Fe3 Al基复合摩阻材料摩擦磨损行为的研究进展

姚 远，揭晓华

(广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006)

1 前 言

摩阻材料(Friction material)是一种由具有高而稳定摩擦系数的材料制成，可产生足够大摩擦力来实现动力传递或动能降减的材料，要求兼具较高的摩擦系数、较好的耐磨性以及一定的力学性能。根据基体材料的不同，常见的摩阻材料可分为半金属型、混合纤维型、金属粉末烧结型和C/C型等。基于可靠性和舒适性的考虑，摩阻材料应在较大的温度范围内具备稳定的摩擦系数、较高的耐磨性和可控的噪音水平。

作为金属基材料特殊形态，金属间化合物(Intermetallics)中金属键和共价键共存，且其原子排列长程有序，因而具备一些特殊的性能。其中，Fe-Al系以其良好的高温稳定性、优良的高温摩擦磨损性能，兼具密度低、比强度高等优点，已作为潜在新型摩阻材料而逐渐受到重视。在多种Fe-Al金属间化合物中，较多的研究集中于Fe3A1(DO3)这种在中高温下稳定性较好的金属间化合物。Pang 等[1]认为，DO3型Fe3Al的晶胞为体心立方结构，由4个A2(bcc)晶胞和4个B2晶胞组成，晶格常数为0.578nm，分子式可表述为Fe1Fe22Al。

这种二元金属间化合物的制备方法主要分为两类。一类是通过反复碾压、微锻等物理手段使某一合金元素固溶至另一合金元素晶格之中，形成稳而有序的分子结构，如机械合金化法 (Mechanical alloying)[2]，这种操作工艺简易、成本低廉且产物较为纯净单一的制备方法可在较低能态下轻易生成纳米级粉体产物，在一定程度上避免了高温制备方法中的熔化、凝固和氧化等问题；另一类是通过高温、高能物理或化学反应，使得Al与Fe迅速反应生成Fe-Al系金属间化合物，如铝热自蔓延(Self-propagating hightemperature synthesis)[3]、激光表面合金化(Laser alloying)[4]、中频感应熔炼(Medium frequency induction melting)[5-6]和等离子熔敷 (Plasma cladding)[7]等。

有别于常见摩阻材料易出现耐热性差(如纤维材料热衰减明显)、脆性大(如半金属材料边缘易碎)或成本过高(如C/C型材料)等问题，通过热等静压法制备的Fe3Al复合材料在较大的温度范围(RT～600℃)表现出良好的抗氧化、高耐磨和高强度等特性[8]，且成本远低于含有Ti、Ni、Cr等战略性金属元素的金属间化合物和不锈钢，满足现代载具高速、重载的发展对摩阻材料应有更高综合性能的需要，Fe3Al基复合材料在摩阻材料领域的应用前景十分广阔。

现有文献多为研究类论文，如李亚敏等[5]讨论了Fe3Al金属间化合物的组织和力学性能；原晨光等[6]研究了TiC/Fe-Al复合材料原位制备及其显微结构等，综述类文章较少。本文针对摩擦磨损行为的研究进展进行综述。

2 复合物相对摩擦磨损行为的影响

出于在耐磨性、耐蚀性的优异表现以及低密度、低成本等方面的综合考虑，Fe3Al基金属间化合物自发现之时便极具发展潜力，受到国外科研机构及Areelormittal、Ta Ta、POSCO 等 钢 铁 公 司 的 广 泛关注，开发出多种Fe-Al铁素体钢和Fe-Mn-Al-C系列合金，国内的北京科技大学、东南大学、兰州大学等也取得了一定的成果，如研制出用Fe3Al制备的催化裂化装置中双滑动阀导轨和烘焙机电加热棒等[9]。然而，由于环境氢脆的影响，Fe3Al系金属间化合物在空气中仅4.1%的延展率[10]使其不易进行加工，须通过添加Cr、Zr、B、Cu、Ni等合金元素来提高韧性、强化晶界或消除孔隙[8]，进而提高复合材料的力学性能。

