固体自润滑材料研究进展

固体自润滑材料研究进展

摘要：综述了固体自润滑材料的种类、性能、组织、应用以及自润滑机理。指出为了满足科技的日益发展，迫切需要研制从添加润滑剂到无须添加润滑剂而具有自润滑的材料。

关键词：自润滑摩擦磨损组织机理

前言

固体润滑是指利用固体材料来减少构件之间接触表面的摩擦与磨损的润滑方式。而自润滑材料是具有固体润滑的性能。固体润滑技术的发展,主要是从二战以后的航空工业、空间技术等高技术领域开始的。在某些不能或者无法使用润滑油和润滑油脂的高温、超低温、强辐射、高负荷、超高真空、强氧化、海水以及药物等介质的条件下,固体自润滑技术显示出良好的适应性能,被广泛应用于冶金、电力、船舶、桥梁、机械、原子能等工业领域,因而在欧美工业发达国家受到相当的重视。

1固体自润滑材料的性能

1.1铝、铅及石墨的含量对铝铅石墨固体自润滑复合材料性能的影响

固体润滑剂的加入对材料的摩擦学性能有较大的影响，采用常规的粉末冶金方法制备了铝铅石墨固体自润滑复合材料,并对其力学性能和摩擦磨损性能进行了研究。早在20世纪60年代初期,人们就已经发现,两种或者多种固体润滑剂混合使用时,会产生一种料想不到的协同润滑效应。其润滑效果比任何一种单独使用时都好[1]。考虑将石墨和铅作为组合固体润滑剂同时使用。多元固体润滑剂的复合使用是固体自润滑材料的一个发展方向。

实验通过不同的成分配比，采用常规的粉末冶金方法。将各种原料粉末按实验需要的配比称好后置于V型混料机中干混4~6h,在钢模中进行压制,压制压力为0.5Gpa,然后在高纯氮气保护气氛下烧结60 min。得到的样品，对其进行性能测试。主要是对其样品进行力学性能、物相分析、金相分析及摩擦学性能的测试。

通过实验的测试结果可得到以下结论[2]：

1)在铅和石墨总含量不变的情况下,随着石墨含量的增加,铝铅石墨固体自润滑复合材料的力学性能下降,但石墨含量对强度的影响不如对硬度的影响程度大。

2)铅和石墨有着良好的协同润滑效应,随着石墨含量的增加,复合材料的摩擦因数减小,同时材料的磨损量也明显下降。

3)在固体润滑剂含量相同的情况下,铝铅石墨材料的力学性能略低于铝铅材料,但是其摩擦磨损性能好得多,这是因为石墨的润滑性能比铅好,而且存在良好的协同润滑效应。

1.2石墨含量、粒度及温度对铜基自润滑材料力学和摩擦磨损性能的影响

铜基自润滑材料具有抗氧化、耐腐蚀及磨合性好等特性,含油粉末冶金铜基自润滑轴承和轴瓦在纺织机械、食品机械、办公机械及汽车工业中得到了广泛的应用.然而当温度高于300℃后,铜基材料强度明显降低、耐磨性变差.为了充分发挥铜基材料的优良特性,提高铜基自润滑材料的使用温度显得尤为重要。通过基体多元合金化和选用不同粒度的石墨颗粒,采用常规粉末冶金方法制备了铜基石墨固体自润滑材料,在大越式OAT-U型摩擦磨损试验机上考察了复合材料从室温到500℃温度条件下的摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌,进而探讨其摩擦磨损机理。深入研究铜基自润滑材料在较高温度条件下的摩擦磨损性能及机理,对研制开发高温铜基自润滑材料具有重要意义。选用不同粒度的石墨颗粒作为主要润滑组分,并对铜合金基体进行合金化优化设计,采用常规的粉末冶金方法制备了铜基石墨固体自润滑复合材料,考察了其在室温至500℃温度条件下的摩擦磨损性能。

通过实验测试可得到石墨含量对室温力学和摩擦磨损性能的影响、石墨粒度对室温力学和摩擦磨损性能的影响及温度对铜基石墨自润滑摩擦磨损性能的影响[3]。

1）在室温条件下,石墨颗粒粒度对铜基固体自润滑材料的力学性能和摩擦磨损性能具有一定的影响;石墨颗粒越小,则复合材料的摩擦系数越小,减摩自润滑效果越好;这是由于粒度较小的的石墨颗粒在铜合金基体中的分布更均匀,更利于形成完整的润滑膜所致.

