（机械设计及理论专业论文）自润滑高温发汗体结构模型及扩散特性研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 本文基于把软金属润滑剂熔浸到金属陶瓷粉末冶金材料的孔隙中制备自润 滑发汗体的方法，建立了一种自润滑发汗体结构模型，探讨发汗体的结构参数， 软金属润滑剂的物理性质以及外界条件对其浸渗和扩散的影响。本文的主要研究 工作分为以下几个部分： 1 ) 基于高强圆柱发汗体，提出种填充计算模型，研究了圆柱发汗体内圆 球颗粒的排列方式及其相对大小对孔隙率的影响，给出了圆柱发汗体和圆球颗粒 半径比r r 与孔隙率的关系曲线，以及圆柱发汗体高和圆球颗粒直径比h 2 r 与孔隙率的关系曲线，分析结果发现：当r r 和h 2 r 的值分别大于一定值 时，圆柱体试件的孔隙率将趋于稳定值。论文根据圆柱发汗体填充模型分析结果， 给出了圆柱体发汗体试件的最小尺寸和推荐尺寸的计算方法。 2 ) 对采用白发熔融浸渗法将软金属润滑剂渗入金属陶瓷基体材料的过程进 行了理论研究，以液态s n 为例分析了润湿角，表面张力，温度条件等对浸渗过 程的影响。润湿角小于9 0 时可以实现自发浸渗，当润湿角大于9 0 0 时则需要外 加压力才能浸渗。 3 ) 利用渗流理论对自润滑发汗体的渗透率、孔隙率和润滑剂熔体的粘度对 发汗体的扩散特性的影响进行了研究，得出在相同温度和压力梯度下，s n ，p b ， a g 在发汗体内的流动量由大到小依次排列。 关键字：发汗体结构模型扩散特性 软金属自发熔融浸渗 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h em e t h o dt h a t p r e p a r i n gs e l f - l u b r i c a t i n g s w e a t - s i n t e rb yi n f i l t r a t i n gl i q u i ds o f tm e t a ll u b r i c a t o ri n t ot h ec e r m e t ，b u i l d i n ga s t r u c t u r a lm o d e lo fs e l f - l u b r i c a t i n gs w e a t s i n t e r , s t u d y i n gt h ee f f e c to fs t r u c t u r a l p a r a m e t e r so fs w e a ts i n t e r , p h y s i c sc h a r a c t e ro fs o f t m e t a ll u b r i c a t o ra n dw o r k i n g c o n d i t i o no nl u b r i c a n t si n f i l t r a t i n ga n dd i f f u s i n g t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sd i v i d e d i n t of o l l o w i n gp a r t s ： 1 ，b a s e do ns e l f - l u b r i c a t i n gc o l u m n e ds i n t e rw i t hh i g hs t r e n g t h ，af i l l i n gm o d e l h a sb e e ns e tu p ，t h ee f f e c t so fa r r a n g es t y l ea n dt h er e l a t i v es i z eb e t w e e nc y l i n d e ra n d b a l lg r a n u l eo np o r o s i t yh a v eb e e ns t u d i e d ，t h er e l a t i v ec u r v eb e t w e e nt h er a d i u sr a t i o o fc y l i n d e rt og r a n u l e ( r r ) a n dp o r o s i t y ( e ) a n dt h er e l a t i v ec u r v eb e t w e e nt h er a t i oo f c y l i n d e r sh e i g h tt og r a n u l e sd i a m e t e r ( h 2 r ) a n dp o r o s i t y ( e ) h a v eb e e nd r a w n t h e r e s u l t ss h o wt h a tp o r o s i t yt r e n d st oas t e a d yv a l u ew h e nr ra n dh 2 rr e a c ht oc e r t a i n v a l u e s b a s e do nt h ea n a l y s e dr e s u l t so