材料的耐磨性与强度、硬度、密度等基本性质密切相关。添加Cr、B、Cu等合金元素通常可增强韧性，而强度与硬度通常可通过添加硬质质点(如碳化物)来增强。Cheng等[11]通过热压烧结制备研究了添加15～35wt.% 的 W0.5Al0.5C0.5对 Fe-15.88Al-5.46Cr(wt.%)常温摩擦学性能的影响[10]，发现基体硬度随着碳化物含量的增加而增加，耐磨性则先升(0～25wt.%)后降(35wt.%)，但含量为35wt.%时仍比15wt.%时要高，摩擦系数也体现出与耐磨性一致的趋势。Mahdi等[12]通过高速火焰喷涂法(HVOF)将Fe3Al、Ti、C 混合粉末喷涂至基体表面形成Fe3Al/TiC覆层，这种含有碳化物硬质质点的覆层硬度较高，TiC 含量为70mol.%时维氏硬度为650，几乎是纯Fe3Al的两倍，且由于大量硬质质点覆盖在软基体表面，因而磨损率远低于纯Fe3Al覆层和添加10mol.%TiC的复合覆层，在中高温下的磨损机制也从疲劳磨损向粘着磨损转变[13]。此外，Pang等[14]通过等离子体活化烧结法(SPS)制备的Fe3Al-多壁碳纳米管(CNTs)复合材料的抗压强度和显微硬度均远高于未添加CNTs和热压烧结(HIP)制备的Fe3Al材料。通过冷压烧结，笔者研究了CNTs含量对基体密度、硬度、摩擦和磨损率的影响[15]。结果表明，CNTs以线状或絮状与基体紧密结合，分散情况良好。随着CNTs含量增加，基体密度总体呈现降低趋势，硬度和摩擦系数先升高后降低，而平均磨损面积则先降低后升高，如图1所示。

图1 CNTs含量对摩擦系数及平均磨损面积的影响[15]Fig.1 Effect of CNTs(%)on coefficient of friction and average wearing area

根据Archard定律[16](W=KLS/H，其中：W 是磨损量，K 是系数，L是载荷，S是距离，H 是硬度)，磨损量与载荷、摩擦距离成正比，与表面硬度成反比，而实际的磨损机制可能更为复杂。一般来说，摩擦表面强度和硬度的提高将显著降低磨损率，但如果硬质质点(如碳化物)或CNTs等掺杂物添加过多，改变了摩擦表面的内部结构，则磨损结果和机制可能将完全不同。Cheng等[11]发现添加硬质质点可显著降低未添加时的严重磨损剥落效应，添加量在25wt.%时几乎没有磨屑出现，而添加量增加到35wt.%时的磨损面虽然更加光滑，但却出现了严重的剥层和凹陷，磨损机制也由粘着磨损转变为剥层与氧化磨损。同样的，添加过量的CNTs也会造成摩擦表面内部疏松而降低耐磨性[15]。

3 试验条件对摩擦磨损行为的影响

在实际摩擦磨损试验中，磨损行为表现出的差异性往往与试验条件紧密相关，如环境温度、摩擦速率、试样载荷、滑动距离、环境气氛、摩擦副与试样的相对硬度等，这些试验条件之间往往还会相互影响或制约。

3.1 环境温度

金属材料的组织结构、硬度、强度、韧性及表面状况往往随温度升高而产生变化。在实际应用中，材料处于高温工况或由于剧烈摩擦导致高温等情况较为常见，因而有必要了解材料的摩擦学性能随温度变化的情况。

Bai等[8]通过 MA-PAS 法原位反应制备了Al2O3/Fe-25Al复合材料并系统研究了材料在Ar气氛保护下从室温到773K 的摩擦学特性，发现材料的摩擦系数随温度升高逐渐降低，在637K 达到最低值0.47，继续升温至773K 则再次升高到0.52，但仍低于473K 时的0.65，且在所有温度下的摩擦系数均低于纯Fe-25Al，在4wt.%Cr/Fe3Al-20wt.%Al2O3体系中Bai等也得到了相同的趋势[18]。

Zhang 等 分 别 研 究TiC/Fe-28Al-Cr[13]、Ba0.75Sr0.75SO4/Fe3Al[17]体系后发现，摩擦系数随温度升高总体上也表现出先降后升的趋势。值得一提的是，温度从室温升高到200℃时，含有TiC硬质质点和Ba0.25Sr0.75SO4自润滑颗粒复合材料的摩擦系数均表现出小幅上升的趋势，200℃之后再次缓慢下降，而Bai等制备的复合材料中尽管也含有Al2O3硬质材料，但并未观察到这一现象。以上论著并未深入探讨此问题，且所知文献中均未对此现象进行探讨。以上文献摩擦系数随温度变化情况拟合如图2所示。

