金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料研究現(xiàn)狀及展望

胡艷艷　劉耀　張建波　胡美俊　陳婷婷

摘要：

隨著當(dāng)今世界工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料因其獨(dú)特的潤(rùn)滑性能受到廣泛的關(guān)注，成為潤(rùn)滑領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向.介紹了金屬基固體自潤(rùn)滑材料的主要制備方法和特點(diǎn)以及固體潤(rùn)滑劑的主要種類、制備方法和特性，總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)銅基、鋁基、鎳基、銀基和鐵基等金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的研究進(jìn)展，并對(duì)金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望.

關(guān)鍵詞：

金屬基； 自潤(rùn)滑材料； 固體潤(rùn)滑劑； 研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)： TB 331文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：

With the development of world industrialization process，the metalmatrix solid selflubricating composites as an important research direction in the field of lubrication have caused great attention due to their unique lubricity.This paper introduces the main preparation methods and the characteristics of the solid lubricant，the main types，preparation methods and characteristics of the metalmatrix solid selflubricating composites.The research progress of copperbased，aluminumbased，nickelbased，silverbased and ironbased solid selflubricating composites were summarized in recent years.Finally，the future development of metal matrix solid selflubricating composites were discussed.

Keywords：

metal matrix； selflubricating composites； solid lubricant； research progress

在軍事、航空和汽車等工程領(lǐng)域中，齒輪等機(jī)械零件之間相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致了大量機(jī)械的故障和失效，給工業(yè)生產(chǎn)造成了重大損失[1-3].據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)工程領(lǐng)域中，因摩擦磨損而導(dǎo)致的機(jī)械失效，占零件失效總量的60%～80%；因摩擦磨損導(dǎo)致的能量損失，達(dá)到能量消耗總量的30%～50%[4].為了滿足各種復(fù)雜工況條件下的工業(yè)生產(chǎn)，減少機(jī)械零件間的摩擦磨損行為，改善潤(rùn)滑條件成為了重中之重.在各工程領(lǐng)域中，液體潤(rùn)滑劑是應(yīng)用最廣泛的改善機(jī)械零件間潤(rùn)滑性的方式[5].然而，在某些真空、高溫和重載等苛刻工況條件下，傳統(tǒng)的液體潤(rùn)滑劑已經(jīng)無(wú)法滿足機(jī)械零件的潤(rùn)滑需要.為了解決此類潤(rùn)滑問(wèn)題，金屬基固體自潤(rùn)滑材料逐漸受到研究者們的青睞.

金屬基固體自潤(rùn)滑材料是指采用熔煉、鑄造等方法，將固體潤(rùn)滑劑加入到金屬基體中形成復(fù)合材料.該類材料既保留了基體金屬的性質(zhì)，也賦予了固體潤(rùn)滑劑的優(yōu)良性能.在摩擦磨損過(guò)程中，表面發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)形成潤(rùn)滑膜，具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能[6].

本文從不同角度詳細(xì)論述了金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)與進(jìn)展，以期為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)其力學(xué)性能與摩擦磨損性能良好匹配的金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料提供參考和借鑒.

1材料的主要制備方法

目前，制備金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的方法主要包括粉末冶金法、鑄造法、半固態(tài)成形法、浸滲法和表面技術(shù)制備法等.主要制備方法及其特點(diǎn)如表1[7-8]所示，其中，粉末冶金法是當(dāng)前制備金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料最流行的制備方法.該方法可以靈活地調(diào)整成分設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)，在改善耐磨性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的鑄造材料[9].半固態(tài)成形是未來(lái)開(kāi)發(fā)制備固體自潤(rùn)滑材料的發(fā)展方向，相對(duì)傳統(tǒng)的粉末冶金法和鑄造法，采用半固態(tài)成形制備的復(fù)合材料能夠獲得傳統(tǒng)制備方法難以企及的綜合性能，具有巨大的研究潛力.但是，目前半固態(tài)成形方法在成形過(guò)程中對(duì)漿料形核、長(zhǎng)大機(jī)制以及制備過(guò)程中溫度場(chǎng)的控制等仍需進(jìn)一步的研究[10].浸滲法制備的材料與預(yù)制件的質(zhì)量息息相關(guān)，預(yù)制件的質(zhì)量受黏結(jié)劑、造孔劑和燒結(jié)工藝等因素影響較大，需要大量的探索，工藝較為繁雜.

