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1、第17卷第1期摩 擦 学 学 报Vol 17,No 11997年3月TR I BOLOGYM arch,1997评述与进展(8996)国外某些金属基自润滑复合材料的开发与进展3王庆年隋忠祥张明吉 吉刘勇兵安健(吉林工业大学长春130025)摘要金属基自润滑复合材料是材料科学研究领域的一个重要发展方向,其以在特殊使用条件下具有优良的摩擦学特性而受到人们的广泛关注.为了促进这类复合材料的研究与应用的发展,对国外某些金属基自润滑复合材料的开发与进展作了综合介绍与评述,重点阐述了其中部分材料的摩擦学特性,讨论了环境因素对材料摩擦学性能的影响,并且通过对目前某些金属基自润滑复合材料应用实例的论述,提出了
2、在今后研究与开发工作中应当重视的几个努力方向.关键词复合材料自润滑摩擦磨损分类号TQ 135.6金属基自润滑复合材料具有优良的摩擦学特性,是固体润滑剂作为组元被加入到金属基体中形成的复合材料.这类材料的摩擦学特性取决于摩擦过程中其所含固体润滑剂的析出和弥散分布.固体润滑剂可以在对摩表面间发生转移形成润滑薄膜,这能使材料的摩擦学性能得到明显改善18.金属基自润滑复合材料兼有基体金属固有的特性和固体润滑剂优良的摩擦学特性,适于在不同的大气环境、化学环境、电气环境和温度环境等特殊环境条件下使用.作者通过对国外某些金属基自润滑复合材料开发与进展情况的综合介绍与论述,以求推动我国在这一领域基础理论研究和
3、应用研究的发展.1金属基自润滑复合材料的摩擦学特性按照所用金属的相态不同可以将金属基自润滑复合材料的制造方法分为液相制造、固相制造和液固相混合制造3种.典型的固相制造是粉末冶金法,而铸造则是最常采用的液相3国家自然科学基金资助项目.1995209224收到初稿,1996209218收到修改稿,本文通讯联系人张明吉 吉.王庆年男,1952年12月生,黑龙江省庆安人,1987年获吉林工业大学博士学位,目前主要从事汽车材料、结构设计和动态仿真研究,现为吉林工业大学教授.隋忠祥男,1947年2月生,山东省海阳县人,1982年4月在吉林工业大学硕士研究生毕业,目前主要从事材料热处理及涂装设备研究,发表论
4、文18篇,现为吉林工业大学副教授.张明吉 吉男,1964年11月生,吉林省大安市人,1994年获吉林工业大学硕士学位,目前主要从事复合材料摩擦磨损研究,发表论文16篇,现为吉林工业大学讲师.刘勇兵男,1953年8月生,吉林省大安市人,曾留学美国,1989年在美国威斯康星大学材料系获博士学位.1994年回国,目前主要从事汽车材料及工业摩擦学研究,发表论文43篇,现为吉林工业大学教授、博士生导师.安键男,1965年1月生,吉林省长春市人,1991年在西安交通大学金属材料系获硕士学位,目前主要从事复合材料磨损的研究,发表论文6篇,现为吉林工业大学讲师.制造过程,介于二者之间的有真空喷涂法等9,10.
