（材料学专业论文）nicr合金基固体自润滑复合材料的研究.pdf

ab s t r a c t n i c o a t e d m o s 2 p o w d e r s a r e s u c c e s s f u l l y p r e p a r e d v i a n i ( n 0 3 ) 2 d e c o m p o s i t i o n - h y d r o g e n r e d u c t i o n i n t h e r e s e a r c h . s u c h p o w d e r s a r e m i x e d w i t h n i - c r 2 5 a l l o y p o w d e r a n d t h e n v a c u u m h o t p r e s s e d t o p r o d u c e n i - c r a l l o y b a s e d s o l i d s e l f - l u b r i c a t i n g c o m p o s i t e s . t h e e f f e c t o f h o t p r e s s i n g p a r a m e t e r s o n t h e m e c h a n i c a l a n d t r i b o l o g i c a l p r o p e rt i e s i s s t u d i e d . a t t h e s a m e t i m e , t h e t r i b o l o g i c a l p r o p e rt i e s o f c o m p o s i t e s c o n t a i n i n g n i c o a t e d mo s 2 a r e c o m p a r e d w i t h t h a t o f t h o s e c o n t a i n i n g u n c o a t e d mo s 2 a t r o o m t e m p e r a t u r e a n d e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s . t h e s t u d y s h o w s t h a t t h e c o m p o s it e s , w h ic h w e r e h o t p r e s s e d a t 1 0 5 0 0c w i t h i o mp a p r e s s u r e , h a v e e x c e l l e n t m e c h a n i c a l a n d t r i b o lo g i c a l p r o p e rt i e s .d u r i n g t h e h o t p r e s s i n g , t h e n i c o a t i n g c a n p r e v e n t t h e t h o r o u g h d e c o m p o s i t i o n o f mo s 2 , b u t i t i s i n e v it a b l e t o b r i n g a b o u t t h e c r x s y e u t e c t i c c o m p o u n d s . h o w e v e r , i t i s j u s t t h e c o m p o u n d s , t o g e t h e r w i t h p r e s e v e r e d mo s 2 , t h a t e n d u e t h e c o m p o s i t e s w it h g o o d t r i b o l o g i c a l p e r f o r m a n c e f r o m r o o m t e m p e r a t u r e t o e l e v a t e d t e m p e r a t u r e . c o m p o s i t e c o n t a i n i n g 2 0 w t % n i c o a t e d mo s s h a v e o p t i m u m w id e t e m p e r a t u r e r a n g e t r i b o l o g i c a l p r o p e rt i e s a m o n g t h e c o m p o s i t e s i n a d d i t i o n , t h e e ff e c t o f c a f 2 o n t h e m e c h a n i c a l s t r e n g t h a n d t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f n i - c r 2 5 - c u i s s t u d i e d . t h e r e s u l t s s h o w t h a t c a f 2 c a n g r e a