图2 Fe3 Al复合摩阻材料的摩擦系数随温度变化拟合图[8，13，17，18]Fig.2 Variation of friction coefficient of Fe3 Al with the increasing temperature

值得注意的是，Bai等的研究中所使用的摩擦副材料分别为GCr15 轴承钢[8]和Inconel718 合金[18]，而Zhang等[13-17]的研究中均使用了Si3N4硬质球作为摩擦副。温度升高首先将导致材料表面微膨胀，表面变得更为粗糙，且材料表面粗糙颗粒与基体的结合力逐渐增强，当摩擦副为不易磨损的硬质材料(如Si3N4)时，双方表面粗糙颗粒的咬合力增强，宏观上就表现为摩擦系数的升高；而当摩擦副为非硬质材料(如GCr15轴承钢或Inconel718 合金)时，逐渐软化的摩擦副在面对表面强度和硬度逐渐升高的复合材料时将首先被磨损，宏观上就表现为摩擦系数的降低。

磨损率是除摩擦系数之外反映磨损状态的另一个重要参数。影响磨损率的因素多而复杂，环境温度与气氛、摩擦副的相对硬度、表面氧化状况、表面磨屑数量与成分等都对磨损率有显著影响，且磨损率与摩擦系数也并非完全正相关，如Zhang[13]发现Fe3Al在温度从200℃升到400℃过程中，摩擦系数缓慢下降(降低12%)，而磨损率却因氧化加剧而大幅提高(增加200%)，温度升到600℃时磨损率又因Fe3Al强度升高[19]而大幅降低(降低50%)[13]。若剔除氧化因素，磨损率的表现则截然不同，不仅随温度升高而大幅降低，且Fe-25Al在800℃还能保持极低的磨损率(10-4mm3·N-1·m-1)[8]。由此可见，氧化是中/高温摩擦磨损中的重要影响因素，控制磨损环境气氛中氧含量或增强材料表面抗氧化性是降低磨损率的有效手段。当然，氧化并非只有负面作用，在磨损面上形成适当厚度的氧化层有助于保护基体，且氧化物磨屑还能降低摩擦系数从而有效降低磨损率[18]。

氧化在影响材料摩擦系数和磨损率的同时，还影响着不同温度下的磨损机制和磨损形貌。相关研究表明，Fe-25Al在室温至200℃的空气中磨损时由于氧化作用而表现出表面微裂纹、表面分层及严重剥落等典型的疲劳磨损形貌，温度进一步升高时由于氧化层增厚和基体强度增加而降低了疲劳磨损效应，磨损机制由疲劳磨损向疲劳磨损和粘着磨损共存转变[13]；在有Ar气氛保护时Fe-25Al在室温至200℃则仅表现出微犁沟等粘着磨损形貌，温度进一步升高时则由粘着磨损向疲劳磨损转变[8]。

3.2 滑动速率

Mahdi等[12]系统研究了含有0～70mol.%TiC 的Fe3Al复合覆层(300～600 HV)分别在摩擦速率为0.04～0.8m/s时对磨Al2O3磨球(1600～1700 HV)的磨损率，发现磨损率随摩擦速率增加总体上呈现先上升后降低的趋势。当TiC 含量较低时(0～30mol.%)，磨损率随摩擦速率的变化幅度较为明显，0.1m/s时达到最高值，磨损形貌也由起初的轻微疲劳磨损向疲劳裂纹、表面分层和破碎转变；当TiC 含量较高时(50～70mol.%)，磨损率随摩擦速率的变化幅度则相对较小。值得一提的是，当摩擦速率较高时(0.3～0.8m/s)，所有成分体系的磨损率均随摩擦速率的提高而显著降低，某些特定成分在0.8m/s的磨损率与0.04m/s时相当(如30mol.%TiC)甚至更低(如70mol.%TiC)，Yang等[20]认为此现象的原因是高速滑动摩擦产生的瞬时高温在复合材料表面形成了保护性Fe/Al氧化层，保护基体免受伤害的同时降低了摩擦系数，从而降低了磨损率，磨损机制也由疲劳磨损向氧化磨损及粘着磨损转变。

