CaF2-MoS2鐵鎳基自潤滑復合材料的摩擦學性能研究

真空材料 劉金銀子 江蘇大學材料科學與工程學院

  以不同含量的MoS2、CaF2 為潤滑相,加入Cu、F℃ 和合金等元素,采用粉末冶金燒結工藝制備了具有在室溫和高溫下均有自潤滑作用的鐵鎳基復合材料。采用UMT-2 摩擦磨損試驗儀、掃描電鏡以及X 射線衍射測試并分析了復合材料的摩擦磨損性能以及機理。結果表明,隨著MoS2 含量的減少、CaF2 含量的增加,在室溫時摩擦系數、磨損率均增大;而高溫時摩擦系數、磨損率先降低后增大。當MoS2、CaF2 各含3%( 質量百分數) 時復合材料在室溫和高溫時擁有最佳的摩擦性能。該復合材料室溫時主要是MoS2 起潤滑作用,降低材料的摩擦磨損;而高溫時MoS2、CaF2 與金屬相互作用生成Crx Sx + 1以及MoO2、CaMoO4、F℃2O3、F℃Mo4F6 等物質,這些物質在摩擦表面形成復合潤滑膜而起潤滑作用。

  金屬基自潤滑復合材料是熱動力機械以及高溫傳動設備摩擦部件的主要候選材料之一。其中主要是以鐵基和鎳基復合材料為主,前者具有低成本、獨特的熱處理性能、高性價比等優點,但是其耐高溫性能較差;而后者作為高溫自潤滑耐磨復合材料則具有優異的高溫力學性能、抗氧化性能和抗腐蝕性能,但是其成本較高。以鎳鐵合金作為復合材料的基體既可以實現原材料成本較低又滿足材料從室溫到高溫各方面所需的優異性能。復合材料的強度硬度主要由金屬基體起支撐作用,而減摩抗磨自潤滑能力主要依靠其他潤滑相物質如MoS2、CaF2 等。片層結構的MoS2 作為常溫潤滑相在常溫環境中其摩擦學性能優良,但是在高溫條件時MoS2 易發生分解而失去潤滑作用;而CaF2 作為高溫潤滑相,在高溫時由脆性向塑性轉變而具有潤滑作用,在復合材料中表現出優異的化學穩定性。

  因此,本文采用粉末冶金燒結方法制備了鐵鎳基自潤滑復合材料,以CaF2、MoS2 為潤滑相,利用CaF2 和MoS2 各自特性的優化組合可以實現復合材料從室溫和高溫的連續潤滑作用,并探討了其機械性能、摩擦學性能及相應的機理。

1、實驗部分

1.1、材料制備

  實驗選用粒度為76 um 的分析純F℃ 粉、300 目的Cu 粉、國藥集團化學試劑有限公司的MoS2 和CaF2、自制鐵鎳鉻合金粉末作為基本原料。圖1 是鐵鎳鉻合金的掃描電鏡( SEM) 圖,可以看出粉末顆粒大小比較均勻,粒度約40 um。表1 為合金粉末所含物質以及成分。

鐵鎳合金粉末的SEM 圖

圖1 鐵鎳合金粉末的SEM 圖

  將以上幾種原料按照表2 中的配比在球磨機中球磨混合3 h,混合后再進行壓制成型,壓力350MPa,然后在氬氣燒結爐中進行燒結,燒結溫度為1100 ℃ ,保溫1 h,隨爐冷卻至室溫,取出燒結件加工成所需試樣尺寸。

1.2、性能測試與分析

  分別在維氏硬度機、萬能材料試驗機、沖擊試驗機上測定材料的機械性能。用UMT-2 摩擦磨損試驗機測試試樣的摩擦磨損性能,試樣尺寸為528 mm× 17 mm × 15 mm 其摩擦表面粗糙度R a 為0.4 um,對偶件是440C 不銹鋼球( 尺寸59 mm,硬度為57~ 61HRC) ,對偶件固定,試樣盤旋轉,載荷10N,轉速100 r/ min,旋轉半徑11 mm。用感量0.1 mg分析天平測定樣品磨損質量損失并算出磨損率。用X 射線衍射( XRD) 分析合金成分結構,用SEM 觀察磨痕形貌。

表1 鐵鎳合金粉末的EDS 分析結果

鐵鎳合金粉末的EDS 分析結果

表2 自潤滑復合材料的配方

 自潤滑復合材料的配方

3、結論

  ( 1) 制備出了新型在室溫和高溫時均有自潤滑特性的鐵鎳基復合材料。

  ( 2) 在室溫和高溫下復合材料含MoS2、CaF2 各3% 時擁有最佳的綜合機械性能和摩擦性能。

  ( 3) 室溫時主要MoS2 起潤滑作用;高溫時主要是MoS2、CaF2 與金屬氧化物和其他金屬鹽類起潤滑作用形成復合潤滑膜而起潤滑作用,使得復合材料在高溫時摩擦系數以及磨損率低。