fc o l u m n e ds i n t e r f i l l i n gm o d e l ，t h e c a l c u l a t i o n a lm e t h o d so fm i n i m u ms i z ea n dr e c o m m e n d e ds i z eo fc o l u m n e d s w e a t - s i n t e rh a v eb e e ng i v e n 2 t h ep r o c e s st h a tt h el i q u i ds o f tm e t a ll u b r i c a t o ri n f i l t r a t i n gi n t ot h ec e r m e t w a ss t u r i e db yi n f i l t r a t i o nm e t h o d ，a n dt h ee f f e c t st h a tt h ew e t t i n ga n g l e ，t h es u r f a c e t e n s i o no fl i q u i ds n ，t h et e m p e r a t u r e ，a n dt h ep r e s s u r eo nt h ei n f i l t r a t i n gp r o c e s sw e r e a n a l y s e d t h em e l ti n f i l t r a t i o nc a nb et a k e ns p o n t a n e o u s l yw h e nt h ew e t t i n ga l l 【g i ei s b e l o w9 0 。，b u ti tn e e d so u t e rp r e s s u r ew h e nt h e w e t t i n ga n g l e i sa b o v e9 0 。 3 u s i n gs e e p a g et h e o r y ，t h ee f f e c t st h a t t h ep e r m e a b i l i t ya n dp o r o s i t yo f s w e a t - s i n t e r , a n dt h ew i k i p e d i ao fl i q u i dl u b r i c a n to nt h ed i f f u s i n gc h a r a c t e r i s t i cw e r e s t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef l u xo fp b ，s na n da gu n d e rt h es a m et e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r eg r a d si sd e c r e a s e di nt u r n k e yw o r d s ： s w e a t - s i n t e rs t r u c t u r a lm o d e l d i f f u s i n gc h a r a c t e r i s t i c s o f tm e t a l s p o n t a n e o u sm e l ti n f i t r a t i o n i i 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 逢蠹日期丝笪幺乡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保窘、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：溢塞导师签名：至丝二兰日期 注：请将此声明装订在论文的目录前。 叩以礅 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 帚一早三百下匕 1 1本文的研究背景和意义 1 1 1研究背景 近3 0 年来，摩擦学的研究重点发生了明显的转变，即从润滑和润滑系统 转向材料科学和技术( 包括表面工程等) 的研究。由于现代工业技术的发展， 特别是航空工业、空间技术的发展，它们的许多工况条件已经超越了润滑油 脂的使用极限，这就促使人们去寻找新的润滑材料。固体润滑材料便应运而 生。固体润滑材料能满足许多特殊工况条件下对润滑的要求，能适应复杂的 工作环境，为机械设备实现大型化、微型化、高速、重载和自动控制等创造 了有利条件，为实现新工艺、新技术，应用新材料创造了有利条件，为机械 零件设计的革命提供了很大的方便，同时还可减少繁杂的润滑维修问题，也 给施工现场的文明清洁环境创造了有利条件“1 。 固体润滑材料的发展和应用虽有较长的历史，但自润滑复合材料在工业上 的广泛使用还是2 0 世纪6 0 年代以后的事。它的出现，弥补了轴承材料的不足， 满足了航空航天和其他新技术新产品在苛刻条件下润滑的需要，成为润滑领 域里的一类新型材料。