（机械设计及理论专业论文）高温发汗润滑层制备及其功能控制机理研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 高温发汗自润滑材料是依据生物发汗原理设计制备的一种新型高温自润滑 材料。制备时，首先采用粉末冶金工艺烧结具有贯通孔隙微结构特征的耐磨、 高强度金属陶瓷基体，再采用熔渗工艺向基体中加入复合润滑体在其表层形成 一定厚度的润滑层。工作时，润滑层孔隙中的润滑体在温度摩擦热应力的耦合 作用下析出和富集在摩擦表面而形成润滑膜。显然，该材料的摩擦学特性取决 于其润滑层组分设计、制备工艺及微观结构特征。为此，本文在国家自然科学 基金( 5 0 2 7 5 1l o ) 的资助下开展了润滑层熔渗制备工艺、摩擦学特性及其润滑控制 的研究，其主要内容如下： 基于复合润滑体与基体材料的润湿性和互溶性要求，开展了润滑体合金的 组分设计；通过润湿性及摩擦学试验研究了润滑体合金的润湿和润滑性能，实 现了复合润滑体的最优组分设计，探讨了提高发汗润滑层深度的技术途径。 基于设计出的复合润滑体，采用感应加热真空压力熔渗工艺制备出高温发 汗润滑层；并应用扫描电镜和能谱仪分析了润滑层微观结构及润滑体元素分布； 应用有限元a p d l 编程语言建立了具有随机孔隙分布和填充特征的润滑层等效 导热系数计算模型，研究了润滑层等效导热系数及其影响因素。 开展了高温发汗自润滑摩擦学试验，对磨损表面形貌和成分进行了微观研 究，探讨了高温摩擦过程中，摩擦表面润滑体析出及润滑膜形成、破坏、再形 成的动态过程。 建立了高温发汗润滑元胞自动机模型，并据此研究了高温发汗自润滑材料 的动态摩擦过程，探讨了摩擦系数、表面形貌、接触应力及摩擦温度场的演变 规律，研究为高温发汗自润滑过程的动态预测提供理论基础。 通过润滑膜覆盖率及工况因素对高温发汗润滑性能影响的研究，建立了高 温发汗润滑膜覆盖率预测模型，实现了以摩擦表面粗糙度、熔渗孔隙率、润滑 层深度及材料热膨胀系数、工作温度为自变量的高温发汗润滑膜覆盖率的预测。 该研究有助于实现基于工况因素、材料参数和润滑层深度的润滑控制。 关键字：高温发汗自润滑，润滑层，润滑膜覆盖率，动态摩擦过程 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t h i 曲t e m p e r a t u r eg l a n d l u b r i c a t i n gc o m p o s i t ei san e wt y p eo fh i 曲t e m p e r a t u r e s e l f - l u b r i c a t i n gm a t e r i a l ，w h i c hi sd e s i g n e db a s e do nt h eh u m a n sg l a n ds w e a t i n g m e c h a n i s m t h ea n t i w e a ra n dh i 曲s t r e n g t hm e t a lc e r a m i cs u b s t r a t e 埘t 1 1 i n t e r p e n e t r a t i n gm i c r o - p o r e si sf i r s t l ym a n u f a c t u r e d ，a n dt h e nt h el u b r i c a n t sa l e i n f i l t r a t e di n t ot h em i c r o - p o r e st of o r mac e r t a i nt h i c k n e s so fl u b r i c a t i n gl a y e r i nt h e f r i c t i o np r o c e s s ，t h el u b r i c a n t sa r ed r i v e no u tf r o mt h ep o r e si nl u b r i c a t i n gl a y e ru n d e r t h ec o u p l i n ge f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n df r i c t i o nt h e r m a ls t r e s s ，a n de n r i c ho nt h e f r i c t i o ns u r f a c ea n dt h u st h el u b r i c a t i o nf i l mi sd e v e l o p e d o b v i o u s l y ，t h el u b r i c a t i n g p e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t ed e p e n d so ni t sl u b r i c a t i n gl a y e rc o m p o n e n t sd e s i g n ， p r e p a r a t i o np r o c e s sa n dm