摩擦学

材化学院

高温摩擦学研究现状及发展趋势

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2013年10月

高温摩擦学研究现状及发展趋势

第1章研究目的背景意义

两个在接触状态下作相对运动的物体，因接触而阻碍相对运动，并使运动速度减慢，这种现象称之为摩擦。物体表面互相摩擦时，材料自该表面逐渐损失的过程称之为磨损。摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果[1]。

摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践的一门边缘学科。

高温摩擦，顾名思义是在高温工作下的摩擦磨损现象。高温工作条件下，高温和氧化加速了磨损。

1.1研究高温摩擦的背景

一些较为常见的高温工作环境，如燃烧炉中的炉篦；沸腾炉中的管壁；各种机械的发动机、内燃机；高速工作中的底盘、齿轮等传动系统；夏季工作下的轮胎、传动胶带；这些都会产生高温摩擦磨损现象。相比于常温条件下，材料在高温条件下产生摩擦磨损，使材料产生更多的消耗和使用寿命剧烈地减少，而且这些类高温摩擦情况较为普遍，消耗更为严重，因而我们迫切地需要提高材料的高温耐磨性，以减少高温工作条件下的摩擦磨损。

一方面伴随着现代航空、航天等高新技术的发展，陶瓷材料的广泛应用，材料高温性能和高温润滑要求更高，另一方面随着石油燃料价格的上涨，发动机的经济性越来越受到重视[2]。低能耗、少排放、高推进比的先进绝热发动机逐渐出现在人们的视野中。

自1974年研究绝热发动机以来，英国、美国、日本等国家先后投入巨资对其进行研究，以期实现绝热发动机在军用和民用上的巨大价值。

常规的水冷柴油机，气缸磨擦表面的温度在250到300℃，允许油膜存在。绝热发动机的磨擦表面温度高，第一活塞环返回点的环—壁接触表面温度在530到650℃，绝热柴油发动机轴承衬垫的工作温度更是高达600~1000℃[3]。现在的润滑油，包括耐高温的合成机油，超过425℃都将立即蒸发并燃烧，在530到650℃,不可能存在油膜[4]。但适当选用摩擦副材料和润滑剂，活塞环—缸套仍能工作良好。这很可能是靠某种固体润滑剂，或某种润滑油的分解产物，或者陶瓷材料本身就有自润性，形成高温下的润滑膜，达到润滑减磨的效果。

绝热发动机由于工作温度高，在摩擦学方面会出现许多特殊问题，需要调查研究,逐一解决[4]。因而要实现绝热发动机，其高温摩擦性问题必须得到解决。

一些新技术、新材料的发展和出现，比如表面工程技术、耐磨材料和耐高温润滑剂的发展，促使着高温摩擦学不断地进步发展，材料的耐磨性不断提高。

随着涂层技术的进步，近几十年来涂层摩擦学在各个领域获得了迅速发展，表面工程摩擦学已成为摩擦学研究领域中十分活跃的分支[5]。第一代表面工程技术包括PVD涂层、CVD、热喷涂、电刷镀层、电镀、化学镀、渗氮、渗碳技术、热化学处理以及载能束改性等。20多年来，该类表面工程及其摩擦学的研究取得了巨大进展，许多研究成果已获得了应用。第二代表面工程即复合表面工程，第三代指新近出现的多层及多组元涂层[6,9]。表面工程摩擦学的发展为高温摩擦学的发展提供了巨大的帮助。

传统高温耐磨材料的强化和代用产品、新型高温耐磨陶瓷及高温润滑剂、润滑材料的发展，不断地提高着材料的耐磨性能，减少材料的磨损和消耗，在实现巨大经济效益和社会效益的同时，促使着高温摩擦学和高温磨损原理及机制的不断完善和发展。

1.2研究高温摩擦目的意义

据估计全世界大约有1/2~1/3的能源以各种形式消耗在摩擦上，大约有80%的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的[10]。在工业领域中，磨料磨损是最重要的一种磨损类型，约占50%。仅冶金、电力、建材、煤炭和农机五个部门的不完全统计，我国每年因磨料磨损所消耗的钢材达百万吨以上[1]。

因此研究高温摩擦，可以提高材料的耐磨性和使用寿命；增加机械可靠性和缩短维修时间；节省材料成本、减少能源浪费；具有很高的社会效益和经济效益。

第2章国内外研究现状

目前国内外对于高温摩擦的研究主要集中在表面工程摩擦学（PVD涂层、激光熔敷层、渗氮技术等）、润滑材料及耐磨材料这三方面。

2.1 相关技术研究

2.1.1 表面工程摩擦技术

刘爱华[5]分别对CrAlN、AlTiN、TiAlN、CrN和AlN五种PVD氮化物涂层在200 ℃~700 ℃的高温摩擦磨损特性及机理进行了研究，将五种不同的氮化物涂层在不同的温度、加载速度和载荷下进行实验，发现AlTiN最适应高温高速高载的摩擦环境。并发现涂层高温下都会发生氧化磨损，硬度较低的CrN发生塑变而失效，硬度较高CrAlN发生磨粒磨损，化学活性高的AlTiN会发生粘着磨损。

李志明，钱士强等[11]对电刷镀Ni-P合金镀层的高温摩擦磨损性能进行了研究，实验结果表明，在20CrMo的基体上，电刷镀合金Ni-P层能有效降低试样在高温（450 ℃）下的摩擦因数，减少磨损量。其磨损原理为氧化磨损、犁沟切削和磨粒磨损。

张平等[12]采用网格化激光淬火和低温离子渗硫技术对42MnCr52钢进行复合表面处理，与未处理样品相比较,硬度提高20%左右,摩擦因数降低约10%,磨损失重量减少50%以上，具有显著的抗高温摩擦磨损性能。其渗硫层疏松多孔，具有储油功能，改善了润滑条件。

王耀华等[13]采用高温摩擦磨损试验机研究从室温(25℃)至700℃下Fe-Al/TiC 激光熔覆层与Si3N4球配副时的摩擦磨损特性,探讨了涂层的高温摩擦磨损机理。其熔覆层的高温磨损机理为剥层磨损。

袁建辉等[14]通过大气等离子喷涂方法,使用自制的含有WC-Co、Cu和BaF2/CaF2共晶体的复合喷涂粉末,制备出WC-Co-Cu-BaF2/CaF2自润滑耐磨涂层。在200℃、400℃和600℃下进行WC-Co-Cu-BaF2/CaF2涂层和WC-Co涂层的高温摩擦试验。其摩擦产物层光滑致密，摩擦因数和磨损率都较小。

2.1.2 润滑技术和材料

李建亮等[3]进行了宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究，采用脉冲激光在镍基材料表面刻蚀微孔来存储润滑氧化物；采用双层辉光等离子渗金属技术对微孔化表面渗Mo或Mo／N复合渗处理以改善表面耐磨性能。

孙晓峰等[15]研究了纳米SiO2在润滑油中的高温摩擦学性能，发现纳米SiO2