固体自润滑材料研究进展

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自润滑技术研究现状与发展趋势

自润滑技术的研究现状及发展趋势1.自润滑技术的研究现状1.1固体润滑技术1.2自润滑刀具1.3自润滑轴承1.4自润滑砂轮2.自润滑材料3.自润滑技术的发展趋势1自润滑技术的研究现状本文在分析固体润滑机理的基础上，归纳评述国内外自润滑技术的研究进展，阐明了各种润滑技术的优缺点和相关应用，如自润滑刀具，自润滑轴承，自润滑砂轮等的应用，还介绍了一些润滑效果优异的材料，希望对以后学习和实践过程遇到的润滑问题有一定的指导作用。

1.1固体润滑技术润滑就是用润滑剂减少(或控制)两摩擦表面之间的摩擦力或其他形式的表面破坏的作用。

润滑剂包括润滑油、润滑脂、润滑性粉末、薄膜材料(粘结干膜、电镀、电泳、溅射、离子镀固体润滑膜、陶瓷膜等)和整体材料(金属基、无机非金属基或塑料基自润滑材料等)。

润滑剂根据其物质状态可以分成四类，即气体、油类、脂类和固体润滑剂。

固体润滑是将固体物质涂或镀于摩擦界面，以降低摩擦，减少磨损的措施。

利用固体润滑剂进行润滑的方法称为固体润滑。

利用固体润滑剂对摩擦界面进行润滑的技术统称为固体润滑技术。

当前，可作为固体润滑剂的物质有石墨和二硫化钼等层状固态物质、塑料和树脂等高分子材料、软金属及其各种化合物等。

固体润滑技术最早应用于军事工业，后来应用于一些高科技领域解决了一些液体润滑剂难以解决的困难，现在逐渐推广到常规生产领域中，取得了良好的效果。

因而，固体润滑技术越来越受到人们的重视；加之当前全球性能源紧迫，因此将固体润滑逐渐代替液体润滑的呼声日见高涨。

目前，虽然从理论上研究固体润滑机理日益增多，应用固体润滑技术解决日常遇到的润滑问题所取得的成效也日益显著。

但各种物质的润滑机理还有待深入研究，许多制备工艺还有待完善，固体润滑技术的效果和经济效益还有待提高。

1.1.1固体润滑机理固体润滑的主要目的是用镀、涂等方法将固体润滑剂粘着在摩擦表面上形成固体润滑膜，摩擦时在对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在润滑剂内部，从而减少摩擦，降低磨损。

金属基固体自润滑复合材料的研究进展

金属基固体自润滑复合材料的研究进展王常川;王日初;彭超群;冯艳;韦小凤【摘要】介绍固体润滑技术和固体润滑材料的应用背景和优势,总结难熔金属基、铜基、铝基、铁基和镍基等金属基固体自润滑复合材料各自的特点,讨论金属基固体自润滑复合材料的自润滑机理,指出金属基固体自润滑复合材料在研究与开发中出现的问题,介绍近年来金属基固体自润滑复合材料制备方法和研究内容方面的进展.%The backgrounds and advantages of solid lubricating technology and materials were introduced. The characteristics of refractory metal-based, copper-based, aluminum-based, iron-based and nickel-based solid self-lubricating composites were summarized. The lubrication mechanism of metallic solid self-lubricating composite was discussed. The problems in the research and development of metallic solid self-lubricating composite were pointed out. The progresses in the preparation and research of metallic solid self-lubricating composite were introduced.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2012(022)007【总页数】11页(P1945-1955)【关键词】金属基复合材料;固体润滑剂;自润滑;润滑机理【作者】王常川;王日初;彭超群;冯艳;韦小凤【作者单位】中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TF125.9Abstract:The backgrounds and advantages of solid lubricating technology and materials were introduced. The characteristics of refractory metal-based, copper-based, aluminum-based, iron-based and nickel-based solid selflubricating composites were summarized. The lubrication mechanism of metallic solid self-lubricating composite was discussed. The problems in the research and development of metallic solid self-lubricating composite were pointed out.The progresses in the preparation and research of metallic solid self-lubricating composite were introduced.Key words:metallic composite; solid lubricant; self-lubricating; lubrication mechanism全世界每年消耗的各类燃油总计约15亿t，但能源有效利用率只有30%左右。

