代二硫化鉬

采用泳鍍方式將二硫化鉬沉積在工件表面，取得了預期效果。在嘗試用聚四氟乙烯替代二硫化鉬進行實驗時出現了一些問題：聚四氟乙烯在泳鍍液中的固含量過低，發生沉積現象，涂層不夠豐滿。這可能與聚四氟乙烯本身屬性（不沾、難浸潤等）有關。

5.3 自動化分子泳鍍設備的設計

目前，泳鍍技術基本成熟，已進行小批量生產。但是生產效率不高，需要進一步優化工藝技術，開發自動化、規模化的生產設備，讓該技術更加完善。