粉末 冶金 高温金属基固体自润滑材料

粉末 冶金 高温金属基固体自润滑 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 粉末冶金高温金属基固体自润滑材料2010-12-0119:02 粉末冶金高温金属基固体自润滑材料 2008年03月06日12:3803月06日讯1前言 随着现代工业等领域的飞速发展,对于在高温下工作的减摩材料提出了更高的要求,从而使得材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 日益受到重视【1,2】,促进了相应的高温自润滑材料的研制与发展。采用粉末冶金方法制造金属基固体自润滑材料由于在制备工艺,结构组成等方面具有许多独特的优越性, 特别是在改善耐磨可以制造出几乎无偏析、组织均匀和热加工性能良好的材料, 性方面大大优于传统铸造材料【3】,此类材料在高温(包括因滑动摩擦产生的摩 特殊工况下,有着广阔的应用前景。本文从不同角度系统论述了粉末冶金擦热) 高温金属基自润滑材料开发与进展情况,以期为设计、制备和发展具有力学性能和摩擦磨损性能优化组合的高温自润滑材料提供参考。 2高温固体润滑剂特性 对于能在较高温度或高温下工作的减摩材料,必须能够保证高的热强性、抗氧化性和良好的减摩性能,能满足这些要求的只有多元复合材料【4】。粉末冶金高温金属基自润滑材料中的固体润滑剂是以一种结构组元加入到复合材料之中的,固体润滑剂的加入可以改善材料的减摩性能,同时又影响到材料的物理和力学性能。根据润滑剂的性质,它们可以以粉末的形式添加到原始混料中,或者烧结后添加到材料的孔隙中,根据加入的方法不同,润滑剂可以在材料制备过程中,在烧结时与材料基体相互作用,部分或完全转化成新态。如果润滑剂添加到已经烧结过的材料孔隙中,则不起变化。 固体润滑剂现有约1000多种【3】,其润滑机理不尽相同,大致可分为三大类:(一)无机固体润滑剂(1)软金属类,如Pb,Ag等;(2)金属化合物类,如金属氧化物PbO,Bi2O3等,金属氟化物CaF2,BaF2等,金属硫化物MoS2,WS2等,金属氮化物BN等,金属硒化物MoSe2,WSe2等;(3)金属盐类,如无机含氧酸 盐,Zn3(PO4)2等;(4)其他,如石墨。(二)有机固体润滑剂,如PTFE等;(三)复合固体润滑剂,如Mo-MoS2、Ag-PTFE-WSe2等。 但是,其中能够在混入预混合粉中,压制成形后,经受得住高的烧结温度而不丧失润滑者不多。 石墨、MoS2是目前广泛使用的固体润滑材料,其摩擦系数与温度的关系【3】如图1所示,石墨在大气下540?可短期使用,在426?可长期使用,而MoS2在大气压下399?可短期使用,在349?可长期使用,在高温真空条件下,MoS2表现出优异的润滑性能。石墨在干燥气氛中或在真空中会逐渐丧失润滑能力,而在成份中加入MoS2可以使材料在400?以上的真空或干燥气体中工作【5】。 图1石墨与MoS2的摩擦系数---温度的关系 复合材料中加入硫或硫化物时,材料的性能将取决于其与基体相互作用的性质和程度。在烧结加热时,将会伴随着硫化物的全部或部分分解,结果是硫和基体的金属骨架相互作用,因此防止硫化物性能变化将会大大改善材料的最终性能。Wang等用热压烧结方法,制备出MoS2含量达80%的Ni/MoS2自润滑复合材料,并考察了高温摩擦学特性【6】。研究发现【7,8】,一些硫化物可以提高MoS2在金属底材上的成膜能力和抑制MoS2的氧化过程。金属硒化物和碲化物的性能与硫化物相似,在真空和空气中摩擦系数与温度的关系【4\〗如图2所示。在真空中摩擦系数比在气体介质中低,它们的热稳定性,根据成份不同可达400?1350?。氮化硼(BN)具有分层结构的六方晶系,与石墨及MoS2类似,但其与石墨及MoS2相比,具有极好的热稳定性,在900?