t l y i m p r o v e t h e t r i b o l o g i c a l p r o p e rt i e s o f m a t e r i a l s a t h i g h t e m p e r a t u r e s , b u t d o h a r m t o t h e m e c h a n i c a l s t r e n g t h . t h e n i - c r 2 5 a l l o y b a s e d c o m p o s i t e s c o n t a i n i n g c a f 2 h a v e h i g h c o e f f i c i e n t s a n d h e a v y w e a r a t r o o m t e m p e r a t u r e . t h e c o m p o s i t e s c o n t a i n i n g 1 5 % c a f 2 h a v e b e s t t r i b o l o g i c a l p r o p e rt i e s . f i n a l l y , t h e t h e o r y o n s o l i d l u b r i c a t i o n i s d i s c u s s e d i n t h i s d i s s e rt a t i o n . 、 k e y w o r d s : p o w d e r c o a t i n g o f mo s 2 me t a l l u r g y n i - c r a ll o y b a s e d h i g h t e m p e r a t u r e s o l i d l u b r i c a t i o n 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 第一章文献综述 1 . 1 金属基固体自润滑复合材料的研究与发展 随着高科技的发展，宇航、机械、电子、航空和能源等工业部门对 材料的耐磨性、耐蚀性和高温性能等提出了越来越高的要求，在高温 ( t 4 0 0 0c ) . 高真空 ( 1 0 . 6 帕) 、高转速、 重载荷条件下工作的零部件一般 不能采用润滑油和润滑脂进行润滑，而必须采用新型的固体润滑材料以 防止部件的 磨损与系统的污染1 i -4 1 。目 前国内 外经常使用一种合金粉末与 固体润滑剂通过粉末冶金技术制成复合材料来实现高温摩擦学的目的。 这种金属基固体自 润滑复合材料同粉末固体润滑剂和干膜润滑剂一样， 均属固体润滑范畴。但是，这类复合材料除有一般固体润滑材料的特征， 如使用温度范围宽、耐腐蚀、抗污染以及能在极压、辐射和真空等条件 下工作等之外，还有较长的寿命，并能直接加工成零部件，如轴承保持 架、衬套、滑动轴承、齿轮组合件、止推垫圈及密封环等。这些零部件 工作时，一般不需要添加润滑油脂，就有良好的润滑和抗磨效果。 目 前，国外应用固体自 润滑复合材料的类型和品种很多，仅美国作 为固体自 润滑材料使用的产品就有 2 0 0多种。根据组成不同，固体自 润 滑复合材料大致可分为金属基 ( 包括金属基多层复合材料) ，石墨基和高 聚物基 ( 或称塑料基)三类。高聚物基和石墨基固体自 润滑复合材料， 由于摩擦系数低、耐化学腐蚀性能好、重量轻等优点，工业上已广泛应 用。但在结构强度，磨损寿命等方面却不如金属基固体自 润滑复合材料。 如由碳一 石墨骨架组成的固体自润滑复合材料及聚四氟乙烯 ( p t f e )加 1 5 %玻璃纤维的塑料基固体自 润滑复合材料，p v值极限为 1 0 4 , 8 4 1 牛/ 米 2 x 米渺 ， 而金属基固体自 润滑复合材料d u的p v值极限可达 1 0 4 8 , 4 1 0 牛一1 7 4 7 , 3 5 0 牛/ 米2 ， 米/ 秒，这类材料比其他常规轴承材料有好的耐磨 性能 如金属基固体自润滑复合材料d p 止推垫圈， 试验2 0 0 小时的磨损 率只有0 . 1 7 x 1 0 -9 米/ 秒，而含油多孔烧结青铜止推垫圈， 在同样条件下试 验仅1 0 5 小时， 磨损率 竟达。 6 5 x 1 0 .9 米 / 秒. 从资 料 5 i 知 道， 金属基固体 自润滑复合材料有着优异的耐负荷和抗磨损性能。如近年来受到国内外 一严 一 - - - - - - - - - - - - - - - - 一 一- 一 一 一 一 一 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 重视，模拟空中飞行的地面火箭滑车试验，由于火箭速度极快，滑块和 轨道间因摩擦和气动热的影响，温度急剧上升，致使滑块表面熔化，在 这种情况下，任何常规润滑材料都不能很好满足其润滑需要。根据高温 摩擦磨损理论分析，用粉末冶金技术制造的高模数、低剪切性能的金属 基固体自 润滑复合材料是解决这类高 温润滑的一条有效的途径回。 1 . 2 金属基固体自 润滑复合材料概述 金属基固体自润滑复合材料具有优良的摩擦特性，其是固体润滑剂 作为组元加入到金属基体中形成的复合材料。