i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h e m e l t - i n f i l t r a t i o np r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fl u b r i c a t i n gl a y e r , l u b r i c a t i o nm e c h a n i s m a n dl u b r i c a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yw e r ec o n d u c t e d ，w h i c hw e r es u p p o r t e df i n a n c i a l l y b yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 2 7 5 110 ) t h er e s e a r c hc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： t h ec o m p o n e n td e s i g no fl u b r i c a n t s a l l o yw a sc a r r i e do u tb a s e d o l lt h e w e t t a b i l i t ya n ds o l u b i l i t yo fs o l i dl u b r i c a n t sa n ds u b s t r a t em a t e r i a l 1 1 1 ew e t t i n ga n d l u b r i c a t i n gp r o p e r t i e s o fl u b r i c a n t sa l l o yw e r es t u d i e db yw e t t a b i l i t yt e s ta n d t r i b o l o g i c a le x p e r i m e n t s t h eo p t i m a lc o m p o n e n td e s i g no fl u b r i c a n t sa l l o yw a s r e a l i z e da n dt h et e c h n o l o g yo fi m p r o v i n gt h et h i c k n e s so fg l a n d l u b r i c a t i n gl a y e rw a s d i s c u s s e d t h eh i g ht e m p e r a t u r eg l a n d - l u b r i c a t i n gl a y e ri sp r e p a r e db yv a c u u m - p r e s s u r e e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nm e l t i n gi n f i l t r a t i o np r o c e s s ，b a s e d o nt h ed e s i g no f c o m p o s i t el u b r i c a n t sa l l o y t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dt h el u b r i c a n t sd i s t r i b u t i o nw e r e a n a l y z e db yt h em e t h o d so fs e ma n dx r d a n e wt h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lo ft h e e f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yp r e d i c t i o no fh i 曲t e m p e r a t u r eg l a n ds e l f - l u b r i c a t i n g c o m p o s i t ei sd e v e l o p e db ya p d l b a s e do nt h em i c r o s t r u c t u r e sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o m p o s i t e ，a n dt h ee f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f t h el u b r i c a t i n gl a y e ri ss t u d i e d t h eh i 曲t e m p e r a t u r es w e a t i n ga n ds e l f - l u b r i c a t i n gt r i b o l o g i c a le x p e r i