在军事、航空和汽车等工程领域中,齿轮等机械零件之间相互运动产生的摩擦磨损现象,导致了大量机械的故障和失效,给工业生产造成了重大损失.据统计,在工业生产的各个工程领域中,因摩擦磨损而导致的机械失效,占零件失效总量的60%～80%;因摩擦磨损导致的能量损失,达到能量消耗总量的30%～50%.为了满足各种复杂工况条件下的工业生产,减少机械零件间的摩擦磨损行为,改善润滑条件成为了重中之重.在各工程领域中,液体润滑剂是应用最广泛的改善机械零件间润滑性的方式.然而,在某些真空、高温和重载等苛刻工况条件下,传统的液体润滑剂已经无法满足机械零件的润滑需要.为了解决此类润滑问题,金属基固体自润滑材料逐渐受到研究者们的青睐.
金属基固体自润滑材料是指采用熔炼、铸造等方法,将固体润滑剂加入到金属基体中形成复合材料.该类材料既保留了基体金属的性质,也赋予了固体润滑剂的优良性能.在摩擦磨损过程中,表面发生物理和化学反应形成润滑膜,具有优良的润滑性能[6].
本文从不同角度详细论述了金属基固体自润滑复合材料的研究开发与进展,以期为设计开发其力学性能与摩擦磨损性能良好匹配的金属基固体自润滑复合材料提供参考和借鉴.
目前,制备金属基固体自润滑复合材料的方法主要包括粉末冶金法、铸造法、半固态成形法、浸渗法和表面技术制备法等.主要制备方法及其特点如表 1[7-8]所示,其中,粉末冶金法是当前制备金属基固体自润滑复合材料最流行的制备方法.该方法可以灵活地调整成分设计和组织设计,在改善耐磨性方面远远优于传统的铸造材料[9].半固态成形是未来开发制备固体自润滑材料的发展方向,相对传统的粉末冶金法和铸造法,采用半固态成形制备的复合材料能够获得传统制备方法难以企及的综合性能,具有巨大的研究潜力.但是,目前半固态成形方法在成形过程中对浆料形核、长大机制以及制备过程中温度场的控制等仍需进一步的研究[10].浸渗法制备的材料与预制件的质量息息相关,预制件的质量受黏结剂、造孔剂和烧结工艺等因素影响较大,需要大量的探索,工艺较为繁杂.
固体润滑剂的选择对金属基固体自润滑复合材料的性能影响至关重要,固体润滑剂的性能与制备和金属基固体润滑复合材料的性能息息相关.部分固体润滑剂的性能如表 2[11]所示.
(1) 软金属润滑剂,如Ag、Pb、Cr等.通常对于这类润滑剂采用表面技术等方法在摩擦材料表面形成润滑膜,以提高材料的摩擦磨损性能[12].该类润滑剂经济性较差,且对材料润滑性能提高有限.
(2) 陶瓷固体润滑剂,如Al2O3、TiC等.该类材料具有较大的硬度、刚度和较好的化学稳定性,适用于制备高强度的金属基自润滑复合材料[13].
(3) 石墨润滑剂.石墨润滑剂具有优异的润滑性能,在各类润滑领域受到广泛的关注和大量深入的研究.由于石墨与各类金属基体之间的润湿性较差,制备石墨/金属基自润滑材料通常需要将石墨进行金属化改性,以改善两者之间的润湿性,提高材料的摩擦磨损性能[14-15].
(4) 金属陶瓷固体润滑剂,如Ti3AlC2、Ti3SiC2等.金属陶瓷材料兼具金属和非金属陶瓷的特性,既能与各类金属基体保持良好的润湿性,又具有类似石墨的优异的润滑性能,是近年来研究的热点[16-18].
固体润滑剂的添加量对复合材料的性能主要有两方面的影响:一方面是影响复合材料的硬度、弯曲强度和压溃强度等力学性能;另一方面是影响复合材料的摩擦因数、磨损量等摩擦磨损性能.以石墨为例,如图 1[19]所示.图 1为石墨含量对铜基复合材料硬度的影响,可以看出,随着石墨含量的增加,材料的硬度逐渐下降.这是因为在制备过程中,石墨颗粒会发生团聚等现象,导致材料的孔隙率增加,致密度下降,从而引起材料的硬度下降.