同时，它对于农业和其他i l k ，如钢铁、机械、原子 能、交通运输、船舶制造、建筑、食品、纺织、家电、医疗设备和各种科学 仪器等，也同样重要。 固体润滑材料的使用温度范围厂，耐腐蚀，抗污染，能在极压、辐射和 真空等条件下工作，使用寿命长，并能直接加工成零部件，如轴承保持架、 衬套、轴承、齿轮组合件、i 卜推垫圈及密封环等。这些零部件工作时， 。般 不需添加润滑油脂，就有良好的润滑和抗磨效果。 金属基自润滑复合材料具有优良的摩擦学特性，是固体润滑剂作为组元 被加入到金属基体中形成的复合材料。这类材料的摩擦学特性取决于摩擦过 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问发 生转移形成润滑薄膜，这能使材料的摩擦学性能得到明显改善。金属基自润滑 复合材料兼有基体金属固有的特性和同体润滑剂优良的摩擦学特性，适于在 不同的大气环境、化学环境、电。e 环境和温度环境等特殊环境条件下使用。 随着现代工业等领域的飞速发展，对于在高温下工作的减摩材料提出了 更高的要求，从而使得材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问题h 益受到重 武汉理工大学硕 ：学位论文 视，促进了相应的高温自润滑材料的研制与发展。采用粉末冶金方法制造金属 基固体自润滑材料由于在制备工艺，结构组成等方面具有许多独特的优越性， 可以制造出几乎无偏析、组织均匀和热加工性能良好的材料，特别是在改善耐 磨性方面大大优于传统铸造材料，此类材料在高温( 包括因滑动摩擦产生的摩 擦热) 特殊工况下，有着广阔的应用前景”1 。 对于能在较高温度或高温f 工作的减摩材料，必须能够保证高的热强性、 抗氧化性和良好的减摩性能，能满足这些要求的只有多元复合材料。粉末冶金 高温金属基自润滑材料中的固体润滑剂是以一种结构组元加入到复合材料之 中的，固体润滑剂的加入可以改善材料的减摩性能，同时又影响到材料的物理 和力学性能。根据润滑剂的性质，它们可以以粉末的形式添加到原始混料中， 或者烧结后添加到材料的孔隙中，根据加入的方法不同，润滑剂可以在材料制 备过程中，在烧结时与材料基体相互作用，部分或完全转化成新态。如果润滑 剂添加到已经烧结过的材料孔隙中，则不起变化”1 。 存在问题：对于材料在常温下的摩擦磨损问题国内外已经进行了大量研 究，但是对于其在高温下的摩擦学问题研究却不多，对于高温磨损机理认识的 研究还较欠缺。到目前为止，很多磨损理论涉及到材料的性能时，使用的仍是 常温条件下的性能数据。由于温度的作用，必然会显著地影响摩擦与磨损机制 的变化，伴随着材料的摩擦系数、耐磨性等摩擦磨损性能的变化。 研制开发粉末冶金高温金属基固体自润滑材料，必须根据具体的工作条 件，合理的选择材料基体和润滑添加剂，并确定它们的最佳含量。然而，对有关 此类复合材料的高温摩擦学特性以及机理等方面的认识仍远远不足，涉及具 体实际应用，仍需详细的工程数据用于解决生产与设计方面的问题。因此，全 面系统地研制和开发粉末冶金高温金属基固体自润滑材料，发挥其潜在的优 越性，仍需要进一步地探索和实践”。 1 1 2研究意义 1 、随着现代科学技术的发展，特别是各国对航天技术和空间技术的高度重视， 使材料在高温条件下的摩擦、磨损与润滑问题日益受到关注。一般的润滑油脂 由于在高温环境下都容易蒸发或氧化变质，因而研究高温润滑材料具有重要意 义。研究高温，特别是在宽温度范围内具有良好减摩耐磨性能的材料成为材料 及固体润滑领域的研究热点。 2 、固体白润滑材料种类较多，国内外的相关研究不少，但关于其润滑机理的研 究却少见报道，本文尝试运用其他学科的知识柬研究润滑剂在发汗体中的扩散， 揭示其扩散规律，为摩擦学服务。 2 武汉理工人学硕士学位论文 3 、对发汗体中润滑剂扩散特性的研究可为新的高温自润滑材料的设计提供理论 依据，探索高温发汗体自扩散润滑技术的特点，对自润滑材料润滑剂的供给提供 指导，也对自润滑材料的日常维护，提高其寿命有重大价值。 1 2 高温润滑材料的研究与发展状况概述 早期的研究发现单一的固体润滑剂，虽然具有高温润滑减摩作用，但其使 用温度范围具有一定的局限性。m b p e t e r s o n 等考”1 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，其它 氧化物作为润滑剂的使用温度却都很窄。研究表明，一些常见的固体润滑剂 ( 如m o s 。和石墨等) 在高温下容易氧化而失效，另一些固体润滑剂虽然在高温 下具有良好的抗氧化性能和摩擦系数低的特点，但其在低温下的摩擦系数却都 很高。因此，研究高温，特别是在宽温度范围内具有良好减摩耐磨性能的材料成 为材料及固体润滑领域的研究热点”3 。 李诗卓和m b p e t e r s o n 等“”利用自生氧化膜减摩作用原理研制了n i c u r e 和c o c ur e 高温自润滑合金，并探讨过它们的高温减摩机理。他们还研究 了添加t i ，w ，t a 等元素对镍基合金的高温摩擦学性能的影响。结果表明：从i 0 0 到9 0 0 ，合金保持低摩擦，这与摩擦表面形成的氧化膜的减摩作用有关“1 。 火量的实验结果表明，合金高温摩擦行为受其表面自生氧化膜影响与控制。 