金属基自润滑材料的研究现状和发展趋势# 王海，孙荣禄** （天津工业大学机械工程学院，天津 300387） 5 10 15 20 25 摘要：随着航空航天技术的快速发展，当前对各种设备零部件表面性能的要求越来越高。特 别是对于在高温、高压、高真空条件下工作的摩擦副，传统的流体润滑和脂润滑技术已经不 能满足要求。金属基自润滑材料（包括金属基自润滑涂层）在恶劣的工况条件下显示出了独 特的优越性，逐渐在各个行业中得到了越来越广泛的应用。本文从介绍固体润滑剂的种类和 金属基自润滑材料的制备工艺入手，分析了金属基自润滑材料的性能特点及其制备过程中遇 到的问题及其相应的解决方案，并对金属基自润滑材料的发展趋势做出了展望。 关键词：金属基自润滑材料；制备工艺；摩擦磨损性能 中图分类号：TB331 Research and Future Trends of metal matrix Self-lubricating Materials WANG Hai, SUN Ronglu (School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387) Abstract: With the rapid development of aerospace and aviation, the requirement of surface properties rises sharply. Especially to the elements used in the condition of high temperature, high pressure and high vacuum, the traditional lubrication methods gradually lose their advantages. Under this circumstance, metal matrix self-lubricating materials (including metal matrix self-lubricating coatings)stand out in various choices and finally get widely used in more and more industries. In this passage, starting with the classification of self-lubricants and the preparation process of metal matrix self-lubricating materials, the advantages of metal matrix self-lubricating materials are presented in detail.Then the problems come into in the preparation process and their solutions are illustrated. Through summing up the developments of literatrues at home and abroad, the future trends of this area is given at the end of this article. Key words: metal matrix self-lubricating materials; preparation process; friction and wear properties 30 0 引言 近年来，为使工件获得优异的耐磨性能，常采用制备高硬度材料或涂层的方法来提高自 身的耐磨性能。这种方法虽然能降低工件自身的磨损率，但在很多情况下却加剧了对偶件的 磨损，这在很多情况下是不允许的，而制备金属基自润滑材料或涂层可以很好地解决这一问 35 题。金属基自润滑材料通常是以具有高强度的耐热合金为基体，加入固体润滑剂和组元 作为分散相，通过一定工艺制备而成的，具有一定的强度和良好自润滑性能的复合材料。该 种材料摩擦过程中在接触面间形成一层连续的具有低剪切强度的转移润滑膜，使摩擦发生在 润滑膜的内部，从而减小摩擦、降低磨损[1-3]。金属基自润滑材料或涂层兼有金属的力学性 基金项目：教育部博士点基金（002） 作者简介：王海（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为钛合金表面改性 通信联系人：孙荣禄（1964-），男，博士研究生导师，主要研究方向为材料表面改性及空间摩擦学-1- 能和固体润滑剂的减摩特性，综合性能优良，目前已经广泛应用于滑动轴承、齿轮、止推垫 40 圈及密封环等零部件，在现代化生产中发挥着越来越重要的作用。 1 固体润滑剂的种类和性能 固体润滑剂的种类较多，常用的固体润滑剂有软金属、层状固体、金属氧化物、氟化物 和高分子聚合物等，详见表 1。 45 表 1 润滑剂的种类 Tab. 1 Classification of solid lubricants 种类 软金属 层状固体 金属氧化物、氟化物 高分子聚合物 常用的润滑剂 Ag，Pb，Au 等 石墨，氟化石墨、MoS2，WS2，h-BN 等 PbO，B2O3，CaF2，BaF2，LaF3，CeF3 等 聚四氟乙烯( PTFE)，聚酰亚胺( PI) ，聚醚醚酮 ( PEEK) 1.1 软金属 软金属 Ag，Pb，Au 等因其低的剪切应力和各向异性而具有与高粘度流体相似的润滑性 能，在辐射、真空、高低温和重载条件下具有良好的摩擦磨损性能。例如常采用电镀法将铅 50 55 60 65 锡合金粉末涂敷在轴瓦表面制备减摩镀层，用来改善轴瓦的摩擦磨损性能；液氢液氧火箭发 动机涡轮泵轴承仅镀 0.6-1μm 厚的 Ag 膜就能可靠地工作。 