图 2[19]为不同载荷下石墨含量对合金摩擦因数的影响.在低载荷下,材料的摩擦因数随着石墨含量的升高而降低;随着载荷升高,材料的摩擦因数随着石墨含量的增加先升高后降低.这是因为随着石墨含量的增加,材料的致密度下降,孔隙率升高.在高载荷工况下服役时,孔隙率高的材料摩擦表面形成的润滑膜致密度较差,材料润滑性欠佳,从而导致材料的摩擦磨损性能下降.
基体金属的力学性能、导电性能和高温性能不但对金属基固体自润滑复合材料的综合性能影响显著,同样也对复合材料的摩擦磨损性能影响巨大.目前,研究和应用广泛的固体自润滑复合材料金属基体有铜基、铝基、镍基、银基和铁基等.
铜基固体自润滑复合材料既能保持铜基体优良的导电、导热能力和良好的耐腐蚀性等综合性能,又能容纳固体润滑剂特有的润滑性能,广泛应用于电接触材料、受电弓板材料等[20].
甄文柱等[21]以MoS2和Cu复合粉体为原料,采用等离子喷涂技术制备MoS2-70Cu复合涂层,并对材料进行真空摩擦磨损试验.研究表明,材料在真空环境下的磨损机制主要以脆性断裂和疲劳磨损为主.随着滑动速率和载荷的增加,涂层会发生软化现象,更容易形成致密的自润滑层,从而降低摩擦因数.陈岁元等[22]以雾化铜粉为基体,以Al2O3、石墨和MoS2等为强化相,采用粉末冶金方法制备铜基自润滑复合材料.研究表明,强化相提高了基体的强度硬度,同时在摩擦磨损的过程中,形成了致密的自润滑膜,实现了自润滑与力学性能的良好匹配.尹延国等[19,23-24]采用粉末冶金方法制备了铜基石墨固体自润滑复合材料.结果表明,温度对复合材料的耐磨性影响较大,采用合适的工艺可以提高复合材料的服役温度.NGAI等[25]以镀铜Ti3SiC2粉末和铜粉为原料,采用热压烧结—轧制方法制备自润滑复合材料,通过调整工艺获得了高强度、高密度并具有较低的摩擦因数和电阻率的复合材料.
铝基固体自润滑复合材料具有优良的摩擦磨损性能,同时兼具质量轻、价格低和耐蚀性好等优点,是近年来研究的热点之一.研究表明,在相同条件下,铝基比青铜基固体自润滑复合材料具有更高的寿命和许用pv值,因此非常适合作为金属基固体自润滑复合材料室温至中高温度段中的基体材质[26-27],广泛应用于汽车活塞、轴瓦等[28].
丁志鹏等[29]采用无压浸渗法制备碳纳米管/铝基复合材料,通过显微组织观察发现碳纳米管分布均匀,复合材料组织性能良好,在低碳纳米管材料中,随着碳纳米管含量的增加,其摩擦磨损性能显著升高.陈庚等[30]采用机械-超声混合搅拌的方法制备Mg2B2O5/6061Al复合材料,发现在摩擦磨损过程中,复合材料的摩擦因数波动幅度小,在一定的摩擦速率和载荷下,能够起到稳定的减摩作用.GUPTA等[31]采用冷压烧结的方法制备了不同成分的Ti3SiC2/Al复合材料.研究表明,在Ti3SiC2含量较低时,Ti3SiC2对材料起弥散强化作用,材料的力学性能显著提高;同时,Ti3SiC2对材料摩擦磨损性能具有显著增益效果.XU等[32]研究了摩擦速率对Ti3SiC2/TiAl复合材料自润滑性能的影响.研究发现,材料的自润滑性能与材料表面的氧化层致密度有关,氧化层所占摩擦表面的百分比越大,材料的自润滑性能越好.
镍基固体自润滑复合材料既继承了镍本身的高熔点,又保留了固体润滑剂良好的润滑性能,成为高温机械、化工和航空航天等高温腐蚀领域中广泛应用的材料[33].
ZHANG等[34]采用反应烧结的方法制备了Ni3Al-hBN-Ag复合涂层.该涂层具有力学性能和摩擦磨损性能的良好匹配,其服役温度高于800 ℃,同时,该涂层还能避免金属间化合物所产生的脆性.HU等[35]采用原位燃烧合成的方法制备了(TiC-TiB2)-Ni/TiAl/Ti梯度复合材料.研究表明,在摩擦磨损的过程中,摩擦面上形成了耐高温的致密氧化层,随着摩擦温度的升高,材料仍能保持一个较低的摩擦因数和磨损失重.桑可正等[36]采用粉末冶金法制备了Si/SiC-Ni复合材料,并对其进行销盘摩擦试验.研究表明,在低温下,材料的自润滑性能变化不大;当温度高于300 ℃时,材料的摩擦磨损性能显著改善.赵海军等[37]采用复合电铸技术制备了石墨/镍基复合材料,发现材料的摩擦磨损性能随着石墨含量的增加而升高.当石墨含量达到临界值时,摩擦磨损性能趋于稳定;随着石墨含量继续增加,材料磨损失重显著升高.
