氮化硼粉末——一种高性能的固体润滑剂

GE先进陶瓷是世界上{zd0}的BN粉末、型材、涂料的生产商，同时还有其他的专用陶瓷。

     氮化硼是一种柔软、白色、光滑的具有独特性能的粉末，具有比石磨、二硫化钼和其他经常用到的无机固体润滑剂更高的性能。由于其极好的粘附性和热稳定性，氮化硼可以在传统固体润滑剂失效或不能达到性能要求的地方提供润滑。

     这种无机固体粉末在极冷或极热的环境仍具有稳定的润滑性能，同样适合于极压环境。可与环境很好的融合，与大多数化学品不反应。与石磨不同的是，在真空状态下也具有极好的电绝缘性。

目前润滑油的应用包括固体聚合体，油和油脂中的分散添加剂，金属陶瓷电镀涂料，用作脱模剂的水性与油性分散剂，环氧涂料的组分，热喷涂涂料和等离子喷涂涂料。

     什么是氮化硼

     与石墨相比氮化硼是一种具有物理化学特性的、高熔点（耐热、稳定）的材料。但与石墨不同的是氮化硼不会出现在自然环境中。它是由氧化硼或尿素及尿素派生物中的硼酸和氨水合成的，温度范围在800° C ～ 2000° C.

     BN具有立方和六方两种晶体结构。立方氮化硼，(c)BN类似于金刚石，坚硬、耐磨。六方氮化硼(h)BN，类似于石墨，柔软、光滑。

这篇论文主要讨论(h)BN的材料特性，这种特性使得它可以作为高性能运用的一种理想的固体润滑剂.

六方氮化硼粉末具有与石墨和二硫化钼相同的特性。包括晶体结构、低的剪切力、固体润滑膜、研磨性、热稳定性。在许多情况下，(h)BN的性能比传统的固体润滑剂好，特别是粘附性和热稳定性。

摩擦系数

近期，摩擦系数或粉末滑动性的测定方法比较模糊。例如，INSTRON法，一般用来决定摩擦系数，尽管不同等级的(h)BN粉末之间的区别能用手来很明显的区别开来，但不能用INSTRON法辨别。为了比较(h)BN与其他固体润滑剂的润滑性，Falex Corporation.See Appendix A.开发了一种新的测试仪器。

这种测试的结果见图1.清楚的表明了用这种方法测试的所有其他材料与(h)BN的摩擦系数的比较。

四球极压测试

为了将(h)BN的极压特性与石墨、二硫化钼和其他固体润滑剂进行比较，测试时Fomblin 油中每种材料各含5％，见附录B

测试了两种等级的(h)BN，两种等级的石墨、二硫化钼，SbO2、聚四氟乙烯。表2是测试结果。两种(h)BN试样焊接点比其它试样都高。（焊接点是应用重量的总和－千克力[kgf]－引起润滑失败的原因，允许焊接或金属间传递）。斑痕数据（一种金属优先到达焊接点的形式）表明，在基线负荷，一种(h)BN比其它固体润滑剂的值稍高；但在400kgf时，两种等级的(h)BN与其它试样相近。（基线负荷是纯测试液的焊接点，这种液体为315kgf）

(h)BN粉末的种类

     可以通过改变加工条件来生产具有不同化学和物理特性的粉末，通常用合成法生产(h)BN。照片1表示了(h)BN的三种粉末，照片2、3和4是这三种粉末的扫描电镜照片，清楚地显示了形状的不同，显示了不同的性能。

      图2不同温度下(h)BN的结晶度、物理、化学特性的比较

 可看到合成温度的提高直接与摩擦系数的减少、光滑度的主要指示剂等相关。

      处理环境也决定纯度，抗氧化性，高温稳定性，微粒大小，表面积和可分散性，其它使(h)BN

作为润滑剂或润滑添加剂而有用的特殊性能

图3展示了许多可用于商业上的(h)BN粉末的典型特性

图2. (h)BN的种类

图3不同(h)BN粉末的典型特性

  热稳定性

  高温下能保持润滑性是(h)BN的一个重要特性。无机陶瓷材料，象(h)BN比聚合体象聚四氟乙烯和其它低熔点材料具有固有的优点. BN的抗氧化极限大约是850° C，甚至可达到1000° C，反应速率可以忽略。

