赵帆等：锆合金热挤压用防护润滑剂的试制与性能 235 a 表3添加不同含量二硫化钼时的润滑剂摩擦因子 Table 3 Friction factors of lubricants with different molybdenum disulfide contents Mass fraction of MoS,/% Friction factors,m 5 0.48 图2加热后的润滑剂形貌.(a)配方1：(b)配方2 10 0.34 Fig.2 Morphology of the lubricant after heating:(a)formula 1; 20 0.31 (b)formula2 30 0.29 按表2中配方4的比例配制润滑剂，使用圆环 压缩法测得该润滑剂在750℃时的摩擦因子约为 可以考虑通过添加一定量的石墨粉继续提升 0.5.作为对比，将目前国内工厂使用的美国西屋 润滑剂的润滑效果，由于石墨导热性较好，会牺 公司润滑剂在同样条件下进行测试，摩擦子约为 牲一定的热障性能，因此不宜加入过多.且石墨 022.配方4润滑剂的润滑效果仍不满足需求.二 在高温下也容易发生氧化，添加B,O?可以起到防 硫化钼作为一种常用的固体润滑剂，能够提供优 止石墨氧化的作用，因此进行了添加石墨粉和 良的润滑效果且不易粘结.因此，在配方4的基础 B203粉的实验，并在750℃下测试了摩擦因子， 上加入不同质量分数的二硫化钼，同样使用圆环 结果如表4所示.配方5的摩擦因子达到了0.65 压缩法测得其在750℃时的摩擦因子，结果如表3 加入石墨粉与BO3粉后反而降低了润滑效果 所示.可以看出，摩擦因子在MoS2质量分数达到 配方6在配方5的基础上再加入了2份粘结剂， 10%时显著降低，随着MoS2质量分数的继续增 润滑剂溶液发生了“变稀”的现象，表面产生一层 加，摩擦因子变化较小.原因可能是MoS2在高温 乳浊液，无法涂覆于金属圆环表面.这可能是因 下发生了氧化，其生成物是硬质颗粒MoS,会增 为BO3粉与有机硅树脂发生了反应，破坏了其黏 大摩擦力2网润滑剂可对混入其中的少量MoS,有 着能力.在改变了石墨粉与B2O3粉的比例后（配 一定的保护作用，防止其氧化，而MoS2含量增加 方7)，这种情况仍不能得到改善.在配方8中移 后，其氧化的部分增多，削弱了润滑效果，所以 除了BO3粉后，“变稀”现象消失，摩擦因子为 MoS2的含量不能过高.因此，确定MoS2的质量分 0.2.因此确定石墨粉的质量分数为约10%，且不 数为约10%. 添加B2O3粉 表4润滑剂配方的质量比和摩擦因子 Table 4 Mass ratio and friction factors of lubricant formula Glass Silicone Al203 Talcum Mica MoS, Graphite B203 Friction factors, Formula powder resin power powder powder powder powder powder m 9 3 1.5 2 1 1.6 1.5 0.65 6 1.5 1.6 1.5 7 9 3 1.5 2 2 1 9 1.5 2 0 0.2 根据上述实验，最终确定了锆合金热挤压防 到甚至超过美国西屋公司润滑剂，可以满足使用 护润滑剂的配方，其基础粉末成分如表5所示，将 需求 粉末机械混合均匀后，将有机硅树脂、无水乙醇、 基础粉末以1：3：6的质量比混合搅拌均匀，均匀 表5润滑剂基础粉末成分（质量分数） 涂覆于Z-4合金圆环上充分干燥，采用圆环压缩 Table 5 Lubricant base powder composition 号 Glass A203 Talcum Mica MoS, Graphite 法测定不同实验温度下的摩擦因子，使用美国西 powder power powder powder powder 屋公司锆合金热挤压润滑剂在相同条件下进行对 50-60 5-10 10-15 5-1010-15 10-15 比测试，结果如表6.可以看出，在700~800℃，试 制润滑剂的摩擦因子为0.19~0.25，已经低于美国 2.2 润滑剂的高温防护性能 西屋公司润滑剂的0.20~0.27，其润滑效果已经达 将涂覆与未涂覆润滑剂的Zr-4合金放入900℃按表 2 中配方 4 的比例配制润滑剂，使用圆环 压缩法测得该润滑剂在 750 ℃ 时的摩擦因子约为 0.5. 作为对比，将目前国内工厂使用的美国西屋 公司润滑剂在同样条件下进行测试，摩擦子约为 0.22. 