这类材料的特性取决于摩 擦过程中其所含固体润滑剂的析出和弥散分布，固体润滑剂可以在对摩 表面发生转移形成润滑膜，这能使材料的摩擦学性能得到明显改善f7 - 1 4 1 1 . 2 . 1 金属基固体自 润滑复合材料的制备方法 金属基固体 自润滑复合材料的制备方法很多，除了粉末冶金方法 ( p / m)之外，还有机械合金化 ( ma l l o y ) ,涡流制造 ( v c a s t ) 、特 殊制造( s c a s t ) 、 压力渗 入( p i n f i l ) 、 真空喷涂( v p l a t ) 等方法11 5 ,16 j 。 然 而，目前工业上应用较多的仍然是粉末冶金方法 ( 其中包括:粉末压型 烧结、粉末热压、粉末热挤压、粉末加压烧结、粉末冷、热等静压等) 该方法不仅是一种少切屑或无切屑的近成形技术，而且可以把金属和非 金属组合起来，并且控制一定的孔隙度，储存润滑油，制造出具有某些 特殊性能的复合材料。 表 1 . 1列出的是国外已经投入实际应用的部分金属基自润滑复合材 料，其中己有一些实现了商品化。 第一章 文献综述 中南大学硕士学位论文 表1 . 1某些金属基自 润滑复合材料 丁 a b l e l . l a s e l e c t e d l i s t o f m e t a l m a t r ix s e l f - l u b r i c a t i n g c o m p o s i t e s ma t r i x ma t e r i a l s e l f - l u b r i c a n t t v p e , 训% 5 . 0 0 - 1 0 . 0 0 2 5 . 0 0 2 0 _ 0 0 t e c h n i q u e o f s n nt h e s i s a p p l i c a t i o n g r a p h i t e mo s e 2 1 0 . 0 0 p / m p / m p / m p / m a gn b s e 2 mo s 2 w s e e 7 . 2 3 - 8 . 5 0 5 . 0 0 9. 51 8 . 8 2 - 9 . 3 1 7 . 8 5 - 9 . 0 4 7 . 6 3 - 8 . 9 2 9 . 0 7 - 9 . 7 3 9. 0 4 - 9. 3 3 5. 40 - 5 . 6 0 7. 35 - 7 . 5 7 7 . 5 0 e l e c t r i c a l c o n t a c t s 咖一p/m一咖一咖一咖一咖 沙一黑2000 a g i o ni c u ( g r a d l a cu g r a p h i t e p t f e / mo s 2 g r a p h i t e g r a p h i t e mo s 2 ag-cu s cas t p / m p t f e / mo s e 2 p / m 5_ 1 6 cu b e a r i n g ma t e r i a l s mo s 2 / ws 2 ws 2 c u 2 s / f e s 3. 0 0 2 0 . 0 0 / 1 0 . 0 0 5 . 0 0 2 0 . 0 0 5 . 0 0 - 5 0 . 0 0 2 2 . 0 0 / 8 . 0 0 1 0 . 0 0 / 1 0 . 0 0 1 2 . 0 0 3 . 0 0 / 5 0 0 1 0 . 0 0 / 1 0 . 0 0 1 1 . 0 0 1 0 . 0 0 1 . 0 0 - 1 0 . 0 0 5 0 . 0 0 p / m7 _ 9 8 cu 5 p b cu 4 s n p / m8 . 7 9 p / m c u 6 0 t a c u 4 5 s n 2 p b c u 4 z n 8 s n al - s i mo s 2 / ws 2 g r a p h i t e g r a p h i t e g r 叩h i t e p / m p / m vc as t vcas t h i g h s p e e d b e a r i n g ma t e r i a l s wi t h i m p r o v e d ma c h i n a b i l i b b e a r i n g s a1 4 . 5 cug r a p h i t e p i nf i l s c as t 2. 30 - 2 . 3 凡 d r % 5 . 0 0 - 3 0 . 0 0 li n e r s p i s t o n s f r i c t i o n mal loy 2. 6 2 - 2 . 6 4 b e r i n g ma t e r i a l s 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 ( 续上表) ai 9 s i 3 c u mo s 2 1 . 0 0 - 4 . 0 0 s cas t 2 . 0 0 - 2 8 0 vc as t a1 1 3 s i c u 1 . 3 8 - 2 . 0 0 vc as t a 1 4 . 5 c u 1 . 5 mg 3 0 4 s t a i n l e s s s t e c l 3 0 a g mo s e 2 1 0 . 