高溫自潤滑復(fù)合材料的制備及其摩擦磨損性能研究

韓瑩

（山東英才學(xué)院 機(jī)械制造及自動化工程學(xué)院，濟(jì)南 250104）

高溫自潤滑復(fù)合材料的制備及其摩擦磨損性能研究

韓瑩

（山東英才學(xué)院 機(jī)械制造及自動化工程學(xué)院，濟(jì)南 250104）

以FeCrWMoV合金粉末為金屬相，TiC粉末為陶瓷相，并以TiH2和CaCO3為復(fù)合造孔劑，采用粉末冶金燒結(jié)法制備出金屬陶瓷微孔基體。研究表明：當(dāng)燒結(jié)溫度為1230℃，浸滲溫度為800℃時(shí)得到的高溫自潤滑復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和自潤滑性能。

自潤滑金屬陶瓷復(fù)合材料摩擦磨損性能

引言

在制備高溫自潤滑金屬陶瓷復(fù)合材料的過程中，通常是將硫化物、氧化物、氟化物等固體潤滑劑作為組元，采用球磨機(jī)與金屬或陶瓷基體粉末進(jìn)行混合均勻，經(jīng)燒結(jié)得到復(fù)合材料。在摩擦過程中，固體潤滑劑通過產(chǎn)生的摩擦熱析出至摩擦表面，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的自潤滑性能［1］。但是，在高溫?zé)Y(jié)過程中，部分固體潤滑劑因高溫作用而導(dǎo)致性能失效，使得復(fù)合材料潤滑性能的降低［2-3］。仿生人體汗腺結(jié)構(gòu)和排汗機(jī)理，將高溫自潤滑復(fù)合材料與仿生學(xué)原理相結(jié)合，制備出具有良好力學(xué)性能和自潤滑性能的復(fù)合材料［4-5］。此類材料在在高溫、高速、高強(qiáng)度、高耐磨性等特殊工況下，表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高韌性和高溫自潤滑性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1試驗(yàn)部分

1.1試樣制備

以FeCrWMoV合金粉末為金屬相，以TiC粉末為陶瓷相，并添加體積分?jǐn)?shù)為8%～12%的TiH2和CaCO3復(fù)合造孔劑作為基體粉末。在球磨機(jī)中混合均勻后在600MPa壓力下冷壓成型，然后在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍為1200～1300℃。將燒結(jié)得到的微孔金屬陶瓷基體放入真空壓力熔滲機(jī)的容器內(nèi)密封、抽真空，將熔滲溫度調(diào)整至500～800℃，保溫15min后注入熔融狀態(tài)的復(fù)合固體潤滑劑。熔滲壓力為0.5～5MPa，為了確保微孔內(nèi)充滿固體潤滑劑，經(jīng)保溫保壓1h便得到高溫自潤滑復(fù)合材料的燒結(jié)試樣。

1.2試驗(yàn)方法

用掃描電子顯微鏡（SEM）分析燒結(jié)試樣的微觀組織和磨損表面形貌；采用液體靜力平衡法測試燒結(jié)試樣的密度、孔隙度；分別用顯微硬度計(jì)和 YE-600型液壓式試驗(yàn)機(jī)測試燒結(jié)試樣的顯微硬度和壓潰強(qiáng)度；用銷—盤式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試燒結(jié)試樣的摩擦磨損性能。

2結(jié)果與分析

2.1顯微組織

高溫自潤滑復(fù)合材料浸滲固體潤滑劑前后的顯微組織形貌SEM照片如圖1所示。由圖1（a）可以看出浸滲固體潤滑劑前微孔基體中的孔隙互相交錯(cuò)貫通成網(wǎng)絡(luò)狀，且微孔形狀比較規(guī)則；由圖1（b）可以看出浸滲固體潤滑劑后，潤滑劑均勻地填充到高溫自潤滑復(fù)合材料的微孔結(jié)構(gòu)孔隙中，且呈細(xì)小顆粒狀。

圖1浸滲固體潤滑劑前后的顯微組織形貌SEM照片

2.2燒結(jié)工藝參數(shù)的確定

微孔基體的顯微硬度和壓潰強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的變化曲線如圖2所示。由圖可知，隨著燒結(jié)溫度的不斷升高，微孔基體的顯微硬度和壓潰強(qiáng)度不斷提高。當(dāng)燒結(jié)溫度低于1230℃時(shí)，燒結(jié)試樣的顯微硬度和壓潰強(qiáng)度提高速率較快；當(dāng)燒結(jié)溫度為1230℃時(shí)，燒結(jié)試樣的顯微硬度和壓潰強(qiáng)度升高速率緩慢。在真空燒結(jié)過程中，若燒結(jié)溫度較低，會使得燒結(jié)試樣致密度較低；若燒結(jié)溫度較高，致使部分粉末產(chǎn)生液化現(xiàn)象，影響燒結(jié)試樣的力學(xué)性能［6-7］。根據(jù)高溫自潤滑復(fù)合材料的性能要求，當(dāng)燒結(jié)溫度為1230℃時(shí)性能較好。

