高溫發(fā)汗?jié)櫥w成分設(shè)計及其性能研究

燕松山，李小林，劉佐民

（1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

傳統(tǒng)的高溫自潤滑覆層材料是采用等離子噴涂、粉末冶金、火花等離子燒結(jié)等技術(shù)在基底材料上制備而成，解決了許多高溫摩擦副零件的潤滑問題［1－2］。但由于覆層材料與基底材料結(jié)合強(qiáng)度低，降低了高溫自潤滑覆層的承載能力，縮短了使用壽命［3］。

高溫發(fā)汗內(nèi)梯度潤滑層是利用高速鋼多孔金屬陶瓷基體的可熔滲性，把熔態(tài)復(fù)合潤滑體通過熔滲工藝加入到其孔隙中，在基體外層形成自潤滑功能覆層，潤滑層中潤滑體組分濃度由外向內(nèi)呈梯度分布。該潤滑功能層強(qiáng)度由多孔金屬陶瓷骨架承擔(dān)，在具有優(yōu)良潤滑性能的同時保持了較高的強(qiáng)度和耐磨性。但是，采用熔滲工藝所制備的潤滑層的厚度和致密性受熔態(tài)復(fù)合潤滑體及金屬陶瓷基體潤濕性的影響，潤濕性越好，所制備的潤滑層厚度越大越致密。因此，設(shè)計出具有優(yōu)良潤滑及潤濕特性的復(fù)合潤滑體是該潤滑層復(fù)合材料制備的關(guān)鍵。其中，軟金屬復(fù)合潤滑體是重要的研究方向，目前對于軟金屬合金設(shè)計的研究多集中在釬料合金設(shè)計方面，通過成分設(shè)計實現(xiàn)釬料合金熔點、潤濕性等要求［4－5］。但對于熔滲型復(fù)合潤滑體，除了要求有合適熔點和潤濕性外，還要求其具有良好的高溫潤滑性能。如何通過成分設(shè)計，實現(xiàn)軟金屬潤滑體潤濕性和高溫摩擦性能的協(xié)同方面研究還比較少見。筆者基于高溫發(fā)汗內(nèi)梯度潤滑層對潤滑體的要求，對其組分進(jìn)行設(shè)計；利用設(shè)計的軟金屬復(fù)合潤滑體制備出了高溫發(fā)汗內(nèi)梯度潤滑層材料，并對其高溫摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 實驗研究

選用純度為99.9%的Pb、Ag、Sn及Cu粉末，以相應(yīng)配比混合后在真空高頻感應(yīng)加熱爐中熔化，保溫30 min后取出，在模具中澆注成一定質(zhì)量的圓柱形潤滑體合金塊。

潤濕性鋪展試驗在高頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行，基板采用直徑為58 mm的M3高速鋼片，潤滑體合金塊體積相同。溫度為550℃，保溫10 min，潤濕劑采用B2O3:KF=80:20。鋪展試驗前基板和潤滑體合金塊在稀鹽酸中浸蘸5 s，取出在丙酮中超聲清洗去除表面的氧化膜。鋪展試驗后將基板試樣照片輸入AutoCAD軟件中，測量接觸角，并計算出鋪展面積。

圖1 多孔金屬陶瓷基體試樣及其微結(jié)構(gòu)SEM圖像

高溫發(fā)汗內(nèi)梯度潤滑層的制備:將高速鋼多孔金屬陶瓷基體（其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示）［6－7］、潤滑體合金塊及潤濕劑（成分配比為B2O3:KF=80:20）依次放入石墨坩堝中，在真空高頻感應(yīng)加熱爐中快速加熱至700℃，待潤濕劑與潤滑體完全熔化后通入高壓N2，保溫保壓30 min后取出試樣。在XP－5型數(shù)控高溫摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行高溫摩擦試驗，摩擦副接觸方式為銷－盤式，銷試樣為內(nèi)梯度潤滑層材料，表面粗糙度Ra為0.32 μm，對偶盤是表面粗糙度為0.02 μm的Al2O3陶瓷盤；試驗溫度為600℃，載荷為50 N，滑動速度為50 r/min（0.2 m/s），試驗時長為120 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 潤滑體合金成分設(shè)計

