镍-铬基自润滑复合材料的制备及性能.pdf

第 3 1 卷 第 4期 2 0 0 7年 4月 机械工程材料 Ma t e r i a l s f o r Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g V0 L 3 1 No 4 Ap r 2 0 0 7 镍一 铬 基 自润 滑 复 合 材 料 的 制 备 及 性 能 姜春华，李长生，丁巧党(江苏大学材料摩擦 学省重点实验 室，江苏镇江 2 1 2 0 1 3)摘要：利用粉末冶金法制备 出了组织均 匀、致 密的镍一 铬 基 自润滑复合材料，对其组织和性能 进行 了研究。结果表 明：室温下，当 Mo S 2 和 L a F 3的质量分数分别为 2 O 9，6 和 5 9，6 时，复合材料的摩 擦磨损性能最好，即协同效应最优；摩擦 因数随着栽荷的增大而降低，随着转速的增大先降低后 增 大。摩擦过程 中下，其减摩机理是 复合材料表 面 Mo S 2膜 的连续生成和对偶面上形成的转移膜。适量 L a F 3 的加入，有助 于提 高复合材料的耐磨性。关键词：镍 基合金；自润 滑；协 同效应 中图分类号：TB 3 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0-3 7 3 8(2 0 0 7)0 4-0 0 4 8-0 4 Pr e p a r a t i o n a n d Pr o pe r t i e s 0 f Ni Cr Ba s e d Se l f-l u b r i c a t i ng Co mp o s i t e J I A N G C h u n-h u a，L I C h a n g-s h e n g，DI NG Q i a o-d a n g (J i a n g s u Un i v e r s i t y，Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3，C h i n a)Ab s t r a c t：Ni-Cr b a s e d s e l f-l u b r i c a t i n g c o mp o s i t e wi t h u n i f o r m a n d c o mp a c t s t r u c t u r e wa s p r e p a r e d b y po wd e r me t a l l u r g y me t h o d Th e t r i o b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c o mpo s i t e we r e i n v e s t i g a t e d u s i n g a n MS-T3 0 0 0 f ric t i o n a n d we a r t e s t e r a t a mb i e n t t e mp e r a t u r e i n a i r Wh e n ma s s co n t e n t s o f Mo S 2 a n d na F 3 we r e 2 0 a n d 5 r e s p e c t i v e l y，t h e c o mpo s i t e h a d g o o d t r i o b o l o g i c a l p rope r t i e s，t h e s y n e r g i s t i c e f f e c t wa s t h e b e s t On t h e e f f e c t o f f ric t i o n，t WO M 0 S 2 一 f i l ms s h o we d t h e me c h a n i s m o f a n t i f r i c t i o n，a t h i n f i l m g e n e r a t e d o n t h e con t a c t z o n e o f c o mpo s i t e a n d t h e t r a n s f e r f i l m wa s o n i t s c o n t e r f a c e Ad d i t i o n o f a n a p p rop r i a t e a mo u n t o f L a F 3 h e l p e d t O i mp r o v e t h e c o mpo s i t e S w ea r pro p e r t y Ke y wo r ds：n i c k e l a l l o y；s e l f-l u b r i c a t i n g；s yn e r g i s t i c e f f e c t 0 引 言 1 试 样制备与试验方法 镍一 铬合金具有优 良的力学性能和抗氧化性能，逐渐成为高温 自润滑复合材料的主要基体材料。研 究表明 1 ，硫元素可以与合金元素在摩擦化学作用 或高温下反应生成具有减摩耐磨的固体润滑剂，氟化 物不但可以降低复合材料的摩擦因数，还能改善复合 材料的磨损性能。