2.3熔滲工藝參數(shù)的確定

熔滲溫度和熔滲壓力對高溫自潤滑復(fù)合材料孔隙率和相對密度的影響變化曲線如圖3所示。由圖3（a）中曲線可知，隨著熔滲溫度的不斷升高，復(fù)合材料的孔隙率逐漸下降，而相對密度逐漸升高。當(dāng)熔滲溫度低于700℃時(shí)，高溫自潤滑復(fù)合材料的殘余開口孔隙率急劇減小，相對密度顯著提高；當(dāng)熔滲溫度升高至700～800℃時(shí)，孔隙率和相對密度變化較緩慢；但是當(dāng)溫度高于800℃后，孔隙率和相對密度隨著熔滲溫度升高出現(xiàn)了相反的變化。為此，熔滲溫度為800℃時(shí)試樣性能較好。由圖3（b）中曲線可以看出，隨著熔滲壓力的不斷提高，孔隙率逐漸下降，而相對密度不斷升高。當(dāng)熔滲壓力增加到5MPa后，孔隙率和相對密度不再隨著熔滲壓力的變化而變化，因此熔滲壓力為5MPa時(shí)試樣性能較好。

圖2燒結(jié)溫度對顯微硬度和壓潰強(qiáng)度的影響

圖3熔滲溫度和熔滲壓力對高溫自潤滑復(fù)合材料孔隙率和相對密度的影響

2.4摩擦磨損性能

高溫自潤滑復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率與溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4（a）可知，在室溫下高溫自潤滑復(fù)合材料的摩擦因數(shù)略低于微孔燒結(jié)體的摩擦因數(shù)；當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，浸滲Pb-Sn-0.5RE和Pb-Sn-10Ag-0.5 RE復(fù)合固體潤滑劑的兩種復(fù)合材料摩擦因數(shù)明顯低于微孔燒結(jié)體的摩擦因數(shù)。從圖4（b）可以看出，當(dāng)試驗(yàn)溫度在300-700℃范圍內(nèi)時(shí)，浸滲Pb-Sn-0.5RE和Pb-Sn-10Ag-0.5 RE復(fù)合固體潤滑劑的兩種復(fù)合材料磨損率顯著小于微孔燒結(jié)體的磨損率。同時(shí)，在浸滲Pb-Sn-015RE固體潤滑劑的復(fù)合材料中添加適量的軟金屬Ag粉末，在試驗(yàn)溫度大于400℃時(shí)，高溫自潤滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能較好。

圖4高溫自潤滑復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率與溫度的關(guān)系

3結(jié)論

（1）以FeCrWMoV合金粉末為金屬相，TiC粉末為陶瓷相，并以TiH2和CaCO3為復(fù)合造孔劑，采用粉末冶金法燒結(jié)制備微孔基體，浸滲適量的固體潤滑劑后得到具有網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的高溫自潤滑復(fù)合材料。

（2）在燒結(jié)溫度為1230℃，熔滲溫度為800℃、熔滲壓力為5MPa時(shí)，得到的復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和自潤滑性能。

（3）在金屬陶瓷微孔基體中浸滲一定固體潤滑劑后，高溫自潤滑復(fù)合材料既具有高的強(qiáng)韌性和耐磨性，又具有良好的高溫摩擦磨損特性。

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FabricationandTribologicalPropertiesofHigh Temperature Self-lubrication Composites

HAN Ying

（Shandong Yingcai University，School of Mechanical Engineering，Jinan 250104，China）

Metal ceramic microporous matrix was preparedby using FeCrWMoV alloy powder for the metallic phase and TiC powders as ceramic phase，and TiH2and CaCO3as the composite pore-forming material.The composite was prepared by using the powder metallurgy technology.The experimental results show that the composite exhibit goodmechanicalpropertyandself-lubricatingpropertyunderthe condition of sintering temperature at 1230℃ and infiltration temperature at 750℃

self-lubrication，metal ceramics，composite，friction and wear behavior