m e n t sw e r e 武汉理工大学博士学位论文 c a r r i e do u ta n dt h ew e a rs u r f a c em o r p h o l o g ya n dc o m p o s i t i o nw e r ea n a l y z e d i nt h e 1 1 i g ht e m p e r a t u r ef r i c t i o n a lp r o c e s s ，t h ep r e c i p i t a t i o no fl u b r i c a n t sa n dt h ed y n a m i c p r o c e s so fl u b r i c a t i o nf i l m sf o r m a t i o n - d e s t r u c t i o n - r e f o r m a t i o nw e r es t u d i e d t h eh i g ht e m p e r a t u r es w e a t i n ga n dl u b r i c a t i n gc e l l u l a ra u t o m a t am o d e lw a s e s t a b l i s h e da n da p p l i e dt oa n a l y s i st h ed y n a m i cf r i c t i o n a l p r o c e s so ft h eh i 9 1 l t e m p e r a t u r es w e a t i n ga n ds e l f - l u b r i c a t i n gm a t e r i a l s t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，s u r f a c e m o r p h o l o g y , c o n t a c ts t r e s sa n df r i c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nw e r es t u d i e d t h er e s e a r c hp r o v i d e dt h et h e o r e t i cb a s i sf o rt h e d y n a m i cp r e d i c t i o no fh i 曲 t e m p e r a t u r es w e a t i n ga n ds e l f - l u b r i c a t i n gp r o c e s s t h ep r e d i c t i o nm o d e lo ft h ec o v e rr a t eo fl u b r i c a t i o nf i l mw a sd e v e l o p e db a s e d o nt h es t u d yo ft h ec o v e rr a t eo fl u b r i c a t i o nf i l ma n dt h ee f f e c t so fw o r k i n gc o n d i t i o n o nt h el u b r i c a t i n gp e r f o r m a n c e ，w h i c hw a sc h a r a c t e r i z e db yf r i c t i o ns u r f a c e r o u g h n e s s ，w e l dp e r m e a b i l i t yp o r o s i t y , l u b r i c a t i n gl a y e rt h i c k n e s s ，m a t e r i a lt h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dw o r k i n gt e m p e r a t u r e t h em o d e lc a nn o to n l yp r e d i c tt h e o v e rr a t eo fl u b r i c a t i o nf i l m ，b u ta l s ob eh e l p f u lt or e a l i z et h el u b r i c a t i o nc o n t r o l b a s e do nw o r k i n gc o n d i t i o n ，m a t e r i a l sp a r a m e t e r sa n dt h i c k n e s so fl u b r i c a t i n gl a y e r k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r eg l a n d - l u b r i c a t i o n ，g l a n d - l u b r i c a t i i n gl a y e r ，l u b r i c a t i n g f i l mc o v e rr a t e ，d y n a m i cf r i c t i o nm o d e l 武汉理工大学博士学位论文 第1 章引言 随着现代科学技术的发展，许多高端装备摩擦副工作在高温、高压等极端 工况条件下。