其它无机固体润滑剂，例如石墨和二硫化钼在400° C 到 500° C主要是增加摩擦系数。图4说明了石墨、二硫化钼和(h)BN在空气温度增加的情况下摩擦系数的变化。

表3总结了由NASA 测试的热稳定材料的润滑效果

六方氮化硼与其它材料的比较，在高温时具有{zd1}的摩擦系数

(h)BN润滑的使用

对美国和欧洲专利及应用的研究表明(h)BN具有许多的应用。包括用于轴承、套筒、圆环、密封装置和其它滑动组件的(h)BN填充物。石油中的分散剂和油脂，金属加工、铸造、锻造、金属拉丝中的许多含有(h)BN的涂料。通过电镀和热喷使用的环氧(h)BN涂料和(h)BN涂料一样被用于压缩机密封和内燃机组件。

BN粉末也可提高金属材料和陶瓷基化合物的抗磨性。

    石油、水、油脂中的分散剂

以前(h)BN作为石油添加剂使用，由于缺乏适合于分散剂微粒大小的粉末而受到限制。最近开发除了亚微细粒、不凝聚的(h)BN粉末，例如图3中的粉末"B"，可以在油中很容易的分散开。图3中的粉末"C"含氧量更高，主要存在于六方氮化硼晶体的晶格中，因此不会溶解。这种晶格氧使晶体有较高的表明能，使其很容易溶解并悬浮。

表4

镍与镍－氮化硼合成涂料的显微硬度和抗磨性

一种包含(h)BN的油基脱模剂比石墨有更换的脱模性能。

     包含(h)BN粉末的水基分散剂也用来做润滑分散剂。被证实在高温和低温很大范围内有良好的润滑和分离性能，象悬浮液一样，不会污染车间。

与其它金属极压分离剂比较，一种与(h)BN粉末混合的牙轮钻头油脂在极压下无污染、安全、xx。而且在轴承载荷增加的情况下，(h)BN比其它固体微粒添加剂更有效。

    电镀

   机械零件生产中，已经用电镀(h)BN细小粒子方法来形成本身的润滑、抗磨、金属表面的金属陶瓷涂料

   已经发表了几篇关于镍-(h)BN组分的抗磨和抗蚀性能的文章。在没有润滑、高压状态下，这些组分显示了很好的的摩擦性能。1在活塞缸筒表面进行测试时，可以进入较小的活塞间隙,减少磨损和摩擦。可减少油的消耗量，增加3.5％的动力输出。

尽管(h)BN教软并容易滑动，但（h)BN的含量的增加提高了硬度和耐磨性。见表4和5。硬度的提高可能是 (h)BN颗粒在镍的晶格中达到均衡而形成的。较低磨损的原因，可以通过保留在初次磨损地方的(h)BN颗粒的釉性与粘性很容易的解释，可对剩余金属的表面提供有效的润滑和分离。

     等离子、热喷涂涂料

     用于接触式承磨的等离子喷涂及相似的高抗磨表面是h)BN润滑性的另一个重要应用。 喷涂过程的效率和涂料的特性依赖于(h)BN的类型及喷涂过程中如何被处理。在(h)BN含量增加，等离子涂料及涂料的硬度减少的情况下，硬度可以通过改变(h)BN的类型及含量来改变。见表6。表5

表6

  聚合体成分

由于与石墨相似，(h)BN在许多聚合体中作为一种固体润滑剂添加剂使用，特别是目前仍在使用石墨的地方。(h)BN的主要优点包括颜色（白色）、电阻性、高热传导率、化学惰性、热稳定性和相关的高温氧化性。BN在某些腐蚀环境中不受影响，如硫酸。

  环境问题

  硼的氮化物和氧化物非常稳定，正常的储存、使用或处理条件下不会分解或形成其它有害物质。六方氮化硼是一种极稳定的化合物，处理时很安全。但是，其粉末是一种有害的尘埃不要吸入粉末是用精致的原材料在高温下合成的。

纯度很高，含有最少量的其它元素（典型的是硼酸或氧化硼从0.03%到0.5%）依据国际毒物学组织的一份报告，没有证据显示氮化硼、硼酸或氧化硼是致癌物质或造成任何中毒的危险。根据国际致癌中心的研究报告这些材料也没有危害。