金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展

第47卷第5期燕山大学学报Vol.47No.52023年9月Journal of Yanshan UniversitySept.2023㊀㊀文章编号:1007-791X (2023)05-0398-13金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展邹㊀芹1,2,王㊀鹏1,徐江波1,李艳国2,∗(1.燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004)㊀㊀收稿日期:2022-05-25㊀㊀㊀责任编辑:唐学庆基金项目:丹凤朝阳人才支持计划(丹人才办[2019]3号);河北省高等学校科学研究重点项目(ZD2021099)㊀㊀作者简介:邹芹(1978-),女,安徽淮北人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为超硬及特种陶瓷材料㊁摩擦磨损;∗通信作者:李艳国(1978-),男,河北唐山人,博士,副研究员,主要研究方向为金属基复合材料,Email:lyg@㊂摘㊀要:固体润滑剂在金属基自润滑复合材料中的应用正在迅速增加,特别是在极端环境(高温㊁高负载等)条件下工作的耐磨材料㊂目前,金属基自润滑复合材料中常使用的固体润滑剂主要有无机层状固体润滑剂㊁金属及其化合物㊁MAX 金属陶瓷㊁有机物固体润滑剂㊁碳纳米材料固体润滑剂㊁多元复合固体润滑剂等,其种类很多,且各自有其适用的环境和基体㊂根据基体材料以及工况环境选择相匹配的固体润滑剂,可以保证金属基自润滑复合材料具有良好的减摩耐磨效果㊂针对上述内容,本文综述了金属基自润滑复合材料采用的固体润滑剂种类㊁基本性质㊁优缺点㊁润滑机理,总结了固体润滑剂的适用温度及其在金属基自润滑复合材料中的应用情况,并对金属基自润滑复合材料固体润滑剂的发展趋势进行了展望㊂关键词:金属基自润滑复合材料;固体润滑剂;润滑机理;研究进展;展望中图分类号:TB331㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2023.05.0030㊀引言固体润滑剂[1]是金属基自润滑复合材料的重要组成部分,在金属基自润滑复合材料中的应用具有很长的历史㊂早在19世纪初期[2-3],石墨和Pb 已经作为润滑剂用于低速运转的机器上㊂20世纪30年代,添加固体润滑剂的铁基自润滑轴承在德国出现㊂20世纪60年代,添加MoS 2的金属基自润滑复合材料逐渐产生,并对超音速飞机的问世起到了重要的推动作用[4]㊂到目前为止,由于固体润滑剂可在一些特殊工况下(见表1)起润滑作用,这对高新技术的发展起到了重要的推动作用[5]㊂金属基自润滑复合材料固体润滑剂种类很多,包括无机层状固体润滑剂㊁金属及其化合物㊁MAX 金属陶瓷㊁有机物固体润滑剂㊁多元复合固体润滑剂等,其各有优缺点,且仍处于不断发展阶段㊂表1㊀固体润滑剂的适用场景Tab.1㊀Applicable scenaries of solid lubricants适用场景具体应用高负载滑动场景重型机械中的摩擦部件高温环境下磨损场景航空航天发动机㊁导弹燃油泵等摩擦部件强辐射环境下摩擦场景核电站㊁卫星等设备上的裸露活动部件强腐蚀性介质中摩擦场景化学反应器轴承,压缩机螺丝等部件摩擦接触表面导电场景电刷㊁受电弓滑板等灰尘或碎片环境中工作场景矿山机械和织机机械中的摩擦部件需要保证清洁的摩擦场景食品机械㊁纺织机械等摩擦部件微颤环境下的摩擦场景汽车和飞机上的摩擦部件1㊀无机层状固体润滑剂1.1㊀石墨石墨价格低廉,在潮湿环境中由于水的氢离第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展399㊀子和氢氧根离子的饱和导致层间范德华键减弱,从而促进了层间分裂,在金属表面形成一层具有减摩作用的润滑膜[6],使得其可在潮湿环境提供有效润滑㊂目前,石墨作为金属基自润滑复合材料固体润滑剂的研究主要集中在改善不同钢种在不同工业应用中的摩擦磨损性能上,而制备时石墨与部分金属基体(Cu㊁Al等)润湿性较差,导致两者界面结合变差,影响复合材料的力学性能以及摩擦学性能,另外使用过程中产生的高温会导致石墨氧化和烧蚀,严重影响润滑效果[6-8]㊂对石墨进行金属化改性,如采用金属(Ni㊁Cu等)包覆石墨的办法,能有效改善石墨与基体的界面结合,同时防止石墨氧化和腐蚀,改善石墨高温润滑效果,从而提高复合材料摩擦学性能,扩大使用范围㊂张鑫等[9]采用Cu包覆石墨制备了Cu基粉末冶金摩擦材料,其材料表面形成的摩擦膜主要为氧化膜,而采用普通石墨时,由于材料表面较多的石墨会抑制氧化反应,会形成石墨膜,其对材料表面的保护效果不及氧化膜㊂但相对于原基体,两种材料摩擦性能均有明显提高㊂Zhao等[10]证明了石墨与青铜无法充分润湿,而加入Ni或Cu包覆石墨的复合材料可以明显提高石墨与基体的结合性,Ni包覆石墨青铜基材料具有更稳定的摩擦系数㊁更低的磨损率㊁更高的维氏硬度,包覆石墨的Ni也可以提高复合材料的耐蚀性㊂牛志鹏等[11]发现加入镀Ni石墨可以降低石墨与Al的润湿角,提高基体的力学性能,降低复合材料的摩擦系数和磨损率,使金相组织变得更加致密㊂但石墨表面光滑且亲水性差,难以实现完全包覆㊂罗虞霞等[12]发现,采用机械化整形处理石墨表面,可以获得更为完整的Ni包覆层㊂冀国娟等[13]发现,在石墨表面进行微氧化以及在化学包覆反应溶液中加入醇类表面活性剂,均可提高包覆率㊂综上,采用金属包覆石墨作为固体润滑剂可显著提高其高温润滑特性㊂然而,石墨表面包覆金属层的完整性是决定其润滑性能的关键因素㊂故进一步提高石墨表面包覆金属层的完整性以及连续性将继续成为研究的重点㊂1.2㊀BNBN导电性能强㊁热稳定性高,在大气环境中适用温度为500~800ħ,是高温自润滑材料的优良润滑剂㊂其润滑机理为[14-15]:高于500ħ时,BN 会在摩擦过程中剥落而转移到摩擦表面形成润滑膜,起减摩作用㊂蒋冰玉等[16]以Ni-Cr合金为基体材料,BN为固体润滑剂,制备出燃气轮机中减摩耐磨用的高温自润滑复合材料㊂目前,尽管BN 是一种人们熟知的高温固体润滑剂,但由于其存在有效性差㊁不可润湿等问题,使得人们对于BN 单独应用在金属基自润滑复合材料上的报道较少,其常与其他固体润滑剂协同润滑[17]㊂2㊀金属及其化合物2.1㊀金属常见的金属固体润滑剂有Pb㊁Al㊁Ag㊁Au㊁Sn㊁Bi㊁In等,其具有纯度高㊁原料易得㊁低温环境不会丧失润滑性能等优点㊂金属固体润滑剂在强辐射㊁真空㊁低温等极端工作条件非常适合作为金属基自润滑复合材料的固体润滑剂使用,常与Cu㊁Al㊁TiAl等金属基体组成复合材料㊂其润滑机理为:在摩擦热的作用下,由于热膨胀系数不同,金属逐渐从基体内扩散到摩擦表面形成润滑膜,起减摩作用,但其适用环境受温度限制严重㊂Yao等[18]发现,在200ħ时,Ag在剪切应力作用下扩散到摩擦表面,起减摩耐磨作用㊂但在600ħ时Ag完全失去润滑作用(图1)㊂Dong 等[19]发现,Cu-24Pb-x Sn合金的自润滑性能和力学性能随Sn含量的增加而增加,Pb含量的增加有效地削弱了以摩擦系数变化为特征的粘滑现象㊂李聪敏等[20]以Al-Cu-Mg合金为基体,添加低熔点组元Bi后合金抗咬合能力明显提升,发现带状富Bi 相涂覆在磨损表面,起到减摩自润滑作用㊂金属在强辐射㊁真空㊁低温等极端环境仍具有润滑特性,但是也存在着一些缺点,如:Pb本身有毒,对人体和环境都有危害,Ag㊁Au㊁In等金属作为固体润滑剂时成本太高;金属在空气中暴露的时间过长时,易发生氧化反应,影响润滑效果㊂2.2㊀金属氧化物常见的金属氧化物固体润滑剂有PbO㊁CuO㊁MoO3㊁SnO㊁ZnO等㊂金属氧化物是最早应用的高温固体润滑剂,常与Fe㊁Ni㊁NiAl等金属基体组成复合材料㊂由于金属氧化物具有较低的剪切强度,可有效避免摩400㊀燕山大学学报2023擦过程中的咬合现象㊂Peterson 等[21]考察了大量氧化物的高温摩擦学特性,发现PbO 等少数氧化物可实现较宽温度范围内的有效润滑㊂但是,由于PbO 危害环境,国外已限制其应用㊂Zhu 等[22]通过PM 制备了添加氧化物(ZnO /CuO)的NiAl-C-Mo 自润滑材料,发现氧化物在低温时几乎不起减摩作用㊂但当温度达到600ħ时,磨损表面形成了ZnO㊁CuO 和MoO 3层,表现出了良好的减摩耐磨效果㊂结果表明,金属氧化物在高温时润滑效果显著㊂但是,目前关于二组元氧化物的润滑机理还未得到统一㊂图1㊀TiAl 基自润滑复合材料磨损表面的微观结构演变示意图Fig.1㊀Schematic diagram of microstructure evolution of wear surface of TiAl based self-lubricating composite2.3㊀金属氟化物常见的金属氟化物固体润滑剂有CaF 2㊁BaF 2㊁LaF 3等㊂金属氟化物热稳定性良好,从500ħ到1000ħ的温度范围都能起到良好的减摩耐磨作用,其原因主要为金属氟化物在500ħ时经历了由脆性到塑性的转变㊂Longson [23]发现,CaF 2和BaF 2具有良好润滑性的原因是其在摩擦过程中由脆性向塑性转变以及氟元素与金属表面发生化学反应的共同作用㊂尽管对CaF 2和BaF 2润滑机理进行了大量研究,但是对于其转移润滑机理的全面认识还有赖于进一步研究㊂综上,由于金属氟化物特殊的润滑机制导致其在低温时不提供润滑,故单独采用金属氟化物作为金属基自润滑复合材料固体润滑剂的报道很少,其多与石墨㊁Ag 等固体润滑剂复合使用,达到宽温度范围有效润滑的目的㊂2.4㊀金属硫化物常见的金属硫化物固体润滑剂有MoS 2㊁WS 2㊁FeS㊁CrS 等㊂MoS 2属于六方晶系,具有层状结构,常与Fe㊁Al㊁Ag 等金属基体组成复合材料㊂MoS 2在大气环境中适用温度可达350ħ,润滑机理与石墨相似,由于具有低摩擦㊁低接触电阻等优点,广泛用作航空㊁航天机构中的滑动电接触材料[24]㊂WS 2因其良好的热稳定性和抗氧化性而广泛应用于高温环境㊂研究表明[25-27],在大气环境中通过在金属基体中掺入MoS 2或WS 2颗粒可显著提高Ni [25]㊁Al [26]㊁Fe [27]等金属基复合材料的摩擦学性能,使其满足使用要求㊂但是,MoS 2和WS 2会因大气湿度高㊁氧气的存在以及高温而导致润滑性能降低㊂通过掺杂金属或无定形碳可以保护MoS 2边缘位置免受氧化,从而提高MoS 2和WS 2在潮湿或较高温度条件下的摩擦学性能㊂Rigato 等[28]发现在MoS 2层状结构中掺杂Ti 增加了MoS 2层间距离,从而改善了其摩擦学性能㊂此外,研究发现,在MoS 2层状结构中掺杂Ni [29]㊁Cu [30]等金属可提高复合材料在潮湿环境和真空条件下的摩擦磨损性能㊂FeS 与MoS 2相比,具有优异的耐高温特性,因其较疏松的鳞片状结构能储存润滑油,可进一步提升润滑性能㊂尹延国等[31]发现FeS /Cu 基复合材料在在干摩擦过程中,FeS 颗粒聚集在摩擦表面形成一层硫化物固体润滑膜,具有较好的减摩㊁抗粘着作用,在油润滑条件下,润滑油膜和FeS 固体润滑膜可以起协同润滑作用㊂Lu 等[32]采用NiCr /Cr 3C 2和WS 2粉末在Ti 6Al 4V 基体上激光熔覆制备了Ti 2SC /CrS 自润滑耐磨复合涂层,由于原位合第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展401㊀成的自润滑Ti2SC和CrS的存在,自润滑抗磨复合涂层显示出比不添加WS2粉末的抗磨复合涂层更好的摩擦学性能㊂综上,MoS2和WS2在高温真空条件下具有优良的润滑特性,被认为高温真空条件下的首选固体润滑剂㊂在大气环境中,温度低于350ħ时,金属基-MoS2自润滑材料表现出优异的摩擦学性能㊂但是,MoS2在大气环境中高温时容易发生氧化[29-30],限制了其应用环境㊂故如何进一步提高MoS2在潮湿和较高温度条件下的摩擦学性能将继续成为研究的重点㊂2.5㊀金属硒化物常见的金属硒化物固体润滑剂有NbSe2㊂NbSe2导电性能优异,相对摩擦系数低,常与Ag㊁Cu[33-34]等金属基体组成复合材料,广泛应用于电接触领域㊂早在20世纪80年代,美国NASA便采用Ag-NbSe2自润滑材料来制作卫星上的电刷,并取得良好效果㊂Ag-NbSe2自润滑材料具有良好润滑性能的原因[33]为在摩擦热和变形挤压的共同作用下,部分NbSe2转移到摩擦表面,形成了NbSe2润滑膜,起减摩作用㊂孙建荣等[34]发现,高负载㊁真空条件下,添加纤维状NbSe2的Cu-石墨复合材料摩擦系数远低于原复合材料㊂因此, NbSe2常作为真空条件下的固体润滑剂使用㊂3㊀MAX金属陶瓷MAX金属陶瓷因为其原子结构和独特的化学键特性,使MAX金属陶瓷兼具金属和陶瓷的优点,如高硬度㊁高弹性模量,具有良好的抗氧化性㊁耐腐蚀性㊁导电导热性㊁辐照性能㊁高温机械和摩擦学性能等[35]㊂理论计算约有600余种能稳定存在的三元MAX金属陶瓷,如今可以通过实验合成80多种[36],如Ti3SiC2㊁Ti3AlC2㊁Ti2AlC㊁Ti2AlN㊁Ta2AlC等㊂目前,除Ti3SiC2和Ti3AlC2外,对于其他MAX金属陶瓷应用于金属基自润滑复合材料的研究鲜有报道㊂在材料基体中添加一定量的Ti3SiC2/Ti3AlC2颗粒润滑相能够显著提升金属基体的摩擦学性能㊂研究表明[37-39]不同温度下的微观结构以及反应产物对Ti3SiC2㊁Ti3AlC2的润滑性能有重要的影响㊂Zou等[38]用放电等离子烧结制备Ti3SiC2增强TiAl基复合材料,Ti3SiC2均匀分布在TiAl基质中,部分分解形成Ti5Si3和TiC,室温摩擦时复合材料表面形成Ti3SiC2润滑膜,550ħ摩擦时形成Fe-Ti-Al-Si-氧化物润滑膜,起润滑作用㊂朱咸勇等[39]发现,当试验温度低于400ħ在轻载条件下难以形成稳定氧化物润滑膜,其润滑特性主要依赖于特殊的层状形貌,而试验温度超过500ħ会促使材料表面形成氧化物润滑膜,起到减摩耐磨的作用㊂同时,MAX金属陶瓷添加量对复合材料摩擦学性能影响较为显著㊂陈海吉[40]使用放电等离子烧结制备Ti3AlC2/Cu复合材料,研究表明,随着Ti3AlC2添加量增加,复合材料摩擦磨损性能得到提高㊂研究发现当含量过高时会导致其致密度降低,影响摩擦学性能㊂烧结温度对MAX金属陶瓷自润滑复合材料性能也有重要影响㊂Zhou等人[41]发现烧结温度在900ħ以上时,在Cu和Ti3SiC2界面会形成Cu㊁TiC