例如，近年来出现的绝热发动机，其运动部件的工作温度大于6 5 0 ；在燃气冶炼的高温热风炉中，其燃烧阀轴承工作温度也在6 0 0 以上。显然 在此环境下，普通的润滑油、润滑脂已不适用。 二十世纪五十年代初，为满足高温、高速和高负荷工况条件下润滑的要求， 国内外摩擦学家对高温固体润滑剂进行了大量研究，开发出包括软金属、硫化 物、氟化物、氧化物及无机盐在内的数十种高温固体润滑剂，其中p b o 和c a f 2 的高温润滑性能最为优削1 。3 】；研究发现，虽然单一成分的固体润滑剂具有高温 润滑减摩作用，但往往只在一定温度范围内适用，除p b o 等少数氧化物能在较 宽温度范围内具有润滑性外，大部分氧化物作为润滑剂时，适用温度范围较窄； 这些固体润滑剂在高温条件下的抗氧化及润滑性能比较好，但在低温条件下的 摩擦系数往往很高 4 1 ；如m o s 2 和石墨等固体润滑剂在高温下容易氧化而失效， 失去润滑性能。因此，研究高温特别是在宽温度范围内具有良好减摩耐磨性能 的复合固体润滑剂及高温自润滑材料成为研究热点。 1 1 高温固体润滑剂的应用现状 润滑剂一般分为液体润滑剂和固体润滑剂。在高温下使用时，大部分液体 润滑剂的粘性随温度升高呈指数下降，承载性能变差，从而造成摩擦副表面微 凸体直接接触，使摩擦和磨损状况恶化；同时高温下大部分润滑剂还会发生氧 化变质，并沉积在表面，造成其润滑性能的降低。相对液态润滑剂而言，固态 润滑剂具有承载能力高、高温化学稳定性好等优点，从而保证了在高温、高压、 辐射等极端条件下具有良好的润滑性能。通过不同制备工艺将固态润滑剂加入 金属或陶瓷基体材料中制备成复合材料。摩擦过程中，固态润滑组元易拖敷在 摩擦表面形成连续的固态润滑膜、从而保证了制备材料的自润滑性能，成为改 善金属材料及陶瓷摩擦副摩擦学特性的重要途径。 1 1 1 常用高温固体润滑剂工程性能 固体润滑剂的种类繁多，不同固体润滑剂的润滑机理也不尽相同。大致可 武汉理工大学博士学位论文 以分为软金属类、金属化合物类、无机物类和有机物类等几种【5 ，6 1 。 软金属类固体润滑剂主要有p b ，s n ，i i l ，z n ，b a ，a g ，a u 等，该类润 滑剂具有其承载能力高，耐辐射等优点，故广泛应用在航空、航天等真空、高 温等条件下。高温摩擦过程中，软金属润滑剂由于熔点较低，在环境温度和摩 擦热共同作用下通常处于熔融状态，从而使摩擦副具有类似流体润滑，导致摩 擦系数下降。 金属化合物类固体润滑剂金属化合物固体润滑剂的种类较多，许多金属 的氧化物、卤化物、硒化物、硫化物、磷酸盐、硫酸盐和有机酸盐都可以作为 固体润滑剂。 金属氧化物固体润滑剂，在高温固体润滑剂当中具有十分重要的位置。摩 擦副在高温下摩擦时，都会发生氧化在其表面形成氧化物膜，这些氧化物膜进 而影响摩擦副的摩擦磨损性能。以p e t e r s o n 为代表的学者对多种氧化物及其润滑 性进行了研究，研究发现p b o 、m 0 0 3 、w 0 3 、z n o 、v 2 0 3 、b 2 0 3 、r c 2 0 7 等熔 点比较低的氧化物能在高温下变软，因而具有润滑作用。其中p b o 是润滑性能 最好的一种高温润滑剂。虽然在常温下的摩擦系数比较大，当加热到4 0 0 。c 以上 时其润滑性能优于m o s 2 。从3 7 0 。c 到4 8 0 。c 氧化成p b 3 0 4 ，导致摩擦系数上升， 4 8 0 以上又重新生成p b o ，因而在4 8 0 8 5 0 宽温度带内显示出良好的高温润 滑性能。如图1 1 所示，除了p b o 等少数氧化物固体润滑剂外，其他大部分金 属氧化物的适用温度范围都很窄。 基 o 兰u g 慵 旨 兰删 “ 一 褂 一 _ 一 绀增 t 锄p c 髓l 眦岬) 图1 1 氧化物固体润滑剂在不同温度下的摩擦系数 f i g 1 1t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f o x i d e sl u b r i c a n t sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 2 武汉理工大学博士学位论文 p e t e r s o n 等【7 】研究发现，氧化物与金属硬度比小于2 时，摩擦系数会出现转 折点，摩擦系数和其熔点与环境温度之差呈正比关系。 金属卤化物固体润滑剂有c a f 2 、b a f 2 、c c f 3 、l a f 3 、c d c l 2 、c o c l 2 等。金 属氟化物由于具有较好的化学和热稳定性，在复合材料中仍保持其原始性能成 为优良的高温固体润滑剂。c a f 2 和b a f 2 在5 0 0 开始具有润滑特性，在高温下 具有优良的抗氧化能力，在9 0 0 。c 仍不发生氧化失效。 金属硫化物固体润滑剂有m o s 2 、f e s 等。m o s 2 层状的晶体结构赋予其良好 的润滑性能。但在高温下大气中时，m o s 2 会发生氧化而失效，只能在5 0 0 以 内使用。 