分子泳镀纳米二硫化钼润滑涂层工艺设计

彭俊锋

在邦润滑材料（上海）有限公司 （上海 201801）

二硫化钼是一种固体润滑剂，色黑稍带银灰色，有金属光泽，触之有滑腻感，不溶于水，结构非常稳定，以自然态存在于矿物质中。因具有类似石墨的层状结构，其减摩性能很好，摩擦系数为0.05～0.1。此外，其具有以下特性：耐温区域宽（-180～380 ℃）；在高温、高压、高转速、高负荷的条件下机械工作状态良好；在极压状态下结构稳定并能保持润滑状态；具有填平补齐作用，可以恢复某些零件的几何尺寸；具有防潮、防水、防酸碱等特性。二硫化钼粉有抗磁性，可用作线型光电导体、显示P 型或N 型导电性能的半导体，具有整流和换能的作用；二硫化钼还可用作复杂烃类脱氢的催化剂。基于二硫化钼分子结构中硫元素的存在，其与铁元素可形成键联，因此对钢铁工件具有自然吸附作用。

将二硫化钼粉末与液体树脂、涂料助剂混合制得二硫化钼涂料液，用浸涂、喷涂、刷涂和泳镀等方式，在工件表面（或对偶面）制作一层致密的膜，起到润滑、耐磨、防卡等作用，兼具耐极压、耐温、防辐射、防腐蚀、耐候性等功能。使用纳米级二硫化钼粉末，其上述特性体现得更好。所以在进行研发时，均使用纳米二硫化钼进行配料。

二硫化钼润滑耐磨涂层主要应用于航空航天、核电设施、汽车零部件、标准件、锁具、电动工具等领域以及超高低温、真空、防腐等环境。

生产实践中，在某些零部件表面做二硫化钼润滑耐磨涂层时，用常规的喷涂方法无法喷涂到有内腔的工件内表面，用浸涂的方式通常会出现如涂料太稀挂不住，涂料太稠导致涂层太厚或不均匀、堵孔、流挂等问题。基于此，对其生产工艺进行研究探讨，最终确定将纳米二硫化钼和耐磨料通过分子泳镀的方式沉积在工件内外表面，得到的涂层表面平滑均匀、光洁度好，结合力也可满足工艺技术要求。

1 纳米二硫化钼泳镀液配方工艺的设计

纳米二硫化钼泳镀液的配方是主要研究内容之一，配方中各组分的作用、协同、搭配是一个非常复杂的过程，需要无数次的实验验证。基于电泳的基本原理，电泳液体系须为水性体系，所有组分材料的原料，都必须是水溶性的，或是经过水分散剂活化可与水性体系混溶的。

（1）溶剂的选择：基于泳镀技术的原理和成本核算，选择去离子水为溶剂和稀释剂。

（2）黏结剂的选择：选择阴离子或阳离子水性树脂，包覆不溶性颗粒，在电荷场中向工件端移动，在工件内外表面沉积。

（3）润滑剂的选择：纳米二硫化钼粉末结构非常稳定，不溶于水和常见溶剂。加入水中立刻沉降；加入水溶性树脂，其沉降性有所改观，但需要进一步解决团聚和分散问题。通过加入一定比例的复配乳化剂和分散剂，实现纳米二硫化钼粉末在水性体系中的分散性。经过测试，质量分数99.80%、粒径50 nm 的二硫化钼粉末呈现的润滑性能最好。

（4）耐磨料的选择：从 TiO2、SiC、BN、玻璃粉、石英粉等耐磨材料中，选择其中2 种或多种进行复合，粒径控制在5～10 μm，耐磨性最好。

（5）助剂的选择：经过性能测试，确定水性分散剂为BYK-156，水性流平剂为BYK-333，水性防沉剂为BYK-420。

2 产品泳镀工艺流程的设计

工件必须是导电体，二硫化钼润滑涂层的制作与工件的前处理、镀液温度、电流、电压、泳镀时间、镀液黏度、进出槽速率、固化时间、固化温度等密切相关，经过数次实验后确定最合适的技术指标。

2.1 前处理工序

将工件在二氯甲烷溶剂中浸泡30 min，除去表面油脂。采取以下方式增加工件表面的粗糙度，以求涂层有较好的结合度：作喷砂、滚砂处理，砂粒平均粒径为150～180 μm；对于有内外表面的复杂形状工件，作化学砂化处理。经过喷砂或化学砂化处理的工件，用溶剂或清水清洗干净，在100～120 ℃下干燥。

2.2 生产控制工序

（1）生产准备

泳镀槽清洗干净，未加料或停止泳镀时盖好；泳镀液分散均匀，在泵循环的状态下缓慢加入泳镀槽；泳镀液液面深度控制在槽三分之二高度处；槽液黏度为180 mPa·s、固含量为20%（以二硫化钼计）、温度为 20～30 ℃；泳镀电压为 10～200 V、电流为 1～20 A。

（2）工件泳镀

将经前处理的工件挂上工装架；吊装工装架缓缓向下移动进入泳镀液，至工件被完全浸没；接通电源，时间控制在30～120 s 或直到电流趋0 为止（视涂层厚度要求而定）；缓慢吊起工装架出液面，静停60 s 并以压缩空气切残液，平移进入清洗工段。保持泳镀液循环泵正常工作，补充泳镀液并保持液面不变。