0 0p / m b e a ri n g s ni ws 2 1 0 . 0 0 - 3 5 . 0 0 p / m 7 . 5 2 - 8 3 1 h i g h t e m p e r a t u r e b e a r i n g s c a f 2 5 . 0 0 - 1 5 . 0 0 p , m 6 . 3 1 - 7 . 0 4 ws e 2 1 5 . 0 0 - 2 0 . 0 0 p / m 8 . 0 4 - 8 . 4 6 mo s 2 1 0 . 0 0 - 1 5 . 0 0 p 八 讨 7 . 1 0 - 7 . 1 4 n o t e : p / mm e a n s p o w d e r m e t a l l u r g y ; v c a s t m e a n s v o rt e x c a s ti n g ; s c a s t m e a n s s p e c i a l c a s t i n g ; p d 开 皿m e a n s p re s s u r e i n f i l t r a t i o n ; m a l l o y m e a n s m e c h a n i c a l a l l o y i n g 注: p / m 表示粉末冶金: v c a s t表示祸流铸造: s c a s t表示特殊铸造: p i n f i l表示压力渗入: ma 1 工。 y表示机械合金化 1 . 2 . 2金属基固体自润滑复合材料的分类 金属基自润滑复合材料目前尚无确切的、公认的分类原则。但是， 可以从不同的角度加以区分。例如，从使用工况不同，可以分为无流体 润滑条件下、在润滑和活性介质条件下、在真空和各种气体介质下、在 某些特殊工况条件下等;从金属基材的种类不同，可以分为难熔金属及 其合金基 ( w, m。 等) 、高温金属及其合金基 ( n i . c r , c 。 等) 、常温金 属及其合金基 ( c u , a i , f e 等) ; b . h ， 科斯捷茨基，h . t ， 诺索夫斯基和 他们的同事， 试图从材料的耐磨性这一特性来着手分类，基于决定耐磨性 的主要过程是氧化和咬合，因此按照金属的氧化和咬合倾向可将金属和 合金分为四组:第一组是铁、4 5号钢、铜、铝等，主要在氧化摩擦条件 下工作.因此这些金属在摩擦热的作用下，可生成比基体金属更高的硬 度、能和金属牢固粘结的保护性氧化膜;第二组有锡、铅、巴氏合金等， 没有咬合倾向，并且在氧化摩擦条件下形成良好的抗磨损性氧化膜 。第 中南大学硕士 学位论文 第一章 文献综述 三组金属有镁、钻、锅、锌等，有比较稳定的抗咬合能力，在氧化磨损 条件下强烈氧化，并且形成脆性的易碎的氧化膜。第四组金属有泌.镍 等，有咬合倾向， 在氧化磨损条件下形成易碎的氧化膜，因此这类金属有 强烈的磨损。按基体金属的耐磨性划分有局限性，因为在其它摩擦条件 下，它们的特性可能不同，但是这一划分具有一定的实践意义，因为可 以考虑基体金属作为自润滑材料的特点，并且可以通过采取相应的措施 加以克服。例如，纯镍在减摩性能上占末位，但是通过加入铜、铁等合 金化元素以及固体润滑剂，而成为良好的减摩材料。 1 . 3金属和合金基体成分及合金元素的选择 大量的研究表明，材料的原始机械性能与它的减摩性能之间没有直 接关系。摩擦表面的磨损程度主要取决于二次组织的性能，并且在很大 程度上取决于形成氧化膜的性能。有意义的不是某一单个性能，而是硬 度、强度、脆性，以及表面的粘结强度等综合性能。这就使选择减摩材 料基体的任务大大复杂化了。因此在选择基体及合金元素时，在规定的 工作条件下，必须尽量使材料的基体中能够形成在耐磨性和摩擦系数方 面最佳的二次组织。基体金属及合金添加剂的性能决定构成的二次组织 的性能。 迄今为止， 可以用作高温合金基体的有镍基、铁基m1 、钻基和铬基 n 8 1 等许多种，而用作高温自润滑耐磨合金的基体则必须具有优异的高温 机械性能，抗氧化性能和抗腐蚀性能。镍基合金在 5 0 0 以上仍具有优良 的机械性能，镍表面容易被氧化形成具有较好可塑性的 n i o层，这有益 于降低材料的磨损， 而且 n i o本身还是一种高温固体润滑剂u 9 7 ， 因此镍基 高温固体自润滑耐磨材料的研究十分引人注目。不过其机械与摩擦磨损 等综合性能的研究还有待进一步深入探讨u 7 l 。本研究选择 n i - c r合金为 基体，因为n i - c r 合金具有优异的高温机械性能和耐磨性2 0 , v 1 ， 已 经成功 地应用于大型燃气轮机等热动力机械上，这种合金在摩擦过程中，由于 表面氧化层的釉状化，其在高温下的摩擦系数和磨损率都还有不同程度 的 降 低哭 。 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 1 . 4 固体润滑剂 固体润滑剂通常定义为能减少相对运动的接触表面的摩擦和/ 或磨 损的固体材料.: 7 1 .为保证材料的高 温自 润滑性能，必需采用相应的固体 润滑剂，这样才能突破油脂润滑作用的 温度极限2 1 7 1 . 4 . 1 固体润滑剂的种类 . 层状固体润滑剂 :如石墨， 二硫化铝等; . 非层状无机物:如氟化钙，氟化钡等; 。 软金属:如金，银，铅等; 。 