（机械设计及理论专业论文）高温自润滑复合材料的制备及摩擦学性能的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 m o s 2 和石墨等常规固体润滑剂在大气中4 5 0 。c 以上因氧化而失去润滑作用， 随着现代工业的发展，特别是航空航天工业、空自j 技术的发展，要求零件能承受 更高的温度环境。开发耐高温的固体润滑材料就具有了很强的理论和应用价值， 成为目前摩擦学领域的重点课题之一。 固体润滑剂的使用方法有多种，包括利用各种制膜技术制成覆膜( 溅射、等 离子喷镀和粘结剂粘结等) 、直接将粉末固体润滑剂添加到油脂中和制备成整体复 合材料等。覆盖膜的寿命较短，在油脂中润滑剂分散困难、易团聚，所以限制了 它们的使用；由多种成分组成的复合材料可以克服以上不足，兼有固体润滑剂良 好的润滑性能以及基体材料优异的机械性能，但是不确定的因素却很多( 如润滑 剂和基体的种类及相互匹配，润滑剂粒度、含量和分布，制备方法等) ，需要进一 步的深入研究。 镍一铬合金是一种性能优异的高温合金，作者将固体润滑剂m o s 2 和l a f 3 添 加到镍一铬合金中，制备出了n i c r 基自润滑复合材料并考察了其摩擦学性能，发 现n i c r 基自润滑复合材料在中、常温下靠m o s 2 膜来润滑；反应生成的氧化物 n i m 0 0 4 在高温下起到润滑作用。 由上可知，氧化物在高温下有很好的润滑效果。与m o s 2 和石墨类似， y b a 2 c u 3 0 7 ( y b c o ) 是具有类层状结构的氧化物，有较大c a 比，有望成为新一 代的高温固体润滑材料。但y b c o 属于陶瓷材料，其脆性和不易加工等急待改善。 掺杂是改善陶瓷性能的一种简单、高效的方法。目前，国内外用金属( a u 、a g 、 p b 等) 来改善y b c o 加工性，把其放在a g 管中拉制成超导电缆，同时a g 的加 入还可以提高其临界电流密度和机械性能等的研究报道很多，但是对摩擦学性能 方面的研究却很少见，因此加强这方面的研究可以拓宽超导材料的应用领域，对 开发其他新型固体润滑材料有一定的借鉴意义。 本论文首先采用固相反应法制备出了y b c o 粉体，x r d 和s e m 分析表明所 制备的粉体均一、杂相少，满足后续试验的要求。通过综合分析，优选了金属银 作为掺杂相，为了便于比较，银分别以金属银粉和硝酸银晶体两种方式引入到基 体中，利用粉末冶金法制备出了y b c o a g 金属陶瓷自润滑复合材料，并重点考察 了复合材料的机械性能和摩擦学性能，探讨了其增韧机理和摩擦机理。研究结果 表明，掺杂金属a g 有效地改善了高温超导氧化物陶瓷y b c o 的脆性，存在于晶 江苏大学硕士学位论文 粒间的a g 微粒起到黏结相的作用，有效抑制裂纹的萌生和扩展，对裂纹起弥合作 用。从常温到高温，y b c o a g 复合材料都表现出优良的摩擦学性能，软金属膜+ 硬基体足其减摩耐磨机理。由a g n 0 3 晶体制备出的复合材料基体内a g 微粒的粒 径更小，分布更加均匀，团聚少，宏观上表现出更好的综合性能。 关键字：摩擦学行为，固体润滑，金属一陶瓷，y b a 2 c u 3 0 7 ，镍基合金，复合材料 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eo x i d i z a t i o na b o v e4 5 0 i na i r , c o m m o ns o l i dl u b r i c a n ts u c ha s m o s 2a n dg r a p h i t ew i l ll o s el u b r i c a t i o na c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r y , e s p e c i a l l ya v i a t i o ni n d u s t r ya n ds p a c et e c h n o l o g y , t h e r ea r em a n yp a r t sa n d s p a c ed e v i c e sw o r k i n ga tc r i t i c a lc o n d i t i o n , w o r k i n gr e g u l a r l ya n dl i f e s p a no fs p a c e d e v i c e sd e p e n do nl u b r i c a t i n gs t a t e s or e s e a r c h d e v e l o pn e wl u b r i c a t e sa n di t s c o m p o s i t e sh a sm u c hv a l u ei na p p l i c a t i o na n dt h e o r ya r e a s i ti so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ts u b j e c t si nt r i b o l o