一般来说合金的摩擦系数与温度的关系如图1 1 所示“1 ，曲线分为5 个部分。 分。( 1 ) 低温下，摩擦形式为金属金属，许多高温合金将产生磨伤，摩擦系数 接近于0 9 0 ；( 2 ) 如果合金软化，摩擦系数将在此温度下一j 二升，通常这也是再结 晶温度；( 3 ) 在此温度区间内，氧化膜开始形成，摩擦处于部分氧化膜润滑状态， 摩擦降低；( 4 ) 在第4 部分，摩擦已完全决定于氧化膜，摩擦和磨损低，一般情 况摩擦系数在0 2 0 0 3 5 之问；( 5 ) 降温时，降到一定温度后，缺乏延性的氧化 物将从表面剥落，但是如果无延性的氧化膜仍和表面保持很强的结合，仍起减 摩作用，待摩擦过程中被完全去除后，摩擦系数回到原来的数值。 f 幽1 1 利料的摩擦系数与温度的关系 3 武汉理r 大学硕十学位论文 文献 1 4 研究了f e r e 合金的高温摩擦学特性，发现通过成分的调整 和优化，可利用表面的自生氧化膜实现摩擦学特性的优化，结果确认f e 一5 0 r e 是发展铁铼自润滑合金的基础；摩擦表面分布有润滑作用的f e ( r e ；) 。和铼的氧 化物是f e r e 合金具有高温润滑的原因；研究表明通过改变不同的配副关系可 以优化f e r e 合金的高温摩擦特性。f e r e 合金的高温磨损过程是一个动态平 衡过程，一方面氧化膜形成与增厚，另方面又不断磨损流失，长时间摩擦后 达到动态平衡，保持了稳定的氧化膜厚、膜内稳定的成分分布和膜内稳定的氧 化物类型及其所占的比例，故高温下f e r e 合金能够长期自润滑。 金属基高温固体摩擦材料的研究中，常用的合金基体为耐热合金，如镍基高 温合金、钴基高温合金及n i c r 基合金等。1 。而用作高温自润滑耐磨合金的基 体必须有优异的高温力学性能、抗氧化性和抗腐蚀性能。镍基高温自润滑合余 是最常用的基材，镍基合金在5 0 0 。c 以上仍具有优良的力学性能，镍表面容易被 氧化形成具有较好可塑性和附着性的n i o ，而且n i o 本身还是一种高温固体润滑 剂，这种合金在高温摩擦过程中，由于表面氧化层的釉状化，其在高温下的摩擦 系数和磨损率都有不同程度的降低。因此，镍基高温自润滑耐磨合金的研究十分 引人注目”1 。 研究表明，在镍基合金中加入石墨与银润滑相，有可能研制出摩擦系数低， 耐磨性高且对偶件磨损小的高温自润滑复合材料。文献 4 的研究发现镍合金： 银：石墨= 7 0 ：1 5 ：1 5 的材料通过合理的工艺条件，使构成该材料的n i 、c r 等 组元合金化并形成c r 连续相，保证材料的机械强度，石墨润滑相保证材料的摩 擦磨损性能，软金属银助熔相在提高材料的成型性与降低烧结温度时，在高温下 起润滑与粘结石墨的作用。进一步研究发现，弥散相碳化硅的加入可以进一步 增强力学性能与摩擦学性能。研究的复合材料在某发动机实用工况下的运行试 验结果表明各项技术性能指标已达到规定的要求。 在n ic r 基合金中加入m o s 2 及其它元素和化合物，由于摩擦过程中存在有 c r ，s ，各种硫化物以及氧化物形成的复合膜，从而在宽温范围内具有减摩润滑 作用。 李溪滨等在n i c r c u 基合金中添加脆性的c a f 2 ，发现材料的力学性能稍有 下降，但却提高了材料的摩擦磨损性能。对粉末( 质量分数) 为n i - c r 2 5 ：c u ： c a f 产8 0 ：5 ：15 的材料来说，在室温时材料的磨损率下降2 8 ，在6 0 0 时下 降4 0 4 ；随着温度的升高，材料的摩擦系数逐渐减小，但在4 0 0 。c 以前减小的 幅度不大，只有到6 0 0 时摩擦系数降到0 1 3 左右”。 4 武汉理上大学硕1 l 学位论文 1 3固体润滑材料的研究与发展 任何机器和机构的运转都依赖其构件在约束条件下的相对运动来实现，它 们能确保与运输、起重、材料加工、滑动密封等有关的工作任务的完成。而相 互作用的表面之间，在相对运动时必然会产生摩擦与磨损。由于机器和机构工 作参数的不断提高，在大多数情况下，在摩擦部件中工作的材料，一般要比机 器的其它部分报废快得多。有人估计：世界上目前消耗的能源约有三分之一到 二分之一表现为各种形式的摩擦损失。在某些机器设备中甚至还远远超过此数， 例如纺织机械的各种摩擦损失即占整个功率消耗的绝大部分。由于机器零件磨 损所造成的直接与间接损失亦十分j 南人，磨损使零件的配合间隙增大，导致机 器的精度下降、效率降低，最后使机器丧失工作能力。机器的早期失效或突然 事故，常常会引起工厂全部或局部停产，造成巨大的经济损失，这样就必须在 机器服役期间进行设备维修和制造大量的备件，因此浪费了许多人力、物力和 时问。根据克拉格尔斯基的资料，前苏联每年在机器和设备维修方面大约消耗 一百二十亿卢布，其中8 5 用于摩擦元件复原。用于制造备件所耗费的资金。 相当于用来制造机器的资金的2 5 到5 0 。英国摩擦学委员会1 9 6 5 年的一份报 告说，单单在联合王国，磨损的零件就造成了每年约五亿英镑的损失。据统计 我国在1 9 7 5 年用于生产拖拉机和内燃机的钢材约二十四万吨，而生产维修配件 耗用的钢材数量与之相当“1 。由此可见，机器零件的摩擦与磨损，是构成能源 与材料大量损耗的主要因素。