配方 4 润滑剂的润滑效果仍不满足需求. 二 硫化钼作为一种常用的固体润滑剂，能够提供优 良的润滑效果且不易粘结. 因此，在配方 4 的基础 上加入不同质量分数的二硫化钼，同样使用圆环 压缩法测得其在 750 ℃ 时的摩擦因子，结果如表 3 所示. 可以看出，摩擦因子在 MoS2 质量分数达到 10% 时显著降低，随着 MoS2 质量分数的继续增 加，摩擦因子变化较小. 原因可能是 MoS2 在高温 下发生了氧化，其生成物是硬质颗粒 MoS3，会增 大摩擦力[24] . 润滑剂可对混入其中的少量 MoS2 有 一定的保护作用，防止其氧化，而 MoS2 含量增加 后，其氧化的部分增多，削弱了润滑效果，所以 MoS2 的含量不能过高. 因此，确定 MoS2 的质量分 数为约 10%. 表 3 添加不同含量二硫化钼时的润滑剂摩擦因子 Table  3    Friction  factors  of  lubricants  with  different  molybdenum disulfide contents Mass fraction of MoS2 /% Friction factors, mt 5 0.48 10 0.34 20 0.31 30 0.29 可以考虑通过添加一定量的石墨粉继续提升 润滑剂的润滑效果，由于石墨导热性较好，会牺 牲一定的热障性能，因此不宜加入过多. 且石墨 在高温下也容易发生氧化，添加 B2O3 可以起到防 止石墨氧化的作用，因此进行了添加石墨粉和 B2O3 粉的实验，并在 750 ℃ 下测试了摩擦因子， 结果如表 4 所示. 配方 5 的摩擦因子达到了 0.65， 加入石墨粉与 B2O3 粉后反而降低了润滑效果. 配方 6 在配方 5 的基础上再加入了 2 份粘结剂， 润滑剂溶液发生了“变稀”的现象，表面产生一层 乳浊液，无法涂覆于金属圆环表面. 这可能是因 为 B2O3 粉与有机硅树脂发生了反应，破坏了其黏 着能力. 在改变了石墨粉与 B2O3 粉的比例后（配 方 7），这种情况仍不能得到改善. 在配方 8 中移 除了 B2O3 粉后，“变稀”现象消失，摩擦因子为 0.2. 因此确定石墨粉的质量分数为约 10%，且不 添加 B2O3 粉. 表 4 润滑剂配方的质量比和摩擦因子 Table 4   Mass ratio and friction factors of lubricant formula Formula Glass powder Silicone resin Al2O3 power Talcum powder Mica powder MoS2 powder Graphite powder B2O3 powder Friction factors, mt 5 9 3 1.5 2 1 2 1.6 1.5 0.65 6 9 5 1.5 2 1 2 1.6 1.5 7 9 3 1.5 2 1 2 2 1 8 9 3 1.5 2 1 2 2 0 0.2 根据上述实验，最终确定了锆合金热挤压防 护润滑剂的配方，其基础粉末成分如表 5 所示，将 粉末机械混合均匀后，将有机硅树脂、无水乙醇、 基础粉末以 1∶3∶6 的质量比混合搅拌均匀，均匀 涂覆于 Zr-4 合金圆环上充分干燥，采用圆环压缩 法测定不同实验温度下的摩擦因子，使用美国西 屋公司锆合金热挤压润滑剂在相同条件下进行对 比测试，结果如表 6. 可以看出，在 700～800 ℃，试 制润滑剂的摩擦因子为 0.19～0.25，已经低于美国 西屋公司润滑剂的 0.20～0.27，其润滑效果已经达 到甚至超过美国西屋公司润滑剂，可以满足使用 需求. 表 5 润滑剂基础粉末成分（质量分数） Table 5   Lubricant base powder composition % Glass powder Al2O3 power Talcum powder Mica powder MoS2 Graphite powder 50−60 5−10 10−15 5−10 10−15 10−15 2.2    润滑剂的高温防护性能 将涂覆与未涂覆润滑剂的 Zr-4 合金放入 900 ℃ (a) (b) 图 2    加热后的润滑剂形貌. （a）配方 1；（b）配方 2 Fig.2     Morphology  of  the  lubricant  after  heating:  (a)  formula  1; (b) formula 2 赵    帆等： 锆合金热挤压用防护润滑剂的试制与性能 · 235 ·