高温自润滑复合材料的制备及其摩擦磨损性能研究

韩莹

（山东英才学院 机械制造及自动化工程学院，济南 250104）

高温自润滑复合材料的制备及其摩擦磨损性能研究

韩莹

（山东英才学院 机械制造及自动化工程学院，济南 250104）

以FeCrWMoV合金粉末为金属相，TiC粉末为陶瓷相，并以TiH2和CaCO3为复合造孔剂，采用粉末冶金烧结法制备出金属陶瓷微孔基体。研究表明：当烧结温度为1230℃，浸渗温度为800℃时得到的高温自润滑复合材料具有良好的力学性能和自润滑性能。

自润滑金属陶瓷复合材料摩擦磨损性能

引言

在制备高温自润滑金属陶瓷复合材料的过程中，通常是将硫化物、氧化物、氟化物等固体润滑剂作为组元，采用球磨机与金属或陶瓷基体粉末进行混合均匀，经烧结得到复合材料。在摩擦过程中，固体润滑剂通过产生的摩擦热析出至摩擦表面，实现复合材料的自润滑性能［1］。但是，在高温烧结过程中，部分固体润滑剂因高温作用而导致性能失效，使得复合材料润滑性能的降低［2-3］。仿生人体汗腺结构和排汗机理，将高温自润滑复合材料与仿生学原理相结合，制备出具有良好力学性能和自润滑性能的复合材料［4-5］。此类材料在在高温、高速、高强度、高耐磨性等特殊工况下，表现出高强度、高韧性和高温自润滑性能，具有广泛的应用前景。

1试验部分

1.1试样制备

以FeCrWMoV合金粉末为金属相，以TiC粉末为陶瓷相，并添加体积分数为8%～12%的TiH2和CaCO3复合造孔剂作为基体粉末。在球磨机中混合均匀后在600MPa压力下冷压成型，然后在真空热压烧结炉中进行真空烧结，烧结温度范围为1200～1300℃。将烧结得到的微孔金属陶瓷基体放入真空压力熔渗机的容器内密封、抽真空，将熔渗温度调整至500～800℃，保温15min后注入熔融状态的复合固体润滑剂。熔渗压力为0.5～5MPa，为了确保微孔内充满固体润滑剂，经保温保压1h便得到高温自润滑复合材料的烧结试样。

1.2试验方法

用扫描电子显微镜（SEM）分析烧结试样的微观组织和磨损表面形貌；采用液体静力平衡法测试烧结试样的密度、孔隙度；分别用显微硬度计和 YE-600型液压式试验机测试烧结试样的显微硬度和压溃强度；用销—盘式高温摩擦磨损试验机测试烧结试样的摩擦磨损性能。

2结果与分析

2.1显微组织

高温自润滑复合材料浸渗固体润滑剂前后的显微组织形貌SEM照片如图1所示。由图1（a）可以看出浸渗固体润滑剂前微孔基体中的孔隙互相交错贯通成网络状，且微孔形状比较规则；由图1（b）可以看出浸渗固体润滑剂后，润滑剂均匀地填充到高温自润滑复合材料的微孔结构孔隙中，且呈细小颗粒状。

图1浸渗固体润滑剂前后的显微组织形貌SEM照片

2.2烧结工艺参数的确定

微孔基体的显微硬度和压溃强度随烧结温度的变化曲线如图2所示。由图可知，随着烧结温度的不断升高，微孔基体的显微硬度和压溃强度不断提高。当烧结温度低于1230℃时，烧结试样的显微硬度和压溃强度提高速率较快；当烧结温度为1230℃时，烧结试样的显微硬度和压溃强度升高速率缓慢。在真空烧结过程中，若烧结温度较低，会使得烧结试样致密度较低；若烧结温度较高，致使部分粉末产生液化现象，影响烧结试样的力学性能［6-7］。根据高温自润滑复合材料的性能要求，当烧结温度为1230℃时性能较好。