左右性能仍然稳定,表现出良好的润滑性能。 图2摩擦系数与在空气(a)和真空中(b)工作时温度的关系 金属氟化物作为高温固体润滑剂,引起人们的兴趣。氟化物具有高的化学和热稳定性,在加到复合材料中仍保持着自己的原始性能。研究表明【9】,CaF2和BaF2在500?开始具有润滑特性,在高温下它们具有相当高的抗氧化能力,可以使用至900?仍不发生氧化失效。含氟化物(CaF2或BaF2)的材料,可以保证在无润滑、高载、高温(500?)下工作。 金属氧化物基固体润滑剂,在高温领域中占有非常重要的位置。Peterson曾研究了40多种氧化物及其润滑性。其中PbO是润滑性能最好的一种润滑剂,PbO在常温下的摩擦系数较大,但随温度上升而减小,400?以上显示比MoS2好的润滑性。PbO从370?到480?氧化成Pb3O4,使摩擦系数提高,但到480?以上又变回到PbO,因而PbO连续显示良好润滑性能的温度范围是480?850?。研究发现,ZnO的有效工作温度可达1000?,Cu2O的使用温度达540?。含有金属氧化物(如Ni,Sn,Cu,Pb,Zn等的氧化物)添加剂制造的高温滑动轴承,具有高的耐磨性和润滑能力。提出用金属(Fe,Cu,Ni,Mo)和氧化物MgO,MoO3(3%50%)基材料作高温条件下的活动关节和轴承,这种材料有低的摩擦系数(在高于500?的温度条件下为0.1)。复合氧化物固体润滑材料在高温领域具有相当大的潜力。 目前,新型高温固体润滑剂的开发和研究,仍是高温摩擦学的重要研究方向。Petersonetc.研究表明【10】,某些钼酸盐可在538?以上起润滑作用。高洪光【11】制备了新型固体润滑剂-硫代硫钼酸盐(MMoO2S2),其中M=Zn,Ni,Co,NH4,高温磨损实验表明,从室温至700?高温,其具有明显的减摩效果,在100?300?的摩擦系数为0.15左右,高于400?时约为0.25。 3粉末冶金高温金属基固体自润滑材料的高温摩擦学特性 对于材料在常温下的摩擦磨损问题国内外已经进行了大量研究,但是对于其在高温下的摩擦学问题研究却不多,对于高温磨损机理认识的研究还较欠缺。到目前为止,很多磨损理论涉及到材料的性能时,使用的仍是常温条件下的性能数据。由于温度的作用,必然会显著地影响摩擦与磨损机制的变化,伴随着材料的摩擦系数、耐磨性等摩擦磨损性能的变化。 粉末冶金高温金属基固体自润滑材料的高温摩擦磨损性能取决于基体组织的性质(强度、抗氧化性等)、固体润滑剂(性质、种类、尺寸、形状、体积分数等)以及在摩擦过程所形成的润滑特性,包括膜的性质、厚度、覆盖程度等。一般认为,在450?500?下工作的大多数材料是由铜基和铁基组成;在工作温度高于700?以上时,通常采用镍基,钴基;而当温度高达1200?1300?时,则需采用难熔金属基合金。 在基体金属粉末中加入(或以其它方式)的固体润滑剂可明显改善材料的耐磨性。由于材料本身含有固体润滑剂,在运动时由于热作用和受摩擦,使自身的 固体润滑剂在相对滑动表面形成一层较为稳定的润滑膜,并且靠本身的"自耗"来不断补充和提供固体润滑剂,修复被撕裂或破伤的润滑膜,从而达到润滑和减摩作用,基体金属的硬度等性质不再明显地影响此种复合材料的摩擦学特性,在此条件下,材料的摩擦与磨损主要受到固体润滑剂本身性质的影响。 近年来,这层在滑动中形成的润滑薄膜的性质引起了国际复合材料学界及摩擦学界的关注,进行了大量的理论研究和科学实验工作,测定了该膜的形成及膜的厚度等【1215】,但到目前为止,该润滑膜的形成及破坏和再生过程还未十分清楚。 当固体润滑膜将相对摩擦表面完全分离时,即为完全固体润滑状态。假设薄膜并未影响滑动摩擦表面的摩擦性能或者不存在薄膜(如图3a,b所示)时,则摩擦系数可以写成μm=Im/Hm(1)式中:Im,Hm分别为基体材料的剪切强度,m代表无润滑的基体材料的性能。