金属硒化物固体润滑剂有w s c 2 、m o s c 2 、n b s e 等，金属硒化物和碲化物的 性能与硫化物比较相似。氮化硼( b n ) 具有与石墨及m o s 2 类似的分层结构， 但具有更好的热稳定性，在9 0 0 左右仍表现出良好的润滑性能。 无机物类固体润滑剂有石墨、氟化石墨、玻璃等。石墨和m o s 2 一样，在大 气中高温下使用时易氧化失效。可长时间在低于4 2 6 c 环境中工作，可在大气下 5 4 0 环境中只能短期使用。 可以看出，大多数的固体润滑剂往往只是在某一较窄的温度范围内具有润 滑效果，因此，采用两种或两种以上的固体润滑剂通过组分设计和复配，使它 们的润滑性能发生协同效应已成为当前提高固体润滑剂性能的重要方向。研究 发现，c a f 2 和b a f 2 共晶与a g 具有协同减摩效应，c a f 2 和b a f 2 共晶承担高温段 的润滑功能，而银在较低温度段起作用，由c a f 2 和b a f 2 共晶与a g 协同润滑的 n i c r - c r 3 c 2 在较宽的适用温度范围显示出良好的润滑性能，摩擦系数在o 3 左右 【8 ，9 】。当m o s 2 和z n o 一起作为高温固体润滑剂时，z n o 的加入拓宽了润滑温度 范围，同时还有阻止m o s 2 过度氧化的效果【i o j 。 1 1 2 工程中高温固体润滑剂组分设计 1 协同设计 在固体润滑剂体系的研究中发现，对于单一成分的固体润滑剂，当加入另 外一种或几种成分时，体系的润滑性能可得到明显改善，这种效果称作协同效 应。 例如m o s 2 和石墨组成的固体润滑剂体系比单组份具有更好的减摩耐磨性 能，当石墨和m o s 2 质量比达到5 ：1 时，其磨损率达到最低值。b a s n y a t 等【l l 】 武汉理工大学博士学位论文 以m o m o s 2 a g 为润滑组分制备了具有多孔微结构的t i a i c n 硬自润滑涂层。研 究发现润滑剂组分实现了协同效应，m o s 2 保证了室温下的润滑性能，高温时， m o 与银的氧化物生成降低了材料的摩擦系数，低熔点金属与高温自生氧化膜的 协同作用实现了从室温到7 0 0 的润滑。 2 类比设计 当物质具有类似结构时会具有相近性质。为了便于对高温氧化物润滑剂进 行设计和选用，e r d e m i r 【1 2 】基于晶体化学方法建立了一种润滑氧化物选择、归类 和理解其机制的新模型。利用该模型可以对一种氧化物或氧化物的混合物的剪 切流变或润滑性能进行预测。研究认为氧化物润滑剂的润滑性能与其离子势有 关，其表达式为： t 硎r ( 1 - 1 ) 其中z 是标准阳离子电荷，r 是阳离子的半径。对于单质氧化物润滑剂来说， 其离子势越高，润滑性能越好。图1 2 所示为几种不同种类氧化物润滑剂离子势 与摩擦系数的关系就反映了这种趋势。 o x j o et y p e 图1 2 不同氧化物平均摩擦系数与其离子势的关系 f i g 1 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni o n i cp o t e n t i a l sa n da v e r a g e df r i c t i o nc o e f f i c i e n to f v a r i o u so x i d e s 对于由两种氧化物润滑剂组成的润滑体系，氧化物离子势之间的差异越大， 其协同润滑性能越好。氧化物润滑性能与其离子势间相互关系的规律为高温自 润滑材料摩擦学设计过程中氧化物润滑剂选用的难题提供了一条解决的新途 研r i 醺0 3 oo暑6一募 武汉理工大学博士学位论文 径。 3 基材匹配性设计 在进行高温自润滑材料设计时，润滑剂应与基体材料在弹性模量、热膨胀 系数、化学和结构上相匹配，以获得合适整体材料的力学及润滑性能。曹同坤【1 3 】 分析了固体润滑剂与陶瓷基体，并基于所建立的模型计算了自润滑陶瓷刀具材 料中固体润滑剂的含量。张一兵【1 4 】等基于高温发汗自润滑材料固体润滑剂析出 机理，通过建立固体润滑剂的热驱模型探讨了固体润滑剂与基体材料匹配特性 及影响因素。 1 2 高温自润滑材料的研究概况 高温自润滑材料主要应用在高温、高速和强辐射等极端工况条件下。近年 来，为了利用润滑元素问的协调作用改善材料的润滑性能，高温润滑研究已由 开发单质的润滑材料向多组分复合方向发展，应用某些新工艺、新技术开展了 其理论和应用研究。就材料属性而言，这些研究大致可分为三种类型：金属基 自润滑材料、自润滑合金和自润滑陶瓷。 1 2 1 金属基自润滑材料 金属基自润滑复合材料通常以具有高强度的耐热合金作为基体，常用有镍 基高温合金、钴基高温合金及n i c r 基合金等【1 5 , 1 6 。固体润滑剂作为分散相添加 在基体中起减摩作用。在粉末冶金热压烧结及摩擦过程中，基体相中的镍、钴、 铁合金相、陶瓷相与固体润滑剂元素反应，生成无机化合物，如钨酸盐、钼酸 盐及硫属化合物等具有高温润滑性是金属基自润滑材料具有高温润滑性能的原 因【1 7 】。为了提高材料的物理、力学性能与耐磨性，通过添加w 、m o 、n b 、t a 等置换固溶元素及舢、t i 等合金元素，在基体中形成固溶体和共格稳定的金属 间化合物，达到固溶强化和沉淀强化【l 引。