x㊁Ti3SiC2和Cu x Si y混合区从而提高系统的润湿性和耐磨性㊂综上,MAX金属陶瓷应用在摩擦材料的大多数情况下,由于摩擦过程中形成的氧化物润滑膜具有特殊的层状结构,使复合材料润滑效果更好㊂另外,表面改性以及较高的烧结温度可进一步提高其润滑效果㊂4㊀有机固体润滑剂除上述固体润滑剂外,还有一类性能优越㊁可用于极端环境(真空㊁强辐射)条件下的单一固体润滑剂-有机固体润滑剂㊂有机固体润滑剂种类很多,如聚四氟乙烯(PTFE)㊁三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)等,但较低的适用温度(-270~275ħ)限制了其在金属基复合材料中的应用㊂PTFE是所有聚合物中摩擦系数最低的[42]㊂其抗剪切强度较低,受剪切力时聚合物链脱开,可提供润滑作用㊂同时,由于含F外壳的存在,其抗咬合性优异,常采用电沉积法与Ni[43]㊁Fe[44]等金属基体组成复合材料㊂MCA润滑特性与MoS2相似,滑动面间极易受力断裂,提供润滑作用㊂Tang 等[43]发现,由于润滑转移层的存在,Ni-Co-PTFE 复合材料显示出良好的摩擦学性能(摩擦系数0.08)㊂Xiang等[44]则指出PTFE的低摩擦系数以及40Cr钢的高强度是40Cr钢-PTFE复合材料具有良好摩擦学性能的重要原因㊂但是PTFE的力402㊀燕山大学学报2023学性能较差,线膨胀系数大,故将PTFE用作固体润滑材料时通常要添加填充物对其进行改性或对金属基体进行阳极氧化处理[45]㊂魏羟等[46]用Pb 粉㊁石墨㊁玻璃纤维填充PTFE制成Cu基镶嵌型关节轴承材料,显示出较好的摩擦磨损性能㊂但李同生等[47]发现,与含铅PTFE镶嵌轴承相比,无铅PTFE镶嵌轴承在工作时所形成的润滑膜最为完整㊁均匀,耐磨性更好㊂同时,对金属基体进行阳极氧化处理改性可进一步提高PTFE与基体金属基体的附着性[45]㊂综上,添加填充物对PTFE进行改性或对金属基体进行阳极氧化处理可大大提高复合材料的机械和摩擦学性能㊂5㊀碳纳米材料固体润滑剂近年来,纳米技术的快速发展推动了金属基自润滑复合材料的开发,出现了新型碳纳米材料固体润滑剂,例如碳纳米管(CNTs)㊁石墨烯(GPLs)等㊂由于其尺寸小,容易进入摩擦接触区域,形成保护摩擦膜,产生自润滑效应㊂同时,界面以下的新型碳纳米材料还可以防止应力集中而引发的严重磨损㊂5.1㊀碳纳米管CNTs具有良好的润滑特性,被认为是金属基自润滑复合材料中石墨的替代品㊂在这方面,有相关报道称已经成功开发了用于汽车工业的CNTs-金属基自润滑复合材料[48]㊂Orowan环化机制以及CNTs与金属基体之间热膨胀失配所产生的位错在增强Al/Cu-CNTs复合材料中起着重要作用[49]㊂为达到预想的润滑效果,CNTs在基体中的均匀分布以及界面调控就显得尤为重要㊂对此,研究者们做了大量的工作㊂2004年,Noguchi等[50]开发了一种新方法制备复合材料,首先让CNTs均匀分布在弹性体基体内,然后用Al来置换弹性体基体,从而保证CNTs均匀分布在Al基体内㊂2019年,周川等[51]采用混酸处理㊁分子水平法结合行星球磨两步混合工艺成功制备出Cu-CNTs复合粉末㊂混酸处理将含O官能团成功引入CNTs表面,提高了CNTs与基体的界面结合㊂以上研究均表明,均匀分布的CNTs可显著提高材料的机械和摩擦学性能㊂5.2㊀石墨烯片GPLs是目前已知最薄㊁最硬㊁导电性能最好的材料,具有良好的润滑特性,同时,可以通过晶粒细化㊁位错强化和应力转移来提高复合材料强度[52]㊂在过去的十多年里,绝大多数报道均表明在基体中均匀分布且结合良好的GPLs能够明显改善金属基复合材料的摩擦学性能㊂但是,聚集状态的GPLs增强效果较差,与石墨薄片几乎无差别㊂研究表明[53-55],不同的因素(例如GPLs的类型㊁含量㊁基体材料㊁混料方法和球磨时间等)会显著影响GPLs在金属基体中的分散性㊂为了保证GPLs均匀地分散在基体中,部分研究者在粉体混合工艺中采用氧化石墨烯代替石墨烯,先得到均匀混合的氧化石墨烯/合金粉体,再通过氧化石墨烯的热还原性质得到高度均匀的还原石墨烯/合金粉体[56]㊂Bastwros等[53]则研究了球磨时间对GPLs增强Al基复合材料的影响㊂发现经过10 min球磨后的材料综合性能反而降低,而60min 球磨后GPLs均匀分散在到Al基体内,在摩擦学性能上,GPLs显示出了良好的增强效果㊂另一方面,化学镀和电化学沉积法制备金属包覆型碳纳米材料,也可以确保GPLs均匀地分散在基体中㊂李远军[55]通过化学镀将纳米铜颗粒负载于还原氧化石墨烯表面的方法来确保其在Cu基体上均匀分布㊂但研究表明,化学镀和电化学沉积法一般仅适用于Cu㊁Ni㊁Ag等电负性较低的金属基体㊂综上,碳纳米材料可显著提高材料摩擦学和机械性能㊂但是,CNTs严重团聚以及与基体结合不牢固会减弱增强效果,甚至导致材料失效㊁降低使用寿命,从而进一步增加制造成本,限制其在金属基自润滑复合材料上的广泛应用㊂这就对制造方法㊁材料尺寸大小以及空间分布提出来更为苛刻的要求,但是,由于弱的层间相互作用,碳纳米管㊁石墨烯在实现超滑方面有很大的潜力[57]㊂因此,目前研究者们对于碳纳米材料固体润滑增强金属基自润滑复合材料的研究也主要集中在这四方面:1)提高碳纳米材料在金属基复合材料中分散的均匀性;2)对碳纳米材料与金属形成的界面组织进行调控;3)掺杂其他固体润滑剂,进一步提高金属的减摩耐磨性能;4)微观尺度上,研第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展403㊀究石墨烯对材料性能的作用机理㊂综上,单一固体润滑剂对使用环境具有选择性,无法实现宽温度范围(25~800ħ)以及多种环境下的有效润滑㊂常见单一固体润滑剂的性能及优缺点见表2[1-57]㊂表2㊀单一固体润滑剂性能及优缺点Tab.2㊀Performance and relative merits of single solid lubricant固体润滑剂适用温度/ħ摩擦系数μ优点存在的问题最新解决方法石墨-270~5500.05~0.3(大气中)廉价㊁减震性良好㊁可在潮湿环境提供有效润滑强度较低,仅在大气环境提供有效润滑对石墨粉末进行表面改性,如镍包覆石墨MoS2-270~3500.006~0.25(大气中)0.001~0.2(真空中)高温真空条件下稳定性优异大气环境易氧化失效掺杂金属或无定形碳BN500~8000.15~0.25(大气中)良好的高温固体润滑剂成本较高,低温润滑性差与低温固体润滑剂协同润滑Ag㊁Au-270~4000.08~0.2(大气中).0.08~0.15(真空中)导电性能优异在酸碱条件下无效,成本高与其他固体润滑剂协同润滑PbO200~6500.1~0.3(大气中)可实现宽温度范围有效润滑有毒物质,摩擦系数较高㊁且形成润滑膜易脱落已被其他固体润滑剂替代CaF2㊁BaF2㊁LaF3500~9000.2~0.4(大气中)可实现高温有效润滑低温润滑性差与低温固体润滑剂协同润滑MAX金属陶瓷400~8000.005(大气中)高温机械和摩擦学性能优异,导电性能良好与Fe等基体复合时,界面结合差,易脱落1)添加增强相;2)对Ti3SiC2㊁Ti3AlC2进行表面改性,如镀铜PTFE-270~2750.04~0.2(大气中)0.04~0.15(真空中)真空润滑性能优异,抗咬合性好300ħ以上失效,不耐高温㊁力学性能较差,线膨胀系数大1)添加填充物对PTFE进行改性;2)对金属基体进行阳极氧化处理碳纳米材料-270~5000.05~0.2(大气中)轻质,可显著提高复合材料机械学㊁摩擦学性能团聚以及界面结合严重影响润滑效果,生产成本高昂1)氧化石墨烯代替石墨烯;2)混酸处理;3)金属包覆碳纳米材料;4)掺杂其他固体润滑剂6㊀多元复合固体润滑剂早在20世纪60年代初,人们就已经发现,两种或者多种固体润滑剂混合使用时,由于不同固体润滑剂之间的协同作用,使得其润滑效果好于其中任何一种固体润滑剂单独作用㊂6.1㊀Ni基自润滑材料的多元复合固体润滑剂在过去的20年中,已经成功开发了一系列Ni 基的高温自润滑复合材料[58-62]㊂该类由Ni基体与固体润滑剂(Ag-BaF2/CaF2/LaF3-金属氧化物/无机盐)组成的自润滑复合材料,在很宽的温度范围(25~800ħ)和高强度(800ħ,500MPa的抗压强度)并存的情况下表现出优异的润滑性能(图2[59])㊂其良好的润滑特性(摩擦系数(0.23~ 0.34)和低磨损率(10-6~10-5mm3N-1m-1)解释为Ag㊁氟化物㊁无机盐的协同作用㊂当高于500ħ时,氟化物中的低共熔物从基体中逸出,发生由脆性到塑性的转变,可进一步提升润滑效果[60]㊂Zhen等[61]指出由于Ag膜的存在,真空环境中该类复合材料摩擦系数和磨损率均低于大气环境中的摩擦系数和磨损率,是一种很有潜力的航空㊁航天材料㊂此外Zhen等[62]的另一份研究表明,在Ag-BaF2-CaF2固体润滑剂的基础上再添质量分数为0.5%~1%的石墨可以使Ni基复合材料获得稳定的摩擦性能(摩擦系数(0.19~0.29)和磨损率(5.3ˑ10-6~2.3ˑ10-5mm3N-1m-1)㊂404㊀燕山大学学报2023图2㊀Ni 基自润滑复合材料的摩擦学性能Fig.2㊀Tribological properties of Ni basedself-lubricating composites6.2㊀Ni 3Al 基自润滑材料的多元复合固体润滑剂进一步研究表明[63-65],该类由Ni 3Al 基体与固体润滑剂(Ag-CaF 2-BaF 2)和增强材料(Cr,Mo 等金属元素)组成的自润滑复合材料,在从室温到1000ħ的宽温度范围内表现出低摩擦系数(μ<0.4)和低磨损率(10-6~10-4mm 3N -1m -1),且具有令人满意的机械性能(硬度>300HV,抗压强度>1000MP)㊂Zhu 等[65]采用热压烧结法制备的Ni 3Al-6.2BaF 2-3.8CaF 2-12.5Ag-20Cr 复合材料实现了室温到1000ħ的有效润滑(摩擦系数(0.24~0.37)和低磨损率(5.2ˑ10-5~2.3ˑ10-4mm 3N -1m -1))㊂Ni 3Al 基体良好的高温机械性能,Ag㊁氟化物㊁无机盐的协同润滑以及Cr 元素对基体的增强作用使得其可以实现更宽温度范围的有效润滑㊂与Ni 基自润滑复合材料相比,Ni 3Al 基自润滑复合材料则可实现更宽温度范围内的有效润滑,其润滑机理见图3[66]㊂6.3㊀TiAl 基自润滑材料的多元复合固体润滑剂近年来,由于航空㊁航天工业的需要,科研人员制备了一系列基于TiAl 基的高温自润滑复合材料[67-69]㊂该类由TiAl 基体与固体润滑剂(Ag-Ti 3SiC 2-BaF 2/CaF 2)组成的自润滑复合材料,具有硬度高(>500HV)㊁轻质(ρ<3.9g /cm 3)等优点㊂结果表明[66-68],Ag-Ti 3SiC 2-BaF 2-CaF 2润滑体系在宽温度范围内下具有良好的协同效应:低温时,银扩散到金属基体的摩擦表面形成了一层富Ag 的摩擦膜,高温时,由于BaF 2㊁CaF 2的挤压和Ti 的氧化,在摩擦表面形成了一层含氟化物和氧化物的摩擦膜㊂但是,从室温到800ħ的宽温度范围内其摩擦系数(μ>0.3)和磨损率(10-4mm 3N -1m -1)较高,摩擦学性能有待进一步提高㊂图3㊀宽温度范围内Ni 3Al 基自润滑复合材料的润滑机理Fig.3㊀Lubrication mechanism of Ni 3Al based self-lubricating composites in a wide temperature range㊀㊀综上,可得出:1)多元复合固体润滑剂的协同作用在宽温度范围内对改善复合材料的摩擦学性能起重要作用;2)选择高温机械性能优异的金属基体以及适当添加Cr㊁Mo 等金属元素可实现更宽温度范围的有效润滑;3)Ag 与氟化物/无机盐/MAX 金属陶瓷材料等高温固体润滑剂的组合具有极佳的协同润滑作用㊂6.4㊀Fe /Cu /Ag 等金属基自润滑材料的多元复合固体润滑剂㊀㊀人们对多元复合固体润滑剂对Fe [70-71]㊁Cu [72]㊁Ag [73]等金属基体性能影响也进行了大量研究㊂Li 等[71]发现以LaF 3和MoS 2作为润滑组元的Fe 基复合材料可显示出超低的摩擦系数(0.09),。