因此，如何控制相对运动、相对作用零件间的摩 擦和磨损损失，是现代机械制造业的重要任务，引起了世界各国科学工作者的 兴趣1 。 润滑是减少摩擦降低磨损的最为有效的措施。一般的方法是使用润滑油， 但随着科学技术的高速发展，宇航、电子、机械制造、交通运输和能源等工业 部门对材料的耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳和高温性能等提出了越来越苛刻的要 求。在高真空( c 1 0 _ 6p a ) 中、在有腐蚀的特殊气氛中，在超高温、超低温、辐 照扬、电磁场中，在桥梁支撑部件等维修困难的地方，在怕油污染的地方，在 要求永久润滑的地方，在高速、重载荷条件下工作时，零部件一般升i 能采用润 滑油和润滑油脂进行润滑，而必须采用新型的固体润滑剂材料来防止部件的磨 损与系统的污染。或是将固体润滑剂与润滑油并用，希望在流体润滑膜破裂时， 有应急的作用“。然而固体润滑并不是4 种新的方法，石墨和滑石等自古以来 就被用作固体润滑剂材料。在第二次世界大战期间，美国航空发动机的润滑就 是使用混有同体润滑剂的润滑油。在日本也丌展了这方面的研究。战厉，随宇 宙玎发和原了能利用方面工作的深入，引起了世界各国划固体润滑剂丌发的兴 武汉理工大学硕士学值论文 趣。目前，仅美国作为固体自润滑材料使用的产品就有2 0 0 多种“。但是，不 可能研制出一种能在各种不同用途的摩擦部件中都能使用的通用固体润滑减摩 材料，必须研制出能在规定的工作条件下使用的各种不同的减摩材料。通常， 用常规的铸造方法难以制造出符合特殊工况要求的减摩材料，但是通过可以控 制成分和孔隙率的粉末冶金方法来制造复合减摩材料，可使问题得到根本的解 决。本文就基于这种想法，使用一种或儿种纯软金属的合盒作为固体润滑剂， 通过把熔融的软金属浸入到粉末冶金的开放性气孔当中去，当由粉末冶金气孔 中含有作为固体润滑剂的软金属组成的两个构件相互摩擦时，软金属在各种力 场的作用下，在摩擦表面上形成润滑膜，起到减少摩擦降低磨损的作用。在高 压、重载和高温的环境下，此固体润滑剂的作用将更加明显。总之，这类固体 润滑剂具有很多优点，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外，还有较长的寿命。综上所述可以看到，迸一步扩大 粉末冶金固体润滑材料的研究和生产，有着广阔的发展前景。3 。 1 4 固体润滑剂及其润滑机制 1 4 1固体润滑剂的定义 关于固体润滑剂( s o l i dl u b r i c a n t s ) 的定义，国际上曾定义如下： 为了防止与保护表面在作相互运动时免于损坏以及减少其摩擦和磨损而在 表面上使用的粉末状或薄膜状固体物质。 对于该定义有两点说明： 1 ) 许多固体润滑剂都具有层状( 或层的) 结构，如石墨、二硫化钼等。 2 ) 某些固体材料在界面上以熔融状态润滑，例如熔融的软金属。 1 4 2固体润滑剂的分类 对固体润滑剂的分类有一些不同的看法，例如，有些人主张将固体润滑剂 分为金属和非金属两大类，也有人主张分为有机材料和无机材料等等。先介绍 r 本润滑学会的松永正久、津古裕子等人的分类法“1 ： 1 层状固体润滑剂易于劈开的化合物或具有减摩作用的单质物质。 按结合形式、结晶体系和组成可以分为：硫化物( z r s 2 、v s 2 、t a s 2 、n b s 2 、 m o s 2 等) ；硒化物、碲化物( w s e 2 、m o s e 2 、n b s e 2 等) ；氟化物；卤化物；堆 质( 右鬃等) ；氮化物( b n 、s i n 等) ；氧化物( 云母、s b 2 0 3 等) ；有机物( 酞 武汉理t 大学硕士学位论文 青等) 。 2 非层状无机物 按成分组成可以分为：硫化物( p b s 、f e s 、c d s 等) ；碲化物( p b t e 等) ； 氟化物( n a f 、b a f 2 、c a f 2 、l a f 3 、c e f 3 、y f 3 、d i f 3 等) ；陶瓷( m 0 0 2 、p b o 、 a 1 2 0 3 等) ；超硬合金。 3 软金属( 金、银、铅、锌、锡、铟等) 。 4 塑料( p 1 r i 砸、聚酰胺、尼龙、硅树脂等) 。 5 化学生成膜( 如磷酸盐膜等) 。 6 化学合成膜( 如在镀铝的金属表面通以硫蒸气，生成m o s z 膜) 。 1 4 3固体润滑剂的优缺点 一、固体润滑剂的优点”1 ： 1 使用温度范围宽，高温可在3 5 0 以上，低温可在一6 0 - - 2 6 9 。 润滑油或润滑脂( 不论天然或是人工合成的) 的使用温度很难超过- - 8 0 - - 3 5 0 ： 2 承载能力强，可在载荷过大而使动态油膜难以形成的条件下使用； 3 低速下防止粘一滑性能好。由于固体润滑剂具有良好的润滑性，并且 具有足够的承载能力，因此可以作为低速下的防止粘一滑( 爬行) 的润 滑剂； 4 能用于有尘土、不好密封的地方； 5 在真空中或惰性气体中能发挥良好的润滑作用； 6 耐辐照，而润滑油和润滑脂在辐射下会发生聚合和分解，不宜采用； 7 导电率范围宽； 8 能在有腐蚀的环境气氛下不加保护地使用； 9 防止环境污染，尤其近年来随着要求防止海洋污染的呼声日渐强烈， 出现了限制使用润滑油和润滑脂的势头。 