g yf i e l d s o l i dl u b r i c a n t sc a nb eu s e di nm a n yr o u t e s ，f o re x a m p l e s ，c o v e rf i l mf a b r i c a t e db y a d h e s i v e s , a d d i t a t i o na d d e di n t o o i la n dg r e a s e ，c o m p o s i t ep r e p a r e dw i t hs e v e r a l c o m p o n e n t s l u b r i c s n t i n gf i l m sl i f e s p a ni sv e r ys h o n ，a d d i t a t i o n e sw i l la g g l o m e r a t e ， o n l yc o m p o s i t e sc a no v e r c o m et h e s ed i s a d v a n t a g e s ，i ta l s os h o w sg o o dl u b r i c a n t i n ga n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e r ea r em a n yu n c e r t a i ne l e m e n t sa b o u tc o m p o s i 搬s u c ha st h e s o l u t i o na n dm a t c h i n go fl u b r i c a n t sa n dm a t r i x e s ；t h eg r a i ns i z e ，d i s t r i b u t i o na n d c o n c e n t r a t i o no fl u b r i c a n m ；p r e p a r i n gm e t h o d s f i r s t l y , w ef a b r i c a t e dn i - c r b a s e ds e l f - l u b r i c a n f i n gc o m p o s i t eb ya d d i n gm o s 2a n d l a f 3i n t on i - c ra l l o y t h er e s u l t ss h o wm o s 2f i l m sg e n e r a t e do i lc o n t a c tz o n ea n d c o n t e f f a c ei st h em e c h a n i s mo fa n t i f r i c t i o na tr o o mt e m p e r a t u r e ，b u tt h eo x i d en i m 0 0 4 i n s t e a da th i g ht e m p e r a t u r e o x i d eh a sg o o dl u b r i c a m i n gp r o p e r t ya th i g ht e m p e r a t u r e l i k i n gm o s 2a n d g r a p h i t e ，y l a 2 c u 3 0 7 ( y b c o ) a l s oh a sl a m i n a t e ds t r u c t u r e ，b u ti t so u t s t a n d i n g a d v a n t a g e sa r eo x i d a t i o na n dw e a r i n gr e s i s t a n c e i ta l s ob e l o n g st oo x i d ec e r a m i c s , a n d i t sc e r a m i cp r o p e r t ys u c ha sf r a n g i b i l i t yn e e d st ob ei m p r o v e d d o p i n gi st h eo n eo ft h e m o s ts i m p l ea n dh i g he f f i c i e n tm e t h o d st oi m p r o v ef r a n g i b i l i t yo fc e r a m i c s a tp r e s e n t , t h e r ea r cm a n yr e p o r t so ni m p r o v i n gg r a i nb e u n d a r yw e a k - l i n k , i n c r e a s ei t sc r i t i c a lc u r r e n t d e n s i t y a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i t hd o p i n gm e t a l s ，i n s t e