（3）清洗

吊装工装架缓缓向下移动进入1#预洗槽，完全浸没工件，反复升降3 次；进入2#清洗槽，参照前一步骤，反复升降3 次，以压缩空气切去水。

（4）干燥

将工装架置于可移动导轨架，推入烤箱进行干燥，温度为 80～100 ℃，时间为 15 min。

（5）固化

160 ℃下固化40～80 min，由炉温冷却至常温。

2.3 产品检验

涂层外观为灰黑色，厚度为2～5 μm，均匀度误差在 2 μm 以内；涂层附着力，百格法 0～2 级；涂层柔韧度，折弯10 次不脱落（实验板）；涂层耐温300℃。检测合格的产品进行包装，不合格产品返回。

3 工艺技术创新点

3.1 实现超薄（2～5 μm）二硫化钼润滑涂层的制作

现有工艺技术常用喷涂方式制作二硫化钼涂层，厚度一般为10～30 μm，熟练喷涂工人的最小误差约为5 μm，因此以喷涂方式制作小于5 μm 的涂层难度很大。采用分子泳镀技术，可以通过调整电压、电流的大小制作超薄（2～5 μm）二硫化钼润滑涂层。

3.2 实现二硫化钼润滑涂层厚度的精确控制

现实应用中，不同工况所要求的二硫化钼润滑涂层的厚度不同，由于手工喷涂误差的不确定性，以及喷涂工熟练程度和操作水平的不同，很难精确控制涂层的厚度。泳镀理论表明分子泳镀的电压、电流、泳镀时间与涂层的厚度存在一定的线性关系。所以，采用分子泳镀技术通过调整相关因素的数值可以精确控制涂层的厚度。

3.3 实现复杂结构尤其是内腔表面二硫化钼润滑涂层的制作

需要涂覆二硫化钼润滑涂层的工件千差万别，结构复杂的工件在喷涂时缝隙及内腔表面不容易喷涂到，如果喷涂到，会造成容易喷涂的地方形成积液，这样不符合工件表面涂层均匀的技术要求。利用分子泳镀的方法可以解决这一问题，使工件表面涂层厚度均匀程度得到很大提高。

3.4 控制涂层均匀度误差在2 μm以内

用喷涂方式制作的二硫化钼润滑涂层均匀度与喷涂工的熟练程度、操作手法、经验有很大关系，最小误差也在5 μm 左右。分子泳镀通过固定电压、电流和泳镀液黏度来保证二硫化钼涂层均匀度，其误差在 2 μm 左右。

4 工艺设计技术要点

4.1 二硫化钼粉末在水性体系中的分散性

由于二硫化钼粉末不溶于水和常见溶剂，通过加入一定比例的复配乳化剂和分散剂，实现其在水性体系中的分散性。

4.2 水性体系中二硫化钼沉积的浸润性

二硫化钼分子随树脂分子在工件表面沉积时出现多种问题，如漏点、起泡、结合度差等，原因是表面清洗不干净、表面粗糙度不够等。采取以下方法来避免上述问题：清洗工件表面的油渍和灰尘；确保工件表面粗糙度；镀液中添加润湿剂，增加基材浸润性。

4.3 泳镀液中二硫化钼含量的提高

二硫化钼粉末在泳镀液中的含量直接影响泳镀效果（即在工件上沉积涂层的二硫化钼含量和涂覆层的性能）。在泳镀过程中，泳镀液中二硫化钼的含量会逐步减少，如何保证并维持其含量，成为技术关键和难点。通过加入纳米级二硫化钼颗粒和不间断小流量补充加入泳镀液的方法使问题得到解决。

4.4 二硫化钼在泳镀液中的沉降性

二硫化钼泳镀液的沉降性主要体现在歇产后和运输过程中槽液的沉降，在容器或槽液底部出现结块。短时结块通过搅拌尚可分散，长时间结块不易分散，影响泳镀液质量。在制作过程中，先将一种水性树脂和二硫化钼粉末搅拌制成浆液，达到包裹二硫化钼的目的，然后将浆液加入整个体系分散。

5 未来工艺技术深层研究

5.1 泳镀涂层厚度极限值的提高

二硫化钼不具导电性，随着工件上二硫化钼的沉积，涂层厚度越来越大，继而电阻越来越大，电流越来越小，至电流为0 时涂层的电阻已足够大，电泳现象不再进行，涂层厚度达极限值。通过加入具有导电性、润滑性的石墨为沉积涂层提供持续导电性。

5.2 其他固体润滑材料替代二硫化钼

采用泳镀方式将二硫化钼沉积在工件表面，取得了预期效果。在尝试用聚四氟乙烯替代二硫化钼进行实验时出现了一些问题：聚四氟乙烯在泳镀液中的固含量过低，发生沉积现象，涂层不够丰满。这可能与聚四氟乙烯本身属性（不沾、难浸润等）有关。

5.3 自动化分子泳镀设备的设计

目前，泳镀技术基本成熟，已进行小批量生产。但是生产效率不高，需要进一步优化工艺技术，开发自动化、规模化的生产设备，让该技术更加完善。