稀土润滑材料的摩擦学研究

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物进行了较为系统的研究，结果表明二烷基二硫 代磷酸稀土配合物具有良好的润滑减磨性能，对 其润滑机制分析显示： （ $） 其在摩擦过程中发生摩 擦化学反应，从而在摩擦表面形成具有保护作用 的边界润滑膜； （ "） 稀土元素在摩擦界面向基体渗 透而改变了表层的裂纹扩展抗力和表面压 应 力， 使材料硬度增大，耐磨性增强。 通过对 %&，E7，,F，B6 和 GH 的二烷基二硫代 磷酸盐 （ABIIE） 、二烷基膦酸盐 （ABIEB） 和三烷基 磷酸盐 （ABJ>E）三种类型 $2 种稀土化合物的摩擦 磨损试验考察，结果表明，稀土化合物具有较好的 抗磨减磨性能，润滑性能的优劣顺序为： ABIIE K ABIEB K ABJ>E；对 每 一 种 类 型 的 稀 土 化 合 物 而
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合性能，最近推出的 89+% 是一种新型镁合金，由 于加入高含量稀土，其抗蚀性和拉伸强度均有所
［%］ 改善 。 ［’］ 祁庆琚等 在对 *:$"; 镁合金中加入铈的研 究中发现，随着铈含量的增加，在机械性能提高的
同时，材料的摩擦学性能有了明显改善。这是因为 稀土元素与合金中氧、硫等杂质元素有较强的结 合力，抑制了这些杂质元素引起组织疏松的作用； 在熔炼过程中，稀土元素能与水气和镁液中的氢 反应，生成稀土氢化物和稀土氧化物以除去氢气， 减少气孔、针孔及缩松等铸造缺陷，提高了铸件质 量，减少了在摩擦过程中裂纹源的产生。稀土元素 还可以净化晶界，增加晶界强度，使裂纹不易在晶 界处产生。稀土元素的加入改善了合金的热稳定 性，有效阻碍温度升高时晶界的滑动和裂纹的扩 展，减小摩擦过程中的塑性变形，提高了合金的摩 擦学性能。加入稀土后，稀土化合物在镁合金中的 固溶强化作用提高了镁合金的硬度与屈服 强 度， 这也在一定程度上改善了镁合金的磨损性能。 稀土的加入细化了合金组织，改善了镁合金 的综合性能，增强了磨损表面氧化膜的稳定性，提 高了稀土镁合金的承载能力，有效地延迟了由轻 微磨损向严重磨损的转变过程。 以 "< 稀土金属加入含 !!< 26 的铝硅合金中， 可以使硅细化程度与含 ".< 26 的合金相同，且具 有热膨胀小、硬度高、耐磨性能好等特点。在贵金 属 （ =>，*?，*@） 中加入 # ( "< A4 或 3B，可以提高其
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稀土合金 在硬质合金中添加稀土金属，可明显提高其
高温抗弯曲强度、抗氧化性和断裂韧性及耐磨等 性能。镁合金中加入稀土具有适宜的航天航空综
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收稿日期：!##) - #$ - !,；修订日期：!##) - "" - "# 基金项目：国家自然科学基金资助项目（+$+."#’!） ，国防基础研究资助项目（R".#)#’#,"$） 作者简介：薛茂权（"$., - ） ，男，江苏人，硕士研究生；研究方向：润滑材料的摩擦学 万方数据 通讯联系人（ 9STB6E：U6DV@W7X TB6E ( VY?7> ( 4W? ( ZV）
添加剂的的摩擦特性及其与稀土的电子结构、键 参数和热力学参数之间的关系，并分析了其抗磨 极压机制。结果表明三氟化物以及混合稀土化合 物均能不同程度的提高基体的摩擦学性能。研究 认为稀土氟化物的摩擦化学产物 AB+’ （ 稀土氟氧 化物） 的抗磨性和抗腐蚀性及稀土配合物对合金具 有良好的润滑性能， 且稀土元素的 !C 电子越多， 形 成稀土氟氧化物的倾向就越大，抗磨性能则越好。 进一步研究
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薛茂权等 稀土润滑材料的摩擦学研究 $期 "!= ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Байду номын сангаас ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
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稀土润滑材料的摩擦学研究 !