固体润滑材料在我国空间技术中的应用研究

固体润滑材料在我国空间技术中的应用研究随着人类对空间探索的深入和发展，对航天器材料的要求越来越高，要求其具有较好的耐高温性能、耐腐蚀性能等。

同时，由于航天器在空间中工作的环境十分恶劣，机械设备的运动润滑也对材料的要求提出了更高的要求。

固体润滑材料可以作为一种重要的润滑技术手段，广泛应用于航空航天领域中，以保障机械设备的稳定运行。

本文将讨论固体润滑材料在我国空间技术中的应用研究。

固体润滑材料在我国空间技术中应用研究的背景随着我国航天技术的不断发展，掌握更多先进的材料技术已成为我国航天事业迈向更高层次的必要条件。

在空间探索领域，一些重要装置，如扩展臂、降落伞、保护罩等，需要进行旋转或摩擦运动。

此时，润滑就是非常必要的，且对润滑材料的制备技术、质量、性能提出了更高的要求。

固体润滑材料的研究内容固体润滑材料的优点在于，与液体和气体润滑相比，它具有更长的使用寿命和更好的工作稳定性。

此外，它对润滑点周边的环境要求低，能够高温高压下仍能保持良好的润滑性能。

一般来说，固体润滑材料是指一种粉末状的纳米材料，它们可以添加到复合材料、金属涂层、液体润滑油、润滑脂中。

在我国空间技术应用中主要研究的有以下类别：1、纳米润滑粉末这是一种具有微小粒径的颗粒材料，通过它的表面能力附着在润滑点周围，可以提高润滑强度，减少磨损损失，延长设备使用寿命。

2、光学涂层光学涂层的实际运用中往往与航空、航天、透镜和LED等光学器件密切相关，具有抗辐射、耐高温、高光滑度的特性。

3、热传递涂层热传递涂层将固体润滑材料与其他传热材料结合使用，能够在高温高压环境下实现优加的热传递效果，使得设备可以更好地保持工作温度。

固体润滑材料在齿轮传动系统的应用在齿轮系统中，传统的润滑方式是液体润滑，但随着技术的发展，固体润滑技术逐渐成为了齿轮系统的主流，具有以下优点：1、延长使用寿命固体润滑材料能够形成一层保护层，抵御外来物质的进入，从而可显著延长齿轮的使用寿命。

新型自润滑材料的制备与性能研究

新型自润滑材料的制备与性能研究随着科学技术的不断进步，人们对于新材料的需求也越来越高。

其中，自润滑材料作为一种具有特殊功能的材料，引起了人们的广泛关注。

本文将探讨新型自润滑材料的制备与性能研究。

首先，我们来了解一下自润滑材料的定义和功能。

自润滑材料是指具有自身润滑性能的材料，能够在摩擦和磨损过程中自行产生润滑剂，减少磨损和能量损耗。

其主要功能包括降低摩擦系数、延长使用寿命、提高工作效率等。

那么，如何制备自润滑材料呢？目前，研究人员采用不同的方法和技术来制备自润滑材料。

其中，最常见的方法是添加润滑剂或填充剂。

润滑剂可以减少材料之间的摩擦力，并形成润滑膜，从而起到润滑作用。

填充剂则是通过增加材料中的润滑剂含量，提高其自润滑性能。

除此之外，还有一些先进的制备技术，如纳米技术和超声波辅助等，能够制备具有更好性能的自润滑材料。

接下来，我们来讨论一下自润滑材料的性能研究。

自润滑材料的性能研究主要包括摩擦学性能、耐磨性能和润滑性能等方面。

摩擦学性能是指自润滑材料在摩擦和磨损过程中的表现。

它与摩擦系数、摩擦力、磨损速率等相关。

耐磨性能是指自润滑材料在长期使用过程中能够保持较好的润滑性能，不易磨损或失效。

润滑性能是指自润滑材料能够提供足够的润滑剂，减少摩擦和磨损。

从实际应用角度来看，自润滑材料广泛应用于机械制造、汽车工业、航空航天等领域。

例如，在机械制造领域，自润滑材料可以用于润滑轴承、齿轮和滑动零件等。

在汽车工业中，自润滑材料可以用于发动机缸套、活塞环和轴承等。

在航空航天领域，自润滑材料可以用于润滑航空发动机的部件。

然而，尽管自润滑材料在各个领域具有广泛的应用前景，但目前仍然存在一些挑战和问题。

一方面，自润滑材料的研究和制备成本相对较高，限制了其大规模应用。

另一方面，一些自润滑材料在高温、高压和极端条件下性能不稳定，需要进一步改进和研究。

因此，今后的研究方向应该是降低制备成本、提高自润滑材料的稳定性和性能，优化其应用效果。

低摩擦系数固体润滑涂层研究进展

ｍｏｄ】ｋｅｃｒｏｎ一ｉａｂｎ
润滑的目的在于降低摩擦系数和减少磨损。固体润滑的引入，破了油膜润滑极限，许多场合下，突在低摩擦系数固体润滑涂层以其自润滑功能，示出巨大显的优越性。低摩擦系数固体润滑涂层具有较高的承载
维普资讯
６０
材料工程／２００６年３期
低摩擦系数固体润滑涂层研究进展
ＲｅｅｒｈＰｒｇｒｓｗｉｔｏｎＣｏｆｉｉｎｔｓａｃｏｅｓｏｎＬｏＦｒｃｉｅｆｃｅＳｏｉｌＬｕｂｉａｉｇＣｏｔｎｄｒｃｔｎａｉｇｓ
胡志彪，贺军，付前刚，李陈
强，王兰英
（西北工业大学超高温复合材料实验室碳／碳复合材料工程技术研究中心，西安７０７）１０２
ＨＵｈ — ｉｏＺｉｂａ，ＬＩＨｅｊｎ，ＦＵａ — ａｇ —ｕＱｉｎｇｎ，ＣＨＥＱｉｎＮａｇ，ＷＡＮＧａ — ｉｇ（ｅＲｅｅｒｈＣｎｅｆｃ／Ｃｏｏｉｅ，ＫｅａｏａｏｙｏＬｎｙｎＴｈｓａｃｅｔｒｏｃｍｐｓｔｓｙＬｂｒｔｒｆ
ＳｕｐｒｇｍｐｒｔｅＣｏｍｐｉｅ，ＮｏｔｅｈｉｈＴｅｅａｕｒｏｓｔｓｒｈｗｅｔｒｌｔｃｉａｎｖｒｉｙ，Ｘｉａ１７ｓｅｎＰｏｙｅｈｎｃｌＵｉｅｓｔｎ７００２，Ｃｈｉａｎ）
摘要：摩擦系数固体润滑涂层在许多领域得到了广泛应用，索新型固体润滑涂层体系及其制备技术是摩擦学研究低探

