摩擦学材料的研究

摩擦学材料的研究

随着现代科学技术的发展，特别是航天工艺和空间技术的高度重视，材料在高温下的摩擦、磨损和滑动变得越来越重要。一般的润滑油脂由于在高温环境下都具有容易蒸发,因而研究高温润滑材料具有重要意义。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,但其有一定的温度范围。M.B.Peterson等考察了大量氧化物的高温摩擦学特性,发现除PbO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MoS2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因数低的特点,但其在低温下的摩擦因数却都很高。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。1高温自润滑合金的研究李诗卓和M.B.Peterson等利用自生氧化膜减摩作用原理研制了Ni-Cu-Re和Co-Cu-Re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Ti,W,Ta等元素对镍基合金的高温摩擦学性能的影响。结果表明:从100℃到900℃,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。大量的实验结果表明,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因数与温度的关系如图1所示,曲线分为5个部分。(1)低温下,摩擦形式为金属/金属,许多高温合金将产生摩伤,摩擦因数接近于0.90;(2)如果合金软化,摩擦因数将在此温度下上升,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,一般情况摩擦因数在0.20～0.35之间;(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,摩擦因数回到原来的数值。文献研究了Fe-Re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Fe-50Re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Fe(Re4)3和铼的氧化物是Fe-Re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Fe-Re合金的高温摩擦特性。Fe-Re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,另一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Fe-Re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Ni-Cr基合金等。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。镍基高温自润滑合金是最常用的基材,镍基合金在500℃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NiO,而且NiO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,其在高温下的摩擦因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。研究表明,在镍基合金中加入石墨与银润滑相,有可能研制出摩擦因数低,耐磨性高且对偶件磨损小的高温自润滑复合材料。文献的研究发现镍合金∶银∶石墨=70∶15∶15的材料通过合理的工艺条件,使构成该材料的Ni、Cr等组元合金化并形成连续相,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Ni-Cr基合金中加入MoS2及其它元素和化合物,由于摩擦过程中存在有CrxSy,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Ni-Cr-Cu基合金中添加脆性的CaF2,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Ni-Cr25∶Cu∶CaF2=80∶5∶15的材料来说,在室温时材料的磨损率下降28%,在600℃时下降40.4%;随着温度的升高,材料的摩擦因数逐渐减小,但在400℃以前减小的幅度不大,只有到600℃时摩擦因数降到0.13左右。2影响sic摩擦学性能的因素陶瓷材料因硬度高,具有优良的高温强度,耐磨及抗化学腐蚀等优异性能而受到普遍关注,并已在很多工业领域获得日益广泛的应用,特别是在高温摩擦条件下的应用具有更广阔的前景。这使关于陶瓷材料的高温摩擦学特性的研究日益活跃。对Al2O3陶瓷的研究表明,Al2O3陶瓷在高温磨损过程中的塑性变形与再结晶均取决于试验温度、滑动速度和表面接触压力,损伤厚度随着温度的升高而减小,随着滑动速度的提高而增大,再结晶粒子尺寸随温度、速度和压力的增加而增大。含Al2O3陶瓷颗粒的复合材料,Al2O3颗粒体积分数是影响复合材料高温摩擦学性能的重要因素之一,在Al2O3/钢基复合材料中,颗粒体积分数为39%的复合材料的高温抗磨性最好,主要是因为此时颗粒数量较适中,基体的暴露也不是很多,并对一定数量的Al2O3颗粒有较有力的支撑,阻碍了磨粒对基体的损伤。