2固體潤(rùn)滑劑及特性

固體潤(rùn)滑劑的選擇對(duì)金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的性能影響至關(guān)重要，固體潤(rùn)滑劑的性能與制備和金屬基固體潤(rùn)滑復(fù)合材料的性能息息相關(guān).部分固體潤(rùn)滑劑的性能如表2[11]所示.

目前，在金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料中廣泛使用的固體潤(rùn)滑劑主要分為以下4類：

（1） 軟金屬潤(rùn)滑劑，如Ag、Pb、Cr等.通常對(duì)于這類潤(rùn)滑劑采用表面技術(shù)等方法在摩擦材料表面形成潤(rùn)滑膜，以提高材料的摩擦磨損性能[12].該類潤(rùn)滑劑經(jīng)濟(jì)性較差，且對(duì)材料潤(rùn)滑性能提高有限.

（2） 陶瓷固體潤(rùn)滑劑，如Al2O3、TiC等.該類材料具有較大的硬度、剛度和較好的化學(xué)穩(wěn)定性，適用于制備高強(qiáng)度的金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料[13].

（3） 石墨潤(rùn)滑劑.石墨潤(rùn)滑劑具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，在各類潤(rùn)滑領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注和大量深入的研究.由于石墨與各類金屬基體之間的潤(rùn)濕性較差，制備石墨/金屬基自潤(rùn)滑材料通常需要將石墨進(jìn)行金屬化改性，以改善兩者之間的潤(rùn)濕性，提高材料的摩擦磨損性能[14-15].

（4） 金屬陶瓷固體潤(rùn)滑劑，如Ti3AlC2、Ti3SiC2等.金屬陶瓷材料兼具金屬和非金屬陶瓷的特性，既能與各類金屬基體保持良好的潤(rùn)濕性，又具有類似石墨的優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[16-18].

固體潤(rùn)滑劑的添加量對(duì)復(fù)合材料的性能主要有兩方面的影響：一方面是影響復(fù)合材料的硬度、彎曲強(qiáng)度和壓潰強(qiáng)度等力學(xué)性能；另一方面是影響復(fù)合材料的摩擦因數(shù)、磨損量等摩擦磨損性能.以石墨為例，如圖1[19]所示.圖1為石墨含量對(duì)銅基復(fù)合材料硬度的影響，可以看出，隨著石墨含量的增加，材料的硬度逐漸下降.這是因?yàn)樵谥苽溥^(guò)程中，石墨顆粒會(huì)發(fā)生團(tuán)聚等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的孔隙率增加，致密度下降，從而引起材料的硬度下降.

圖2[19]為不同載荷下石墨含量對(duì)合金摩擦因數(shù)的影響.在低載荷下，材料的摩擦因數(shù)隨著石墨含量的升高而降低；隨著載荷升高，材料的摩擦因數(shù)隨著石墨含量的增加先升高后降低.這是因?yàn)殡S著石墨含量的增加，材料的致密度下降，孔隙率升高.在高載荷工況下服役時(shí)，孔隙率高的材料摩擦表面形成的潤(rùn)滑膜致密度較差，材料潤(rùn)滑性欠佳，從而導(dǎo)致材料的摩擦磨損性能下降.

3常見(jiàn)金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料

基體金屬的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和高溫性能不但對(duì)金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的綜合性能影響顯著，同樣也對(duì)復(fù)合材料的摩擦磨損性能影響巨大.目前，研究和應(yīng)用廣泛的固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料金屬基體有銅基、鋁基、鎳基、銀基和鐵基等.

3.1銅基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料

銅基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料既能保持銅基體優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力和良好的耐腐蝕性等綜合性能，又能容納固體潤(rùn)滑劑特有的潤(rùn)滑性能，廣泛應(yīng)用于電接觸材料、受電弓板材料等[20].

甄文柱等[21]以MoS2和Cu復(fù)合粉體為原料，采用等離子噴涂技術(shù)制備MoS270Cu復(fù)合涂層，并對(duì)材料進(jìn)行真空摩擦磨損試驗(yàn).研究表明，材料在真空環(huán)境下的磨損機(jī)制主要以脆性斷裂和疲勞磨損為主.隨著滑動(dòng)速率和載荷的增加，涂層會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象，更容易形成致密的自潤(rùn)滑層，從而降低摩擦因數(shù).陳歲元等[22]以霧化銅粉為基體，以Al2O3、石墨和MoS2等為強(qiáng)化相，采用粉末冶金方法制備銅基自潤(rùn)滑復(fù)合材料.研究表明，強(qiáng)化相提高了基體的強(qiáng)度硬度，同時(shí)在摩擦磨損的過(guò)程中，形成了致密的自潤(rùn)滑膜，實(shí)現(xiàn)了自潤(rùn)滑與力學(xué)性能的良好匹配.尹延國(guó)等[19，23-24]采用粉末冶金方法制備了銅基石墨固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料.結(jié)果表明，溫度對(duì)復(fù)合材料的耐磨性影響較大，采用合適的工藝可以提高復(fù)合材料的服役溫度.NGAI等[25]以鍍銅Ti3SiC2粉末和銅粉為原料，采用熱壓燒結(jié)—軋制方法制備自潤(rùn)滑復(fù)合材料，通過(guò)調(diào)整工藝獲得了高強(qiáng)度、高密度并具有較低的摩擦因數(shù)和電阻率的復(fù)合材料.