有机聚合物:如肥皂和石蜡等; . 化学转变膜。 a . 层状固体润滑剂 众所周知，层状化合物具有极易滑动的解理面，并因此产生极小的 摩擦系数，这一类化合物己 得到广泛的应用。其中以 m o s . 和石墨最为典 型。 ( 1 ) 石墨: 石墨是己得到广泛应用的一种固体润滑剂， 不溶于任何溶剂。 石墨晶体结构中碳原子在一个平面上形成六边形结构，层与层间以大兀 键结合，因此在石墨各层间的结合强度较小，具有较小的剪切强度，摩 擦系数也较低。但大量的实验研究表明，石墨作为固体润滑剂必须吸收 空气、氧气、湿气等才有较低的剪切强度，这就限制了其在真空条件下 的应用。通过深入研究，人们对此进行了解释，一种观点认为，由于石 墨吸收气体，使其层与层之间的距离增大，从而削弱了层间大: 键的键 能导致剪切强度变小。另一种观点认为，由于石墨晶体的棱缘具有很高 的活性，可与氧、水蒸气反应得到含不同氧化基团的表面，因此石墨在 基团中是由原来的的能量解理面和大量降低了表面能的解理面组成，当 在空气中产生滑动时，无论是解理面与解理面、解理面与棱面， 还是棱面 与棱面之间的相互摩擦，其相互作用都会很小。在真空条件下，由于原 来棱面上的氧化基团分解，并在棱缘上和晶格的缺陷处留下自由基， 使其 表面能增加，导致棱面与棱面，棱面与解理面之间的互相作用增加，从 而导致摩擦增大。 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 与石墨相比，氟化石墨( c f x ) n就不需要吸收空气来提供低的剪切强 度， 其应用温度可高达5 6 0 c ， 具有良 好的抗氧化性和润滑性。 其晶体结构 中，层与层之间的距离从原石墨的0 . 3 7 5 n m增至 0 . 8 1 7 n m，这使层间n 键结合力大为降低，有利于剪切强度的降低。( c f x ) n中的配位数 x的值 一般从0 . 7 - 1 . 1 不等，其值越大，氟化石墨的热稳定和润滑性越好. ( 2 ) 二硫化铝( m o s , ) :二硫化铝是一种具有各相异性的六方晶体结构的 层状物质。在晶体的每一层里，每个铝原子被六个硫原子包围。二硫化 相的晶体由s - m o - s三个平面层所组成，每层厚度仅有 0 . 6 2 1 n m 。但是在 0 . 0 2 5 毫米厚的二硫化相晶体结构里， 有4 万多个滑移面。 众多的滑移面 使得原来相互运动的金属表面的直接摩擦转化为二硫化钥层之间的相对 滑移，从而降低摩擦系数，减少磨损。这就是二硫化铝具有良好润滑性 的基本原因。 ( 3 ) 其它层状化合物:六方氮化硼是另一种具有层状结构的固体剂， 其 中b - n 键为共价键，因此熔点很高，然而b n 在空气中、高温下可能发生 氧化。实验证明，高于5 0 0 c , b n 摩擦系数开始降低，而至9 0 0 时，由 于形成b , 0 : 玻璃， 并开始软化， 摩擦系数又开始升高， 所以其适宜温度为 6 0 0 c- 8 0 0 c. 8 .金属氟化物及其复合物固体润滑剂 一般而言，由于氟与金属以离子键结合形成氟化物，其熔点较高， 大多数高于 1 0 0 0 c。且很多氟化物在高温下有很好的化学稳定性，因此 这些化合物适宜作为高温固体润滑剂。表 1 . 2列出了某些金属氟化物复 合润滑剂在高温下的摩擦实验结果，可以看出，许多金属氟化物及其复 合物在高温下有相当好的润滑性能，如l i f . c a f , , b a f ; . n a f 以及c e f , . l a f , 等在 5 0 0 一1 0 0 0 下都有良 好的润滑性能。它们在室温下润滑性能 可能并非很好，且有一定的脆性， 但当温度高于5 0 0 时则由脆性转变为 塑性状态，显示出良好的润滑性能。 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 表1 . 2 某些氟化物复合润滑剂的高温摩擦试验结果 t a b l e t . 2 t h e h i g h 一 t e m p e r a t u r e t r i b o l o g i c a l t e s t i n g r e s u l t s o f s o m e f l u o r i d e c o m p o s i t e 氟化物 实 验 温 度 ( ) 负荷 ( n ) 速度 ( m / s ) 摩 擦 系 数 ( 协 ) 8 0 % c a 凡- 2 0 % b a 几 5 7 7 . 74 . 91 0 . 1 60 . 1 6 3 8 % c a f 2 - 6 2 % b a f 2 8 1 5 . 5 69 . 81 0 . 1 6 0 . 2 0 5 3 7 . 74 . 91 0 . 1 60 . 1 5 7 7 % c a f 22 3 % l i f 5 3 7 . 74 . 91 0 . 1 60 . 1 5 l i f 5 3 7 . 74 . 91 0 . 1 60 . 1 5 8 1 5 . 54 . 91 0 . 1 60 . 1 0 8 1 . 4 % c a f 2 - 1 8 . 6 % n a f 5 3 7 . 74 . 91 0 . 1 60 . 1 0 5 4 % c a f 2 - 1 6 % l i f - 3 0 % a 1 2 0 3 5 3 7 . 