固体润滑剂的缺点： 1 同体润滑剂的摩擦系数比润滑油脂的摩擦系数大，这就意味着单独使用 固体润滑剂时，能量损失大： 2 吲体润滑剂没有冷却作用，。邑不能像润滑油那样可以把摩擦界面卜产生 的摩擦热导出一部分。因此，在很多情况下应用固体润滑剂时，必须修 改原有的摩擦接触形式，或者是增添附属的冷却设备，否则就难以充分 发挥同体润滑剂的优点： 3 固体润滑剂做成覆盖膜使用时寿命有限，且制作工艺般都比较复杂， 武汉理工人学硕士学位论文 在使用过程中的补充也很困难； 4 以塑料为基体的固体润滑材料的结构强度不高，耐温性较差，导热性不 良，摩擦系数( 相对于润滑油或润滑脂来说) 也不算低。 克服固体润滑剂上述缺点有两种方法：一是寻求新型的固体润滑材料来代 替现有的固体润滑材料；二是改进已有的固体润滑剂的使用方法。从目前国内 外的发展趋势来看，更偏重于第二种途径。 1 4 4固体润滑剂的主要用途 在某些特定的工矿条件下，有必要考虑采用固体润滑剂”1 。例如： 在高温、高负荷条件下：如某些重型机械，金属的冷挤压模具、热锻、 高温挤压、压铸、汽轮机轴承，炼钢厂的某些滑动轴承，发动机燃烧室 等； 在高速或低速条件下：如火箭发射架导轨，高速离心机，磁悬浮轴承， 家用煤气阀，机床导轨等； 在超高真空中：如宇宙空间的工作机器，月球车等； 在超低温环境中：如液氢和液态氧的输送泵，制冷机的低温轴承、活塞 环和密封件等； 在有大量尘土或泥沙的情况下；如挖泥斗销，拖拉机和坦克车的平衡衬 套，农用机械及建筑和矿山机械的齿轮、轴承等； 在汽液冲刷的条件下：如汽轮机叶片、喷嘴，潜水电泵等； 在要求非常清洁的条件下：如食品、医疗、制药机械，办公机械等； 在强辐照条件及有腐蚀的环境中：如原子反应堆，化工机器及设备等； 安装后工作人员不便再接近的情况下：如原子能机械，煤气自动阀，飞 机的密闭部件等； 必须简化润滑殴施的地方：如火箭、人造卫星。卜的相对运动部件； 要求长期存放而不影响使用性能的情况下：如导弹防卫系统，安全装置， 汽车、飞机驾驶盘的保险装置等； 要求有良好导电性能的滑动部件：如可变电阻触点，电机的电刷等； 怕油污染的地方：如纺织、造纸机械等。 本文的研究内容 本文研究的主要内容包括以下j l 个部分： ( 1 ) 建立种白j | ! f j 滑高温圆柱发汗体模型，研究圆柱发汗体内圆球颗粒的排列 l 王 i 乱i 丘 & 吼加 地 坞 5f 武汉理1 一大学硕 ：学位论文 方式及其相对大小对孔隙率的影响； ( 2 ) 对采用熔渗法将液态软金属润滑剂渗入金属陶瓷的过程进行研究，分析了 液态s n 的润湿角，表面张力，温度，压力条件等对浸渗过程的影响。 ( 3 ) 利用渗流理论对发汗烧结体的渗透率、孔隙率和液态润滑剂的粘度对发汗 体中润滑剂扩散特性的影响进行研究。 1 6课题的来源 本课题由国家自然科学基金项目“高温腺汗式自扩散润滑技术及其机理研 究”项目( 编号：5 0 2 7 5 1 1 0 ) 资助。 武汉理工大学硕上学何论文 第二章软金属润滑剂熔体的物理性质 自润滑高温发汗体复合材料有两部分组成：金属陶瓷基体材料和软金属润 滑剂。由于一些软金属润滑剂熔点较低( 如s n 的熔点为2 3 2 0 c ，p b 的熔点为 3 2 8 。c ) ，在高温下工作时，低熔点的软金属润滑剂熔化，其物理性质与常温下 有很大不同。本章主要介绍软金属润滑剂熔体的物理性质，有粘度，表面张力 和润湿性，为后续章节的研究作铺挚。 2 1 软金属熔体的粘度 液体在层流运动条件下，各液层间由于流动速度不同而产生摩擦阻力，阻 碍液体的流动，这个力被称为液体的内摩擦力。该内摩擦阻力是液体的基本物 理特性之一，称为粘度“。 粘度有两个基本表示方法，一个是动力粘度，另一个是运动粘度。它们可 以从牛顿内摩擦定律得出。即液体中流速不同的相邻两个液层间的内摩擦力f 正比于两个相邻液层的接触面积a 和速度梯度d u d x ： j f ：叫竺兰( 2 1 1 d x 式巾，n 粘度系数或动力粘度，简称粘度( p a s ) 。 运动粘度v = , 7 p ，p 为液体的密度。运动粘度v 的单位为m 2 s 。 根据文献 1 6 查得一些软会属在熔点时的粘度见下表： 表2 1 部分熔点时液态软金属的粘度 关于金属熔体的粘度与温度的关系，人们曾提出过多个模型或公式，然而 最为普遍接受的还是a r r h e n i u s 公式”“： 例e x p p 2 ) 其中，a 为常数，q 为粘度，k 为波尔兹曼常数，e 为流团由一平衡位置移到 另一平衡位置所需的活化能( 称为粘流活化能) ，t 为绝对温度。 武汉理工人学硕十学位论文 式( 2 2 ) 有两个待定系数a 和e ，故需要两个不同温度下的粘度值就可以求 得锡液粘度与温度的关系式。由文献【1 8 】查褥锡液在温度为3 0 0 。c 时的动力粘 度系数为1 6 7 7 x 1 0 石p a s ，在温度为6 0 0 。c 时的动力粘度系数为 1 0 4 9 1 0 6 p a s 。 代入式( 2 - 2 ) 得：1 6 7 7 1 。= 4 e x p 1 3 8 x l e 2 3x 5 7 3 1 1 0 4 9 1 0 一6 = 爿。