a do f t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s s op a y i n ga t t e n t i o nt ot r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sc a nb r o a ds u p e r c o n d u c t sa p p l i c a t i o nf i e l d s , i t a l s oh a sr o a c hs i g n i f i c a n c ei nd e v e l o p i n gn e ws o l i dl u b r i c a t s w ep r e p a r e dy b c op o w d e rb ys o l i ds t a t er e a c t i o n , x r da n ds e m a n a l y s i si n d i c a t e t h a tt h ep o w d e r e sa r eu n i f o r m , h a sl i t t l ec l u t t e rp h a s e y b c o a gs e l f - l u b r i c a t i n gc o m p o s i t e w a sf a b r i c a t e db y 眦o f p o w d e rm e t a n u r g i cm e t h o d a gw a sd o p i n gi nt w or o u t e s , m e t a l a gp o w d e ra n da g n 0 3c r y s t a l t h i sc o m p o s i t eh a sm o r ee x c e l l e n ts u p e r c o n d u c t i v i t y , t u 江苏大学硕士学位论文 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt f i b o l o g yp r o p e r t i e s t h et f i o b o l o g yp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e w e r ei n v e s t i g a t e do nu m t - 3m u l t i - f n n c t i o nf r i c t i o na n dw e a rt e s t e rf r o ma m b i e n t t e m p e r a t u r et oh i g ht e m p e r a t u r ei na i r t h er e s u l t si n d i c a t e ：d o p i n gm e t a la gc a ni m p r o v e c e r a m i c sf r a n g i b t u t ye f f e c t i v e l y a gp a r t i c l e sb e di nm a t r i xp o r e sa n da c ta sc o n n e c t i v e p h a s e a gp a r a d e sa l s oi m p e d ec r a c k si n i t i a t i o na n de x p a n s i o na n db r i d g et h ec r a c k s v t h e nm a s sc o n t e n to fa gi so n l y5 c o m p o s i t eh a sb e t t e rt r i b o l o g yp r o p e r t i e s o nt h e e f f e c to ff i - i c t i o n , a g - r a mi st h em e c h a n i s mo fa n t i f r i c t i o n , w h i c hg e n e r a t e so nt h ec o n t a c t z o n eo fc o m p o s i t e c e r a m i c - m a t r i xb e a r sm u c h l o a d i n g s o f tm e t a lf i l ma n d h a r dm a t r i xa r e t h em e c h a n i s mo fu i b o l o g y t h ec o m p o s i t ep r e p a r e df r o ma e , n 0 3c r y s t a ls h o w sb e t t e r o v e r a l lp r o p e r t i e s k e y w o r d s ：t r i b o l o g yb e h a v i o r , s o l i dl u b r i c a t i o n , c e r a m i c - m e t a l ，y b a 2 c u 3 0 7 ， n i c k e la l l o y , c o m p o s i t e i 、， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密耐 学位论文作者签名：羔雍华 加7 年f 月i1 日 指导粼签名：廖觊 d 7 年占月，日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名毫前年 日期：伊。