表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展

第33卷第2期中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程Vol.33No.22020年4月CHINA SURFACE ENGINEERINGApril 2020收稿日期:2019-10-10;㊀修回日期:2020-04-01通信作者:朱新河(1964 ),男(汉),教授,博士;研究方向:船机零件的摩擦磨损控制;E-mail :xinhe@ 基金项目:辽宁省自然科学基金(2019-ZD -0148);中央高校基本科研业务费(3132019331)Fund :Supported by Natural Science Foundation of Liaoning Province (2019-ZD -0148)and Fundamental Research Funds for Central Universities(3132019331)引用格式:付景国,徐长旗,朱新河,等.表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展[J].中国表面工程,2020,33(2):15-28.FU J G,XU C Q,ZHU X H,et al.Research progress of surface micro-texture combined with solid lubricants on tribological proper-ties [J].China Surface Engineering,2020,33(2):15-28.doi:10.11933/j.issn.10079289.20191010001表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展付景国,徐长旗,朱新河,张蓬予,刘耕硕,严志军(大连海事大学轮机工程学院,大连116026)摘㊀要:为提高摩擦副之间的摩擦学性能,润滑油添加剂㊁低摩擦表面以及表面微织构等作为改善表面摩擦学性能的手段已得到国内外研究工作者的广泛关注并取得了一定的成果,而表面微织构复合固体润滑材料技术作为一种集成了已有各种减摩手段优点的复合技术开始被研究㊂文中综述了表面微织构与固体润滑材料复合的物理和化学方法;评述了表面微织构几何形状㊁参数和固体润滑材料种类对复合表面摩擦学性能的影响;分析了表面微织构复合固体润滑材料的减摩机制;最后指出了该复合技术目前尚待解决的问题,并对该技术下一步的发展方向和实际应用进行了展望㊂关键词:表面微织构;固体润滑材料;复合技术;摩擦学性能中图分类号:TH117文献标志码:A文章编号:1007-9289(2020)02-0015-14Research Progress of Surface Micro-texture Combined with SolidLubricants on Tribological PropertiesFU Jingguo,XU Changqi,ZHU Xinhe,ZHANG Pengyu,LIU Gengshuo,YAN Zhijun(School of Marine Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)Abstract :In order to improve the tribological properties of friction pair,lubricant additives,low-friction surfaces and surfacemicro-textures have aroused great attention by worldwide scientists as means to improve surface tribological properties and havealready achieved certain results.However,surface micro-textures combined with solid lubricants has begun to be studied as acomposite technology because of the integration of existing anti-friction measures.The physical and chemical methods for thecomposite of surface micro-textures and solid lubricants were reviewed.The effects of geometrical shape,parameters of surfacemicro-texture and types of solid lubricants on the tribological properties of composite surface were reviewed.The anti-frictionmechanism of the composite technology was analyzed.Finally,the unsolved problems of composite technology were pointed out,and the development direction and practical application of this technology in the future were proposed.Keywords :surface micro-texture;solid lubricants;composite technology;tribological property0㊀引㊀言摩擦会导致机械零件失效和系统效率的降低,增加动力能源消耗,由于摩擦造成的机械能量损失高达10%~20%[1]㊂为减少摩擦,研究人员针对摩擦副已提出并实施了各种手段,例如改善润滑油性能㊁制备低摩擦表面和表面微织构等㊂改善润滑油性能主要是往在用润滑油中添加功能性的微纳材料,如添加具有减摩抗磨性能的WS 2[2]㊁MoS 2[3]㊁LaF [4]㊁石墨烯[5]等粉体㊂制备低摩擦表面是在在摩擦副之间通过增加易剪切的自润滑材料,利用材料自身的润滑特性来减中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年少表面摩擦,如在摩擦表面形成固体润滑薄膜[6-7]或涂覆自润滑材料[8-9]㊂表面微织构则是通过在摩擦副表面加工不同微造型来减少摩擦副之间实际接触面积,储存润滑油和磨损产物来减少摩擦,如圆形微织构[10]㊁三角形微织构[11]㊁矩形微织构[12]等㊂然而在研究过程中发现表面微织构不仅可以作为液体润滑剂的储存器,还可以作为固体润滑剂或其他功能性材料的储存器㊂此复合方法是将上述现有的减摩手段进行综合处理,即在表面微织构内填充固体润滑材料,让其在使用过程中逐渐释放出来,起到减摩作用㊂填充的固体润滑材料种类也相对较多,如单一固体润滑材料[13-14]㊁多种单一固体润滑材料的混合物等[15]㊂在研究中发现,表面微织构与固体润滑材料复合之后,呈现出比单一表面处理方法更优的减摩耐磨效果[16],并且可针对不同的工况发挥不同的作用㊂在油润滑条件下,固体润滑材料会逐渐释放至摩擦副间的润滑油中;在干摩擦条件,固体润滑材料直接作用在发生摩擦的部位㊂除此之外,表面微织构仍能起到储存磨损产物的作用㊂文中在评述表面微织构复合固体润滑材料的方法,分析减摩因素以及减摩机理的基础上,综述了表面微织构复合固体润滑材料技术最新的研究与发展概况,并探讨复合技术所遇到的问题,为相关研究提供一定的思路,希望对探索机械零件减摩耐磨新方法㊁新途径及其潜在应用提供一定的参考价值㊂1㊀微织构表面固体润滑材料的复合工艺由于研究者研究领域的不同,并在考虑固体润滑材料和应用工况的基础上,微织构表面固体润滑材料的复合工艺也有所不同㊂目前,复合工艺种类繁多,如机械涂覆㊁热压填充㊁有机树脂粘接㊁气相沉积等众多物理和化学方法,由于复合工艺的不同,复合涂层所展现出的摩擦学性能和使用寿命也有一定的差异㊂1.1㊀机械涂覆法机械涂覆法是通过反复的机械作用力将干燥的固体润滑材料粉体涂抹在试样表面,形成润滑膜,达到与基体间的物理结合状态㊂具体操作步骤是先将涂覆布固定在旋转盘上,并将一定量的固体润滑材料均匀分散在涂覆布上,使经过抛光和超声清洗的试样与涂覆布上的润滑材料在一定载荷下对磨,在旋转盘的缓慢匀速转动中制备复合涂层㊂Wu等[17]在Ti-6Al-4V合金微织构表面上机械涂覆MoS2固体润滑剂,并在旋转球盘接触下进行高速干摩擦试验㊂结果表明,填充有MoS2固体润滑剂的钛合金微织构表面呈现出较好的摩擦学性能,与光滑表面相比,其摩擦因数最高可降低40%,且波动明显降低;摩擦温度最高也降低15%㊂周后明等[18]通过特殊材质的布料将MoS2基复合固体润滑剂机械涂覆在具有微织构的硬质合金刀具前刀面上㊂结果发现,填充有MoS2/Sb2O3复合固体润滑剂的微织构刀具在高㊁低速切削时都表现出较低的切削力,且切削温度比传统刀具下降11%~25%㊂另外,Li等[19]试验了具有微织构的不锈钢表面与MoS2润滑剂复合后在600ħ条件下的摩擦学性能㊂结果表明在高温条件下,复合表面具有较低的摩擦因数和磨损率㊂还有研究者在机械涂覆固体润滑材料之前,对基体试样进行了预处理㊂Rapoport等[20]在机械涂覆MoS2润滑剂之前,先对钢基体表面抛磨一层硫化物或硒化物的微纳颗粒用以增加MoS2与钢基体之间的结合强度,通过多功能摩擦磨损试验机对钢表面激光微织构内填充固体润滑剂的粘附力和使用寿命进行了研究㊂结果证明, CdZnSe作为粘结层时,所制备的复合表面具有最佳的摩擦因数,此时表面MoS2润滑膜层的磨损寿命是单独涂覆MoS2润滑膜层的两倍㊂Li 等[21]试验了将MoS2微纳粉末机械涂覆在含银镍基合金表面微织构内,并通过环盘式摩擦磨损试验机检验其在室温至600ħ条件下的摩擦学性能㊂结果表明,试样摩擦因数会随着温度的增加而增加;填充MoS2粉末试样在室温至400ħ条件下,其摩擦因数稍低于未织构合金试样,高于400ħ时,其摩擦因数仍维持在较低的水平,而未织构合金试样的摩擦因数则上升较快㊂机械涂覆法因操作简单,易于达到填充效果,是目前应用较为广泛的复合方法之一,但对固体润滑剂的填充效果一般,结合强度不高㊂1.2㊀热压填充法热压填充法是采用加热和加压的方法将固61㊀第2期付景国,等:表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展体润滑材料填充于微织构表面内的处理过程㊂首先将填充的固体润滑材料过量的涂覆于已微织构加工试样表面,在一定温度和压力下利用热压机进行热压成形,制成试样毛坯㊂毛坯试样经砂纸抛光去除表面多余的固体润滑材料,最终制备复合表面,具体过程如图1所示[16]㊂图1㊀热压加工过程[16]Fig.1㊀Process of hot pressingHu等[16]对比了热压填充法与机械涂覆法对试样摩擦学性能的影响㊂结果发现,在表面微坑内热压MoS2固体润滑剂所制备的涂层具有极低的摩擦因数和长的磨损寿命,比机械涂覆固体润滑剂的摩擦因数降低约1倍,磨损寿命提高约35倍㊂其分析原因是,热压使微坑中的润滑剂涂层密度增加,其固体润滑剂的储存量大约是机械涂覆的20倍;另外,热压处理还可增强固体润滑剂与基材的粘结强度㊂华希俊等[22-23]采用热压的方法对表面微织构复合固体润滑材料做了一系列研究㊂他先将微纳MoS2粉末热压填充至45钢表面激光微织构内,在销盘线接触摩擦磨损试验机上考察了其作为复合固体润滑剂在干摩擦条件下的摩擦学性能㊂研究结果发现微织构中填充的MoS2在摩擦过程中转移至试样接触表面,并形成稳定可靠的固体润滑膜,提高摩擦表面的减摩耐磨性能㊂除此之外,他还发现在油润滑状态下的表面激光微织构填充固体润滑剂仍能对摩擦副表面起到减摩耐磨作用㊂孙友松等[24]则将微织构填充方法应用在传动螺母上,首先通过3D纺织技术编织出具有纹理结构的螺旋面状碳纤维,并采用半干法将微纳固体润滑剂复合在碳纤维上研究其摩擦磨损性能,经与高性能青铜ZCuSn10Pb1螺母对比,复合材料螺母摩擦因数降低了21.2%,传动效率也相对提高了10.6%㊂由此看出,采用热压填充法可增加固体润滑材料在微织构内的存储量和粘结强度,所得的摩擦学效果要好于机械涂覆法,但热压夹具的形状对其应用范围影响较大,平面试样可较容易得到加工效果,对于非平面试样的加工难度较大㊂1.3㊀有机树脂粘结法表面微织构内的固体润滑材料的填充方式直接影响着其使用寿命,尽管热压填充方法在一定程度上增加了其使用寿命,降低其释放速率,但研究发现有机树脂粘结法,即将环氧树脂或其他树脂类有机物作为粘接剂与固体润滑材料混合后填充于微织构表面的方法,表现更佳的作用时效,使用寿命也有所提高㊂通常,粘结法先将粘接剂与固体润滑材料按不同质量比混合均匀,涂覆于已加工试样表面,之后经过一定时间的冷凝压制或热压成形,制成试样毛坯,最后经砂纸研磨㊁抛光,加工成摩擦磨损试样㊂或者将试样浸入到经丙酮稀释的粘接剂与固体润滑材料的悬浮液中,静置一段时间,取出后放入干燥箱依次进行低温保温固化,高温保温固化,制成试样㊂因此,有学者把树脂类材料与固体润滑材料混合在一起封装在表面微织构内,研究其协同作用下的摩擦学性能,并取得了一定的成果㊂表1总结了部分不同树脂与固体润滑材料在微织构内的协同作用效果㊂尹延国[25],乔姣飞[26],秦永坤[27]等研究了环氧树脂与MoS2的混合物对试样的摩擦学性能影响,发现环氧树脂粘接剂可有效地填充在表面微织构内,形成复合润滑膜层,并且表面微织构内填充混合固体润滑膜有着更优异的摩擦学性能,其摩擦因数的降低和膜层寿命的提高与环氧树脂的含量有一定的关系㊂黄仲佳等[28]则使用5%酚醇树脂粘结剂改善固体润滑剂的粘结性能,并通过机械涂覆的方法将混合润滑材料填充在45钢表面电解加工的微织构内,发现微织构中填充的固体润滑材料在摩擦过程可转移至接触表面并能形成稳定可靠的固体润滑膜,提高摩71中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年㊀㊀㊀表1㊀树脂与固体润滑材料协同作用下的摩擦学性能Table 1㊀Tribological properties under the synergistic effect of resin and solid lubricantsComposite materialsMatrixProcessing methodWorking conditionPropertiesRefE54epoxy resin +graphite +MoS 245steelSpraying and curing under 160ħDry sliding on Pin-on-disk tribometerThe addition of MoS 2can improve anti-friction and wear-resisting performance than one-component solid lubrication[25]E51epoxy resin +MoS 245steelSprayingandcuring under 200ħDry sliding on ring-on-disk tribometerThe sample with texture density of 20%hasthe smallest COF and 2.25times wear life.[26]epoxy resin +MoS 2Ti6Al4ValloyPEO +Impregnation Dry sliding on pin-on-disk tribometerThe COF reduces from 0.135to 0.25.Wear life increases from 50min to 80min.[27]5%phenolicresin +MoS 245steelSmearing andcuring under 60ħDry sliding on ring-on-disk tribometerThe COF reduces from 0.3to 0.08.[28]AB adhesive +MoS 245steelSmearing and curing under room temperature Dry sliding on pin-on-disk tribometerThe COF is the smallest,about 0.12,whenthe quality content of AB adhesive is 50%.[29]Polyimide (PI)+MoS 245steelSmearing andhot pressingDry sliding on pin-on-disk tribometerThe COF is the smallest,about 0.11,when the quality content of PI is 20%.