银基体本身具有良好的导电、导热和摩擦磨损性能.通过引入固体润滑剂能够在极小降低导电性能的前提下,进一步提高材料的摩擦磨损性能,实现导电性能和自润滑性能的优良匹配.但是,经济性较差是制约其广泛使用的主要原因之一.银基固体自润滑复合材料广泛应用于航天器发动机涡轮泵轴承、超导装置等[38].
CHEN等[39]采用粉末冶金法制备了银基石墨和MoS2自润滑复合材料,并进行了大气和真空中摩擦磨损的研究.结果表明,随着固体润滑剂含量的增加,材料摩擦性能有所提高,在真空中摩擦因数和磨损失重增加量高于大气中的增加量,但仍具有较好的自润滑性能.张敏等[40]采用粉末冶金法制备了碳纳米管-银-石墨复合材料,研究了电流对材料自润滑性能的影响.发现材料在带电磨损过程中的失重大于干摩擦失重,这是由于电流对摩擦表面氧化层的破坏导致的.马超等[41]以短碳纤维、特种短碳纤维和MoS2为原料,制备了短碳纤维增强银基固体自润滑复合材料.研究表明,采用特种短碳纤维制备的复合材料不但能够获得良好的自润滑性能,还具有较高的力学性能.
铁基固体自润滑复合材料具有经济性较好,强度、硬度高,并有一定的高温性能等特点,广泛应用于轴承、齿轮等工程零件.
采用粉末冶金法制备镍包覆石墨铁基固体自润滑复合材料.研究表明,包覆层可显著提高材料的力学性能和润滑性能,材料的服役温度可高达500 ℃[42-43].匡加才等[44]采用原位合成法制备了(TiB2+Fe2B)/铁基复合材料,经热处理后,固体润滑剂颗粒均匀化,材料的切削磨损能力显著提高.成小乐等[45]采用粉末冶金线钢复合材料.研究表明,采用温压烧结的材料能够避免材料内部的孔隙,提高材料的致密度,从而提高材料的力学性能和摩擦磨损性能.
由金属基固体自润滑复合材料的性能特点和工业工程上的应用可以看出,随着工业化进程的推进,金属基固体自润滑复合材料在各个工程领域具有广泛的应用前景,是未来润滑技术发展的主要方向之一.但是,当今金属基固体自润滑复合材料的发展仍存在一些不足之处亟需解决.
(1) 固体润滑剂与基体的结合问题.当前大多数的固体润滑剂与基体金属之间的相容性较差,用常规方法制备金属基固体自润滑复合材料,易导致固体润滑剂与基体结合界面缺陷大、结合力差,这将导致材料在摩擦磨损过程中摩擦面上难以形成完整的润滑膜.要获得界面结合良好的金属基固体自润滑复合材料,往往需要采用固体润滑剂金属化等工艺来改善,这势必提高工业化、规模化生产的成本,阻碍金属基固体自润滑复合材料的应用与推广.
(2) 固体润滑剂在基体内易发生偏聚.高含量的固体润滑剂在制备过程中易发生偏聚,从而引发材料内部孔隙率升高、密度减小、力学性能下降,最终引发磨损量上升,严重影响材料的使用寿命.因此,需要研究开发新工艺、新材料以降低复合材料内部偏聚等缺陷.
(3) 探索新型固体润滑剂.相对于传统的润滑油,固体自润滑复合材料的润滑性能仍无法达到润滑油润滑的效果.因此需要进一步深入研究金属基固体自润滑复合材料的摩擦磨损机制,构建摩擦磨损模型,完善摩擦磨损理论,开发新型的固体润滑剂,以期实现甚至超越液体润滑剂的润滑效果.
(4) 苛刻的工况环境对材料提出更高的要求.随着工业化、现代化进程的推进,在军事、航空航天和交通等领域对材料的要求更为严格.要求材料在高温、高磁、高速和强电流等工况下具有更高的使用寿命、承载能力、耐腐蚀性、高温强度和热稳定性等.