74 . 91 0 . 1 60 . 0 7 7 3 2 . 24 . 91 0 . 1 60 . 2 5 8 1 5 . 54 . 91 0 . 1 60 . 1 5 9 0 % s r f : 一 1 0 % a i p 0 a 8 1 5 . 59 . 82 . 1 80 . 1 0 9 0 % s r f 2 - 1 0 % 陶瓷 7 8 7 . 89 . 82 . 1 80 . 1 4 l a f 3 7 5 00 . 2 0 c e f a - l i f 6 5 00 . 2 3 第一章 文献综述 中南大学硕士学位论文 0 . 6 卜一 、 二 0 . 4 一一一 j 一- - 2 5 0 沮度 5 0 0 7 5 0 1 0 0 0 t 1 一无润滑剂，摩擦速度2 耐s ; 2 一有润滑剂，摩擦速度2 m / s ; 3 一有润滑剂，摩擦速度 l o m / s e 图1 . 1 b a f s - c a l : 涂层在空气中的润滑特性 f i g . 1 . 1 t h e l u b r i c a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f b a f 2 - c a f 2 i n a t m o s p h e r e 图1 . 1 是6 2 % b a f , +3 8 % c a f : 涂层在空气中的摩擦系数与温度的关系 曲线.可以看出有固体润滑剂时，摩擦系数明显下降。在室温下把摩擦 速度从 2 m / s 升高到 i o m / s ，则摩擦系数就保持在 0 . 2 左右，因为此时摩 擦生热的温升己使固体润滑剂软化并起作用了。 c . 金属氧化物固体润滑剂 人们知道，摩擦表面氧化物的形成，可以防止咬合过程的发展，稳 定和降低摩擦偶件的磨损，而在某些条件下，例如氧化镍的出现，能使 摩擦偶件的磨损降低到十分之一。许多氧化物具有不高的熔化温度，在 摩擦过程中能够熔化，使表面平滑，并构成分隔膜。常用金属氧化物固 体 润滑 剂有p 6 0 , b s 03 , m o o , 等。 d . 其它固体润滑剂 软金属:金、银、铅、锢等，以及含氧酸盐类化合物，如铝酸盐、 钨酸盐、硅酸盐和磷酸盐等，都可以作为固体润滑剂应用，其中金、银 薄膜在宇航等领域使用，获得了良好的润滑效果. 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 1 . 4 . 2 固体润滑剂的用法及其特征 如前所述，固体润滑剂的性质因物质不同具有不同特征， 但具体性 能还应根据各种物质的用法予以确定。 固体润滑剂一般用法大致分为:混合到油或脂中:作为固体覆膜; 做成复合材料。 a .混合到油或脂中 油脂的种类、粘度以及共存的添加剂，对加入其中的固体润滑剂的 润滑效果有灵敏的影响。摩擦部分的接触条件也影响其添加效果，如果 往摩擦面上导入固体润滑剂的油膜较厚，而且，固体润滑剂粉末能与摩 擦面结合并能形成油膜，则效果良好。对完全不形成油膜的则不要使用 固体润滑剂。 油或脂中混入固体润滑剂的使用方法比其他方法不仅便宜，而且可 以达到良好的润滑效果。但是在本来就不能使用油或脂的条件下 ( 要求 严格清洁的地方、高温、低温等) ，应改用其他方法。 添加固体润滑剂的润滑脂广泛使用于汽车和其它各种机械的轴承 润滑. 还有其它机械实验的例子都证实了它优异的耐磨损性能 5 6 , 5 7 1 b .作为固体覆膜 固体覆膜的性质不单纯决定于构成它的润滑物质， 共存物质的种类 与数量、 覆膜的 组织结构、底材材质及界面等都对它有灵敏的影响。 用固体覆膜润滑时，即使不与其它润滑油并用，也能很长时期保持 低的摩擦系数。另外，固体覆膜还可承受高的正压力。但是固体覆膜的 寿命有限，经过一定次数的摩擦后，难免磨损完了。对需要长期保持润 滑效果的工作要求，就要用其他的方法了。 c .做成复合材料 将固体润滑剂添加到塑料、金属、陶瓷基体中做成复合材料，通过 固体润滑剂的析出与成膜可有效地改善这些材的摩擦学性能。这种复合 材料既有较好的机械性能，又有稳定的摩擦学性能。按基体类型不同可 在高温、重载、腐蚀等工作条件下使用。但是，固体润滑剂添加的比例 必须适当，否则材料的强度太低，磨损率也会很大。 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 1 . 4 . 3 固体润滑剂的选择 首先，应根据材料的工作条件来选择固体润滑剂，比如在真空条件 下不能选择石墨而只能选择二硫化钥等无需吸附气体产生减摩机制的固 体润滑剂，在高温下，应选择抗氧化性能较好的固体润滑剂，有时应将 几种润滑剂混合使用。 其次， 必须考虑固体润滑剂与基体的匹配， 包括润滑剂与基体的相容 性，润滑剂与基体的反应。有些固体润滑剂与基体发生反应，丧失自 润 滑性，有时还会在晶界处生成一些有害化合物，影响材料的强度、韧性 等机械性能。 本研究将分别选择二硫化铝和氟化钙作为固体润滑剂添加到镍铬合 金基体中去。m o s z 在大气中于 3 5 0 时开始氧化，在真空中，1 2 5 0 保温 1 0小时( 重量损失 1 -2 55 ) 仍然稳定。只有在温度达到 1 3 5 0 时才开始剧 烈 分 解2 5 3 。 