[30]擦表面的减摩耐磨性能㊂华希俊等也先后研究了AB 胶[29]㊁聚酰亚胺(PI)[30]与MoS 2微纳粉体合后形成黏结型混合固体润滑剂填充在表面微织构内的摩擦学性能㊂研究结果都显示混合固体润滑剂填充的微织构表面的摩擦因数均随着载荷和转速的增大而减小,且高速重载更有利于润滑膜的形成;并且粘接剂含量存在一个最优值,AB 胶质量含量为50%时,摩擦因数最低,约为0.12;聚酰亚胺质量分数为20%时,摩擦因数最低,约为0.11㊂尽管目前缺少有机树脂粘结法与上述两种加工方法在同一条件下的对比,但从现有的试验数据来看,有机树脂粘结法仍能较大的改善试样的摩擦学性能㊂1.4㊀气相沉积法气相沉积法是利用气相中发生的物理㊁化学反应,在工件表面形成功能性或装饰性的金属㊁非金属或化合物涂层㊂气相沉积法按照成膜机理,可分为化学气相沉积㊁物理气相沉积和等离子体气相沉积㊂表2总结了使用物理气相沉积法在表面微织构内填充固体润滑材料的作用效果㊂表2㊀物理气相沉积法在表面微织构内填充固体润滑剂的摩擦学性能Table 2㊀Tribological properties of textured surface filled with solid lubricants through physical vapour depositionComposite materials Matrix Working conditionPropertiesRefWS 2WC /TiC /Coce-mented carbideDry cutting testCutting force reduces by 44%,cutting temperature reduces by 16%,COF reduces by 16%under high cutting speed of 250m/min[31]TiAlN WC +6%Co ce-mented carbideDry cutting testThe texture increases the adhesion strength between the coatingsand substrate,reduces the wear rate of rake face and reduces the roughness of the machined surfaces.[32]WS 2+Zr Al 2O 3/TiC ceram-ic surfaceDry sliding on ball-on-disk tribometerNano-textures increases the adhesion strength between the coat-ings and substrate,and the COF reduces from 0.5to 0.06.[33]W-S-CWC +8%Co ce-mented carbide Dry sliding on ball-on-disk tribometer The reduction percentage of average COF of the textured surfaceis up to 80%when the density is in the range from 0%to 9%.[35]81㊀第2期付景国,等:表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展㊀㊀Deng [31],Liu [32]等采用物理气相沉积的方法在具有微织构的WC /Co 硬质合金刀具前刀面沉积固体润滑材料,通过车床切削试验检验其切削性能㊂结果表面微织构复合固体润滑材料可以降低切削力,切削温度和摩擦因数,并且微织构的存在还可以增加沉积涂层与基体的粘结强度㊂Xing 等[33-34]则对Al 2O 3/TiC 陶瓷微织构表面上沉积WS 2/Zr 复合涂层在湿切削和干切削工况下的摩擦学性能进行了研究㊂结果表明微织构与WS 2/Zr 复合涂层均能表现出较好的摩擦学性能,并且表面微织构可以改变切刀应力分布,进而增加涂层与基体的结合强度,延长涂层的使用寿命㊂另外,W-S-C 涂层[35]㊁TiAlN 涂层[36]也通过气相沉积的方法沉积在具有微织构的硬质合金表面,测试结果都表明表面微织构与润滑材料的协同作用可以极大地改善其摩擦学性能㊂除此之外,还有学者研究了具有微织构的气相沉积涂层的摩擦学性能㊂Waldemar 等[37]利用气相沉积的方法在发动机气缸套内表面沉积DLC 涂层,然后采用机械加工的方法在其上加工出直径为0.25~0.35mm,深度为4~6μm 的微坑,测试结果表明,在同样运转工况条件下,由于摩擦功耗的减少,使用微织构DLC 涂层气缸套的发动机比原始发动机输出的功率增加约5.8%,转速约增加1000r /min㊂Pakula 等[38]在塞隆陶瓷表面上气相沉积Al 2O 3+TiN 涂层后进行微织构,测试结果表明,复合润滑结构的摩擦因数可降低15%㊂气相沉积技术在基体表面得到的润滑涂层细致㊁紧密,与表面微织构复合之后,微织构对涂层的锚定作用,使得涂层与基体的结合强度也进一步提高㊂由此看出,此种复合工艺对工作于重载条件下的摩擦副具有较好的指导意义㊂1.5㊀其他处理方法除上述复合工艺方法之外,还有一些其他的处理方法,不过针对这些处理方法的文献相对较少㊂Li 等[39]在45钢上对电沉积镍过渡层进行微织构,再采用电沉积方法在有微织构的镍层上沉积银涂层,并利用球盘试验机在干摩擦条件下检验复合涂层从室温至700ħ下的摩擦磨损性能㊂结果表明,所制备的复合涂层试样在适当的织构密度下表现出比无织构镍层和无镍层微织构试样低且稳定的摩擦因数,在700ħ下摩擦因数约为0.2㊂Li 等[40]采用电流体动力学雾化技术在微织构表面沉积WS 2涂层,通过球盘往复式滑动摩擦试验机来评估其摩擦学性能,结果显示表面微织构可以增强涂层与基体的粘结强度,延长WS 2膜层的磨损寿命㊂2㊀影响复合膜层摩擦学性能的因素表面微织构内填充固体润滑材料比单一的处理方法达到更优的摩擦学性能,并可针对不同的工况发挥不同的作用㊂摩擦学性能的改善主要取决于表面微织构的参数以及所填充的固体润滑材料的种类㊂2.1㊀表面微织构参数对摩擦学性能的影响表面微织构参数,如微织构的形状㊁尺寸㊁微织构底面形状以及微织构的密度等[10-12],对摩擦学性能的影响已经被许多学者通过理论和试验证明㊂在此基础上,不同表面微织构参数对复合润滑结构的摩擦学性能影响也逐渐开始被研究㊂2.1.1㊀微织构几何形状参数的影响㊀㊀图2展示了部分微织构的几何形状参数㊂表3总结了部分微织构几何形状参数对复合润滑结构的摩擦学性能影响㊂图2㊀表面微织构几何形状Fig.2㊀Geometric shapes of surface texture91中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年表3　不同微织构几何形状复合固体润滑材料的摩擦学性能Table 3㊀Tribological properties of different geometric shapes of texture filled with solid LubricantsGeometric shape Matrix Composite material Processing methodWorking conditionProperties RefMicro-grooves WC /Co cemented carbidMoS 2Smearing and pressingDry sliding on ball-on-disk tribometerThe average COF reduces by 20%-25%,and average friction temperature reduces by 8%-15%.[41]Ellipticmi-crotextures WCcemen-ted carbid MoS 2SmearingDry cutting test on latheThe cutting force reduces by 10%-15%,㊀and the cutting temperature reduces by 10%-20%.[42]Circular-arcmicrotextures WCcemen-ted carbidMoS 2Smearing Dry cutting testThe cutting force reduces by8%-16%,㊀and the cutting temperature reduces by 15%-24%.[43]Dimples Ti6Al4V al-loyMoS 2burnishing Dry sliding on pin-on-disk tribometerSliding distance increases from 500m to1200m at a low COF.[44]Dimple /line /four-leaf clo-ver arrayYS8cemen-ted carbideWS 2electrohydro-dynamicat-omizationDry sliding on ball-on-disk tribometer,scratch testsTextured surface with four-leaf clover hasa higher adhesive strength and shows a better tribological properties.[40]㊀㊀Wu [41],吴泽[42],龙远强[43],Qin [44]等分别研究了具有沟槽性㊁椭圆形㊁圆弧形㊁圆形微织构的试样在涂覆固体润滑材料后对摩擦学或切削性能的影响,结果都发现微织构填充固体润滑材料比单微织构试样表现出更佳的摩擦学性能或切削性能㊂Li 等[40]还对比了不同的表面微织构形状对复合涂层的减摩效果的影响㊂试验采用激光刻蚀技术在硬质合金表面加工出微坑阵列㊁线阵列㊁四叶草阵列的微织构,然后在微织构表面沉积WS 2涂层,通过球盘往复式滑动摩擦试验机来评估其摩擦学性能㊂试验结果表明四叶草阵列的微织构与WS 2涂层之间的协同作用对硬质合金的摩擦磨损性能改善最为明显㊂2.1.2㊀微织构尺寸的影响㊀㊀表4总结了部分微织构尺寸和密度对复合润滑结构的摩擦学性能影响㊂黄仲佳[28],Zim-merman [45]等对不同尺寸的微织构对填充固体润滑材料后的摩擦学性能进行研究,结果发现较大尺寸的微织构表现出较好的摩擦学性能,摩擦因数较小,低摩擦因数寿命也相对较长㊂Zhang 等[46-49]则对比了微米和纳米级的微织构填充固体润滑剂的摩擦学性能,结果表明具有纳米织构的刀具试样,其磨损寿命显著增加㊂织构化TiAlN 涂层刀具在切削力㊁刀-屑间平均摩擦因数㊁刀具的磨损量以及工件的加工质量方面均得到不同程度的改善,其中同时具有微米和纳米织构的TiAlN 涂层刀具具有最优的切削性能㊂在此基础上,Zhang 等[50-51]在具有微米和纳米织构的TiAlN 涂层上磁控溅射沉积WS 2,并在干切削试验机上检验其切削性能㊂结果表明TiAlN 涂层上的微纳织构可以改善WS 2膜的初始使用寿命,并对其切削力㊁切削温度㊁摩擦因数和刀具磨损等性能上都有明显改善,其认为WS 2与织构化涂层之间粘结强度的提高主要是由于表面微织构为涂层提供机械锚定的作用㊂除微织构尺寸外,微织构的密度也对复合润滑结构的摩擦学性能有较大的影响㊂Meng 等[35]通过球盘式摩擦磨损试验机检验硬质合金不同密度的沟槽型微织构表面沉积W-S-C 涂层的干摩擦性能,结果发现当微沟槽面密度为9%时,对摩擦性能改善效果最佳,此时平均摩擦因数的降幅相比于未微织构表面可达80%㊂Hu 等[52]则研究了圆形微织构密度对钛合金摩擦学性能的影响㊂试验在干摩擦和涂覆MoS 2固体润滑剂条件下,研究了织构密度为13%㊁23%和44%的微坑表面对钛合金摩擦学性能的影响,结果表明,织构密度为23%的微坑表面具有最低的摩擦因数,但织构密度的增加可以获得更长的磨损寿命㊂乔姣飞[26]和Guleryuz [53]等对微织构的尺寸和密度对填充固体润滑剂的摩擦学性能同时进2㊀第2期付景国,等:表面微织构复合固体润滑材料的摩擦学性能研究进展行了研究,结果发现微织构尺寸越大对摩擦因数的影响越大,而微织构密度对摩擦因数而言存在一个最优值㊂Arenas 等[54]则对菱形微织构的交叉角度和织构密度对摩擦学性能的影响进行研究㊂利用布抛光的方法在Ti6Al4V 合金菱形图案织构表面涂覆微纳石墨烯和MoS 2颗粒,并通过往复滑动摩擦磨损试验机对不同试样的摩擦磨损性能进行评价,当交叉角为60ʎ,织构密度为64%时具有最佳的摩擦磨损性能,并且当织构密度ɤ40%时,石墨烯涂层的使用寿命高于MoS 2㊂上述研究结果表明织构密度对试样表面的减摩性能存在一个最优值,但Qin 等[44]通过对微弧氧化的织构钛合金表面进行涂覆MoS 2固体润滑剂,通过摩擦磨损试验发现,钛合金表面织构密度越高(织构密度试验范围8%~55%),所制备织构化钛合金微弧氧化复合MoS 2涂层的减摩性能越好㊂其研究结果与上述直接在基体表面微织构复合固体润滑剂的研究结果有所不同,原因可能与钛合金微弧氧化后形成的硬质耐磨陶瓷表面有关㊂表4　不同微织构尺寸和密度复合固体自润滑材料的摩擦学性能Table 4㊀Tribological properties of different size and density of textures filled with solid lubricantsTexture parameterMatrixComposite material Processing methodWorking conditionPropertiesRefDimple diameter100μm and 500μm45steel 5%Phe-nolic res-in +MoS 2Smearing Dry sliding on ring-on-disk tribometerThe COF of samples with dimple diam-eter of 500μm and 100μm are 0.08and 0.3,respectively.[28]Dimple diameter of1.5μm,3μm,5μm and 10μm440C stain-less steelGraphite SprayingDry slidingonpin-on-disk tribometerSample with dimple diameter of 10μmexhibits lower COF and longer life[45]Groove size of 50μm and 150nmWC /Cosubstrates TiAlNPhysical va-por deposi-tion Cutting test with cutting fluids scratch tests Micro /nano-scale texture on rake faceshowes the best anti-adhesive proper-ties and adhesion strength.[47]Groove size of 50μm and 150nm WC /CosubstratesTiAlN +MoS 2Physical va-por deposi-tion +Bur-nishingDry sliding onball-on-disk tribometer scratch testsMicro-scale texture improves the effec-tive life of the MoS 2layer for a longer period.[50]Groove density of2%,4%,9%,18%and 35%WC +8wt.%CocementedcarbideW-S-C Physical va-por deposi-tionDry sliding onball-on-disktribometer The sample with groove density of 9%shows the best tribological properties.[35]Dimple density of13%,23%and44%Ti -6Al -4V alloyMoS 2Burnishing Dry sliding on ball-on-disk tri-bometer Sample with dimple density of 23%showsthe smallest COF,and the increase of density can prolong the wear life.[52]Dimple density of8%,12%,20%,33%and 55%Ti6Al4V al-loyMoS 2BurnishingDry sliding on pin-on-disk tribometerThe low COF life increases with the in-crease of textured dimple densities from 8%to 55%.[44]Grooves size of 100μm,200μm,300μm,and density of 10%,20%,30%45steelE51ep-oxy resin +MoS 2Smearing Dry sliding onblock-on-ring tribometerSample with groove density of 20%shows the smallest COF,and the in-crease of size can prolong the wear life.[26]Dimple diameter of4μm and 9μm,and space of 11μm and 25μmSilicon wa-fersGraphite+indiumMist sprayer +sputter deposition Dry sliding on pin-on-disk tri-bometer Sample with diameter of 9μm and space of 25μm shows the best tribo-logical performance.[53]Crossing angles of45ʎand 60ʎ;densi-ty of 18%,40%and 64%Ti -6Al -4V alloy Graphene +MoS 2Cloth bur-nishingDry sliding on ball-on-disk tri-bometer The best COF results are found for64%of density and 60ʎof crossing an-gle.[54]12。