7 年f 月日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着宇宙空间的开发，对空间机械润滑的要求日益提高。目前，空间机械正 朝着大型化、长时间运行的方向发展，如空间站、空间工厂等。为减少航天器动 力供给和延长空间机械的服役期限，世界各国都在致力于研制超低摩擦因数和长 寿命的润滑材料，空间机械的许多部件都是在真空、高温、超低温和特种腐蚀介 质中工作的，如某些高速轴承的工作温度可超过1 0 0 0 ，而液氢泵、液氧泵轴承 等都是在绝对温度1 0 0 k 下工作，因此，在这些极端工作条件下的润滑问题是摩擦 领域的重要课题n ，。 摩擦学直接关系到机器设备的可靠性、耐久性和能量利用率，现代科学技术 的发展，特别是航天技术和空间技术的发展，使得材料在高温条件下的摩擦、磨损 和润滑问题日益受到重视，一般的润滑油和润滑脂由于在高温环境下都有容易蒸 发的缺点，因而研究和发展相适应的高温润滑剂和自润滑复合材料具有重要的意 义，从而就使得高温摩擦学的研究和发展成为目前摩擦学领域的研究重点之一0 1 。 以往研究较多的高温固体润滑剂有：金属及其氧化物、氟化物、无机含氧酸 盐、金属硫化物( 如m o s 2 、p b s 、z n m 0 0 2 s 2 等) ，这些单一的固体润滑剂虽然具 有高温润滑作用，但都有一定的使用温度范围。w o n t 等。1 最早提出了用氧化物解 决高温润滑的方法；但是p e t e r s o n 等“1 考察了大量氧化物的高温摩擦学特性，发现 除p b o 等少数氧化物在较宽温度范围内具有润滑性外，其他氧化物作为润滑剂的 使用温度却都很窄。常用的固体润滑剂如m o s 2 和石墨在大气中4 5 0 以上的温度 下会因氧化而失去润滑作用，另一些固体润滑荆虽然在高温下具有良好的抗氧化 性能和摩擦因数低的特点，但其在常温和低温下的摩擦因数却都很高。因此，迫 切要求研究高温，尤其是在从低温到高温宽温度范围内都具有良好减摩耐磨性能 的润滑剂及其复合材料。 二元或多元固体润滑材料成为近来研究的热点”1 ，利用固体润滑剂的复合效 应，实现从宏观尺寸的混合到亚微观甚至微观尺寸混合的飞跃( 利用先进的物理 化学方法，如包覆，修饰等有望实现润滑剂微观尺度的复合) ，可能会赋予复合体 系新的物理和化学性质，这是高温摩擦学今后的重要研究方向。深入研究材料在 高温摩擦过程中伴随的物理化学变化，如金属的氧化和相变、润滑剂的晶面取向 江苏大学硕士学位论文 及与磨损表面的化学作用等，对揭示高温摩擦学的本质具有重要的指导作用”1 。高 温自润滑材料可分为金属基自润滑复合材料、自润滑合金和自润滑陶瓷( 包括金 属陶瓷和陶瓷) 等3 大类。其制备方法通常为粉末冶金法、等离子喷涂法和等静 压法。 随着超导体的出现，人们一直致力于超导摩擦学的研究并取得了显著的进步， 研究表明”，超导陶瓷y b a 2 c u 3 0 7 _ 6 ( y b c o ) 在大气常温下的摩擦因数不随时间 而改变并稳定在0 1 6 ，液氮下超导陶瓷的摩擦行为特征是磨合阶段具有相对较高 的摩擦因数，磨合阶段结束后y b c o 陶瓷的摩擦因数急剧地下降到0 0 2 。大气常 温下，y b c o 结构中的c u o 层结合较弱，在剪切应力的作用下易滑移，对外表现出 较低的摩擦：而在基体中含y 2 0 3 较多的2 1 1 ( y 2 b a c u ) 相阻碍位错滑移，而强化 基体，使其耐磨性能得以大幅提高“”。 在摩擦机理上，八十年代末j k r i m 等人1 3 1 利用q c m ( q u a r t zc r y s t a l m i c r o b a l a n c e ) 研究了p b ( 1 1 1 ) 表面和吸附在其上氦气薄膜的界面摩擦，发现当 温度到达p b 的超导临界温度( 瓦= 7 2 k 液氦) 时摩擦力突然大幅降低。对此他们 认为摩擦的能量耗散形式有两种：电子一空穴对的扩散散射和声子激励。在超导 态下，材料的电阻为零，电子散射很小，宏观上表现出摩擦因数大幅降低。然而 对于p b 等纯金属来说要在极低温度下，通常在液氦温度下( t t l o k ) 才能实现超 导，高成本限制了其使用，没有实用价值。而对于y b c o 等高温超导材料( t c 7 7 k ) ， 可以在液氮温度下实现超导，用液氮代替昂贵的液氦，使得y b c o 摩擦学特性的 研究既有理论价值又有实用背景。 同时y b c o 属于氧化物，和常规固体润滑荆m o s 2 和石墨等相类似，都具有 层状结构，有较大的c a 比，使得其在5 0 0 以上商温时表现出良好的固体润滑性 能”4 。”