摩擦學(xué)材料的研究

摩擦學(xué)材料的研究

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是航天工藝和空間技術(shù)的高度重視，材料在高溫下的摩擦、磨損和滑動變得越來越重要。一般的潤滑油脂由于在高溫環(huán)境下都具有容易蒸發(fā),因而研究高溫潤滑材料具有重要意義。早期的研究發(fā)現(xiàn)單一的固體潤滑劑,雖然具有高溫潤滑減摩作用,但其有一定的溫度范圍。M.B.Peterson等考察了大量氧化物的高溫摩擦學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)除PbO等少數(shù)氧化物在較寬溫度范圍內(nèi)具有潤滑性外,其它氧化物作為潤滑劑的使用溫度卻都很窄。研究表明,一些常見的固體潤滑劑(如MoS2和石墨等)在高溫下容易氧化而失效,另一些固體潤滑劑雖然在高溫下具有良好的抗氧化性能和摩擦因數(shù)低的特點,但其在低溫下的摩擦因數(shù)卻都很高。因此,研究高溫,特別是在寬溫度范圍內(nèi)具有良好減摩耐磨性能的材料成為材料及固體潤滑領(lǐng)域的研究熱點。1高溫自潤滑合金的研究李詩卓和M.B.Peterson等利用自生氧化膜減摩作用原理研制了Ni-Cu-Re和Co-Cu-Re高溫自潤滑合金,并探討過它們的高溫減摩機理。他們還研究了添加Ti,W,Ta等元素對鎳基合金的高溫摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:從100℃到900℃,合金保持低摩擦,這與摩擦表面形成的氧化膜的減摩作用有關(guān)。大量的實驗結(jié)果表明,合金高溫摩擦行為受其表面自生氧化膜影響與控制。一般來說合金的摩擦因數(shù)與溫度的關(guān)系如圖1所示,曲線分為5個部分。(1)低溫下,摩擦形式為金屬/金屬,許多高溫合金將產(chǎn)生摩傷,摩擦因數(shù)接近于0.90;(2)如果合金軟化,摩擦因數(shù)將在此溫度下上升,通常這也是再結(jié)晶溫度;(3)在此溫度區(qū)間內(nèi),氧化膜開始形成,摩擦處于部分氧化膜潤滑狀態(tài),摩擦降低;(4)在第4部分,摩擦已完全決定于氧化膜,摩擦和磨損低,一般情況摩擦因數(shù)在0.20～0.35之間;(5)降溫時,降到一定溫度后,缺乏延性的氧化物將從表面剝落,但是如果無延性的氧化膜仍和表面保持很強的結(jié)合,仍起減摩作用,待摩擦過程中被完全去除后,摩擦因數(shù)回到原來的數(shù)值。文獻研究了Fe-Re合金的高溫摩擦學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)通過成分的調(diào)整和優(yōu)化,可利用表面的自生氧化膜實現(xiàn)摩擦學(xué)特性的優(yōu)化,結(jié)果確認Fe-50Re是發(fā)展鐵錸自潤滑合金的基礎(chǔ);摩擦表面分布有潤滑作用的Fe(Re4)3和錸的氧化物是Fe-Re合金具有高溫潤滑的原因;研究表明通過改變不同的配副關(guān)系可以優(yōu)化Fe-Re合金的高溫摩擦特性。Fe-Re合金的高溫磨損過程是一個動態(tài)平衡過程,一方面氧化膜形成與增厚,另一方面又不斷磨損流失,長時間摩擦后達到動態(tài)平衡,保持了穩(wěn)定的氧化膜厚、膜內(nèi)穩(wěn)定的成分分布和膜內(nèi)穩(wěn)定的氧化物類型及其所占的比例,故高溫下Fe-Re合金能夠長期自潤滑。金屬基高溫固體摩擦材料的研究中,常用的合金基體為耐熱合金,如鎳基高溫合金、鈷基高溫合金及Ni-Cr基合金等。而用作高溫自潤滑耐磨合金的基體必須有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、抗氧化性和抗腐蝕性能。鎳基高溫自潤滑合金是最常用的基材,鎳基合金在500℃以上仍具有優(yōu)良的力學(xué)性能,鎳表面容易被氧化形成具有較好可塑性和附著性的NiO,而且NiO本身還是一種高溫固體潤滑劑,這種合金在高溫摩擦過程中,由于表面氧化層的釉狀化,其在高溫下的摩擦因數(shù)和磨損率都有不同程度的降低。因此,鎳基高溫自潤滑耐磨合金的研究十分引人注目。研究表明,在鎳基合金中加入石墨與銀潤滑相,有可能研制出摩擦因數(shù)低,耐磨性高且對偶件磨損小的高溫自潤滑復(fù)合材料。文獻的研究發(fā)現(xiàn)鎳合金∶銀∶石墨=70∶15∶15的材料通過合理的工藝條件,使構(gòu)成該材料的Ni、Cr等組元合金化并形成連續(xù)相,保證材料的機械強度,石墨潤滑相保證材料的摩擦磨損性能,軟金屬銀助熔相在提高材料的成型性與降低燒結(jié)溫度時,在高溫下起潤滑與粘結(jié)石墨的作用。