e x p 【i j 谣i i i 蒜】 将以上两式联立可解得e = 1 0 8 1 0 。2 0 ( j ) ，a = 4 3 0 x 1 0 击( p a s ) 。所以 液体软金属锡的粘温特性可表示为： 叩= 。s 。- 。一6e x f ；! 器1 - 4 3 0 e x p ( 等) ，。一6 p a 。s c z s ， 根据式( 2 3 ) 可以求得锡液在更宽温度范围内的粘度值。 2 2 软金属熔体的表面张力 表面张力或界面张力是定量评估界面性质的重要标志。通常人们习惯将凝 聚相与气相间的界面张力称作表面张力，实际上严格来讲表面张力就是界面张 力。 2 2 1表面张力的定义 通常将物体表面单位长度上作用着的力称作表面张力，它的单位是n m 。 众所周知，在液态金属与气体组成的体系中，与气体接触的液体表面层原子处 于不平衡力场中，即与表面层原子接触的液体中原子与表面原子距离较小，且 数量多，因此作用力较大；而与表面层原子接触的气体中原子与表面层原子距 离较大，日擞量少，冈此作用力较小。这样就产生了方向垂直于液体表面，指 向液体内部的力。该力使液体表面有如被一弹性膜所包围，趋向减小其表面， 因此产生了表面张力。表面张力的大小不但与液体本身的性质有关，而且还与 它相接触的相的性质有关“。 2 2 2影响表面张力的因素 影响表面张力的囚数主要有熔点、温度。 1 表面张力与熔点的关系 液体金属表面张力与熔点的关系可近似用下式表示“6 武汉理工大学硕士学位论文 舭3 石l 阿4 。 弦t ， 式中o 液体金属表面张力( n m _ 1 ) ； t 。熔点( k ) ； m 液体的相对分子质量； p 液体的密度( k g m 1 ) ； 上式表明液体金属表面张力与熔点和摩尔表面积成正比，即熔点越高，或 摩尔表面积越大，表面张力就越大。因为熔点越高说明金属原子之间的作用力 越大，所以表面张力也越大。表2 - - 2 列出了一些金属熔点时的表面张力值“。 表2 2 部分熔点时液态软金属的表面张力 2 表面张力与温度的关系 表面张力与温度的关系可以用约特沃斯方程来表达【8 】 口盯”咽， ( 2 5 ) 式中 t ( 、- 一临界温度( k ) ； t _ 一熔体温度( k ) ； k 常数，对于液体金属，k = 0 6 4 1 0 7 1 k - 1 。 可以看出，随着液体金属温度的升高，液体金属表面张力下降。对大多数 液体金属来说，表面张力与温度呈线性关系。这是因为随着液体金属温度的升 高，原子热振动加剧，振幅变大，原子问的距离增加，相互作用减弱，凶此表 匠张力下降。极限情况是，当液体金属温度升高到临界温度时，气一液相界面 消失，液体表面张力为零。 对于锡液，可以根据表2 2 得到其表面张力随温度变化的关系式： 盯= 仃悴点+ 号争口一乙) = 5 4 4 一o 0 7 汀一5 0 5 ) 1 0 。3 m ( 2 6 ) 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3软金属熔体的润湿性 2 3 1润湿性 润湿是固体表面的气体被液体取代的过程。当熔融的金属液滴与基板接触 时，依据不同的性质即会在基板的表面上形成一定形状的扁平液滴( 如图2 - 1 ) 。 s c ) l l l ) 图2 - 1润湿性的示意图 表征润湿性能的参数一般是润湿角和粘附功，在液一固一气三相的接触点 处，处于平衡条件下引入杨氏方程得： os g 一0s l ol g c o s0 = o ( 2 - 7 ) 式中os g 、os l 、0l g 分别是固气、固液、液气的界面张力，o 是接 触角，若o 9 0 0 ，金属不润湿陶瓷或 合金体系。两种极端的情况0 = 0 0 、0 = 1 8 0 0 分别称为完全润湿和完全不润湿。 从能量角度来考虑，可用粘附功来衡量会属陶瓷间的润湿程度和结合强度： w 。= os g os l + 0l g = ( 1 + c o s0 ) ol g ( 2 - 8 ) w 。即为粘附功，可理解为将某一界面分解为两个表面所需的可逆功。由上 式可见，0 越小，w 。值越大，结合强度越强，即润湿性越好。这两个方程即是 著名的y o u n g - - d u p r e 方程，由此形成了润湿性研究的理论基础，并在此基础上 进行了大量广泛而深入的研究，从宏观上建立了一套完整的理论体系”1 。 2 3 2润湿性的分类 根据润湿体系的界面结合情况，体系润湿过程可分为非反应性润湿和反应 性润湿。 非反应性润湿是指界面润湿过程中不发生化学反应，润湿过程的驱动力仪 仅是扩散力及范德华力。”“1 。其中液态金属的表面张力和固相的表面能是决定 液态金属是否能润湿吲相的主要热力学参数。一般此类润湿过程进行得很快， 在很短的时间内就能达到平衡；且温度和保温时间对润湿性的影响刁i 大。文献 f 2 4 1 于技道c u 在1 1 0 0 下在s i a l 0 2 衬底e 保温1 小时后0 角依然没有明显变化。 添加合金元素对改善其润湿性有较大的影u l 自，其机制为合金元素在液态金属表 面及同液界面的吸附和富集，降低了液态金属表面张力及固液界面张力。如在 武汉理工大学硕十学位论文 c u 中添加c r 不但降低液态金属c u 的表面张力，且c r 在接触界面偏聚造成界 面张力降低，从而有效地降低c u 对z r 0 2 的接触角”。 