金属基自润滑材料可解决1 0 0 0 以内 的高温润滑问题，是目前解决高温润滑问题的首选材料【l 踞o j 。 金属基自润滑复合材料的摩擦学性能不但与所含固体润滑剂的性质、颗粒 形状尺寸及材料中所占比例、分布状态、界面特性等因素有关，同时还受合金 基体金属组织和成分、复合材料制备合成方法的影响。镍基自润滑复合材料主 要由n i 基固溶体、不定比化合物c r x s v 等相组成。对于含有石墨和m o s 2 的镍基 自润滑复合材料，在工作温度低于3 0 0 时合金中的m o s 2 、m 0 2 s 3 和c r 及s 的 武汉理工大学博士学位论文 不定比化合物c r x s v 在摩擦过程中形成了复合润滑膜是其具有优良自润滑性能的 原因，在4 0 0 6 0 0 范围内，在摩擦表面形成了釉质氧化物膜从而使摩擦系数进 一步下降【2 。通过向金属基自润滑材料中添加适量元素成分可以改善材料的润 滑及组织性能阱】，在镍一石墨高温自润滑材料中添加适量的a i 、m n 、c e 和稀土 镁球化剂对材料中的石墨具有良好的球化作用，提高材料的冲击韧性 2 3 啪l ；添 加l a f 3 还可以提高镍基复合材料的摩擦学特性【2 7 3 0 1 。刘如铁等 3 1 - 3 2 】研究了固体 润滑剂二硫化钼的添加方式对n i c r 合金基高温自润滑复合材料的物理力学性 能及摩擦学性能的影响，并通过添加镍包覆二硫化钼而使制备材料具有良好的 物理力学性能和在较宽的温度范围内具有良好的减摩特性。 在对铝基和镍基自润滑材料摩擦磨损机理研究的过程中，曹占义等 3 3 , 3 4 1 发现 自润滑材料中固体润滑剂的含量对材料自润滑性能的影响较大，固体润滑剂含 量越大，摩擦系数越小。但固体润滑剂含量过高时会影响材料的整体力学性能。 因此自润滑材料强度和润滑性能协同性的研究是白润滑材料设计过程中的重要 内容 3 5 - 3 7 。 1 2 2 自润滑合金 自润滑合金具有自润滑性能的原因在于，在进行材料摩擦学设计时，考虑 对合金组分进行调整和优化，使合金在高温摩擦过程中组分之间发生化学反应 或在空气中发生氧化产生低摩擦系数的润滑膜而具有减摩特性。在制备镍合金 时，通常加入t i 、t a 、w 、r e 、b 及m o 等组元以形成氧化物膜，当现有的氧化 层磨损时，相应的组元从合金内部扩散到摩擦表面重新氧化生成润滑膜。利用 自生氧化物的减摩作用原理，李诗卓和m b p e t e r s o n 等【3 o 】制备了n i c u r e 及 c o c u - r e 高温自润滑合金，解决了从1 0 0 到9 0 0 的润滑问题。在对n i c r - s 自润滑合金的研究中，阚存一等【4 l 4 2 】发现该合金在5 0 0 c 下的摩擦系数为0 3 1 ， 合金中硫与铬形成了多种c r x s v 型化合物，它们富集在摩擦表面形成润滑膜并向 对偶摩擦件表面转移从而使合金具有良好的自润滑性能。但由于这些化合物的 存在降低了材料的机械性能，通过向合金中添加适量的c e 0 2 和l a 2 0 3 稀土氧化 物或合金化元素能够改善合金的组织，提高其机械性能。自润滑合金的高温摩 擦磨损行为受其表面自生成氧化膜的影响和控制。p e t e r s o n 等在q u i n n 研究的基 础上，提出氧化膜产生有效润滑的条件： 1 ) 氧化膜厚度在0 0 5 1 p m 之间； 6 武汉理工大学博士学位论文 2 ) 氧化膜软且具有延展性，由双扩散形成； 3 ) 磨损率小于氧化速率； 4 ) 因磨损失效而非疲劳或断裂失效； 5 ) 慢氧化慢磨损型； 6 ) 非磨粒性； 7 ) 氧化物的摩尔体积比金属小； 8 ) 热膨胀系数匹配； 9 1 ) 在金属氧化物界面存在滑移； 1 0 1 形成低熔点的玻璃态氧化物。 1 2 3 自润滑陶瓷 自润滑陶瓷主要分为金属陶瓷和陶瓷。金属陶瓷通常以金属或合金作为基 体，通过加入陶瓷相和润滑相提高其耐磨及润滑性能，因此，对其润滑相组分 进行复配和优化是提高其润滑性能的主要方向。选择陶瓷相时，在考虑其硬度 与耐氧化性的同时兼顾与基体材料的匹配性能。s l i n e y 等j 以n i 为基体粘结相， 通过加入c r 3 c 2 陶瓷相，c a f 2 、b a f 2 共熔物与银的复合固体润滑剂制备了p s 2 0 0 高温自润滑金属陶瓷涂层，研究表明其具有优异的高温自润滑性能。在此基础 上发展的p s 系列涂层，其在解决斯特林发动机等高温润滑问题时发挥了重要作 用【4 4 1 。 c a r r a g i c h a n o 等h 朝研究了六方b n 含量对s i 3 n 4 一六方b n 陶瓷材料干摩擦特 性的影响，发现b n 对s i 3 n 4 陶瓷摩擦学性能的影响较小，当b n 含量为1 0 时， 其摩擦系数降至最低，当b n 含量超过1 0 时，会导致磨损率急剧增加。邓建 新、曹同坤 4 6 - 5 3 】设计、制备了a 1 2 0 3 伍c c 如自润滑陶瓷刀具材料，并测试了其 机械性能及摩擦磨损性能。