1 ；y b c o 又属于陶瓷材料，具有传统陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀和重量轻 等一系列优良的特殊性能。因此，y b c o 就具有了减摩耐磨的双重优点。但是对 于陶瓷材料而占，脆性却是其致命的弱点，限制了其优良性能的发挥，因此也限 制了它的实际应用。就摩擦而占，断裂韧性低足导致陶瓷材料磨损的主要因素。 e v a n s 等“”指出，陶瓷材料所同有的脆性是导致其磨损的主要原因。为此，陶瓷的 韧化问题便成了近年来陶瓷材料研究的核心课题。到目f ； 为止，已经探索出若干 种韧化陶瓷的途径，并已收到了显著的韧化效果，与此同时，对其韧化机理也进 2 江苏大学硕士学位论文 行了较深入的探讨。从韧化陶瓷的显微组织形成方式上看，大致可分为两类：一 类是自增韧陶瓷，它是由烧结或热处理等工艺使其微观组织内部自生出增韧相( 组 分) ，z r 0 2 相变增韧陶瓷及a + 3 - s i a l o n 自增韧陶瓷，即为此类；另一类是在试样 制备时，用机械混合办法加入起增韧作用的第二相( 组元) ，纤维增韧、晶须增韧 及颗粒增韧陶瓷，即为此类。 低熔点金属在高温、超高真空等特殊条件下显示优良的摩擦学特性，作为这 样的金属，大多采用铅、锡、铟、金、银等软金属。其中铅是很早以来就被作为 良好润滑剂使用。金、银经n a s a ( 美国航空宇宙局) 将其用于暴露在超高真空 中的人造卫星滚动轴承上润滑，由此而著名“”。金、银适用于极端限制润滑剂出 气性的地方，特别是因为银的导电性好，具有可省掉滑环的优点。概括起来，金 属的使用方法是单独使用或和其他润滑剂并用。一种是金属薄膜润滑，在各种硬 质金属、合金或者加工性能不好的金属等进行塑性加工时，可将铅、锌或锡这样 的低熔点软金属、合金作为类似干膜润滑来利用；作为金属润滑的第二种用法， 对于一般合金或粉末合金，添加适当种类的金属作为润滑成分以利用其润滑效果。 为了改善c o 的机械性能，降低其脆性，人们进行了大量的研究，归纳起 来主要分为两类：一种方法是通过控制热处理变量“”或者选择不同的热处理工艺 “”1 来改善y b c o 单块微观结构；另一种方法是开发复合微观结构。“。粉末装管 法( p r r 法) 是制备超导线材和带材简单高效的方法之一，通过轧辊或拉拔出来的 材料不但具有优良的超导性能，材料的机械性能也得到了极大的改善。日本曾经 将纤维状金属银丝与b i - 2 2 2 3 烧结粉复合，合成复合块材，用金属模等轴压制成复 合块材，三点弯曲测试结果表明其机械性能得到了改善。1 。 j i n h o o o 等人1 研究表明，添加适量的金属a g 作为第二相不但可以改善 y b c o 的机械性能，而且不影响其超导性。a g 的添加方式有多种：通过传统的湿 法球磨混合的a g 粉和y b c o 粉烧结后，金属a g 出现了团聚现象嘲1 ；单玉桥等1 用a 9 2 0 掺杂熔融织构y b c o 超导体，结果发现a g 以杂相形式比较均匀的分布在 y b c o 超导体的内部，其颗粒度为1 0 5 0 u m ，并起到消除微裂纹的作用。为了开 发理想的、具有均匀分散体a g 的复合微观结构，在y b c o 粉末内混合a g n 0 3 粉 末并选择适当的中间热处理是更加行之有效的方法汹1 。利用固体润滑剂的复合效 应，在y b c o 中引入软金属a g ，形成y b c o a g 金属陶瓷自润滑复合材料，既保 3 江苏大学硕士学位论文 留了自身优良的摩擦学性能，又改善了材料的机械力学性能，有望成为一种新型 的高温固体润滑材料。 在应用上，超导材料由于自身的性能特点优势，在结构材料、功能材料、陶 瓷材料等领域的应用日益广泛，在航空、化工、医疗器械等领域发挥着日益蕈要 的作用：超导润滑已成为目前超低温( 一般低于1 2 0 k ) 固体润滑技术的主要分支 ，其中高温超导陶瓷y b c o 因其高的临界转变温度( t c - - - 9 3 k ，液氮温度就可实 现超导) 和类似于石墨、m o s 2 的层状结构尤为突出，无论是直接制成超导装置( 如 陶瓷球轴承、超导马达、超导储能系统、用于悬浮和在较低摩擦下运行的磁和电 磁系统等) 还是充当固体润滑剂，都能起到很好的润滑效果。空间站必须长期稳 定地工作在1 8 3 2 5 3 c 内”1 ，对摩擦副的摩擦学特性要求很高，如果将润滑要求 比较严格的部件直接换成y b c o 自润滑材料，就节省了润滑剂的使用，特别是对 发热量和导电要求比较高的部件( 如电动机、电刷等) 。 本论文首先研究了镍一铬基自润滑复合材料的摩擦学性能和机理，反应生成 的金属氧化物在高温下具有良好的润滑性能。在此基础之上，积极探索新的高温 固体润滑荆高温超导材料y b c o ，主要研究了y b c o a g 金属陶瓷自润滑复合 材料的制备方法，重点探讨了其从常温至高温下的摩擦学特性和润滑机理，并考 察了其机械性能，分析了增韧机理。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章镍一铬基自润滑复合材料的制备及性能 2 1 金属基固体自润滑复合材料概述 把机械强度较好的金属作为基材，采用粉末冶金、液体冶金、镀覆、镶嵌和 粘结烧结等工艺制备的金属基复合材料，具有较好的机械性能和摩擦学性能。