固体润滑材料的发展状况

固体润滑材料的发展状况发布时间：2021-03-29T10:46:51.727Z 来源：《文化研究》2021年3月下作者：张金洪、谭杰森[导读] 润滑技术在我国有悠久的发展历史,因此本文将按一般的分类方法,将它分为固体粉末润滑剂、固体润滑膜、自润滑复合材料三大类来介绍它的发展概况。

重庆工商大学张金洪、谭杰森 400020摘要：润滑技术在我国有悠久的发展历史,因此本文将按一般的分类方法,将它分为固体粉末润滑剂、固体润滑膜、自润滑复合材料三大类来介绍它的发展概况。

一、固体粉末润滑剂1.作为润滑油脂添加剂此项研究工作在我国约始于五十年代末期。

到目前为止,作为润滑油脂添加剂的固体粉末润滑剂主要有二硫化泪、石墨、氟化石墨、聚四氟乙烯、二硒化泥、二硫化钨等等。

作为添加剂来改性润滑油脂的效果是明显的。

如二硫化泪、石墨、氟化石墨分别添加在硅油一锉皂脂K K一3和矿油一锉皂脂3 0 4中,在温度法四球机上作抗摩性能对比的结果表明,在硅油脂中,氟化石墨有较好的效果;在矿油中则是添加二硫化泪有较好的效果。

2.粉末飞溅润滑直接将固体粉末润滑剂放在需要润滑的部件的密封箱中,利用转动部件使粉末飞扬起来,然后落到需要润滑的摩擦面上,从而得到润滑效果。

将固体粉末润滑剂直接加入到需要润滑的摩擦表面,同样可以得到粉末润滑的效果。

如徐州重型机械厂在回火炉、闷火炉上的轴承就是直接用二硫化铂粉末进行润滑的。

他们成功地解决了原来用油脂润滑时,润滑脂在高温下的流失、冒烟、烟雾污染的问题。

此外,实践证明,用固体粉末润滑剂作为机械零部件跑合期的润滑剂,其效果比用油脂润滑好。

3.制成悬浮液来进行润滑将固体粉末润滑剂制成悬浮液(或乳液)浸渍在多孔的青铜或铬、铁、镍等烧结材料中,作成具有自润滑性能的轴承、轴套、压缩机活塞环、导向环等等来使用。

这种使用方法目前国内已经取得了很好的结果[5]的。

国营安东机械厂的有关人员曾将二硫化铝粉末与酒精按不同配比制成悬浮液浸渍不同型号的磨床砂轮,发现磨床砂轮的消耗量因而降低到原来消耗量的二分之一,同时还减少了砂轮的修正时间和次数、消除了磨削加工的挤压噪声、还可以提高磨削加工的进刀量(可由0.05一0.15毫米增大到0.3毫米)。

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固体自润滑材料研究进展摘要：综述了固体自润滑材料的种类、性能、组织、应用以及自润滑机理。

指出为了满足科技的日益发展，迫切需要研制从添加润滑剂到无须添加润滑剂而具有自润滑的材料。

关键词：自润滑摩擦磨损组织机理前言固体润滑是指利用固体材料来减少构件之间接触表面的摩擦与磨损的润滑方式。

而自润滑材料是具有固体润滑的性能。

固体润滑技术的发展,主要是从二战以后的航空工业、空间技术等高技术领域开始的。

在某些不能或者无法使用润滑油和润滑油脂的高温、超低温、强辐射、高负荷、超高真空、强氧化、海水以及药物等介质的条件下,固体自润滑技术显示出良好的适应性能,被广泛应用于冶金、电力、船舶、桥梁、机械、原子能等工业领域,因而在欧美工业发达国家受到相当的重视。

1固体自润滑材料的性能1.1铝、铅及石墨的含量对铝铅石墨固体自润滑复合材料性能的影响固体润滑剂的加入对材料的摩擦学性能有较大的影响，采用常规的粉末冶金方法制备了铝铅石墨固体自润滑复合材料,并对其力学性能和摩擦磨损性能进行了研究。

早在20世纪60年代初期,人们就已经发现,两种或者多种固体润滑剂混合使用时,会产生一种料想不到的协同润滑效应。

其润滑效果比任何一种单独使用时都好[1]。

考虑将石墨和铅作为组合固体润滑剂同时使用。

多元固体润滑剂的复合使用是固体自润滑材料的一个发展方向。

实验通过不同的成分配比，采用常规的粉末冶金方法。

将各种原料粉末按实验需要的配比称好后置于V型混料机中干混4~6h,在钢模中进行压制,压制压力为0.5Gpa,然后在高纯氮气保护气氛下烧结60 min。

得到的样品，对其进行性能测试。

主要是对其样品进行力学性能、物相分析、金相分析及摩擦学性能的测试。

通过实验的测试结果可得到以下结论[2]：1)在铅和石墨总含量不变的情况下,随着石墨含量的增加,铝铅石墨固体自润滑复合材料的力学性能下降,但石墨含量对强度的影响不如对硬度的影响程度大。