近来二元或多元固体润滑材料已 成为研究的热点，利用不同润滑材料的协同效应是 获得减摩抗磨效果更好的二元或多元固体润滑材料 简单而高效的途径。作者基于以上认识，在镍一 铬合 金中添加适量的固体润滑剂 M0 S 2 和 I ，用粉末冶 金法制备了镍一 铬基 自润滑复合材料，考察了其室温 下的摩擦学和力学性能及润滑机理。收稿 日期：2 0 0 6-0 5 2 2；修订 日期：2 0 0 6-0 7 2 3 作者 简介：姜春华(1 9 8 O 一)，男，江苏东 台人，硕 士研究生。导师：李长生教授 4 8 1 1 试样制备 试验所用原料有 2 0 0目镍粉，纯度 9 9 5；2 0 0目铬粉，纯度 9 9 9，6；粒 径约为 5 m 的 Mo S 2 粉，纯度9 9 9，6；L a F s 粉，纯度9 9 9 9，6。按照表 1 进行配料，每次约取 2 5 g，经手动研 磨混料后置于钢模 中，在手动式粉末 液压机上冷压 成 1 0 minx3 r n r n的圆柱体，压制压力 2 0 MP a，保 压时间 1 rai n。在 管式炉 中进行烧结，采 用氩气保 护，并通人少量氢气来提供弱的还原条件，以防止金 属和 Mo S 2 被氧化。烧结工艺：升温至 5 6 0保温 6 0 rai n，再升温至 6 0 0保温 9 0 rai n，然后随炉冷却 出炉。最后用 6 O O#金相砂纸 打磨至需要的表面粗 造度，超声波清洗并烘干后备用。1 2 试验方法 用 HVS-I O 0 0型数 显显微硬 度计测 试试样 硬 度，载荷0 0 9 8 0 7 N，加载时间1 5 S；用光学显微镜 维普资讯 http:/ 姜春华，等：镍一 铬基自润滑复合材料的制备及性能 表 1 镍一 铬基 自润滑复合材料配方(质量分 数)Ta b 1 T h e c o mp o s i t i o n o f Ni-Cr b a s e d s e l f-l u b r i c a t i n g c o m p o s i t e(ma s s )试样编号 Ni Cr Mo S 2 进行显微组织分 析，用理学 D ma x 2 5 0 0 P C型全 自 动粉末 X射线衍射仪()进行物相分析；用 M T 3 0 0 0型摩擦磨损试验机测定试样的摩擦学特性，测试条件：大气室温，载荷 0 1 9 6 2 9 4 N，转速 1 0 0 1 2 0 0 r rai n，对偶件为 3 mm 的 GC r I 5 钢球，试 样测试时间均为 3 rai n。体积磨损率按下式计算：一2 0 L v -D ,-L 2r a r c s i n 一 一 一 V 一 一 式中：为体积磨损率，mm (mm k g)；L为磨痕 宽度，mm；D 为磨痕平均直径，mm。试样密度按下式计算：4 m lD 一；丽 式中：lD 为试样密度，g c ma；m为试样质量，g；Dz 为 试样底面直径，c m；h为试样高度，c m。2 试 验结果与分析 2 1 摩擦学性能 由图 1 a 可见，在 L a F 3 加入量 固定时，镍一 铬基 自 润滑复合材料的摩擦因数随着固体润滑剂 Mo S 2 加入量 的增 加先 减 小，而 后 稍有 增 大；没 有 添加 Mo S 2时，摩擦 因数随着 L a F 3 加人量的增加逐渐增 大；当 Mo S 2 加人超过 1 O (质量分数，下 同)时，摩 擦因数却随着 L a F 3的增加先增加后减小。从 整体 上看，L a F 3的加人并没有能够在室温下改善镍一 铬 基 自润滑复合材料的摩擦 因数，这是 由于室温下 L a F 3 的减摩能力差所致，所 以室温下起润滑作用的 主要还 是 Mo S 2。g g g g 曼、Ij 卜 越 Mo S 2 质量分 数 (a)摩擦 因数 Mo S 2 质量 分数 (b)磨损 率 图 1 摩擦 因数、磨损 率随 Mo S 2和 I IF 3含量的变化 H g 1 Th e v a r i a t i o n o ff r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d we a r r a t ewi t h Mo S z L a F 3 c o n t e n t(a)f r i c t i o n c o e f fi c i e n t(b)w e a r r a t e 由图 1 b可见，L a F 3加人量一定 时，镍一 铬基 自 润滑复合材料的磨损率随着 Mo S 2 的增加先减小后 增大。这是 因为影响复合材料力学性能的主要是基 体，添加剂一定时具有一定 的强化基体的作用，但是 随着添加剂的进一步增多，反而削弱 了复合材料的 力学性能，宏观上表现 出磨损率先 减小后增大 的趋 势。Mo S 2加人量 为 2 O 时，磨损率 达到最低 值；Mo S z 加入量 一定时，随着 L a F。的增加，磨损率也 表现出先降低后增大的趋势，当 L a F 3 的含量为 5 时，复合材料的磨损率最低。