结果表明固体润滑剂c a f 2 的含量对材料机械、润滑 性能影响很大，当c a f 2 含量为1 0 时，砧2 0 3 t i c c a f 2 材料具有较好的力学性能： 材料的摩擦系数随c a f 2 含量、载荷和速度的增加而降低：在高速摩擦条件下材料 中的固体润滑剂在挤压作用下到达前刀面，并在磨损表面形成一层固体润滑膜。 通过合理的摩擦学设计，使自润滑材料在高温摩擦过程中能在摩擦表面原位 生成润滑膜是高温自润滑陶瓷领域研究的新方向。周松青等 5 4 4 8 研究了s i c 和原 位合成t i b 2 s i c 基复相陶瓷的力学及摩擦学性能，复相陶瓷中t i b 2 颗粒产生的 “钉扎效应”，导致裂纹扩展路径偏转，改变了应力场的分布特性，降低了微裂纹 7 武汉理工大学博士学位论文 尖端应力场强度，提高了裂纹扩展门槛值，从而提高了材料的力学性能；在摩擦 过程中，摩擦表面生成了微米或亚微米级无定形薄膜层从而使材料具有自润滑性 能。文献【5 9 1 应用离子辅助化学气相沉积方法制备了t i n 含c l 自润滑陶瓷涂层， 摩擦过程中在富含c l 的t i n 涂层表面生成了金红石成分边界层，导致摩擦系数 降至o 2 以下，这是由于在潮湿和氧气气氛中摩擦时，摩擦接触区域原位生成了 钛的氧化物起润滑作用。 1 2 4 高温自润滑材料的制备方法 高温自润滑材料的制备方法通常有粉末冶金法、熔炼法及熔渗法( 浸渍法) 等。 粉末冶金法制备高温自润滑材料时，将基体粉末与润滑剂粉末混合压制成型 后在真空或气氛保护环境中烧结制备出高温自润滑材料，该方法制备高温自润滑 材料具有成分选择灵活、材料组织均匀无偏析等优点。韩杰胜等唧j 采用粉末冶金 热压烧结工艺制备f e m o ( m o s 2 p b o ) 高温自润滑材料，研究发现该材料在高温下 具有优良的摩擦学性能，在温度6 0 0 高温摩擦条件下磨损表面形成了由 p b m 0 0 4 、p b 、f e 2 0 3 和f e 3 0 4 组成的复合润滑膜。吴运新等 6 1 , 6 2 】在采用热压法制 备n i m o s 2 自润滑复合材料时发现，m o s 2 含量添加到8 0 w t 才能使粉末冶金热 压烧结制各后材料中残余的m o s 2 足够在摩擦表面形成均匀稳定的润滑膜。 为了克服在粉末冶金制备高温自润滑材料过程中润滑剂与基体浸润性能差、 界面结合强度低及烧结过程固体润滑剂烧损等不足，尹延国等 6 3 - 6 5 】采用镀铜、镀 镍石墨粉末制备了铜基自润滑材料。研究发现石墨粉镀铜、镀镍包覆使石墨在自 润滑材料中的分布更加均匀，明显改善了石墨与铜基体的界面结合性能，使所制 备的自润滑材料机械及摩擦学性能得到提高。 相对于粉末冶金方法，熔炼法具有工艺简单、可制备复杂形状的构件及制备 材料力学性能好等优点。朱定一等【2 2 - 2 6 以石墨为固体润滑剂应用真空中频感应熔 炼方法制备了n i 3 a l 基高温自润滑材料，研究表明该材料具有较好的力学和自润 滑性能。 熔渗法( 浸渍法) 是在先制备出多孔预制体骨架基础上，使熔态熔渗相与多孔 预制体骨架相接触，在毛细作用或压力作用下进入预制体孔隙中形成致密两相高 温自润滑材料。桑可正等脚1 应用浸渍工艺把熔融氟化物和镍加入到多孔陶瓷基体 中制备出陶瓷复合材料，研究发现该材料在高温下具有良好的自润滑性能。王砚 军等【6 。7 ，6 8 】通过压力熔渗工艺向多孔金属陶瓷基体中加入p b s w a g 软金属润滑剂 武汉理工大学博士学位论文 制备出了具有优良高温自润滑性能的高温发汗自润滑材料。 1 3 高温自润滑材料摩擦接触模型研究进展 高温自润滑材料的摩擦学特性取决于摩擦过程中润滑剂向摩擦表面的扩 散、及在摩擦表面的流动及润滑膜的形成与破坏过程。以在切削过程 a 1 2 0 3 t i c c a f 2 自润滑陶瓷刀具为对象，邓建新等 4 6 1 对其进行了研究。结果表明： 在摩擦过程中，自润滑陶瓷刀具材料中的固体润滑剂在摩擦和挤压作用下析出， 拖覆在摩擦表面形成固体润滑膜，降低了摩擦系数；摩擦表面上润滑膜有一个 生成、破损、脱落和再生的循环过程。高温自润滑材料摩擦接触模型是研究这 一过程最基础、最关键的工具，有助于对高温发汗自润滑材料的材料设计、润 滑剂组分及润滑性能进行优化，因此成为研究的热点。 接触模型的构建首先要进行几何表面建模，然后在几何表面模型的基础上 进行接触计算建模、摩擦磨损过程建模 6 9 1 。表面模拟技术的发展为摩擦表面形 貌的构建提供了方便。通过用人为创造的表面代替测量表面，使得难以通过实验 控制的与表面相关的随机现象的模拟变得容易，因此可在一定程度上简化研究 工作。研究表明，工程粗糙表面具有统计自仿射分形特征【胁7 2 j ，因此，用处处 连续但处处不可导具有自仿射分形特征的w e i e r s t r a s s m a n d e l b r o t ( 简称w - m ) 分形函数来模拟粗糙表面势必是合理的。a u s l o o s 和b e r m a n 通过在w - m 函数中 引入多个变量来描述三维随机过程，从而得到了极坐标系中三维粗糙表面的高 度分布函数，即a u s l o o s b e r m a n 函数i _ ，引。y a h 和k o m v o p o u l o s 对a u s l o o s - b e r m a n 函数作变换，最终得到直角坐标系下的三维表面高度分布函数1 7 4 1 。 