但是当m o s : 添加到镍铬合金 基体中时， 分解出 来的硫易与镍、 铬反应形成各种硫化物，从而使得 m o s : 在较低温度就完全分解。实验结 果表明在温度为1 0 5 0 c ， 真空度为 1 0 - -1 0 - 6 p a 的条件下烧结， 有相当一 部分 m o %发生分解而析出硫，这样就会使其逐渐失去润滑性并污染环境 2 6 1 。文献 2 7 -3 0 指出这种硫化物在高温时易于变形，并能在对偶件的 摩擦面形成均匀致密的转移膜，使得材料具有很好的自润滑性能。虽然 文献 3 1 -3 幻通过增加m o s : 含量和快速升温等手段保存了一定量的m o s 2 , 但是这种方法会影响材料的致密度，进而影响其机械强度川，因此寻找 一种合理手段保留m o s : 将是本研究要做的工作。 文献 3 3 ) 研究了熔浸法制备的c a f z - b a f 2 为固体润滑剂的n i - c r 合金 基固体自 润滑复合材料，结果表明在高速/ 高温条件下，材料的摩擦系数 较低，说明温度的升高使氟化钙变软，从而起减摩作用。文献 3 4 研究 了铜一镍一氟化钙减摩材料的结构、机械性能和摩擦特性。结果表明氟 化钙可以提高材料的强度，减小材料的摩擦系数。本文还将研究 c a f : 对 n i - c r 合金摩擦学性能的影响。 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 1 . 5 论文选题依据及研究内容 如前所述， 对金属基固体自润滑复合材料的研究已开展多年，国内 外己研制出成功应用于工业生产的产品， 但是对于在高温尤其是在宽温 度有自 润滑作用的减摩材料的研究进展缓慢， 本文想在这方面作一些有 益探索。同时，对于金属材料的摩擦磨损机理虽有较为深入的研究，如 摩擦表面的分子和机械的相互作用，磨损的疲劳机理，工作层及其成分 的形成机理，材料摩擦时变形及表面强化机理，选择迁移机理等。但是， 用粉末冶金方法制造的金属基固体自润滑复合材料，由于其结构特点必 然有其与铸造材料不同的摩擦磨损规律。根据现代材料学概念，由于摩 擦时进行的物理、物理化学和机械过程的综合结果，摩擦表面磨合过程 的作用， 可能导致二次组织 ( 新的单相或多相薄膜体) 的产生。 文献【 2 5 指出，在工作过程中直接产生的二次组织的特征和性能，对于摩擦副的 耐磨性有决定性的影响. 用粉末冶金方法可以制造成分非常复杂的金属 基固体自润滑复合材料，材料中可以均匀分布起固体润滑剂作用的夹杂 物，如石墨、硫化物、硒化物、氟化物以及其它化合物，它们很活跃地 构成摩擦表面的二次组织。此外，在材料结构中还可以添加碳化物型和 其它硬质化合物型固体耐磨添加剂，它们的摩擦系数高，却可以支承载 荷，提高轴承的承载能力，还可以在很宽的范围内调节夹杂物的分散性 及其在轴承材料中的分布。本文将对相关材料的二次组织形成机理与减 摩机制进行研究。 中南大学( c s u ) 粉末冶金研究所长期从事粉末冶金金属基固体自 润 滑复合材料的研究和开发应用，已有近三十年的历史，并且取得了较多 科技成果和较好的经济效益。本文是在本课题组国家自 然科学基金自助 项目( 5 9 5 7 1 0 6 ) 即“ n i - c r合金基高温宽温带自 润滑材料的研究”的基础 上拓展的研究内容，并着重对其摩擦磨损机理进行研究和探讨。 本论文主要研究内容: 1 .金属基体材料及合金化元素的研究与性能检测; z .高温自 润滑复合材料最佳工艺参数的确定: 3 .固体润滑剂( j o s 2 ) 的包覆和与基体金属的匹配; 4 .固体润滑剂最佳含量的确定及其热分解行为; 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 5 .基体金属与固体润滑剂的作用产物分析; 6 .高温固体自 润滑复合材料摩擦磨损机理的研究。 1 . 6 研究意义与展望 金属基固体自润滑复合材料不仅用于航空、航天、电子、军工等 尖端技术，而且对农业和其它工业如冶金、机械、交通运输、船舶、建 筑、 食品、 纺织、原子能、 医疗、办公设备和各种科学领域也同样重要， 这也是它近年来受到各国润滑工程和研究人员重视， 得到迅速发展的重 要原因。国外科学工作者认为，在固体润滑材料和技术领域里不久将获 得重大发展的仍将是金属基固体自润滑复合材料。 美国空军材料研究室 预言， 把固体润滑剂同复合材料很好的结合起来， 就可获得用作航空和 宇肮飞行器中的长寿命轴承材料。 随着我国国民经济、科学技术发展和国防建设的需要，国内有关 单位正在积极开展金属基固体自 润滑复合材料的研究和应用工作，并 取得了一定的成果。固体润滑理论和新的测试技术也己得到重视。在 这种形势下，金属基固体自润滑材料将会得到进一步的发展，为我国 四化建设增添一份力量. 中南大学硕士学位论文 第二章 实验与研究方法 第二章 实验与研究方法 2 . 1实验技术路线 “ 组成一结构一性能”是材料研究的三个重要环节。本文通过以下 技 术路线，实现 “ 成分一组织一性能”三者之间的优化。 图2 . 1 实验技术路线图 f i g .2 . 