3.2鋁基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料

鋁基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有優(yōu)良的摩擦磨損性能，同時(shí)兼具質(zhì)量輕、價(jià)格低和耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一.研究表明，在相同條件下，鋁基比青銅基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有更高的壽命和許用pv值，因此非常適合作為金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料室溫至中高溫度段中的基體材質(zhì)[26-27]，廣泛應(yīng)用于汽車活塞、軸瓦等[28].

丁志鵬等[29]采用無(wú)壓浸滲法制備碳納米管/鋁基復(fù)合材料，通過(guò)顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)碳納米管分布均勻，復(fù)合材料組織性能良好，在低碳納米管材料中，隨著碳納米管含量的增加，其摩擦磨損性能顯著升高.陳庚等[30]采用機(jī)械超聲混合攪拌的方法制備Mg2B2O5/6061Al復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在摩擦磨損過(guò)程中，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度小，在一定的摩擦速率和載荷下，能夠起到穩(wěn)定的減摩作用.GUPTA等[31]采用冷壓燒結(jié)的方法制備了不同成分的Ti3SiC2/Al復(fù)合材料.研究表明，在Ti3SiC2含量較低時(shí)，Ti3SiC2對(duì)材料起彌散強(qiáng)化作用，材料的力學(xué)性能顯著提高；同時(shí)，Ti3SiC2對(duì)材料摩擦磨損性能具有顯著增益效果.XU等[32]研究了摩擦速率對(duì)Ti3SiC2/TiAl復(fù)合材料自潤(rùn)滑性能的影響.研究發(fā)現(xiàn)，材料的自潤(rùn)滑性能與材料表面的氧化層致密度有關(guān)，氧化層所占摩擦表面的百分比越大，材料的自潤(rùn)滑性能越好.

3.3鎳基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料

鎳基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料既繼承了鎳本身的高熔點(diǎn)，又保留了固體潤(rùn)滑劑良好的潤(rùn)滑性能，成為高溫機(jī)械、化工和航空航天等高溫腐蝕領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的材料[33].

ZHANG等[34]采用反應(yīng)燒結(jié)的方法制備了Ni3AlhBNAg復(fù)合涂層.該涂層具有力學(xué)性能和摩擦磨損性能的良好匹配，其服役溫度高于800 ℃，同時(shí)，該涂層還能避免金屬間化合物所產(chǎn)生的脆性.HU等[35]采用原位燃燒合成的方法制備了（TiCTiB2）Ni/TiAl/Ti梯度復(fù)合材料.研究表明，在摩擦磨損的過(guò)程中，摩擦面上形成了耐高溫的致密氧化層，隨著摩擦溫度的升高，材料仍能保持一個(gè)較低的摩擦因數(shù)和磨損失重.?？烧萚36]采用粉末冶金法制備了Si/SiCNi復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行銷盤摩擦試驗(yàn).研究表明，在低溫下，材料的自潤(rùn)滑性能變化不大；當(dāng)溫度高于300 ℃時(shí)，材料的摩擦磨損性能顯著改善.趙海軍等[37]采用復(fù)合電鑄技術(shù)制備了石墨/鎳基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)材料的摩擦磨損性能隨著石墨含量的增加而升高.當(dāng)石墨含量達(dá)到臨界值時(shí)，摩擦磨損性能趨于穩(wěn)定；隨著石墨含量繼續(xù)增加，材料磨損失重顯著升高.

3.4銀基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料

銀基體本身具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和摩擦磨損性能.通過(guò)引入固體潤(rùn)滑劑能夠在極小降低導(dǎo)電性能的前提下，進(jìn)一步提高材料的摩擦磨損性能，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性能和自潤(rùn)滑性能的優(yōu)良匹配.但是，經(jīng)濟(jì)性較差是制約其廣泛使用的主要原因之一.銀基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航天器發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵軸承、超導(dǎo)裝置等[38].