由于高溫發(fā)汗?jié)櫥w是通過熔滲工藝加入到多孔金屬陶瓷基體中，從而形成內(nèi)梯度潤滑層復(fù)合材料。因此，除了要求其組成成分及氧化生成物有較好的高溫潤滑性能外，還應(yīng)在熔化狀態(tài)下與基體材料具有較好的潤濕性和粘附性，以便進(jìn)入到基體孔隙中。同時，合金的熔點應(yīng)低于熔滲溫度和基體材料的相變溫度，以避免熔滲溫度過高對基體強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響。

在常用的軟金屬潤滑劑中，Pb和Ag具有優(yōu)良的潤滑性能。高溫下與氧接觸時，Pb氧化為PbO，PbO是優(yōu)良的高溫潤滑劑，在連續(xù)溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的高溫潤滑性。同時，在摩擦過程中，PbO和AgO還可以與高速鋼基體材料中的W、V進(jìn)一步反應(yīng)生成具有良好高溫潤滑性的金屬鹽。由于高速鋼陶瓷基體主要組成元素是Fe，由Pb、Ag和Fe的合金相圖可知，兩種元素與Fe的互溶度很小，且沒有金屬間化合物產(chǎn)生，因此Pb、Ag與基體材料的潤濕性較差，需加入其他成分改善潤滑體與基體的潤濕性［8－9］。由于Sn與Fe可以生成金屬間化合物，Sn的加入可以提高合金與基體的潤濕性，但Sn在高溫下氧化成沒有潤滑性能的SnO2，會導(dǎo)致合金潤滑性能變差，因此應(yīng)控制Sn成分的比例。Cu與Fe的互溶度較高，加入銅可以提高合金潤濕性。根據(jù)以上分析，結(jié)合復(fù)合潤滑體熔點的要求，表1列出了不同潤滑體合金成分配比。

表1 復(fù)合潤滑體合金配比

2.2 潤滑體成分對潤濕性能的影響分析

圖2為采用B2O3:KF=80:20作潤濕劑，試驗溫度為550℃時，不同組成比例的Pb－Ag合金在M3高速鋼母材表面潤濕圖像及接觸角變化情況，其中圖2（a）、圖2（b）分別是成分為 Pb、90Pb10Ag在高速鋼基板上潤濕側(cè)向圖像。

圖2 不同組分比例的Pb－Ag合金與M3高速鋼基板潤濕性

從圖2中可以看出，純Pb在M3高速鋼母材上的潤濕性很差，在采用B2O3－KF潤濕劑的情況下，接觸角仍達(dá)到88°。當(dāng)加入少量Ag元素后，潤濕性有所改善。隨著Ag含量的進(jìn)一步增加，熔態(tài)潤滑體合金與M3高速鋼母材表面接觸角逐漸變大、鋪展面積變小，潤濕性變差。這是由于隨著Ag含量的增加，合金熔點提高，在試驗溫度不變時，熔態(tài)潤滑體合金粘度變大，與M3高速鋼母材潤濕性變差，接觸角增大。

圖3為550℃時Pb、Ag比例為7:3的Pb－Ag－Sn潤滑體合金中不同Sn含量對與M3高速鋼基板接觸角的影響情況。從圖3可知，隨著Pb－Ag－Sn潤滑體合金中Sn含量的增加，接觸角隨之變小，潤濕性提高。這是因為，潤滑體合金中的Pb、Ag元素與母材主要元素Fe在液態(tài)或固態(tài)下均不發(fā)生作用，而加入元素Sn后，由于Sn與Fe能在高溫下反應(yīng)生成金屬化合物，提高了合金與母材的反應(yīng)性，因此合金對母材的潤濕性得到改善。同時隨著錫含量的提高，合金熔點下降，錫的含量越高，潤濕性越好。

圖3 Pb－Ag－Sn潤滑體合金中Sn含量對潤濕性的影響

圖4為550℃時Pb、Sn、Ag比例為5:3:2的Pb－Ag－Sn－Cu合金中不同Cu含量對于M3高速鋼基板潤濕性的影響曲線。從圖4可知，與Pb－Ag－Sn合金相比，Cu的加入使合金的潤濕性得到明顯改善，鋪展面積顯著增大。由于此時接觸角很小，不便測量，因此只對鋪展面積進(jìn)行測量。由于Cu在高溫下與Fe元素有較高的互溶度，因此Cu的加入使合金潤濕性明顯改善。但當(dāng)Cu含量過大時，會造成合金熔點上升，使合金在試驗溫度下潤濕性變差。

