摩擦磨损技术

陶瓷材料的润滑技术

姓名：夏琳

摘要

陶瓷材料的性能优异,应用广泛，已经成为极端条件下替代金属和高分子材料的首选材料。但是，陶瓷材料在干摩擦下的摩擦系数和磨损率都比较高。本文从液体润滑、固体润滑、气相润滑、自润滑复合陶瓷、陶瓷表面改性和协同润滑技术几个方面，系统地讨论了陶瓷材料的润滑问题，阐明了这些润滑技术的优缺点，指出了陶瓷润滑研究中几个值得重视的发展方向。

关键词：陶瓷摩擦磨损润滑表面改性协同效应

1.前言

陶瓷是一种具有广阔应用前景的新型工程材料，其以耐高温、耐腐蚀、耐磨损和抗氧化等诸多优点而受到人们的关注。但是，陶瓷材料的应用受到其本身具有的较高的摩擦系数的限制，如干摩擦条件下，陶瓷/金属配副的摩擦系数一般在01.-1.0之间。因此陶瓷材料的减摩受到人们的重视，并成为当今摩擦学领域的前沿课题之一。在陶瓷的制备工程中添加一些有润滑作用的物质是当前减摩措施的一种[1]。

从摩擦学的基本理论出发，要降低陶瓷材料的摩擦和磨损，就必须使其表面具有剪切强度比较低的薄膜.。这种膜不仅要有利于降低陶瓷的摩擦系数，而且还必须可以阻止陶瓷表面微凸体与偶件的直接接触，增大承载面积，使垂直于滑行方向的压应力和接触点处的正交切应力都降低，从而抑制接触区域萌生裂纹，降低陶瓷材料的磨损率[2]。

目前，在陶瓷材料表面形成低剪切强度薄膜的技术-陶瓷材料的润滑技术大体可以归纳为6种：①液体润滑；②固体润滑；③气相润滑；④自润滑复合陶瓷；

⑤陶瓷表面改性；⑥协同润滑。从这6个方面出发，讨论与评述了陶瓷润滑研究的发展现状，同时指出了这个领域今后的几个重要发展方向。

2.陶瓷润滑技术

2.1液体润滑

在较低温度下，液体润滑是一种既简便又有效的减摩抗磨技术。据文献[3]报道，利用水、水基润滑剂、非极性碳氢化合物和润滑油添加剂对陶瓷润滑时，形成摩擦化学反应膜和添加剂吸附膜是实现陶瓷良好边界润滑的前提条件。但是，液体润滑的缺点是只适用于较低温度的场合。当温度较高时，由于液体润滑剂发生挥发或分解而导致润滑失效。目前,只有很少数的液体润滑剂可以在300℃左右使用。一般地说，用于金属摩擦副的添加剂对陶瓷材料未必也能适用，因为它们在极端条件下通常不能形成有效的边界润滑膜。针对这种情况，人们正致力于开发可用于陶瓷的含新型添加剂的液体润滑剂。

2.2固体润滑

与液体润滑技术明显不同，在高温、腐蚀介质、真空、高速和高载等极端条件下，固体润滑是目前唯一可行的润滑技术,陶瓷的固体润滑技术可以分为粉末润滑、转移膜润滑和表面涂层3种，其中以后者最重要，应用最广泛。

2.2.1粉末润滑

粉末润滑是将固体润滑剂粉末直接加入到滑动表面的一种润滑技术。研究表明，利用TiO2, NiO, ZnMoO2S2粉末润滑, 都可以在从室温至649℃的温度范围内使Si3N4陶瓷自摩擦副的摩擦系数降低，其中以ZnMoO2S2粉末的润滑效果最好，可以使Si3N4陶瓷的摩擦系数由0.8降低到0.2。据文献报道,铜粉可以使PSZ 陶瓷(部分稳定氧化锆陶瓷)自摩擦副的摩擦系数由0.40降至0.17，而且只要在试验过程中不断地补充铜粉,还可以有效地降低这种陶瓷材料的磨损。这是因为铜粉的热传导性能良好，可以降低陶瓷表面的摩擦热,阻止热致相变诱发裂纹萌生，而且经过一定时间磨合之后，还可以在PSZ 陶瓷表面形成由铜粉构成的低剪切强度的薄膜。

粉末润滑虽然简便易行，但也有它的缺点，最突出的是很难在陶瓷表面形成牢固结合的固体润滑膜，而且还需要不断地补充润滑剂。

2.2.2转移膜润滑

Lancaster曾经指出，利用含CaF2/BaF2共熔物的多孔镍作为转移润滑剂SiC 陶瓷润滑，室温下的润滑效果不好，然而它在高温下可以形成良好的转移膜，能

使这种陶瓷的磨损率降低至无润滑的1/6 。据文献[4]报道，采用NiCl2包覆石墨作为转移润滑剂,可以使Al2O3和Si3N4陶瓷的摩擦系数分别由0.48-0.45降低至0.20-0.1，这主要是由于在陶瓷表面形成了石墨转移膜的缘故。转移膜润滑技术的突出优点是可以不断地给摩擦界面提供润滑剂,能够长时间保持低摩擦特性，但其缺点是润滑剂系由附加设备所提供,这就增大了工程应用的困难和经费投入。

2.2.3表面涂层技术

在陶瓷表面制备涂层虽然不如在金属表面那样容易，但是包括擦涂、溅射和气相沉积等都在陶瓷润滑研究中得到了应用。研究表明[5],MoS2,WS2,MoO3,WO3, CoMoO4, CoWO4,MoTe2,WSe2,NbSe2和CeF3等固体润滑剂，都可以在Si3N4陶瓷表面形成擦涂膜，这些膜在特定的温度范围内对这种陶瓷材料都能够发挥一定的润滑作用：在室温至350℃范围内，MoS2和WS2擦涂膜都具有良好的润滑效果；虽然MoO3和WO3擦涂膜的摩擦系数都比较高，然而二者都可以保护陶瓷表面而起降低磨损的作用；尽管CoMoO4和CoWO4擦涂膜的低温摩擦系数都比较高，但它们在600～800℃高温下的摩擦系数却均能保持在0.20～0.25的较低值范围，而且抗磨性能也都较好；CeF3在较低温度下的摩擦系数较高，但随着温度的升高摩擦系数降低，540℃时的摩擦系数降低至0.30，在540～800℃范围内的摩擦系数保持在0.25～0.30之间。因此,Murry 等认为，CoWO4, CoMoO4和CeF3都是很有应用前景的高温固体润滑剂。

近年来，物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等都在陶瓷表面沉积固体润滑膜的研究中得到了应用，各种表面涂层都可以不同程度地降低陶瓷的摩擦系，提高陶瓷的抗磨性能。但是，由于陶瓷材料是绝缘体，不仅难以形成辉光放电和保持等离子体场，而且容易发生荷电效应，致使这些固体润滑膜与底材的结合强度都不够高。

另外，离子束混合(IBM )和离子束辅助沉积(IBAD)等技术也都被应用于陶瓷的固体润滑研究。其中，IBM 技术由于是以载能离子束(能量为几百keV至几MeV )对膜层原子进行直接轰击,造成膜层与底材之间的原子混合，膜-基界面拓宽,结合强度明显增大，而且轰击引起的界面化学反应还可以使膜-基结合强度进一步提高。研究表明，利用I BM 技术改性的Ti/Ni多层膜,可以明显地改善ZrO2