这就说明，Mo S 2 虽然 具有优 良的润滑 能 力，但 其 抗 磨 能力 却 有 限；而 L a F 3 的润滑性虽不及 Mo S z，但抗磨 能力却很 好。因此，室温下，当 Mo S 2、L a F 的含量分别 为 2 0 和 5 时，具有最好的协同效应，即镍一 铬基 自润滑复合 材料的摩擦学性能最好。由图 2、图 3可见，随着载荷 的增加，试样 3，7，1 1的摩擦因数均逐渐减小；而随着转速的增加，试 样 3，1 1的摩擦因数均表现出先减小后增大再减小 的趋势，而试样 7的摩擦因数先减小而后缓慢增大。2 2 力学性能 由图 4可见，试样 的密度 随着 Mo S 2 含量增加 而降低，随着 L a 含量 的增加也逐渐降低；而试样 如 舵 弘 如 拍 O O O O O O O 圜 登 舳 他 弱 铝 匏 他 弘 砧 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/ 姜春华，等：镍一 铬基 自润滑复合材料 的制备及性能 生成一层 Mo S z 薄膜，并伴随有疲劳剥落现象(见 图 6中的磨痕)；同时在试验结束后发现对偶 G C r l 5 钢 球的表面粘覆 了一层黑色 的 Mo S z，这是 由复合材 料表面的 Mo S。在摩擦作用下转移到球表面上形成 的一层转移膜r 4 。在这两层润滑膜的作用下，复合 材料宏观上表现 出具有低而稳定的摩擦 因数。3 结论(1)室温下，镍一 铬基 自润滑复合材料中固体润 滑剂 Mo S z和 L a F。的含量分别 为 2 O 9 5 和 5 时，显 示 出较好的协同作用，具有较好的摩擦磨损性能；摩 擦 因数随着载荷的增大而降低，随着转速的增大先 降低后增大。(2)在复合材料表 面形成 的 Mo S z 膜 以及在对 偶钢球表面上形成的转移 Mo S z 膜是获得低摩擦因 数的主要原 因；适量 I a F。的加 人提高 了复合材料 的硬度，从而进一步降低了磨损率。参考文献：1 3 王 莹，王静 波，王均安，等含硫镍合 金的研 制及其 高温摩擦 学特性 J 摩擦学学报，1 9 9 6，1 6(4)：2 8 9 2 9 7 2 3 阚存一，刘近朱，张国威，等一种镍一 铬一 硫合金的研制及其摩 擦 学特性 J 摩擦学学报，1 9 9 4，1 4(3)：1 9 3-2 0 4 3 3 熊党生氟化镧对镍基 自润滑合 金力学性 能及 高温摩擦 学 特 性 的影响 J 中国有色金属学报，2 0 0 2，1 2(1)：1 0 6 1 0 9 4 3 石淼森固体 润滑材料 M 北京：化学工业 出版社，2 0 0 0 5 3 刘如铁，李溪滨Mo S 2对镍基 自润滑材料摩 擦学 特性的影 响 J 粉末冶金技术，2 0 0 0，1 8(1)：3 1 3 4 上接 第 1 6页)3结论(1)当冷却速率大于 1 5C s 时，X7 0管线钢 的焊接热影 响区组织 由板条状贝氏体、粒状贝氏体 和少量准多边形铁素体组成，具有良好 的强韧性。(2)当冷却速率小于 1 s 时，组织开始 出现 珠光体转变，此时的焊接热影 响区组织 由先共 析多 边形铁素体、珠光体和少量粒状贝氏体组成，晶粒开 始迅速长大，强度和韧性显著降低。(3)X 7 0 管线钢焊接热影响区组织中没有出现 马氏体转变，所 以产生冷裂纹 的倾 向较小。在正常 的焊接条件下，X 7 0管线钢 的焊接热影响区也不会 出现软化现象。(4)在进行 X7 0管线钢的实际焊接时，将焊接 热输人控制在 9 3 1 8 6 k J c m(壁厚 1 4 6 mm)时，可以获得强韧性 良好的焊接热影响区组织。参考文献：1 赵明纯，单 以银，杨 柯管线用超低碳钢 中针状铁素体 的形成 及强韧化行为 J 材料研究学 报，2 0 0 2，1 6(6)：6 2 0-6 2 1 2 3 牛济泰材料和热加 工领域 的物理模拟技术 M 北京：国防 工业 出版社，1 9 9 9 3 3 陈翠欣X 8 0高强管线钢的焊 接性及 其模 拟仿真 D 天津：天津大学，2 0 0 5 4 3 王 勇，程绪贤，潘笑丽 X?0管线钢焊 接热影 响区韧性 的研究 J 石油 大学学报(自然科学版)，1 9 9 3，1 7(7)：8 6 9 0 5 3 田德 允，张瑞成微合金高强钢焊接热影响 区中粒 状贝 氏体微 观结 构的实验研究 J 金属学报，2 0 0 0，3 6(2)：1 8 2 1 8 6 6 3 中国机械工程学会焊接学会编焊接手册(第 2 版)，第 2卷一 材 料 的焊接 M 北京：机械 工业 出版社，2 0 0 1 机械 工程材料 网上远 程投稿启 事 为适应当今期刊网络化、数字化的发展趋势，我刊经过长期的筹划与准备，建立了远程在线投 稿、审稿系统，从 2 0 0 7年开始正式启用，原则上都要从 网上进行投稿。投稿 网站 为“材料与测试网(h t t p：w ww ma t-t e s t c o m)”，您可以登陆后查阅具体使用指南。并可以方便地查阅稿件的处理 情况。为了便于您的稿件被我刊录用。请您投稿前务必按照我刊的要求对稿件进行检查、补充和修 订。具体要求请参见我刊 2 0 0 7年第 1期刊登的“机械工程材料杂志投稿须知”。51 维普资讯 http:/