圖4 Pb－Ag－Sn－Cu合金中Cu含量對潤濕性的影響

2.3 自潤滑功能層結(jié)構(gòu)及性能

圖5為熔滲潤滑體成分47Pb28Sn19Ag6Cu后所形成復(fù)合材料試樣圖像（圖5（a））和潤滑層橫斷面SEM圖像（圖5（b））。從圖5可知，熔滲后試樣表面由光亮的潤滑體合金包覆，潤滑體合金與基體結(jié)合緊密，可見與基體的潤濕性較好。圖5（b）為試樣剖開后在試樣表層所形成的高溫發(fā)汗?jié)櫥瑢游⒂^結(jié)構(gòu)的SEM圖像，圖5（b）中白色斑點為滲入基體孔隙中的潤滑體成分，灰色區(qū)域為基體相?？梢娙蹪B過程中，熔態(tài)潤滑體在毛細(xì)及外加壓力的作用下進(jìn)入到基體內(nèi)部微孔中，在基體試樣外層形成了高溫發(fā)汗?jié)櫥瑢?。從圖5（b）中還可以看出，潤滑層內(nèi)的基體孔隙被潤滑體填充較充分，由于基體中存在少部分盲孔，因此還存在一些殘余孔隙。潤滑層結(jié)構(gòu)呈內(nèi)梯度緩慢過渡，有效地避免了由于層間物性差異而導(dǎo)致材料強(qiáng)度性能的降低。

圖5 熔滲后試樣及潤滑層潤滑體分布SEM圖像

圖6分別為熔滲成分為50Pb30Sn20Ag、47Pb28Sn19Ag6Cu潤滑體后所形成的高溫發(fā)汗?jié)櫥瑢釉嚇釉?00℃下與盤摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)曲線。從圖6中可以看出，熔滲兩種潤滑體后，其摩擦系數(shù)均降至0.3左右。與50Pb30Sn20Ag相比，熔滲47Pb28Sn19Ag6Cu潤滑體的試樣摩擦系數(shù)更低，這是由于加入Cu后，合金與基體的潤濕性更好，熔滲所形成的潤滑功能層厚度大，摩擦過程中析出到摩擦表面的潤滑劑多，足以形成更為完整的潤滑膜；同時，潤滑劑與基體材料更好的潤濕性和粘附性可使摩擦表面以潤滑體為主要成分的潤滑膜與基體的結(jié)合力更強(qiáng)，不易脫落，因此有更好的摩擦性能。可見，改善潤滑體和基體材料的潤濕性，有助于改善所制備高溫發(fā)汗?jié)櫥δ軐拥哪Σ翆W(xué)性能。

圖6 熔滲不同復(fù)合潤滑體組分高溫發(fā)汗自潤滑材料的摩擦系數(shù)

3 結(jié)論

（1）依據(jù)高溫潤滑性能與潤濕性協(xié)同設(shè)計的原則，分析了熔滲型高溫發(fā)汗?jié)櫥w成分選取及其大致的配比范圍；研究了不同潤滑體成分對潤濕性的影響規(guī)律。

（2）采用設(shè)計配比為50Pb30Sn20Ag和47Pb28Sn19Ag6Cu的潤滑體，應(yīng)用高溫感應(yīng)加熱真空熔滲工藝制備的高溫發(fā)汗內(nèi)梯度潤滑層結(jié)構(gòu)致密，厚度大，具有優(yōu)良的高溫潤滑性能，其摩擦系數(shù)降至0.3左右。

（3）與50Pb30Sn20Ag相比，熔滲與基體潤濕性能更好的47Pb28Sn19Ag6Cu所形成的高溫發(fā)汗?jié)櫥瑢釉嚇幽Σ料禂?shù)更低，表明提高潤滑體與基體的潤濕性，有助于改善潤滑層的高溫摩擦學(xué)性能。

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