2）在室温至500℃温度范围内,铜基石墨固体自润滑复合材料的力学性能和摩擦磨损性能同石墨粒度及含量密切相关,其中CuNi-42复合材料试样具有优良的减摩抗磨性能,可在该温度区间内用于高温自润滑抗磨材料。

3）在采用多元合金化增强基体强度的基础上,选用合适大小的石墨固体润滑剂颗粒,可以有效地提高铜基石墨自润滑材料的高温摩擦磨损性能。

结果表明:在室温条件下,石墨颗粒越小,则复合材料的摩擦系数越小,减摩自润滑效果越好;在室温至500℃条件下,选用合适的石墨粒度(0.3~0.5mm)和多元基体合金化,可使铜基石墨固体自润滑材料保持较好的自润滑特性。

1.3铁含量对镍铁石墨硅自润滑材料的力学性能、干摩擦磨损性能及油润滑摩擦磨损性能的影响

镍基合金因其具有优良的抗腐蚀性能和抗氧化性能,在高温固体自润滑材料中倍受重视。目前常采用粉末冶金法制备镍基合金。假若在镍石墨合金中加入组元铁,一方面可以起到对基体的固溶强化作用,使合金保持良好的抗腐蚀性和抗氧化性;另一方面可以节约有色金属镍,降低材料成本。长期以来,对Fe-C 合金的研究,在工业生产条件下,Fe-C二元合金中易形成Fe3C,减少了石墨的含量,不利于其自润滑性能的改善,而金属镍是一种非碳化物形成元素,可以增加铁的自扩散能力,促进石墨化。但随着合金中含铁量的增多,碳化物形成的可能性越来越大,镍铁石墨合金组织中是否会形成Fe3C,目前还有待于研究。对铸铁的长期研究表明,硅能够强烈促使碳元素石墨化,且硅也能固溶于铁素体中,强化合金基体,使材料的强度和耐腐蚀性提高,但当硅超过一定含量后会显著降低材料的韧性。

本次实验采用熔炼法制备出镍铁石墨硅系列合金,在合金中加入1%硅以防止Fe3C的形成,并研究了该系列合金的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能。将熔化好的合金浇注到石墨铸型中,得到铸型尺寸为120mm×60mm×20mm。通过对凝固组织与力学性能的测试以及铁含量对合金的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能的影响的测试，可以得到以下几点结论[4]：

1)采用熔炼法制备出镍铁石墨硅固体自润滑材料,形成了石墨与固溶体两相组织,石墨分布均匀,且合金中无碳化物形成。

2)随着铁含量的增加,合金中的石墨量相应增加,材料的自润滑性能相应提高,干摩擦系数和油润滑摩擦因数相应减小,材料的磨损率随着硬度值的增大而减小,其中Ni-60Fe-3.5C-1Si合金的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能均最好。

3)随着铁含量的增加,镍铁石墨硅合金的密度、抗拉强度和冲击韧性均下降,而合金的硬度先减小后增大。

结果表明:随着铁含量的增加,合金中石墨量逐渐增多,自润滑性能逐渐提高,材料的冲击韧性和抗拉强度逐渐降低,硬度值先减小后增大;材料的干摩擦因数和油润滑摩擦因数均随着铁含量的增加而逐渐降低,磨损率随着硬度值的增大逐渐减小,其中Ni-60Fe-3.5C-1Si合金(质量分数,%)的摩擦因数最小,干摩擦因数和油润滑摩擦因数分别保持在0.18和0.05。

2固体自润滑材料的组织及机理

2.1Ni-Cr-Mo-S合金的自润滑机理

在镍基高温合金中添加适量的元素硫,利用它们与合金中的某些元素反应生成或在摩擦中加速反应生成的固体润滑剂,可以有效地改善合金摩擦学特性,从而解决宇航、热动力机械和金属热加工等许多领域中高温(>300℃)条件下的润滑问题。

实验中选用80%(Ni-20Cr)合金粉+20%MoS2粉为原料成分,经过混料、钢模冷压、再装入石墨模具中进行热压。同时制备了不添加MoS2的试样以比较摩擦性能。通过机械加工等手段,将各种材料制成了d6mm×15mm的试样供摩擦试验机用。采用先进的现代分析手段深入地研究了Ni-Cr-Mo-S合金的自润滑机理。通过显微组织可以分析硫在摩擦过程中的作用以及氧化物在摩擦过程中的影响[5]。