这 种材料能够有效地发挥固体润滑剂的润滑作用，因而在许多情况下具有自润滑性 能，可以实现无油或少油条件的对磨，而且有较宽的工作温度范围，能适应恶劣 工况下工作。其中的某些特殊材料就是为了适应高温、高强度或高真空等苛刻要 求而研制的，广泛应用于航天、航空、汽车等工业部门，以满足轻质、高性能的 需要，在许多领域都具有广泛的应用| j 景。 影响金属基自润滑复合材料的摩擦磨损性能的因素很多，包括基体合金的组 织和成分；固体润滑剂的性质、颗粒尺寸、形状及其在复合材料中所占的含量； 固体润滑剂在复合材料中的分布状态和界面的性质与特征；合成方式等。1 ，因此 需要深入研究的方面很多。 2 1 1 金属基固体自润滑复合材料的研究意义 摩擦表面由于粘附、剪切变形而产生相对滑动时，摩擦实际接触表面如图2 1 所示，其摩擦力f 可表示为： f = ar( 式2 1 ) 式中：a 为实际接触面积，r 为剪切强度。 囝_ 图2 - 1 摩擦实际接触表面示意图 f 嘻2 - 1 s c h e m a t i co ft r u ec o n t a c ts u r f a c ed u r i n gf r i c t i o n 5 江苏大学硕士学位论文 为减小摩擦力，应尽量减小实际接触面积a 和剪切强度r 两个工作参数。如 果选择剪切强度r ，j 、的材料，由于材料软，当以一定载荷压入时，实际接触面积a 大，故摩擦力f 不会减小。反之，如果为了减小实际接触面积a 而选择硬的材料， 则界面剪切强度r 大，因此摩擦力f 也不会减小。但如果用软的薄膜( 如固体润 滑荆等) 覆盖在硬质材料的表面，则载荷由硬表面支撑，而剪切产生在软薄膜内 部，所以实际接触面积a 和剪切强度r 都同时减小，因此能减小摩擦力，实现润 滑。对于固体润滑膜来说，如果膜过薄，接触摩擦表面突起的频率增大，容易磨 损；反之，如果其膜过厚，膜的承载能力小，容易产生塑性流动而增加实际接触 面积a ，同时摩擦表面的剪切强度z 变大。因此，存在最佳的膜厚使摩擦因数p 最 小。 粘结固体润滑膜摩擦因数较低，能够承受较大载荷，并且能够在很宽的温度 范围内使用，而且使用方便，价格便宜，但由于受润滑膜与基体之间结合强度的 限制，膜厚则易剥落，摩擦因数大、磨损大；膜薄摩擦因数小，但耐磨寿命短。 总的来说，粘结固体润滑膜的使用寿命有限。 固体润滑膜突出的缺点足使用寿命短，而且各种固体润滑剂性能差异很大， 单独使用往往不能满足某些条件的要求。因此，设法通过某种工艺把两种或两种 以上性质不同的材料结合起来制成复合材料，是行之有效的途径啪1 。 复合材料的优点是兼有固体润滑剂良好的润滑性能以及基体材料优异的机械 性能。尤其是使用粉末冶会方法制成的复合材料，可以通过对固体润滑剂和其它 添加剂加入量的调整，来准确控制复合材料的性能，以达到不同的使用要求。 金属基复合材料因具有机械性能好、工作温度高、耐磨、导电、尺寸稳定等 优点被广泛应用。会属基固体自润滑材料足将固体润滑剂作为组元加入到金属基 体中形成的复合材料，它兼有肇体会属的特性和固体润滑剂的摩擦学特性，随着 摩擦的进行，固体润滑剂会覆盖在对磨表面形成固体润滑膜，耐磨寿命长、摩擦 因数小，能适应在各种不同的大气环境、化学环境、电气环境和高温高真空等特 殊环境条件下使用。其摩擦学特性主要取决于金属基体材料物理力学性能以及摩 擦过程中固体润滑剂在对偶面间发生转移及在对偶面上形成润滑膜的结构及性 能。 6 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 固体润滑剂之问的协同效应 在一种固体润滑剂中加入另一种或几种其它无机固体粉末可以改善润滑效应 或者相反，即有些固体润滑剂之间有协同效应。 1 石墨与m o s ：的协同效应 m o s 2 与石墨有复合效应。混合物的摩擦温度特性比其组成组分单独的都好， 而且混合物对摩擦表面的保护能力也比其组成组分单独使用时的高。在石墨或 m o s 2 中添加p b o 也有类似的协同效应。 两种固体润滑剂的协同效应的发挥与操作条件密切相关。微量水分和气体的 吸附有助于石墨的润滑效应。摩擦表面氧化物的存在对石墨的减摩效应也有所提 高。而m o s 2 的极性面层吸附极微量的气体也有助于润滑，但吸附更多的气体会使 其摩擦增大，影响其与金属摩擦面的吸附。 2 m o s ：与s b o 。的协同作用 l a v i k 。”在压片试验机上，在大气或真空中进行了比较系统的试验。其结果足： m o s 2 + s b 2 0 3 在大气和真空中的摩擦因数都比纯m o s 2 的低；m o s 2 + s b 2 0 3 在磨合 期以及真空净轨迹上滑动时，总磨损量都比纯m o s 2 的低，显示出良好的协同作用； 在大气中和在真空有转移膜的轨迹上滑动时则没有显示出协同作用。 3 m o s ：与l a f 。的协同作用 氟化物l a f 3 等属于高温固体润滑剂，在强氧化和还原气氛中很稳定，在高温 环境下软化而表现出优良的润滑性能；m o s 2 属于常温固体润滑剂，但是在高温下 会因为氧化而失去润滑性能。