相对而言，由于伴随着不同程度的界面化学反应，反应性润湿过程中液态 金属的表面张力和固相的表面能并不是影响液态金属在陶瓷表面润湿性的决定 参数，润湿作用主要是通过界面反应形成界面反应产物来实现。此界面产物的 生成使润湿过程在具有更优良润湿性的中间层上进行，极大地改善了润湿效果。 纯c u 对玻璃态石墨的润湿性很差，属于非反应性润湿，1 1 5 0 时润湿角0 = 1 3 7 士5 。然而在c u 一4 0 a t s i 合金对玻璃态石墨的反应性润湿过程中，由于 s i c 在界面处的形成大大地改善了润湿效果“。 z h o n gl i j u n 等“”研究表明液态铝与氧化铝的润湿性很差，但通过在铝基体 中加入镁，铝和氧化铝在7 0 0 。c 9 0 0 。c 的范围内接触角降低4 0 0 ，加入铜和硅 也能降低铝和氧化铝的接触角。周颖等。3 1 研究了t i 对n i s i c 陶瓷系统润湿润 湿性的影响，n i s i c 的接触角为8 6 0 ，当在n i 中加入5 w t 的t i 时，保温5 分钟后接触角降到2 0 0 左右，并在界面处有n i 。s i 产生。添加t i 与不添加t i 随 保温时间的变化曲线如图2 2 所示”“： 。r 。 - m f 娜” 暑。掣“s “ s i c 。 、 图2 2n i s i c ( n i + 5 t i s i c ) 金属陶瓷的润湿角随保温时间变化曲线 反应性润湿过程时问较长，因为非反应性润湿过程中金属液滴在陶瓷基板 表面的铺展过程是由粘性流动控制，液滴半径r 与铺展时间t 的函数关系是r “ t ，n 1 0 ，而由于液态金属的粘性都较低，由此计算出平衡时间都在 1 0 s ； 但是反应性润湿一般却达到1 0 1 0 4s ，此时界面反应自身控制了铺展的进行 而非粘性流动”。温度在反应性润湿中足个重要因素，升高温度可以降低接 触角，提高粘附功，促进界面反应的进行”。 2 3 3改善润湿性的途径 深入研究润湿对促进材料间的润湿性有着重要的指导意义，为提高材料润 湿性提供可行性方案。改善润湿性主要从以下三方面入手“：升高固相表面 能；降低固液界面能；降低液相表面张力。现在已经有很多方法能有效的 改善金属涧湿性，提高界面结合强度。 武汉理t 大学硕十学位论文 ( 1 ) 合金化 合金化途径是应用最为广泛的改善润湿性的手段，通过合金元素对润湿性 作用机理的深入研究，得出以下三个主要机制：合金元素在液态金属表而及 固液界面吸附与富集，降低液态金属表面张力及固液界面张力；在基材中加 入使其表面能增加金属元素；合金元素在固液界面发生界面反应，形成界面 反应产物。 合金元素的选择是现在研究的热点，尤其活性金属。由于界面反应产物一 般是脆性相”】。润湿性的提高并不等同于复合材料综合性能也同步提高。t i f c ， n ) 基金属陶瓷的环形相对改善金属n i 对t i n 的润湿发挥着重要作用，但是， 在制备金属陶瓷时却并不希望环形相过分长大，因为脆性环形相过厚对材料性 能的损伤也是很明显的“。 ( 2 )表面涂层技术 改善基材表面状态和结构以增大固相表面能o 。，可通过化学和物理方法来 实现，其中包括物理气相沉积( p v d ) 、化学气相沉积( c v d ) 、物理化学气相 沉积( p c v d ) 、溶胶凝胶( s 0 1 g e l ) 法、等离子体涂覆、电化学沉积等。表面 涂层技术通过新的涂覆物质取代金属与基材的直接接触，从而提高体系的润湿 性。常用的涂覆金属有n i 、a g 、c u 、c r 等。n i 在舢基复合材料上的运用是 相当成功的，n i 能与a l 发生反应生成金属问化合物n i a l 3 、n i 2 a 1 3 等，从而获 得较好的润湿效果。但是另一方面，脆性金属间化合物对复合材料性能造成损 掣“】。a g 在基复合材料上形成的涂层与a l 有优良的润湿性，并且无脆性相 的生成。因此涂层必须满足以下条件：促进润湿；稳定性好，能防止扩散和界 而反应的发生；有一定强度，保证材料的综合性能。 ( 3 )热处理 对陶瓷颗粒进行热处理以提高金属对陶瓷的润湿性是已经广泛运用于金 属陶瓷复合材料的制各技术。通过热处理可以将吸附在陶瓷表面的氧排除，以 免金属氧化而在界面处形成氧化物阻止金属与陶瓷元素的相互扩散，阻碍界面 反应的进行，从而降低金属对陶瓷的润湿性。除此之外，超声波搅拌和电磁搅 拌也能起到相似的作用，并且超声波能产生空化效应，在附近产生与高压区同 数量级的负压区，使增强相液态金属间表面张力下降。 2 4本章小结 本章主要介绍了软金属润滑剂熔体a g 、p b 、s n 的物理性质，有粘度，表 面张力和润湿性。其巾重点研究了s n 液的物理性质。根据已有数据和相关公式 推算出了特定温度| _ i _ - 液体s n 的粘度，表面张力的计算公式。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章自润滑高温发汗体的结构模型研究 3 1粉末冶金金属基固体自润滑复合材料 3 1 1对金属基复合减磨材料的要求 剐减摩材料的要求是由材料的：r 作条件所决定的，并在个很宽的范围内 变化。化学、原子能、纺