5、表1列出的是国外已经投入实际应用的部分金属基自润滑复合材料,其中已有一些实现了商品化.某些常用于制造金属基自润滑复合表1某些金属基自润滑复合材料Table 1A selected list of metal-matrix self-lubricating compositesM atrixmaterialSelf2lubricantType?%Technique ofsynthesisDensity?gcm-3ApplicationAgGraphite5.0010.00P?M7.238.50Electrical25.00P?M5.00contactsMoSe220.00P?M9.51NbSe2
6、10.00P?M8.829.3115.0030.00P?M7.859.04MoS210.0020.00P?M7.638.92W Se215.0025.00P?M9.079.73Ag10N iGraphite3.00P?M9.049.33AgPTFE?MoSe220.00?10.00P?M5.405.60CuGraphite5.00P?M7.357.57ElectricalCu(GRAD I A)Graphite20.00SCAST7.50contactsCuMoS25.0050.00P?MBearingCuPTFE?MoSe222.00?8.00P?M5.16materialsMoS2?W S
7、210.00?10.00P?M7.98Cu5PbW S212.00P?M8.79High speedCu4SnCu2S?FeS3.00?5.00P?MbearingCu60TaMoS2?W S210.00?10.00P?M8.66materialsCu45Sn2PbGraphite11.00P?M5.50w ith i mprovedCu4Zn8SnGraphite10.00VCASTmachinabilityA l2SiGraphite1.0010.00VCASTBearingsA l4.5CuGraphite50.00P I NF I L2.302.38liners5.0030.00SCA
8、STpistons dryMALLOY2.622.64frictionA l9Si3CuMoS21.004.00SCASTbearingA l13SiCuTalc2.002.80VCASTmaterialsA l4.5Cu1.5M gM ica1.382.00VCAST304StainlessMoSe210.00P?MBearingssteel 30AgN iW S210.0035.00P?M7.528.31HighCaF25.0015.00P?M6.317.04temperatureW Se215.0025.00P?M8.048.46bearingsMoS210.0015.00P?M7.10
9、7.64Note:P?M means powermetallurgy;VCAST means vortex casting;SCAST means special casting;P I NF I Lmeans pressure infiltration;MALLOY means mechanica alloying.注:P?M表示粉末冶金,VCAST表示涡流铸造,SCAST表示特殊铸造,P I NF I L表示压力渗入,MALLOY指机械合金化.材料的固体润滑剂见表2所列.这类润滑剂的摩擦因数大都处在01100125的范围.在高温下使用的固体润滑剂的摩擦因数都比较高,而且就一般情况而言,固体
10、润滑剂的硬度越高,其摩擦因数越高.09摩擦学学报第17卷金属基自润滑复合材料的摩擦磨损性能取决于这样4个方面:基体合金的组织和成分;固体润滑剂的性质、颗粒尺寸、形状及其在复合材料中所占的体积分数;固体润滑剂在复合材料中的分布状态和界面的性质与特征;合成方式在一定程度上也影响金表2部分用于制备金属基自润滑复合材料的固体润滑剂Table 2A selected list of solid lubricating particles used in the fabricationof metal-matrix self-lubricating compositesM aterialStructure
11、?gcm-3HMT?GraphiteLayer lattice2.092.230.51.00.140.19500600MoS2Layer lattice4.624.801.01.50.160.20250350TalcLayer lattice2.582.831.02.00.25200M icaLayer lattice2.702.802.80.25W S2Layer lattice7.407.501.01.50.140.18430MoTe2Layer lattice7.701.02.00.19400W Se2Layer lattice8.001.02.00.100.17540NbSe2Laye
12、r lattice6.251.02.00.110.17350MoSe2Layer lattice6.901.02.00.160.20540BNLayer lattice2.303.302.00.25700CaF2Cubic lattice3.184.00.200.25650PTFEChain structure2.13J75.0J95.00.040.20130275TaS2Layer lattice7.051.02.00.05600属基自润滑复合材料的摩擦磨损性能.Fig 1Friction factor as function of graphite contentin the metal2