m o s 2 + l a f 3 表现出良好的温度协同效应，可以拓宽 材料的温度使用范围。 2 1 3 金属基自润滑复合材料及其分类 金属基自润滑复合材料具有优良的机械性能和摩擦学性能，为了满足各种实 际需要，人们在基体材料、润滑剂、添加剂和加工工艺等方面进行了大量的研究， 因地制宜地发明了各种各样的复合材料，根据加工工艺的不同大致可以分为：软 金属润滑材料、粉冶型润滑材料、铸造型润滑材料、镀覆型润滑材料、镶嵌氆润 滑材料和背衬型润滑材料等。 1 软金属润滑材料 7 江苏大学硕士学位论文 作为润滑材料的软金属，有金和银那样的贵金属，也有铅、锌、锡和铟之类 的贱金属。有些软金属如铅、锡等早已应用在滑动轴承上，而金、银等贵金属的 应用则开始于航天航空工业。 软金属作为单独使用的固体润滑材料，都是以物理化学镀覆的方法在基材表 面镀上一层极薄的膜，以固体润滑膜的形式起到减摩耐磨作用。但更多的是将它 与其它材料组合成复合材料使用。 作为固体润滑材料使用的软金属一般都具有面心立方晶格、低的剪切强度和 低的蒸发率等物理机械性能。 面心立方晶体都具有各向同性，因而这类软金属具有与高粘度流体相似的润 滑行为；面心立方晶体没有低温脆性，在低温环境中也不会丧失润滑性能，这就 拓宽了其使用范围，可以从超低温到一定程度的高温。 软金属之所以具有固体润滑作用，主要是因为它的剪切强度低。在发生摩擦 时，软金属会在对偶材料的表面形成转移膜，使摩擦发生在转移膜与软金属本身 之间，从而降低摩擦因数，减少磨损。软会属的纯度越高，其剪切强度越低，越 容易在软金属内部产生滑移，因而它具有自行修补的能力。 2 粉冶型润滑材料 利用粉末冶金工艺制备金属基自润滑复合材料，可以在较宽范围内改变各组 元的配比而调节材料的综合性能，可以使基体合金化来提高材料的机械强度，使 组元间固一固反应生成弥散相来提高材料的耐磨性，并使金属基体各组元和固体 润滑荆组元在烧结后仍保留其原有的特性。由此可以获得预期的机械性能与摩擦 学性能。 按照复合材料的基体分，粉冶型润滑材料又有如下几种类型： ( 1 ) 铁基粉冶型润滑材料。固体润滑剂石墨常与f e 基材组成复合材料。其 中也可以再添加其它物质( 如青铜等) 。由于组成和制备工艺的不同，f c 一石墨系 复合材料的密度、气孔率、含油率和摩擦学特性各具特点。 ( 2 ) 铜基粉冶型润滑材料。铜可以与固体润滑剂石墨、m o s 2 、n b s e 2 、软金 属p b 和各种氧化物等组成复合材料。它们具有减摩耐磨和耐电弧侵蚀等特性，是 一种具有良好应用i j 景的工程材料。 ( 3 ) 银摹粉冶型润滑材料。a g 和固体润滑剂m o s 2 、w s 2 、w s e 2 n b s c 2 、石 8 江苏大学硕士学位论文 墨等组成的复合材料能防止冷焊，主要适用于高温高真空传动件的润滑。由于其 优良的电性能，也常用来作电接触材料。 ( 4 ) 镍基粉冶型润滑材料。以n i ( 合金) 作为基材，与m o s 2 、石墨以及软 金属a g 等固体润滑剂组成的复合材料，可作高温商真空或惰性气氛中使用的自润 滑材料。与难熔金属相比较，n i 具有熔点低，价格低等特点。 ( 5 ) 难熔金属粉冶型润滑材料。用粉冶法制备的由难熔金属( w 、t a 、m o 、 n b 等) 与固体润滑剂( 主要是m o s 2 ) 组成的复合材料具有高机械强度、低摩擦 因数和低磨损率等特点。在室温至4 0 0 5 0 0 的大气中和室温至8 0 0 的真空中 都具有优良的摩擦学特性。这类材料是很好的承载构件，可用来制造滑动轴套、 滚动轴承的保持架等。 2 1 4 镍基固体自润滑材料的研究意义 用于高温下工作的金属基复合材料基体金属或合金有镍及其合金、铁基合金 以及金属化合物等。以镍为基体加入其它元素而构成的有色合金称为镍合金。镍 合金按用途分为：镍基高温合金、镍基耐蚀合金、镍基耐磨合金、镍基精密合金 和镍基形状记忆合金。 镍基高温合金在6 5 0 1 0 0 0 高温下有较高的强度和抗氧化、抗燃气腐蚀能 力，是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。燃气涡轮发动机用高温 合金主要以镍基合金为主，要提高发动机的效率，就必须提高涡轮燃起机燃气进 口速度。先进航空发动机的燃气进口温度己达到1 3 7 0 ，推力已达2 2 余吨。一般， 叶身部分温度已达到6 5 0 9 8 0 ，承受的拉应力为1 4 0 m p a ；叶根部分温度为7 6 0 左右，承受的拉应力为2 8 0 5 6 0 m p a 。镍一铬合金是镍基合金的一种，镍基高 温合金最早是由n i c r 电阻合金发展而来陋1 。镍铬合金具有优良的力学性能和抗 氧化性能，逐渐成为高温自润滑复合材料的主要基体材料。研究表明。“1 硫元素 可以与合金元素在摩擦化学作用或高温下反应生成具有减摩耐磨的固体润滑剂 c r x s v ( x y = 2 3 1 ) ，一些稀土氟化物( l a f 3 ，c e f 3 ，c a f 2 等) 具有六方晶体结构 ( 近似于层状) ，高温下具有良好的润滑作用。s l i n e y 的研究表明l a f 3 ，c e f 3 能有 效的润滑镍合金，在室温时摩擦因素为0 5 ，5 0 0 1 2 以上摩擦因素在0 2 左右啪1 。 