CHEN等[39]采用粉末冶金法制備了銀基石墨和MoS2自潤(rùn)滑復(fù)合材料，并進(jìn)行了大氣和真空中摩擦磨損的研究.結(jié)果表明，隨著固體潤(rùn)滑劑含量的增加，材料摩擦性能有所提高，在真空中摩擦因數(shù)和磨損失重增加量高于大氣中的增加量，但仍具有較好的自潤(rùn)滑性能.張敏等[40]采用粉末冶金法制備了碳納米管銀石墨復(fù)合材料，研究了電流對(duì)材料自潤(rùn)滑性能的影響.發(fā)現(xiàn)材料在帶電磨損過(guò)程中的失重大于干摩擦失重，這是由于電流對(duì)摩擦表面氧化層的破壞導(dǎo)致的.馬超等[41]以短碳纖維、特種短碳纖維和MoS2為原料，制備了短碳纖維增強(qiáng)銀基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料.研究表明，采用特種短碳纖維制備的復(fù)合材料不但能夠獲得良好的自潤(rùn)滑性能，還具有較高的力學(xué)性能.

3.5鐵基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料

鐵基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有經(jīng)濟(jì)性較好，強(qiáng)度、硬度高，并有一定的高溫性能等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軸承、齒輪等工程零件.

采用粉末冶金法制備鎳包覆石墨鐵基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料.研究表明，包覆層可顯著提高材料的力學(xué)性能和潤(rùn)滑性能，材料的服役溫度可高達(dá)500 ℃[42-43].匡加才等[44]采用原位合成法制備了（TiB2+Fe2B）/鐵基復(fù)合材料，經(jīng)熱處理后，固體潤(rùn)滑劑顆粒均勻化，材料的切削磨損能力顯著提高.成小樂(lè)等[45]采用粉末冶金真空燒結(jié)法制備WC/45鋼復(fù)合材料.研究表明，采用溫壓燒結(jié)的材料能夠避免材料內(nèi)部的孔隙，提高材料的致密度，從而提高材料的力學(xué)性能和摩擦磨損性能.

4結(jié)論

由金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的性能特點(diǎn)和工業(yè)工程上的應(yīng)用可以看出，隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料在各個(gè)工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是未來(lái)潤(rùn)滑技術(shù)發(fā)展的主要方向之一.但是，當(dāng)今金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的發(fā)展仍存在一些不足之處亟需解決.

（1） 固體潤(rùn)滑劑與基體的結(jié)合問(wèn)題.當(dāng)前大多數(shù)的固體潤(rùn)滑劑與基體金屬之間的相容性較差，用常規(guī)方法制備金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料，易導(dǎo)致固體潤(rùn)滑劑與基體結(jié)合界面缺陷大、結(jié)合力差，這將導(dǎo)致材料在摩擦磨損過(guò)程中摩擦面上難以形成完整的潤(rùn)滑膜.要獲得界面結(jié)合良好的金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料，往往需要采用固體潤(rùn)滑劑金屬化等工藝來(lái)改善，這勢(shì)必提高工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)的成本，阻礙金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的應(yīng)用與推廣.

（2） 固體潤(rùn)滑劑在基體內(nèi)易發(fā)生偏聚.高含量的固體潤(rùn)滑劑在制備過(guò)程中易發(fā)生偏聚，從而引發(fā)材料內(nèi)部孔隙率升高、密度減小、力學(xué)性能下降，最終引發(fā)磨損量上升，嚴(yán)重影響材料的使用壽命.因此，需要研究開(kāi)發(fā)新工藝、新材料以降低復(fù)合材料內(nèi)部偏聚等缺陷.

（3） 探索新型固體潤(rùn)滑劑.相對(duì)于傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油，固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的潤(rùn)滑性能仍無(wú)法達(dá)到潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的效果.因此需要進(jìn)一步深入研究金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)制，構(gòu)建摩擦磨損模型，完善摩擦磨損理論，開(kāi)發(fā)新型的固體潤(rùn)滑劑，以期實(shí)現(xiàn)甚至超越液體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果.

（4） 苛刻的工況環(huán)境對(duì)材料提出更高的要求.隨著工業(yè)化、現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，在軍事、航空航天和交通等領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊蟾鼮閲?yán)格.要求材料在高溫、高磁、高速和強(qiáng)電流等工況下具有更高的使用壽命、承載能力、耐腐蝕性、高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等.

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（編輯：丁紅藝）