CaF2-MoS2铁镍基自润滑复合材料的摩擦学性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏大学材料科学与工程学院 作者:刘金银子

  以不同含量的MoS2、CaF2 为润滑相,加入Cu、F℃ 和合金等元素,采用粉末冶金烧结工艺制备了具有在室温和高温下均有自润滑作用的铁镍基复合材料。采用UMT-2 摩擦磨损试验仪、扫描电镜以及X 射线衍射测试并分析了复合材料的摩擦磨损性能以及机理。结果表明,随着MoS2 含量的减少、CaF2 含量的增加,在室温时摩擦系数、磨损率均增大;而高温时摩擦系数、磨损率先降低后增大。当MoS2、CaF2 各含3%( 质量百分数) 时复合材料在室温和高温时拥有最佳的摩擦性能。该复合材料室温时主要是MoS2 起润滑作用,降低材料的摩擦磨损;而高温时MoS2、CaF2 与金属相互作用生成Crx Sx + 1以及MoO2、CaMoO4、F℃2O3、F℃Mo4F6 等物质,这些物质在摩擦表面形成复合润滑膜而起润滑作用。

  金属基自润滑复合材料是热动力机械以及高温传动设备摩擦部件的主要候选材料之一。其中主要是以铁基和镍基复合材料为主,前者具有低成本、独特的热处理性能、高性价比等优点,但是其耐高温性能较差;而后者作为高温自润滑耐磨复合材料则具有优异的高温力学性能、抗氧化性能和抗腐蚀性能,但是其成本较高。以镍铁合金作为复合材料的基体既可以实现原材料成本较低又满足材料从室温到高温各方面所需的优异性能。复合材料的强度硬度主要由金属基体起支撑作用,而减摩抗磨自润滑能力主要依靠其他润滑相物质如MoS2、CaF2 等。片层结构的MoS2 作为常温润滑相在常温环境中其摩擦学性能优良,但是在高温条件时MoS2 易发生分解而失去润滑作用;而CaF2 作为高温润滑相,在高温时由脆性向塑性转变而具有润滑作用,在复合材料中表现出优异的化学稳定性。

  因此,本文采用粉末冶金烧结方法制备了铁镍基自润滑复合材料,以CaF2、MoS2 为润滑相,利用CaF2 和MoS2 各自特性的优化组合可以实现复合材料从室温和高温的连续润滑作用,并探讨了其机械性能、摩擦学性能及相应的机理。

1、实验部分

1.1、材料制备

  实验选用粒度为76 um 的分析纯F℃ 粉、300 目的Cu 粉、国药集团化学试剂有限公司的MoS2 和CaF2、自制铁镍铬合金粉末作为基本原料。图1 是铁镍铬合金的扫描电镜( SEM) 图,可以看出粉末颗粒大小比较均匀,粒度约40 um。表1 为合金粉末所含物质以及成分。

铁镍合金粉末的SEM 图

图1 铁镍合金粉末的SEM 图

  将以上几种原料按照表2 中的配比在球磨机中球磨混合3 h,混合后再进行压制成型,压力350MPa,然后在氩气烧结炉中进行烧结,烧结温度为1100 ℃ ,保温1 h,随炉冷却至室温,取出烧结件加工成所需试样尺寸。

1.2、性能测试与分析

  分别在维氏硬度机、万能材料试验机、冲击试验机上测定材料的机械性能。用UMT-2 摩擦磨损试验机测试试样的摩擦磨损性能,试样尺寸为528 mm× 17 mm × 15 mm 其摩擦表面粗糙度R a 为0.4 um,对偶件是440C 不锈钢球( 尺寸59 mm,硬度为57~ 61HRC) ,对偶件固定,试样盘旋转,载荷10N,转速100 r/ min,旋转半径11 mm。用感量0.1 mg分析天平测定样品磨损质量损失并算出磨损率。用X 射线衍射( XRD) 分析合金成分结构,用SEM 观察磨痕形貌。

表1 铁镍合金粉末的EDS 分析结果

铁镍合金粉末的EDS 分析结果

表2 自润滑复合材料的配方

 自润滑复合材料的配方

3、结论

  ( 1) 制备出了新型在室温和高温时均有自润滑特性的铁镍基复合材料。

  ( 2) 在室温和高温下复合材料含MoS2、CaF2 各3% 时拥有最佳的综合机械性能和摩擦性能。

  ( 3) 室温时主要MoS2 起润滑作用;高温时主要是MoS2、CaF2 与金属氧化物和其他金属盐类起润滑作用形成复合润滑膜而起润滑作用,使得复合材料在高温时摩擦系数以及磨损率低。

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