進一步研究發(fā)現(xiàn),彌散相碳化硅的加入可以進一步增強力學(xué)性能與摩擦學(xué)性能。研究的復(fù)合材料在某發(fā)動機實用工況下的運行試驗結(jié)果表明各項技術(shù)性能指標已達到規(guī)定的要求。在Ni-Cr基合金中加入MoS2及其它元素和化合物,由于摩擦過程中存在有CrxSy,各種硫化物以及氧化物形成的復(fù)合膜,從而在寬溫范圍內(nèi)具有減摩潤滑作用。李溪濱等在Ni-Cr-Cu基合金中添加脆性的CaF2,發(fā)現(xiàn)材料的力學(xué)性能稍有下降,但卻提高了材料的摩擦磨損性能。對粉末(質(zhì)量分數(shù))為Ni-Cr25∶Cu∶CaF2=80∶5∶15的材料來說,在室溫時材料的磨損率下降28%,在600℃時下降40.4%;隨著溫度的升高,材料的摩擦因數(shù)逐漸減小,但在400℃以前減小的幅度不大,只有到600℃時摩擦因數(shù)降到0.13左右。2影響sic摩擦學(xué)性能的因素陶瓷材料因硬度高,具有優(yōu)良的高溫強度,耐磨及抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能而受到普遍關(guān)注,并已在很多工業(yè)領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用,特別是在高溫摩擦條件下的應(yīng)用具有更廣闊的前景。這使關(guān)于陶瓷材料的高溫摩擦學(xué)特性的研究日益活躍。對Al2O3陶瓷的研究表明,Al2O3陶瓷在高溫磨損過程中的塑性變形與再結(jié)晶均取決于試驗溫度、滑動速度和表面接觸壓力,損傷厚度隨著溫度的升高而減小,隨著滑動速度的提高而增大,再結(jié)晶粒子尺寸隨溫度、速度和壓力的增加而增大。含Al2O3陶瓷顆粒的復(fù)合材料,Al2O3顆粒體積分數(shù)是影響復(fù)合材料高溫摩擦學(xué)性能的重要因素之一,在Al2O3/鋼基復(fù)合材料中,顆粒體積分數(shù)為39%的復(fù)合材料的高溫抗磨性最好,主要是因為此時顆粒數(shù)量較適中,基體的暴露也不是很多,并對一定數(shù)量的Al2O3顆粒有較有力的支撐,阻礙了磨粒對基體的損傷。ZrO2增韌Al2O3陶瓷形成的ZTA陶瓷是一種高性能的離子鍵型結(jié)構(gòu)陶瓷,與金屬對磨時,易在陶瓷表面形成金屬轉(zhuǎn)移膜,保護陶瓷表面,它的摩擦學(xué)性能還與陶瓷的顯微結(jié)構(gòu),環(huán)境溫度和氣氛等因素有關(guān)。對SiC陶瓷的高溫摩擦磨損研究表明,SiC的高溫磨損機理主要為塑性變形和剝離,在高溫和低接觸壓力條件下,材料具有好的耐磨性。當接觸壓力超過使表面層裂紋擴展所需的臨界應(yīng)力后,則因剝離而使磨損加劇,甚至發(fā)生災(zāi)難性磨損。H.Buckly指出SiC/Fe對偶摩擦在250℃以下和400～800℃間摩擦因數(shù)差別與SiC表面在250℃以下吸氧和碳,以及400～800℃氧和碳的吸氧有關(guān)。Botch指出,SiC-SiC在相對濕度為5%和75%的空氣中的摩擦因數(shù)和磨損率不同,闡述了SiC-SiC表面吸附水汽對SiC摩擦學(xué)性能的影響。Satosh進一步研究了SiC-SiC摩擦表面水化反應(yīng)與其摩擦磨損性能的關(guān)系。文獻研究了SiC從室溫到1200℃的摩擦磨損性能,認為SiC高溫氧化導(dǎo)致了不同的磨損機理。進一步研究表明,SiC-SiC自對偶高溫摩擦因數(shù)較低,呈現(xiàn)高溫自潤滑性能,這與其摩擦化學(xué)反應(yīng)形成的無定形SiO2平滑薄膜層緊密相關(guān)。此外,SiC-SiC自對偶摩擦的高溫摩擦磨損性能與實驗溫度和載荷緊密相關(guān)。隨著溫度的升高,載荷越大,破壞無定形SiO2薄膜層的速度增加,磨損加劇,且SiC-SiC自對偶摩擦真實接觸面積增加,故嚴重磨損區(qū)出現(xiàn)溫度點升高。文獻的研究發(fā)現(xiàn)氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷(Mg-PSZ)在不同環(huán)境下的摩擦磨損行為與機理不同,摩擦因數(shù)在0.5～0.7范圍以內(nèi)。溫度為200℃時,陶瓷磨損表面形成的針狀磨屑呈現(xiàn)“滾動軸承”效應(yīng),出現(xiàn)最低的摩擦因數(shù)和磨損率。用金屬把金屬氧化物,碳化物等加以固化起來的金屬陶瓷,它們的摩擦磨損溫度特性與無金屬粘結(jié)時不同,即使溫度上升,摩擦因數(shù)并未如粘結(jié)劑中的金屬那樣急劇上升。