薛茂权，熊党生" ，闫 杰
（南京理工大学材料系，江苏 南京 !"##$%）
摘要：随着稀土材料科学和摩擦学研究的发展，近来许多材料工作者注意到了稀土润滑材料的摩擦学性能，并开展了一些积极的研究工作。 主要讨论了稀土合金、稀土无机化合物、以及稀土配合物的摩擦学研究和作用机制，并对稀土润滑材料今后的发展提出了一些建议。
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" 稀土金属和稀土合金的摩擦学特性
"(" 稀土金属 稀土元素的化学活性强， 原子半径大， 电负性 低， 其在摩擦表面的固溶度很低， 在晶界处的吸附 能力很强，在摩擦表面形成富集。美国贝尔电话研 究所和 1*2* 的 34567 中心最早研究了稀土金属的 摩擦磨损及粘着性，研究结果表明，与其他相同晶 体结构的金属相比，稀土金属的粘着系数低 （小于 、硬度低，在高温下氧化生成稀土氧化物，而 # (%） 稀土氧化物在高温下具有一定的润滑性，所以稀 土具有高温润滑的可能性。在真空和空气中，稀土 金属的摩擦系数和磨损率有明显的差别，这主要 是稀土元素的 %/ 轨道电子影响其化学吸附活性所 致
关键词：材料学；润滑；摩擦学；稀土 中图分类号：&’"% ( )) 文献标识码： * 文章编号： （!##%） #!+, - .#.’ #" - #!%, - #%
由于具有独特的 %/ 电子结构和物理化学性质， 稀土元素及其化合物在材料科学中得到了广泛的 应用。以往稀土主要应用于冶金、化工、电子和原 子能工业以及医药和农业等诸多领域。近年来，稀 土化合物在润滑材料中的应用研究也日益为人们 所关注，尤其是其摩擦学作用机制和应用研究受 到了材料工作者的普遍关注，相关的研究和开发 具有重要的理论意义和应用价值
［!］ 机械强度和耐高温磨损性能，同时降低成本 。
行了研究，结果发现在喷焊层中加入适量稀土，可 使喷焊层组织细化 # 通过固溶强化和有序强化，得 到强韧性好的基体，为硬质相提供有效可靠的支 撑和保护；稀土的加入，还可使粗大树枝状共晶熔 断游离，并阻碍某些硬质相的聚集长大，使其细 小、 均匀弥散分布，从而提高喷焊层金属的耐磨 性。 翟光杰等进一步研究发现，加入稀土元素能 够明显增大喷焊合金层摩擦表面氧化物膜的厚度， 并在氧化物膜与基体之间产生富集，从而提高喷 焊合金层与基体的结合强度，改善喷焊合金层的
发现，稀土化合物的加入，在摩擦
表面形成了富含稀土的氧化物，硫酸盐和有机物 的保护膜，从而使材料具有优良的摩擦学性能。 "#( 稀土在涂层中的作用 随着稀土元素在材料科学中的广泛应用，其 在表面工程中的应用也日益受到重视。 ［$D］ 万方数据 邵德春等 对稀土对喷焊层耐磨性的影响进
稀 有 金 属 ,. 卷 ,SR ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
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稀土润滑添加剂 润滑添加剂是润滑油和润滑脂的重要组成部
中发现，由于在摩擦表面形成了具有减磨
分，它们对润滑剂的使用性能起着决定性作用。兰 州物理化学研究所研制了纳米氟化稀土润滑油添 加剂和纳米氢氧化稀土润滑油添加剂，由于纳米 稀土的特殊效应，解决了纳米颗粒在润滑油中的 分散问题，是优良的润滑油极压抗磨添加剂。 连亚峰等
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此基础上，为了在宽温度范围内具有优良润滑作 用，他们在 )*’( 中加入了 >?，研究结果表明，由 于 >? 的加入，在磨损表面形成了一层固体膜，摩 擦性能显著提高，在 411 3 时 >? 与 )*’( 具有协同
［$$］ 减摩效应 。
小的化合物，起弥散强化作用； （(） 降低晶界偏聚， 强化晶界。 这 ( 个方面的作用都有益于提高喷焊合金层 的摩擦学性能。 在对 陶 瓷 涂 层、复 合 涂 层 及 高 温 涂 层 的 研 究
AGH1929 I&JK1*3 &L K*K9 M9N*32 L4OP?BPQ !##% # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # #
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作用的保护膜，材料的摩擦学性能均有了不同程 度的提高。
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稀土配合物润滑剂
二烷基磷酸稀土配合物是性能良好的润滑剂，
研究了轻稀土三氟化物润滑脂
二烷基二硫代氨基甲酸的三元稀土配合物在润滑
［$］ 脂中具有良好的抗磨性能和优异的极压性能 。 ［"( @ "D］ 陈波水等 对二烷基二硫代磷酸稀土配合
［$4，$<］ 耐磨性和承载能力 。
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稀土无机化合物的摩擦学特性
稀土高温润滑剂 一些稀土化合物 （ %&’( ，)*’( ，)*+" ，%&" +( ） 具
有六 方 晶 体 结 构 （近 似 于 层 状） ，具 有 润 滑 作 用。 ,-./*0 的研究表明 %&’( 和 )*’( 都具有优良的润滑 性能，而且它们的成膜性能也很好，在室温时的摩 擦系数为 1 # 2，211 3 以上摩擦系数在 1 # " 左右 。 5677&0 在 ,.( 8! 9 ,.( 8! 和 ):;5:;)7;,. 合 金 9 ,.( 8! 两 种摩 擦 副 下 升 温 过 程 中 评 价 过 )*’( 的 润 滑 性 能