如果薄膜质较软,具有较低的剪切强度,则会影响滑动摩擦表面的摩擦性能,如图3(c),(d)所示,剪切将发生在膜内部或其他表面,此时摩擦系数为μe=τe/Hm(2)式中:τe为固体润滑膜的剪切强度,e代表未经破断的润滑薄膜的性能。因为固体润滑剂具有较低的剪切强度Imτe,显然μeμm。 图3完全固体润滑时四种表面状态示意图 当固体润滑膜并未完全在摩擦表面间展开时,则复合材料的摩擦系数与表面间薄膜形成的程度有关。在载荷的作用下,实际接触面会发生弹塑性变形而使微凸体互相挤入。此外在某些遭受最大塑性变形或产生局部高温的接触点上,还可能引起薄膜的破坏,而导致金属的实际接触,增加了滑动的阻力。于是滑动的阻力F将来自薄膜的剪切抗力τeαA和互相挤入微凸体"耕犁"作用的抗力τm(1-α)A,即F=τeαA+τm(1-α)A(3)式中:A为总表面积,α为固体润滑膜覆盖的表面分数。将(3)式两边同除W(W=AH),则得到复合材料的摩擦系数μ=F/W=(τeαA+τm(1-α)A)/HmA=ατe/Hm+(1-α)τm/Hm=αμe+(1-α)μmδ表示固体润滑膜覆盖的表面与总表面积的比率,如图4所示,则δ=1-(πd2/4)/(πd2m/4)=1-d2/d2m若d=0,δ=1,μ=μe,即完全固体润滑状态,若d=dm,δ=0,μ=μm,即无润滑状态。Stott【1618】等曾经详细地研究了镍基合金,钴基合金,铁铬基合金在常温和高温下的摩擦磨损行为,发现随着温度的升高,几种合金的摩擦系数和磨损率都发生从高值到较低值的明显转变,这种转变同合金摩擦表面由合金元素 氧化物形成的一层釉化物密切相关。王莹等【19】采用粉末冶金工艺研制的Ni基高温自润滑材料(Ni-Cr-Fe-Mo-Nb-Co-S-B-CeO2)的摩擦学性能如表1所示。 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 认为,其合金在20?和30?起润滑作用的主要是MoS2和元素Cr与S的不定比化合物CrxSy所形成的复合膜,而在500?,600?的高温摩擦过程中,润滑原因是由CrxSy,偶件材料转移物PbWO4及MoO3和NO所形成的复合膜。 图4圆形无润滑膜覆盖区(直径为d)的润滑表面 表1温度对镍合金摩擦磨损性能的影响 图5是Ni/MoS2材料在不同温度下的摩擦系数【6】。随着温度的提高,含40%MoS2的材料摩擦系数显著增大,而MoS2含量为60%的材料摩擦系数仍较低,温度升至400?时仍低于0.1,表明MoS2已在摩擦表面间形成一层连续的润滑膜,改善了摩擦表面的摩擦学特性。通过考察环境温度对不同金属基自润滑复合材料的影响,研究发现,当环境温度从100F(?38?)增至1000F(?538?)时,铁-石墨复合材料的摩擦系数增加0.05【20】,而同样的温度变化,对于Cu-20wt%WS2复合材料,摩擦系数将增加0.1【21】。可以认为,固体润滑剂的颗粒尺寸和体积分数的较小波动,都会导致高温工作材料摩擦系数较大的变化。 图5载荷为5N时摩擦系数与温度的关系 对于高温下工作的自润滑材料,在摩擦过程中,由于摩擦材料组织结构的复杂性,高温作用外部活性介质,以及一系列物理化学过程的进行,材料的高温摩擦磨损特性是相当复杂的。虽然在摩擦学研究领域获得了很大成就,但很多重要问题有待探讨,需要解决的问题包括,材料的显微结构与摩擦磨损性能的关系,在摩擦磨损过程中,材料的物理机械性能的作用,润滑添加剂的润滑机理,摩擦产物的物理状态及其在摩擦过程中的性质,材料高温摩擦磨损模型的建立等。 4粉末冶金高温金属基固体自润滑材料的研制与应用 关于粉末冶金高温金属基固体自润滑材料的研究正在快速发展,并取得了较为成功的应用,被广泛应用于航空,航天,机械工业等诸多领域。 镍,钴是高温自润滑合金中常用的基材,占有特殊重要的地位,镍基合金在500?