2.3熔渗工艺参数的确定

熔渗温度和熔渗压力对高温自润滑复合材料孔隙率和相对密度的影响变化曲线如图3所示。由图3（a）中曲线可知，随着熔渗温度的不断升高，复合材料的孔隙率逐渐下降，而相对密度逐渐升高。当熔渗温度低于700℃时，高温自润滑复合材料的残余开口孔隙率急剧减小，相对密度显著提高；当熔渗温度升高至700～800℃时，孔隙率和相对密度变化较缓慢；但是当温度高于800℃后，孔隙率和相对密度随着熔渗温度升高出现了相反的变化。为此，熔渗温度为800℃时试样性能较好。由图3（b）中曲线可以看出，随着熔渗压力的不断提高，孔隙率逐渐下降，而相对密度不断升高。当熔渗压力增加到5MPa后，孔隙率和相对密度不再随着熔渗压力的变化而变化，因此熔渗压力为5MPa时试样性能较好。

图2烧结温度对显微硬度和压溃强度的影响

图3熔渗温度和熔渗压力对高温自润滑复合材料孔隙率和相对密度的影响

2.4摩擦磨损性能

高温自润滑复合材料摩擦因数和磨损率与温度的关系曲线如图4所示。由图4（a）可知，在室温下高温自润滑复合材料的摩擦因数略低于微孔烧结体的摩擦因数；当温度高于300℃时，浸渗Pb-Sn-0.5RE和Pb-Sn-10Ag-0.5 RE复合固体润滑剂的两种复合材料摩擦因数明显低于微孔烧结体的摩擦因数。从图4（b）可以看出，当试验温度在300-700℃范围内时，浸渗Pb-Sn-0.5RE和Pb-Sn-10Ag-0.5 RE复合固体润滑剂的两种复合材料磨损率显著小于微孔烧结体的磨损率。同时，在浸渗Pb-Sn-015RE固体润滑剂的复合材料中添加适量的软金属Ag粉末，在试验温度大于400℃时，高温自润滑复合材料的摩擦学性能较好。

图4高温自润滑复合材料摩擦因数和磨损率与温度的关系

3结论

（1）以FeCrWMoV合金粉末为金属相，TiC粉末为陶瓷相，并以TiH2和CaCO3为复合造孔剂，采用粉末冶金法烧结制备微孔基体，浸渗适量的固体润滑剂后得到具有网络互穿结构的高温自润滑复合材料。

（2）在烧结温度为1230℃，熔渗温度为800℃、熔渗压力为5MPa时，得到的复合材料具有良好的力学性能和自润滑性能。

（3）在金属陶瓷微孔基体中浸渗一定固体润滑剂后，高温自润滑复合材料既具有高的强韧性和耐磨性，又具有良好的高温摩擦磨损特性。

［1］韩杰胜，刘维民，吕晋军，等.Fe-Mo-（MoS-2/PbO）高温自润滑材料的摩擦学特性［J］.材料科学与工程学报，2008，26（1）：117-120.

［2］Z M Liu.Elevated temperature diffusion self-lubrication mechanisms of a novel cermet sinter with orderly micropores［J］.Wear，2007，262：600-606.

［3］H Chang，J Binner，R Higginson，P Myers，P Webb，G King.High strain rate characteristics of 3-3 metal-ceramic interpenetrating composites ［J］.Materials Science and Engineering A.2011，528：2239-2245.

［4］王砚军，刘佐民.腺汗式微孔结构金属陶瓷烧结体的制备及其性能研究［J］.机械工程学报，2006，42（2）：29-31.

［5］A Mattern，B Huchler，D Staudenecker，et al.Preparation of interpenetrating ceramic-metal composites［J］.Journal of the European Ceramic Society，2004，24：3399-3408.

［6］张锐.SiC多孔陶瓷的气孔率和强度［J］.金刚石与磨料磨具工程，2000，4（118）：38-40.

［7］H D Ding.Test of huadong sintering model［J］.The Transaction of Nonferrous Metals Society of China，2001，11（2）：192-195.

FabricationandTribologicalPropertiesofHigh Temperature Self-lubrication Composites

HAN Ying

（Shandong Yingcai University，School of Mechanical Engineering，Jinan 250104，China）

Metal ceramic microporous matrix was preparedby using FeCrWMoV alloy powder for the metallic phase and TiC powders as ceramic phase，and TiH2and CaCO3as the composite pore-forming material.The composite was prepared by using the powder metallurgy technology.The experimental results show that the composite exhibit goodmechanicalpropertyandself-lubricatingpropertyunderthe condition of sintering temperature at 1230℃ and infiltration temperature at 750℃

self-lubrication，metal ceramics，composite，friction and wear behavior