摩擦过程中接触应力计算是摩擦力及磨损计算的基础，接触问题是摩擦学 中重要的研究课题之一。g r e e n w o o d 等首先提出了粗糙表面的弹性接触模型【7 引。 该模型假定粗糙表面是由具有相同曲率半径的半球形微凸体组成，微凸体高度 符合高斯分布，在接触过程中微凸体仅发生弹性变形，接触应力由赫兹理论计 算得出。与其以前的模型相比该模型更接近实际，因此受到广泛重视 7 6 , 7 7 。在 高温摩擦过程中，大多数金属材料摩擦表面的接触处于弹塑性接触状态。h a s s a n z a h o u a n i 等【7 8 】基于经典赫兹接触理论建立了粗糙表面微凸体弹塑性接触模 型，接触试验表明，该模型与实际接触情况吻合较好。基于w m 分形函数， m a j u m d a r 和b h u s h a n 提出了m b 分形模型，他们用w m 分形函数来模拟 粗糙表面的轮廓线，把两模拟粗糙表面的接触简化为一等效粗糙表面与理想刚 9 武汉理工大学博士学位论文 性光滑平面的接触，提出了分形接触模型【7 9 】。 在摩擦建模方面，目前得到广泛认可的是由b o w d e n 和t a b o r 提出的“粘着 理论模型 8 0 1 。该理论认为，当两个金属粗糙表面接触时，接触微凸体在其顶 部接触应力作用下发生塑性变形，产生粘着。当两者相互滑动时，摩擦力为剪 断粘着点所需的力，摩擦系数可表示为： 较软金属材料的剪切强度极限 2 苗2 衮覆葡磊孺丽面莉霸丽( 1 - 2 ) 上式假定金属表面是纯净的，通常在大气中摩擦表面总覆盖有污染膜，避 免了两个表面的直接接触。此时摩擦系数为： f ，界面处污染膜的剪切强度极限、 f f = - 一= 一 _ 一l p 仃。金属基体材料的压缩屈服极限 叫 该理论较好解释了许多摩擦现象，但还难以对摩擦力进行定量计算。 在摩擦过程中，摩擦表面接触微凸体处由于摩擦产生大量热量，摩擦表面 局部温度显著上升，从而对其摩擦磨损产生影响。对摩擦表面温升的研究中， 摩擦表面最高温升、平均温升及空间温度分布是早期研究的主要内容。采用热 电方法b l o c k 和b o w d e n 测量了滑动表面的闪温。把接触微凸体看作半无限体表 面上单一集中热源，他们推导出了运动摩擦表面上最大温升的计算公式【8 懈3 1 。 g a o 等【酬把粗糙表面接触微凸体看作移动点热源，基于移动点热源的理论 计算公式建立了粗糙表面瞬时闪温的计算模型，并利用f f t 方法加快了计算闪 温的速度。陈辉等【8 5 】建立了干接触体滑动接触模型，通过求解拉普拉斯热传导方 程，对粗糙接触表面的温升分布特征进行了探讨，并研究了相对滑动速度对表面 温升及分布的影响。 在磨损计算模型研究方面，为人们广泛接受的模型为a r c h a r d 模型。该模型 认为，磨损量与施加的载荷、滑动距离及材料硬度有关。其形式为： 矿= k 等 ( 1 4 ) 式中，v 是磨损体积，p 为施加载荷，l 为滑动距离，h 为材料硬度，k 为 材料的磨损系数。t a n e lt e l l i s k i v i t 拍l 把a r c h a r d 模型应用于粗糙表面间的真实接 触区域，从而依据载荷分布来预测相互接触的微凸体的磨损量及粗糙度在磨损 过程中演变。 在多相复合材料摩擦磨损模型的研究方面目前主要集中在材料整体摩擦系 数及磨损率的预测模型的建立，而对于整个摩擦学系数的动态摩擦磨损模型的 1 0 武汉理工大学博士学位论文 研究还较少。在这方面m m u l l e r ， g p o s t e r m e y e r 等【8 7 踟1 作出了开拓性研究， 为了研究汽车制动器制动振动和噪声，在对汽车制动块摩擦磨损的试验研究的 基础上，应用元胞自动机方法建立了制动块三维自动机模型，实现了对制动块 摩擦磨损过程的模拟研究。 1 4 课题研究的背景 高温发汗自润滑材料是在首先制备出贯通微孔结构金属陶瓷硬基体基础 上，采用熔渗工艺向基体微孔中加入软金属复合润滑体在基体表层形成一定深 度的润滑层而制备出的一种高强度、耐磨损的新型高温自润滑复合材料。与普 通混元法金属基高温自润滑材料相比，由于复合润滑体是在金属陶瓷硬基体制 备后熔渗加入的，排除了润滑相对基体相连续性的破坏作用，因此实现了在保 持材料高强度、高耐磨特性的同时具有优良的高温自润滑特性，具有广阔的工 程应用前景【9 1 - 9 4 1 。图1 3 为高温发汗自润滑材料结构示意图。工作时，润滑层孔 隙中的润滑体组分在温度一摩擦热应力的耦合作用下析出到摩擦表面形成润滑 膜从而实现自润滑功能。因此，其润滑性能取决于润滑层的形成、组分及微观 结构特征。 斟 图1 3 高温发汗自润滑材料结构示意图 f i g 1 3t h es t r u c t u r es k e t c ho fh i g ht e m p e r a t u r eg l a n d l u b r i c a t i n gc o m p o s i t e 文献【9 5 】在真空加热炉中采用熔渗工艺以p b 、s n 、a g 等软金属润滑剂为润 滑体组分制备了高温发汗自润滑材料，并对不同熔渗工艺参数对制备材料性能 的影响进行了研究。研究发现，p b 、s n 、a g 等软金属与基体材料在6 0 0 。c 时的 武汉理工大学博士学位论文 润湿角接近9