1.2 层状固体 MoS2 是层状固体中应用最早的固体润滑剂之一，其 Mo-S 棱面相当多，比表面积大， 层与层之间容易剥离，表现出很低的摩擦系数。又因硫对金属具有很强的粘附力，使 MoS2 能很好地附着在金属表面发挥润滑功能，故 MoS2 在航空航天领域得到广泛的应用[4]。石墨 具有明显的层状六方晶体结构，承载能力强，高温稳定性好，具有作为固体润滑剂的良好性 质。六方氮化硼（h-BN）在摩擦过程中剥落而转移到摩擦表面形成润滑层，素有“白石墨” 之称。但是与石墨相比，h-BN 具有较高的热导率、抗腐蚀性能和良好的热稳定性，是高温 自润滑材料的优良添加剂。Mao-Sheng Yang 等[5]的研究表明，WS2 的氧化温度比石墨和 MoS2 都高，干摩擦性能比 MoS2 更好，是一种新型的减摩自润滑材料。 1.3 金属氧化物、氟化物 PbO 是金属氧化物中具有较好润滑性能的固体润滑剂。高温下的 PbO 是像熔融玻璃的 高粘度流体，因而具有润滑性能。CaF2 和 BaF2 在很多情况下充当高温润滑剂来改善与配 偶件之间的摩擦相容性，CaF2/BaF2 共晶体因熔点较低，具有比单种氟化物更好的减摩性能。 Chuanbing Huan 等[6]发现在 500℃左右 BaF2/CaF2 共晶软化，此时涂层剪切强度比室温时明 显变低，在摩擦表面形成连续的润滑膜。稀有金属氟化物 LaF3 和 CeF3 也具有优良的润滑性 能，而且它们的成膜性能很好。熊党生[7]经研究发现选择适当的 LaF3 添加量，可在宽温度 -2- 范围内改善合金的摩擦磨损性能，特别是可显著提高合金高温耐磨能力。 1.4 高分子聚合物 70 75 80 85 90 95 100 105 PTFE 是高分子润滑材料中应用最多的一种材料。低温条件下的摩擦系数比石墨、MoS2 都低，PTFE 对钢的摩擦系数可达 0.04。但是纯 PTFE 易蠕变、耐磨性能差，目前多通过在 PTFE 中添加物质来进行改性。甄明晖等[8]用纳米蒙脱土对 PTFE 进行改性，制备了 PTFE/7075 铝合金镶嵌型自润滑材料，该种材料在保证较低的摩擦系数的前提下，得到了较 好的耐热性和高的耐磨性。 固体润滑剂的种类众多，各种润滑剂都有一定的适用范围，因此必须根据使用环境来选 择合适的润滑剂以期达到理想的润滑效果。在有水蒸汽和空气的条件下，石墨层间易于滑动， 润滑性能更好。在大气中 PbO 低温下的摩擦系数很高，但在 300-700之间的摩擦系数很低， 而在线以上开始分解为 Pb 和氧而失去润滑性能。MoS2 在大气中 400以上易 发生氧化生成 MoO3，摩擦学性能急剧下降，然而在线 表现出优异的润滑性能， 据文献[9]报道，在相同条件下，含 MoS2 的粘结固体润滑膜在真空中的摩擦系数约为大气中 的 1/3，而耐磨寿命比大气中的高几倍甚至几十倍。故 MoS2 是真空机械润滑的首选润滑剂。 总的来说，石墨、BN 等仅适用于大气中润滑，而 MoS2、WS2、PbO 等更适用于真空润滑。 在有氧环境下，层状晶体结构的固体润滑剂在低温时有效；对于氟化物和金属氧化物则是在 高温下软化而具有润滑性。 2 金属基自润滑材料（包括涂层）的制备工艺及性能 目前用来制备金属基自润滑材料（包括涂层）的方法主要有粉末冶金法、化学复合镀法、 等离子喷涂法、激光熔覆法等。 采用粉末冶金方法制造金属基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，可以制造出成分偏析小、组织均匀的自润滑材料[10]。冯艳等[11]采用热压 方法制备了不同 BN 含量的 Ni-20Cr 基自润滑材料。研究了热压温度和 BN 含量对材料力学 和摩擦学性能的影响。研究结果表明：随着温度的升高，Ni-Cr/BN 固体自润滑材料的孔隙 率减少，力学和摩擦学性能增强。随着 BN 含量的增加，抗弯强度、硬度和密度均降低，孔 隙率增加。11%BN 的材料比含 10%BN 的材料有更低的抗弯强度、硬度和密度，孔隙率增 加，有更好的平均摩擦系数和磨损率。李溪滨等[12]采用真空热压成型法制备了添加 CaF2 的 Ni-Cr-Cu 基固体自润滑材料，实验表明脆性的 CaF2 的加入使材料的机械性能稍有下降, 但 是却提高材料的摩擦磨损性能。室温下材料的磨损率下降 28%, 在 600时下降 40.4%。同 时发现随着温度的升高, 材料的摩擦系数逐渐减小, 材料的磨损率先减少后升高。载荷对材 料的摩擦系数影响很小, 但是使材料的磨损率不断上升。 化学复合镀法常采用在镀液中加入具有自润滑性能的固体微粒与基质金属共沉积的方 法，制备具有自润滑功能的复合镀层。许小锋等[13]在 45 钢表面制备了 Ni-P-MoS2 化学复合 镀层。结果表明：制备的复合镀层为非晶态结构，摩擦系数随着 MoS2 微粒含量先降后增， 质量分数为 8%时，摩擦系数最小。磨损量大约仅为普通 45 钢磨损量的 1/3，因而获得的复 合镀层具有明显的减摩耐磨效果。杨玲玲[14]比较了 45 钢表面 Ni-P-MoS2 与 Ni-P-CaF2 化学 复合镀层自润滑性能，结果表明常温下无论镀覆时间长短、摩擦对偶件材料是否相同, Ni-P-MoS2 复合镀层的自润滑性能均优于 Ni-P-CaF2 复合镀层的自润滑性能。唐宏科等[15]在 钢表面制备了 Ni-Co-P-PTFE 复合化学镀层，结果表明影响复合镀层性能的因素较多, 其中 -3- NiSO4 和 CoSO4 的配比, 聚四氟乙烯的加入量, 镀液 pH 值, 镀液温度和施镀时间的影响 较为显著。经过优化工艺参数得到的复合镀层表面 PTFE 分布均匀, 摩擦系数可达 0.05，显 微硬度可达 HV0.05340，有良好的摩擦性能和润滑性能。 110 等离子喷涂具有等离子焰流热量高度集中、流速高、气氛可控等特点，可获得高质量的 涂。