氟化物不但可以降低复合材料的摩擦因数，还能改善复合材料的磨损性能。二元 或多元固体润滑材料成为近来研究的热点“1 ，利用不同润滑材料的协同效应获得减 9 江苏大学硕士学位论丈 摩抗磨效果更好的二元或多元固体润滑材料是简单、商效的途径。 基于以上观点和理论，本章主要研究了在镍铬合金中添加适量的固体润滑剂 m o s 2 和l a f 3 ，用粉末冶金法制备镍一铬基自润滑复合材料，并重点考察了其从室 温至高温下的摩擦学性能，探讨了其润滑机理，为进一步探索新的高温固体润滑 剂及其复合材料做基础。 2 2 实验方案及方法 2 2 1 主要试验设备 1 u m t - 3 多功能摩擦磨损试验机 图2 - 2u m t - 3 型多功能摩擦磨损试验机及其高温模块 f i g 2 - 2t h e 删t 一3m u l t i f u n c t i o nf r i c t i o na n dw e a rt e s t e ra n di t sh i g h - t e m p e r a t u r e m o d u l e u m t - 3 型多功能摩擦学实验机，由荚国c e t r 公司开发研制，能够在室温 1 0 0 0 0 c 和各种湿度等条件下评价材料( 块体，油脂，膜等) 的摩擦学性能( 线性 滑动、往复运动、微动等) 和机械性能；能进行划刻、压拉等试验；除了可以评 价宏观材料的性能，还可以评价微观材料的摩擦学性能。该设备的特点足模块化 组装结构，完全计算机程序控制和强大的数据处理功能，操作方便，测甓精确。 其高温模块采用电阻丝加热，有程序或手动控制两种加热控制方式，其精度 为0 1 ；可以做球盘式或销盘式两种对磨方式的高温摩擦磨损试验：加载由计算 机程序控制，加载方式有按时间线性加裁，循环载倚，按指定方程加载等，加载 精确，具有弹性并且稳定性好；转速范围为1 - 5 0 0 0r m i n ，亦可实现按行程精确 江苏大学硕士学位论文 设定。可直接测量磨损量，减小用称重法带来的误差，其磨痕深度精度可达 0 0 0 1 m m 。另外，由于上试样与压力传感器间通过板式弹簧连接，可减少摩擦中的 震动对测量稳定性的影响。 2 m t 3 0 0 0 微摩擦磨损试验仪 m s - 3 0 0 0 微摩擦磨损试验仪的结构如图2 3 所示：由直流电机驱动样品台8 匀速旋转，使样品台上的下试样与上试样球之间产生连续的相对滑动。通过转动 加载梁升降调整转轮，可以使测力臂在竖直方向上移动，以控制加载梁保持水平。 通过在砝码托盘内加砝码在测头竖直方向上加载正压力。加载梁平衡砝码用以在 加载前在测力臂上平衡杠杆横梁。试样与测头相对滑动产生的横向力由应变传感 器转变成电信号，通过应变仪进入a ，d 转换，再进入计算机采集记录。 摩擦因数f 按下式计算： 卢= 肘( p ，)( 式2 - 2 ) 式中：m 为计算机采集的摩擦力矩( n m ) ；p 为正压力( n ) ；r 为试样回转半径 ( m ) 。 图2 - 3 微摩擦磨损试验机的结构 脚2 - 3 s t r u c t u r a ld i a g r a mo f m i c r o - f r i c t i o n a lw e a l - m a c h i n e 1 、砝码定位杆2 、砝码3 、砝码托盘4 、加载梁护罩5 、摩擦副夹具 6 、试样同定螺钉7 、试样8 、测试台9 、加载梁平衡砝码1 0 、加载梁平衡砝码锁 1l ，加载梁升降调整转轮1 2 、加载梁定位螺钉1 3 、调平底脚1 4 、加载梁伸缩定位螺钉 1 5 、加载梁伸缩调整转轮1 6 、加载梁 仪器主要技术指标 l l 江苏大学硕士学位论文 加载范围：1 0 9 2 0 0 0 9 ，精度o 1 9 平台转速：1 转m i n 3 0 0 0 转m i n ，精度1 转 升降高度：2 0 m m 测量范围：厚度l 1 0 m m 旋转半径：3 m m 1 0 r a m 压头：* 2 6 m m 钢珠或0 2 4 m m 圆柱销 测试操作：键盘操作，微机控制 3 x 射线粉末衍射仪 本实验使用x 射线衍射仪来检测粉体和复合材料的物相结构，得到相应的 x r d 图谱，仪器为日本理学d m a x 2 5 0 0 p c 全自动粉末x 射线衍射仪，射线源为 c u k c t 靶。 4 扫描电子显微镜 采用日本j e o l 公司的j x a - 8 4 0 a 型扫描电子显微镜( s e m ) 来对粉体和复合 材料的微观形貌和成分进行分析，用p h o e n i x 6 0 s 型x 射线能量色散谱仪( e d a x ) 确定材料的组成元素和相对含量。 5 热重一差示扫描量热分析( g d s c ) 热重一差示扫描量热分析通过检测样品在加热过程中的重量变化以及吸放热 的情况，判断样品热处理过程中发生的变化，可以用来帮助制定热处理工艺，测 定样品的热稳定性。 本试验中使用的是美国t a 公司的s d t 2 9 6 0 热重一差示扫描鼍热( 啪s c ) 仪，升温速率为1 0 。c m i n ，大气气氛。 2 2 2 镍一铬基自润滑复合材料的选择和制备方法 试验所用原料有：2 0 0