以上仍具有优良的机械性能,能在高温,高应力下工作【22】,而且镍表面易被氧化形成具有较好可塑性和附着性的NiO层,有利于减少磨损,同时本身也是一种高温固体润滑剂,镍基高温自润滑合金的研究十分引人注目。中国科学院兰州化学物理研究所【19,23】先后进行了较为系统的研究,采用PM工艺,中频励磁感应加热高温快速热压成形法研制出几种含硫和不含硫的Ni基合金高温自润滑材料,取得满意效果,可望成为制造先进内燃机摩擦部件等的材料。 Ni-Cu固溶体具有良好的抗腐蚀性能和抗冷变形性能,具有相当高的强度和耐热性。以镍铜为骨架,石墨为固体润滑剂,经PM复压复烧方法制成的高温自润滑材料,作为高温轴承保持架能满足核反应堆驱动机构,对轴承的各项技术要求,并已在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中获得了实际应用【24】。 银基自润滑材料具有低摩擦系数,接触电阻小而稳定和高电导率。银-石墨复合材料广泛用于电接触零件,电刷,轴瓦,滑块,触点和化学溶液中的衬套等【2526】。Ag-MoS2系自润滑复合轴承材料可在超高真空,强辐射等工况下使用。Ag-Ta-MoS2-石墨系自润滑电刷材料,可用于宇宙空间电力输送与信号传递机构【27】。 以金属氟化物作为固体润滑剂的铁基材料,在无润滑或真空条件下,能够在高载荷和较高温度下工作,因此这种材料可用于连续铸锭设备轴承等。铁-石墨-钼材料可实现高温,无润滑摩擦,具有很低摩擦系数。如铁-3%石墨-15%钼复合材料制作的精密电机轴承,可实现在400?温度下无润滑摩擦(28)。 铜基自润滑材料在氧化性气氛下的使用温度可达300?,在非氧化性气氛下的使用温度可达927?。Cu-石墨材料被广泛用于制造滑动轴承,密封材料,电刷等。在铜或含锡的铜合金中加入20%WS2可降低摩擦系数,并可降低在空气中和在达600?真空下的磨损。在铜-4%10%锡-2%15%镍的复合材料中加入达25%WS2使材料有很高的耐磨性,而且在400?500?工作温度下具有自润滑能力【29】。 钼-二硫化钼,钽-二硫化钽系自润滑复合材料在高温轴承领域也得以应用。MoS2-W-Mo-Nb-Ta自润滑材料作为制冷机高温段(950K)导向环材料已获得成功应用,该材料还可用于高真空滚动轴承保持架,高温动密封等。在高温腐蚀性气体或液体介质中,经常采用不锈钢基烧结复合材料【30】。 在制备自润滑复合材料中,常加入各种组合添加剂,以改善材料的减摩性能。如把石墨同MoS2一起加入到Fe、Cu、Ni、Co或其它合金中;将不同数量(1%40%)的MoS2,WS2加入Cu、Ni、Co或其它金属基合金中;在铜锌合金和锡青铜合金中加入硫化铜(110%)、石墨(1%4%)和硫化铁(1.5%5%),等等。研制的新型钢背-Cu-Sn-P-Pb-石墨轴承材料,由于其材料本身合金结构稳定性和石墨的润滑作用,在高载荷,高温特殊工况下显示了比传统的铜铅合金更好的摩擦磨损性能【31】。 含Fe(918%)的Cu合金可含(10%40%)的氟化钙、氟化钠等氟化物,在含10%18%Cr或1%25%Fe添加剂的Ni基合金中也可加入7%15%的氟化物(Ca,Cr或Ba的氟化物),Ni,Cr基合金骨架中可浸渍CaF2-BaF2共溶体。最近研究表明【32】,在Ni基合金中添加适量的稀土氟化物或混合稀土氟化物,可以获得高强度和优异摩擦磨损性能相结合的高温自润滑复合材料。 研制开发粉末冶金高温金属基固体自润滑材料,必须根据具体的工作条件,合理的选择材料基体和润滑添加剂,并确定它们的最佳含量。然而,对有关此类复合材料的高温摩擦学特性以及机理等方面的认识仍远远不足,涉及具体实际应用,仍需详细的工程数据以及(或者)解决生产与设计方面的问题。因此,全面系统地研制和开发粉末冶金高温金属基固体自润滑材料,发挥其潜在的优越性,仍需要进一步地探索和实践。 2010-12-0119:02|