13、matrix self2lubricatingcomposites5,11,12,1417,32图1部分金属基自润滑复合材料的摩擦因数随石墨含量(Cg)变化的关系曲线5,11,12,1417,32图1给出的是几种金属基自润滑复合材料的摩擦因数随其所含固体润滑剂体积分数变化的关系曲线.可以看出,在复合材料中所含有的石墨体积分数(下同)低于25%的情况下,几种材料的摩擦因数都是随着石墨含量的增加而明显降低;当石墨含量高于25%以后,几种金属基自润滑复合材料的摩擦因数都基本不再随石墨添加量的变化而改变,而是呈现出相当稳定的低值(接近于石墨材料本身的摩擦因数)46,1017.这说明在相对滑动的摩擦表面
14、上形成了较为稳定的润滑薄膜之后,基体金属的硬度等对金属基自润滑复合材料摩擦磨损性能的影响甚微.在这种情况下,金属基自润滑复合材料的摩擦与磨损主要受固体润滑剂的影响.90年代以来,这层润滑薄膜的形成和性质引起了材料学界和摩擦学界的广泛关注,并且对其进行了许多研究1,48.但到目前为止,人们对这种润滑薄膜的形成机制及其破坏19第1期王庆年等:国外某些金属基自润滑复合材料的开发与进展与再生过程都还并不十分清楚.研 究结果表明,金属基自润滑复合材料的磨损主要取决于:摩擦形成的润滑膜的性Fig 2W ear rate(W)vssolid lubrication2particlecontent(CSL)f
15、or metal2matrix composites16,18,19图2几种金属基自润滑复合材料中固体润滑剂含量(CSL)对磨损速率(W)的影响16,18,19质、厚度和分布状态;润滑膜与基体的结合强度;基体金属的特性.图2给出的是几种典型的商品金属基自润滑复合材料的磨损率测试结果16,18,19,明显可见其磨损率大多是随固体润滑剂体积分数的增加而下降,唯有Cu2W S2例外.对前种带普遍性的变化情况,认为是固体润滑剂在对摩表面形成了足够厚的保护膜而阻止或减缓了表面破坏过程的结果1,48,16.一般情况下,固体润滑剂的颗粒越大18,20,21,以其复合的材料的磨损速率越低.就固体润滑剂体积分数
16、比较高的金属基复合材料而言,其磨损速率通常比较稳定而且较低;而当固体润滑剂的体积分数给定后,复合材料的磨损率则是随着接触压力的增大而上升,但随着滑动速度的增加而降低1,2226.2环境因素对摩擦磨损性能的影响各种环境因素对金属基自润滑复合材料所含固体润滑剂的体积分数及其在摩擦表面的弥散分布过程都有明显的影响.由于石墨呈层状结构,在摩擦过程中因层间滑移而具有良好的摩擦学特性.这种特性在有水分或其它表3一些固体润滑剂在不同环境大气中的摩擦学特性16Table 3The effect of vacuum,dry air and highly hum id air on the frictionand
17、 wear behaviours of various solid lubricants16Solid lubricantIn vacuumIn dry airIn high hum id airGraphiteHighHighVery lowGraphite fluorideFairly highFairly highLowBNHighHighLowPTFEVery lowLowFairly lowPolymerLowFairly lowFairly highM etalHigh in frictionHighHighlow in wearMoS2Very lowLowFairly lowW
18、 S2Very lowLowFairly high挥发性有机物存在的情况下更加明显27,而且在金属基石墨自润滑复合材料中同样也是如此16,2833.L ee等33曾经研究过环境大气对A g225%石墨复合材料摩擦磨损性能的影响,发现很低的水蒸汽分压就可以明显改变材料的摩擦学特性.表3列出的是一些固体润滑剂在真29摩擦学学报第17卷空、干燥和潮湿空气中摩擦学特性的定性比较18.可以看出,这些固体润滑剂在不同环境气氛中的摩擦学性能明显不同.金属基石墨自润滑复合材料在液体润滑条件下的抗擦伤性能相当好,这应当归因于石墨的改性作用.研究表明,在A l2Si2N i合金中,改善这一特性的最低石墨含量约为2
19、10%34,而在液体润滑条件下,只须要添加约112%的石墨就可以明显地改善合金的耐磨性22.Cu或A g基自润滑复合材料通常在使用中有电流通过,由于在滑动过程中电流的作用,致使磨损变得更加复杂.在这种情况下,复合材料的磨损量取决于这样3种磨损:纯机械磨损;电弧冲蚀;由于电弧的局部加热而使材料软化所导致的磨损增量.一般地说,当摩擦条件发生变化时,这3种磨损的大小也随之发生改变1,35,36,就A g2石墨复合材料而言,磨损是随着通过电流密度的增加而增大,如图3所示28.可以看出,由于试验温度Fig 3W ear rate(W)as a function of currentdensity(J)f
20、or A g2graphite composites28图3A l2石墨复合材料磨损速率(W)随电流密度(J)的变化规律28的范围不同,这种复合材料呈现出两种明显不同的磨损方式.其中,方式?是在温度低于100时有吸附水存在下的磨损状态,而方式 则是在温度高于100条件下的磨损状态.研究结果表明,在金属基复合材料中添加适量的固体润滑剂,在一般情况下非但不会损害原基体材料的承载能力,相反还会导致材料的承载能力有一定程度的提高.例如,在A l217Si24Cu复合材料中添加体积分数为3%的石墨,可以使这种复合材料的p2v曲线得到较大程度的提高见图4(a)所示;当在这种复合材料中加入50%的石墨后,其
21、p2v曲线与原基体材料的基本相当,而在较高速度下的p2v曲线还明显升高见图4(b)所示.3工业应用与展望由于金属基自润滑复合材料不仅具有基体金属良好的机械强度,而且具有固体润滑剂优良的摩擦学特性,已经在工程领域获得较为成功的应用.目前,商品化的金属基自润滑复合材料比较典型的应用包括干摩擦轴承、轴瓦、滑块、电接触器、衬套、活塞、齿轮、轴、垫圈和密封圈,以及阀门座和轴承保持架等.A g基自润滑复合材料具有摩擦噪声低、摩擦因数低、接触电阻小而稳定和电导率高等主要优点,已经广泛用于制造电刷、轴瓦、滑块和触点等37.A g2二硫化物复合材料也已成功地应用在外层空间用微型轴承上.Cu基自润滑复合材料在氧化