ZrO2增韧Al2O3陶瓷形成的ZTA陶瓷是一种高性能的离子键型结构陶瓷,与金属对磨时,易在陶瓷表面形成金属转移膜,保护陶瓷表面,它的摩擦学性能还与陶瓷的显微结构,环境温度和气氛等因素有关。对SiC陶瓷的高温摩擦磨损研究表明,SiC的高温磨损机理主要为塑性变形和剥离,在高温和低接触压力条件下,材料具有好的耐磨性。当接触压力超过使表面层裂纹扩展所需的临界应力后,则因剥离而使磨损加剧,甚至发生灾难性磨损。H.Buckly指出SiC/Fe对偶摩擦在250℃以下和400～800℃间摩擦因数差别与SiC表面在250℃以下吸氧和碳,以及400～800℃氧和碳的吸氧有关。Botch指出,SiC-SiC在相对湿度为5%和75%的空气中的摩擦因数和磨损率不同,阐述了SiC-SiC表面吸附水汽对SiC摩擦学性能的影响。Satosh进一步研究了SiC-SiC摩擦表面水化反应与其摩擦磨损性能的关系。文献研究了SiC从室温到1200℃的摩擦磨损性能,认为SiC高温氧化导致了不同的磨损机理。进一步研究表明,SiC-SiC自对偶高温摩擦因数较低,呈现高温自润滑性能,这与其摩擦化学反应形成的无定形SiO2平滑薄膜层紧密相关。此外,SiC-SiC自对偶摩擦的高温摩擦磨损性能与实验温度和载荷紧密相关。随着温度的升高,载荷越大,破坏无定形SiO2薄膜层的速度增加,磨损加剧,且SiC-SiC自对偶摩擦真实接触面积增加,故严重磨损区出现温度点升高。文献的研究发现氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷(Mg-PSZ)在不同环境下的摩擦磨损行为与机理不同,摩擦因数在0.5～0.7范围以内。温度为200℃时,陶瓷磨损表面形成的针状磨屑呈现“滚动轴承”效应,出现最低的摩擦因数和磨损率。用金属把金属氧化物,碳化物等加以固化起来的金属陶瓷,它们的摩擦磨损温度特性与无金属粘结时不同,即使温度上升,摩擦因数并未如粘结剂中的金属那样急剧上升。研究表明,在TiC-Ni-Mo材料的高温摩擦轨迹上形成了以MoO3及NiO为主要成分的完整的氧化膜,这种膜具有优良的高温润滑性,因而其高温摩擦因数低,在600℃时为0.19,且自身和偶件的磨损率也明显降低。在此基础上加入WC后,由于生成大量的高温润滑性差的WO3,高温摩擦磨损性能反而下降了。王静波等考察了Ni-WC系自润滑陶瓷的高温摩擦学性能。WC-Ni材料表面在高温下形成的化合物NiWO4有减摩作用,因而在高温时的摩擦因数很低;材料中的WC有抗磨作用,其含量越多,磨损率越低。进一步研究发现,在此基础上加入PbO及其它材料,摩擦表面形成了均匀分布的PbWO4膜,且环境温度越高,材料摩擦轨迹上PbWO4的含量越多,这是此类金属陶瓷材料在高温下具有优异摩擦学特性的主要原因。Mo和Co的加入,提高了材料的高温力学性能。对Ni-SiC-PbO系自润滑陶瓷的研究发现,硅酸铅具有较好的润滑性。国内研究者对合金化元素的作用进行了较为详细的阐述,认为固溶强化不仅有利于提高力学性能,而且有利于改善摩擦磨损性能。3自润滑合金的成分及对润滑作用的影响随着现代科学的发展,稀土化合物在越来越多的领域得到了广泛应用。近年来稀土化合物的摩擦学性能受到了重视,在高温摩擦学中的研究也取得了一定的进展。研究表明,稀土氟化物与碱金属或碱土金属氟化物的涂层在较宽温度范围内具有一定的润滑性。在镍基合金中加入稀土化合物可增强其力学性能和摩擦学性能。在Ni-Cr-5S合金中加入CeO2,提高了合金硫化层的塑性和致密性,并且提高了其与金属基体间的界面结合强度,使合金中硫化物组织的分布与形态和组成发生了变化,从而改善了合金的摩擦学性能和力学性能。CeF3在镍基合金中的含量同样会影响材料的高温摩擦学性能和力学性能,3%(质量分数)CeF3含量是比较合理的选择。同时添加MoS2和LaF3的镍铬基自润滑合金系列,其高温下减摩耐磨性能随LaF3的增加而提高。在温度低于300℃,合金中的硫化物(CrxSy,Mo2S3及AlLaS3)在摩擦过程起主要润滑作用;高温范围内(400～700℃)摩擦对偶Al2O3盘上转移氧化物(NiCrO3,CrMoO4和LaNiO等)与合金摩擦表面氧化物及残余硫化物(CrxSy,Mo2S3及AlLaS3)的协同作用使摩擦因素进一步降低。文献研究发现,加入稀土化合物(LaF3,CeO2,La2O3)后,Ni-Cr基自润滑合金的密度,抗弯强度降低了,而摩擦学性能在宽温度范围下有了明显的改善,尤其以加入La2O3合金的摩擦因数最低。稀土化合物的加入增强了合金中镍基固溶体的晶面间距,这可能是摩擦因数降低的原因之一。CeF3由于具有近似的层状结构,在400～700℃范围内的润滑性较好,但其在800℃下热分解后形成的产物CeO2只在700℃时才具有较好的润滑性能,因而CeF3的热分解有损其减摩性能。吕晋军等人认为CeF3在摩擦过程中发生的物理和化学反应,如(002)面的择优取向,结晶度的变化以及氧化等是影响润滑作用的主要因素。在此基础上,为了在宽温度范围内具有优良润滑作用,他们在CeF3中加入了Ag,研究结果表明,由于Ag的加入,在磨损表面形成了一层固体膜,摩擦性能显著提高,在700℃时Ag与CeF3具有协同减摩效应。4高温摩擦学机理高温固体润滑材料的摩擦学基础和应用研究业已获得广泛关注,并取得了长足发展。我们认为在已有工作的基础上,以下问题值得关