Wang等[21]通过MA-PAS 制备了Fe3Al(524±7 HV)，研究了常温下(载荷10N、滑动距离500m)与SS304(230±5 HV)对磨时不同摩擦速率下的磨损行为。研究发现，与Mahdi等所得结论不同，体积磨损率与摩擦系数均随滑动速率的增加(0.065～0.39m/s)而显著降低。Wang等[21]认为，对磨损行为影响较大的是对磨面间的剪切应力和压应力，摩擦速率对此影响不大。但提高摩擦速率将显著升高摩擦表面的瞬时温度，从而大幅提高SS304向Fe3Al的转移量，故而显著降低了体积磨损率，如表1所示。

表1 Fe3 Al合金在不同滑动速度下的摩擦系数、磨损量和磨损率[21]Table 1 Fiction coefficient，wear mass loss and volume wear rate of Fe3 Al alloys at different sliding speed

在上述试验中，Mahdi使用Al2O3磨球的硬度(1600～1700HV)远大于0～70mol.%TiC/Fe3Al的硬度(300～600HV)，因而在摩擦试验中主要是Fe3Al被磨损；而Wang使用的摩擦副是硬度较低的SS304(230±5HV)，因而在摩擦试验中将主要被磨损，且一部分磨损产物还将粘附至Fe3Al基体表面。由此可见，对磨表面相对硬度的差异可能是影响试验结果和磨损机制的关键，选择不同的对磨体系将有可能完全改变相同摩擦条件下同种材料的磨损行为。

3.3 摩擦载荷

Yong-Suk Kim 等[22]分别研究了在室温下具有25%、28%、30% Al含量的B2-Fe3Al和DO3-Fe3Al合金在低载荷下(2～7N)对磨AISI 52100 钢球(845HV)的干摩擦学性能，发现两种有序结构合金的磨损行为在给定条件下差异不大且DO3型磨损率稍高，且均随载荷增加而逐渐增大。此外，B2-Fe3Al磨损率曲线斜率表现出随载荷增加而变大的趋势，这说明载荷不同时磨损机制存在一定的差异性。进一步通过SEM 观察磨损表面发现，低载荷(2N)下的磨损机制主要是微犁沟，增大载荷则磨损机制有向犁沟与表面层剥落共存转变的趋势。他认为这一机制的主要原因是滑动摩擦中表面反复接触致使应力积累，表层下方的位错密度逐渐增大并沿着高密度位错形成微裂纹，最终导致磨损表面的剥落，表面层下位错聚集所处的深度决定了材料的磨损率。

一些文献报道了更高载荷下材料的摩擦磨损行为。Zhang 等[23]使用等离子喷涂法制备了Fe3Al-Al2O3涂层，并研究了载荷为40～80N 时对磨硬质金属的摩擦学特性，发现摩擦系数和磨损率均随载荷增加而增大，且重载下(80N)的磨损率增加得更多。与之不同的是，文献[21]的结果表明，载荷在10～50N之间时变化时，Fe3Al的磨损率先随载荷增加而增加，在载荷为30N 时达到最大值，随后逐渐下降。Fe3Al磨损率下降的主要原因是当载荷增大时，硬度较低的SS304对磨副在重载导致的高剪切力和瞬时高温的共同作用下更易被磨损且更快地涂覆至Fe3Al表面，从而降低了Fe3Al的磨损率，而当对磨副为高硬度材料时则不会出现此现象。这进一步证实了摩擦副的相对硬度在影响摩擦磨损机制中的重要作用。

4 展 望

由于在中高温下具有优异的机械性能和摩擦磨损性能，Fe3Al可用作高温下机械接触部件、表面涂层材料或刹车材料而备受关注。通过添加Zr、Cr、Cu、B等合金元素和CNTs、Al2O3、TiC 等复合材料，Fe3Al金属间化合物的室温延展性、硬度、强度等机械性能和摩擦磨损性能已得到大幅改善。

1.已有多种制备方法，但可获得纯度高且晶体结构相同的Fe3Al金属间化合物的报道尚未见到。制备工艺有待进一步发展和提高。

2.现有文献主要研究的是Fe3Al复合材料的性能特点，其作为摩阻或耐磨材料时的噪音水平、振动幅度等舒适性研究有待加强。

3.当摩擦副的相对硬度保持一定时，如基体硬度远大于(远小于、相当于)摩擦副材料硬度时，即便添加的复合材料完全不同，摩擦系数和磨损率在不同环境温度、摩擦速率、摩擦载荷下均有相同的趋势变化；反之，即便材料体系相同，摩擦磨损行为却可能完全不同。这说明相对硬度可能是影响材料摩擦磨损行为的关键，有必要开展进一步的研究。