1 t h e d i a g r a m o f t e c h n i q u e p r o c e s s o f t h e t e s t 2 .2实验用原材料 n i - c r 2 5 合金粉纯度: 9 8 w t % ， 粒度: 一2 0 0目;mo s : 粉纯度9 8 w t % ， 粒 度; 一1 8 0目;c a f : 分析纯，纯度 9 8 . 5 w t %. 其它材料:电解铜粉，硝酸镍，氢氟酸，蒸馏水等 中南大学硕士学位论文 第二章 实验与研究方法 2 . 3 实验工艺流程: n i 包覆mo s : 粉末 n i- c r 2 5 合金粉 混料 冷压 真空热压 试样制备 性能测试及检测分析 摩擦试验 ! 物理机械性能检测】 x r d分析 i 金相 s e m分析 分析讨论 结论 图 2 2 f i g 2 2 实验工艺流程图 f l o w i n g c h a rt o f t e s t 2 . 3 . 1 粉末包覆 用硝酸镍分解一氢还原法对二硫化铝粉末进行包覆。 详细内容见第 三章) 中南大学硕士学位论文 第二章 实验与研究方法 2 . 3 . 2配料 实验用n i - c r 2 5 合金粉末理论密度为8 . 3 8 g / c m 3 , n i 包覆m o s 2 粉末的 理论 密 度为5 . 1 8 g / c m 3 . 将4 种含 量( 5 w t %, o w l % , 1 5 w t % , 2 0 w t %) 的 n i 包覆 mo s : 粉末和2 0 w t %的未经包覆的 mo s : 粉末与 n i - c r 2 5 合金粉末 在 v型混料机上无球干混，时间为 6 -8 小时。 表2 . 1 五种材料的基本元素组成 t a b l e l l t h e c o m p o n e n t s o f f i v e c o m p o s i t e s 编号n i - c r 2 5 粉 ( w t %)镍包覆m o s 2 粉 ( w t % ) 1 #9 55 2#9 01 0 3#8 51 5 4#8 02 0 5 #8 0 2 0 ( 未包覆的m o s 2 ) 将c a f 2 、电解铜粉、n i - c r 2 5 粉按表2 . 2 配制 表2 .2 五种材料的基本元素组成 t a b l e 2 . 2 t h e c o m p o n e n t s o f f i v e c o m p o s i t e s 编号n i - c r 2 5粉 ( w t % )c u 粉 c a f 2 粉 ( w t % ) a. 9 5 5 0 b9 0 55 c8 551 0 d8 051 5 e一7 5 5一 2 0 2 . 3 . 3冷压 将混合均匀的各组粉末分别装入 (d 6 5 m m的钢模中，用y a 7 1 - 5 0 0 型 粉末压机进行冷压。压制压力为5 t / c m 2 ， 保压3 - 4 秒。 中南大学硕士学位论文第二章 实验与研究方法 2 . 3 . 4真空热压 将制备好的复合材料素坯装入石墨模具中，然后将石墨模置于 f v p h p - r - 1 0真空热压炉中进行真空热压 ( 如图 2 . 3 ) ，由于工艺参数对复 合材料的显微结构和性能有很大影响，因此选择工艺参数至关重要。这 些工艺参数有:热压温度、热压压力、升温速度和保压时间等。经多次 实验研究证明，较佳的工艺参数如表2 . 3 所示。 表2 . 3主要工艺参数 t a b l e 2 .3 m a i n p a r a m e t e r s f o r f a b r i c a t i o n o f c o m p o s i t e s 参数 材料 温度 ( ) 压力 ( mp a ) 保压时间 ( m i n ) 升温速度 ( 0c / m i n ) i 1 #一 5 # 1 0 5 0 1 02 05 0 a -e号材料是在课题组自制热压机上压制。热压温度为 1 2 0 0 1c ， 热压 压力为 1 5 mp a，升温速度 5 0 c / m i n ，保压时间 l o m i n ，通氮气保护。 外尤 发热沐 热 ， / 花 样品 热电(il i 模且 压力 图2 . 3 真空热压烧结炉结构示意图 f i g 2 . 3 s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f v a c u u m h o t - p r e s s i n g f u r n a c e 中南大学硕士学位论文 第二章 实验与研究方法 2 . 4 物理和力学性能测试 ( 1 )密度的测定 采用阿基米德 ( a r c h i m e d e s s ) 法1 3 5 1 测量材料的体积密度。 试样用感 量0 . 1 m g 的电光分析天平称重，其计算公式为: p r - n 1 , ) o , ( 2 - 1 ) m3一mz 式中:p v 为测量的 体 积密度， 为实验条件下浸渍液体的 密 度， n il , m 2 和 m 3 分别为 干燥试样的质量， 溶液中饱和试样的 质量以 及饱和试样在空气 中的质量。测试前，试样必须干燥和干净，每个数据至少测三根试样取 平均值。 试样的理论密度则根据混合加成法则计算: prd= 艺 5 尸 ( 2 - 2 ) 式中:i n ， 和p分别为主分的 质量百分数及理论密度。本实验中各