22、性气氛下的使用温度约为300,在非氧化性气氛下的最高使用温度可达927.这类复合材料可以用于高负荷和低滑动速度的工作条件,Cu2石墨自润滑复合材料已用于制造卡车和起重机等行走机械的平面轴承、驱动轴轴承、加煤机链条、细栓输送带和电刷等.39第1期王庆年等:国外某些金属基自润滑复合材料的开发与进展Cu基或A g基自润滑复合材料电刷已经成功地应用于现代惯性能量贮存装置(如单极电动机或发电机)中.A g,Cu,N i加二硫化物自润滑复合材料已在球轴承与滚针轴承、外层空间微型轴承、密封垫、阀门座、齿轮、电动机电刷、滑动圈和电接触器等方面得到了应用.M o2M oS2,Ta2M oS2自润滑复合材料在高温
23、轴承和滚动轴承支架等方面也得到了应用.铝硅合金2石墨自润滑复合材料主要用于制造汽缸体和一些轴承、活塞与活塞环.在使用铝硅2石墨活塞和活塞环时,摩擦功耗可以减少9%.A l2石墨复合材料具有良好的摩擦与磨损特性,其减震性能与灰铸铁的不相上下,已在汽缸体、滚动轴承、连接轴和风扇套管等方面得到很好的应用.镁合金2石墨复合材料已用于制造活塞与空间结构件,而巴比特2石墨复合材料则主要是用于制造中载和中速轴瓦套管、垫圈和转动密封圈等.Fig 4Influence of graphite content on pressure(p)variation corresponding to seizure atd
24、ifferent sliding speed in severalmetal2matrix composites图4几种金属基复合材料中的石墨含量对压力(p)2滑动速度(v)关系曲线的影响铸造金属基自润滑复合材料是60年代发展起来的用于降低摩擦阻力的新材料11.铸造法是目前最经济的复合材料制备技术.这类复合材料的摩擦学性能良好,只需加入2%的石墨就可以使铝合金获得良好的自润滑性能.4结束语由以上所述国外一些金属基自润滑复合材料的工业应用情况可以看出,这类复合材料的应用范围几乎覆盖了全部金属轴承零部件,而其在特殊条件下的使用性能则是一般金属零部件所无法比拟的.已经开发出来的在高速、高温下使用的轴
25、承,例如以粉末冶金法制取的N i基自润滑复合材料,N i2W S2,N i2CaF2和N i2M oS2,以及M o2M oS2,Ta2M oS2和部分Cu基自润滑复合材料等,都已得到一定程度的应用.但是,目前对这类复合材料在高温下的摩擦学特性及氧化层的影响之研究都还不够深入.作者认为,系统地研制、开发高性能的高温自润滑复合材料是应当49摩擦学学报第17卷进一步重视的课题.随着现代航天和航空工业的发展,宇宙空间机械摩擦学也得到了发展,具有低摩擦和低滑动噪声的A g基2二硫化物自润滑复合材料,已经成功地在外层空间用微型轴承上得到了应用;可以在中等程度真空条件下使用的Cu2石墨2W S2复合材料也
26、已经研制出来.但是,从总的情况来看,国外在金属基自润滑复合材料方面,还有很多实际应用上的问题尚未得到满意的解决,基础理论方面也还有待进行深入而系统的研究与探讨.参考文献1Rohatgi P K,Ray S,L iu Y B.Tribological characteristics of metal2matrix graphite composite.Int M et Rev,1992,37:1291342Badia F A,Rohatgi P K.Dispersion of graphite particle in alum inum casting through injection in
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42、Composites O ve rseasW ang Q ingnianSui ZhongxiangZhangM ingzheL iu YongbingA n Jian(J ilin U niversity of T echnologyChangchun130025China)AbstractThemetal2matrix self2lubricating composites(MM CS)as a group of high per2formancematerials have caused great attention in theworld due to their attractiv
43、e tribolog2ical properties.M ainly review s the current know ledge on the research and development ofMM CS overseas,including the classification,fabrication methods,tribological properties,w ear mechanism s and the effect of environment.The discussions on typical applications ofsome commercially availableMM CS provide a some focal point of the work in the futureresearch and applications.Key wordscompositeself2lubricationfriction2w earClassifying numberTQ 135.669摩擦学学报第17卷