2)铅和石墨有着良好的协同润滑效应,随着石墨含量的增加,复合材料的摩擦因数减小,同时材料的磨损量也明显下降。

3)在固体润滑剂含量相同的情况下,铝铅石墨材料的力学性能略低于铝铅材料,但是其摩擦磨损性能好得多,这是因为石墨的润滑性能比铅好,而且存在良好的协同润滑效应。

1.2石墨含量、粒度及温度对铜基自润滑材料力学和摩擦磨损性能的影响铜基自润滑材料具有抗氧化、耐腐蚀及磨合性好等特性,含油粉末冶金铜基自润滑轴承和轴瓦在纺织机械、食品机械、办公机械及汽车工业中得到了广泛的应用.然而当温度高于300℃后,铜基材料强度明显降低、耐磨性变差.为了充分发挥铜基材料的优良特性,提高铜基自润滑材料的使用温度显得尤为重要。

通过基体多元合金化和选用不同粒度的石墨颗粒,采用常规粉末冶金方法制备了铜基石墨固体自润滑材料,在大越式OAT-U型摩擦磨损试验机上考察了复合材料从室温到500℃温度条件下的摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌,进而探讨其摩擦磨损机理。

深入研究铜基自润滑材料在较高温度条件下的摩擦磨损性能及机理,对研制开发高温铜基自润滑材料具有重要意义。

选用不同粒度的石墨颗粒作为主要润滑组分,并对铜合金基体进行合金化优化设计,采用常规的粉末冶金方法制备了铜基石墨固体自润滑复合材料,考察了其在室温至500℃温度条件下的摩擦磨损性能。

通过实验测试可得到石墨含量对室温力学和摩擦磨损性能的影响、石墨粒度对室温力学和摩擦磨损性能的影响及温度对铜基石墨自润滑摩擦磨损性能的影响[3]。

1）在室温条件下,石墨颗粒粒度对铜基固体自润滑材料的力学性能和摩擦磨损性能具有一定的影响;石墨颗粒越小,则复合材料的摩擦系数越小,减摩自润滑效果越好;这是由于粒度较小的的石墨颗粒在铜合金基体中的分布更均匀,更利于形成完整的润滑膜所致.2）在室温至500℃温度范围内,铜基石墨固体自润滑复合材料的力学性能和摩擦磨损性能同石墨粒度及含量密切相关,其中CuNi-42复合材料试样具有优良的减摩抗磨性能,可在该温度区间内用于高温自润滑抗磨材料。

3）在采用多元合金化增强基体强度的基础上,选用合适大小的石墨固体润滑剂颗粒,可以有效地提高铜基石墨自润滑材料的高温摩擦磨损性能。

结果表明:在室温条件下,石墨颗粒越小,则复合材料的摩擦系数越小,减摩自润滑效果越好;在室温至500℃条件下,选用合适的石墨粒度(0.3~0.5mm)和多元基体合金化,可使铜基石墨固体自润滑材料保持较好的自润滑特性。

1.3铁含量对镍铁石墨硅自润滑材料的力学性能、干摩擦磨损性能及油润滑摩擦磨损性能的影响镍基合金因其具有优良的抗腐蚀性能和抗氧化性能,在高温固体自润滑材料中倍受重视。

目前常采用粉末冶金法制备镍基合金。

假若在镍石墨合金中加入组元铁,一方面可以起到对基体的固溶强化作用,使合金保持良好的抗腐蚀性和抗氧化性;另一方面可以节约有色金属镍,降低材料成本。

长期以来,对Fe-C 合金的研究,在工业生产条件下,Fe-C二元合金中易形成Fe3C,减少了石墨的含量,不利于其自润滑性能的改善,而金属镍是一种非碳化物形成元素,可以增加铁的自扩散能力,促进石墨化。

但随着合金中含铁量的增多,碳化物形成的可能性越来越大,镍铁石墨合金组织中是否会形成Fe3C,目前还有待于研究。

对铸铁的长期研究表明,硅能够强烈促使碳元素石墨化,且硅也能固溶于铁素体中,强化合金基体,使材料的强度和耐腐蚀性提高,但当硅超过一定含量后会显著降低材料的韧性。

本次实验采用熔炼法制备出镍铁石墨硅系列合金,在合金中加入1%硅以防止Fe3C的形成,并研究了该系列合金的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能。

将熔化好的合金浇注到石墨铸型中,得到铸型尺寸为120mm×60mm×20mm。

通过对凝固组织与力学性能的测试以及铁含量对合金的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能的影响的测试，可以得到以下几点结论[4]：1)采用熔炼法制备出镍铁石墨硅固体自润滑材料,形成了石墨与固溶体两相组织,石墨分布均匀,且合金中无碳化物形成。

2)随着铁含量的增加,合金中的石墨量相应增加,材料的自润滑性能相应提高,干摩擦系数和油润滑摩擦因数相应减小,材料的磨损率随着硬度值的增大而减小,其中Ni-60Fe-3.5C-1Si合金的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能均最好。

3)随着铁含量的增加,镍铁石墨硅合金的密度、抗拉强度和冲击韧性均下降,而合金的硬度先减小后增大。

结果表明:随着铁含量的增加,合金中石墨量逐渐增多,自润滑性能逐渐提高,材料的冲击韧性和抗拉强度逐渐降低,硬度值先减小后增大;材料的干摩擦因数和油润滑摩擦因数均随着铁含量的增加而逐渐降低,磨损率随着硬度值的增大逐渐减小,其中Ni-60Fe-3.5C-1Si合金(质量分数,%)的摩擦因数最小,干摩擦因数和油润滑摩擦因数分别保持在0.18和0.05。

2固体自润滑材料的组织及机理2.1Ni-Cr-Mo-S合金的自润滑机理在镍基高温合金中添加适量的元素硫,利用它们与合金中的某些元素反应生成或在摩擦中加速反应生成的固体润滑剂,可以有效地改善合金摩擦学特性,从而解决宇航、热动力机械和金属热加工等许多领域中高温(>300℃)条件下的润滑问题。

实验中选用80%(Ni-20Cr)合金粉+20%MoS2粉为原料成分,经过混料、钢模冷压、再装入石墨模具中进行热压。

同时制备了不添加MoS2的试样以比较摩擦性能。

通过机械加工等手段,将各种材料制成了d6mm×15mm的试样供摩擦试验机用。

采用先进的现代分析手段深入地研究了Ni-Cr-Mo-S合金的自润滑机理。

通过显微组织可以分析硫在摩擦过程中的作用以及氧化物在摩擦过程中的影响[5]。

结果表明:合金的显微组织主要是由金属基体和硫化物相与Ni(Cr)合金形成的共晶体两部分构成。

随着温度的升高,Ni-Cr-Mo-S合金的摩擦因数逐渐降低;合金材料中生成的共晶体在摩擦面的温度作用下可以变软或熔化形成具有转移性的自润滑膜。

在实验的高温下,MoO3和NiO也参与了润滑作用:随着温度的上升,MoO3所起的固体润滑作用逐渐减小,NiO所起的固体润滑作用逐渐增大。

在室温摩擦时,轻微粘着磨损为主要磨损形式;在高温摩擦时,磨粒磨损为主要磨损形式,同时也会出现氧化磨损。

2.2自润滑陶瓷刀具切削过程中的减摩机理在切削加工过程中始终存在2个摩擦副，即由前刀面与切屑组成的摩擦副和由后刀面与工件组成的摩擦副。

在切削加工过程中存在以下特点：(1)切削压力大；(2)切削温度高；(3)刀具前刀面始终与新鲜表面接触，容易造成粘结。

采用合理的润滑技术可以有效地减轻切削加工过程中的摩擦，因此，实现高效润滑对提高切削加工生产率、减小刀具磨损、改善加工表面质量具有十分重要的理论和实际意义。

改善陶瓷刀具加工润滑性能的方法一般有3种，即润滑液润滑、润滑涂层润滑和自润滑刀具。

要解决这一问题最常用的途径是采用环保的干切削加工技术。

对刀具表面进行涂覆润滑涂层是一种很有前途的润滑方式之一。

在润滑涂层刀具(软涂层刀具)表面涂覆一层固体润滑膜能够很好的起到减摩抗磨作用，但随着切削的进行，固体润滑涂层会逐渐磨损脱落，一旦固体润滑涂层脱落，不能得到有效补充，使刀具失去润滑作用，降低了刀具的使用寿命。

自润滑刀具材料内部始终含有固体润滑剂，因此刀具在其整个生命周期内始终具有自润滑功能，并且自润滑刀具材料可在很宽的温度范围内具有自润滑能力。

通过实验可测试出的结果可推断出刀具前刀面的减摩机理、自润滑膜磨损过程的演变规律及刀具后刀面的磨损机理。

可得出以下结论[6]：1)在切削加工45钢时，ATF自润滑陶瓷刀具前刀面的平均摩擦系数比未添加固体润滑剂的LT55陶瓷刀具显著降低，其主要原因是在ATF自润滑陶瓷刀具的前刀面上形成了一层较完整固体润滑膜，正是这层润滑膜的形成起到了减摩作用。

2)自润滑刀具在切削过程中形成了自润滑膜的生成、破损、脱落、再生的演变规律，因此，ATF 自润滑陶瓷刀具在其整个生命周期内都具有自润滑效果。

3)在切削加工45钢时，自润滑刀具后刀面并未存在固体润滑膜，具有较明显的磨料磨损特征。

由于磨粒的刻划作用使固体润滑膜难以形成，同时，刀具后刀面的切削温度较低，使CaF2固体润滑剂不易产生塑性变形，也影响了固体润滑膜的形成。

3固体自润滑材料的运用3.1金属（合金）基固体自润滑材料的应用3.1.1难熔金属基的运用20世纪70年代后，难熔金属（Mo、Nb、Ta、W等）的自润滑复合材料受到人们的普遍注意，这类材料有高的机械强度，低的摩擦系数，优异的耐磨性和良好的转移润滑性能，应用于极限条件下工作。

研究表明，40%W-60%MoS2材料的磨损率最小，80%W-20%MoS2材料的机械强度最好[7]。

3.1.2高温金属（合金）的运用在铁基、镍基高温合金中添加适量的元素硫或硒，利用它们与合金中的某些元素反应生成或在摩擦中加速反应生成的固体润滑剂，可以有效地改善合金摩擦学特性，从而解决宇航、热动力机械和金属热加工等许多领域中高温（>300。