研究表明,在TiC-Ni-Mo材料的高溫摩擦軌跡上形成了以MoO3及NiO為主要成分的完整的氧化膜,這種膜具有優(yōu)良的高溫潤滑性,因而其高溫摩擦因數(shù)低,在600℃時為0.19,且自身和偶件的磨損率也明顯降低。在此基礎(chǔ)上加入WC后,由于生成大量的高溫潤滑性差的WO3,高溫摩擦磨損性能反而下降了。王靜波等考察了Ni-WC系自潤滑陶瓷的高溫摩擦學(xué)性能。WC-Ni材料表面在高溫下形成的化合物NiWO4有減摩作用,因而在高溫時的摩擦因數(shù)很低;材料中的WC有抗磨作用,其含量越多,磨損率越低。進一步研究發(fā)現(xiàn),在此基礎(chǔ)上加入PbO及其它材料,摩擦表面形成了均勻分布的PbWO4膜,且環(huán)境溫度越高,材料摩擦軌跡上PbWO4的含量越多,這是此類金屬陶瓷材料在高溫下具有優(yōu)異摩擦學(xué)特性的主要原因。Mo和Co的加入,提高了材料的高溫力學(xué)性能。對Ni-SiC-PbO系自潤滑陶瓷的研究發(fā)現(xiàn),硅酸鉛具有較好的潤滑性。國內(nèi)研究者對合金化元素的作用進行了較為詳細的闡述,認為固溶強化不僅有利于提高力學(xué)性能,而且有利于改善摩擦磨損性能。3自潤滑合金的成分及對潤滑作用的影響隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展,稀土化合物在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來稀土化合物的摩擦學(xué)性能受到了重視,在高溫摩擦學(xué)中的研究也取得了一定的進展。研究表明,稀土氟化物與堿金屬或堿土金屬氟化物的涂層在較寬溫度范圍內(nèi)具有一定的潤滑性。在鎳基合金中加入稀土化合物可增強其力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。在Ni-Cr-5S合金中加入CeO2,提高了合金硫化層的塑性和致密性,并且提高了其與金屬基體間的界面結(jié)合強度,使合金中硫化物組織的分布與形態(tài)和組成發(fā)生了變化,從而改善了合金的摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能。CeF3在鎳基合金中的含量同樣會影響材料的高溫摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能,3%(質(zhì)量分數(shù))CeF3含量是比較合理的選擇。同時添加MoS2和LaF3的鎳鉻基自潤滑合金系列,其高溫下減摩耐磨性能隨LaF3的增加而提高。在溫度低于300℃,合金中的硫化物(CrxSy,Mo2S3及AlLaS3)在摩擦過程起主要潤滑作用;高溫范圍內(nèi)(400～700℃)摩擦對偶Al2O3盤上轉(zhuǎn)移氧化物(NiCrO3,CrMoO4和LaNiO等)與合金摩擦表面氧化物及殘余硫化物(CrxSy,Mo2S3及AlLaS3)的協(xié)同作用使摩擦因素進一步降低。文獻研究發(fā)現(xiàn),加入稀土化合物(LaF3,CeO2,La2O3)后,Ni-Cr基自潤滑合金的密度,抗彎強度降低了,而摩擦學(xué)性能在寬溫度范圍下有了明顯的改善,尤其以加入La2O3合金的摩擦因數(shù)最低。稀土化合物的加入增強了合金中鎳基固溶體的晶面間距,這可能是摩擦因數(shù)降低的原因之一。CeF3由于具有近似的層狀結(jié)構(gòu),在400～700℃范圍內(nèi)的潤滑性較好,但其在800℃下熱分解后形成的產(chǎn)物CeO2只在700℃時才具有較好的潤滑性能,因而CeF3的熱分解有損其減摩性能。呂晉軍等人認為CeF3在摩擦過程中發(fā)生的物理和化學(xué)反應(yīng),如(002)面的擇優(yōu)取向,結(jié)晶度的變化以及氧化等是影響潤滑作用的主要因素。在此基礎(chǔ)上,為了在寬溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良潤滑作用,他們在CeF3中加入了Ag,研究結(jié)果表明,由于Ag的加入,在磨損表面形成了一層固體膜,摩擦性能顯著提高,在700℃時Ag與CeF3具有協(xié)同減摩效應(yīng)。4高溫摩擦學(xué)機理高溫固體潤滑材料的摩擦學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究業(yè)已獲得廣泛關(guān)注,并取得了長足發(fā)展。我們認為在已有工作的基礎(chǔ)上,以下問題值得關(guān)