摘要:陶瓷材料和自润滑材料具有良好的的摩擦磨损性能。本文对这两类涂层材料的国内外研究动态进行了综述,介绍了Al2O3、Cr2O3、TiO2、TiN等常用陶瓷及陶瓷基复合涂层材料研究和应用的最新发展,介绍了石墨基和MoS2基、锡铅铜等软金属基以及氧化物和氟化物自润滑涂层材料的研究现状和应用前景,认为耐磨涂层材料研究工作的重点应该放在上述两种材料的复合应用上。
关键词:耐磨材料;摩擦磨损;涂层;陶瓷材料;自润滑材料
0 前言
改善摩擦副的摩擦磨损性能常通过润滑及提高材料自身的抗磨能力来实现。摩擦磨损是一种表面行为,因此,表面改性处理逐渐成为改善摩擦副摩擦磨损性能的新手段。目前,表面改性的主要手段一是使材料形成具有非金属性质的摩擦面,从而改变材料的表面性能;二是使材料在较大的使用条件范围内具有良好的机械性能,例如热喷涂、电镀、化学镀和离子注入等表面处理技术都可以达到上述目的。
用于喷、镀和离子注入的涂层材料有许多,陶瓷材料和自润滑材料是其中最具有应用前景的材料。因此,本文介绍了陶瓷及陶瓷基复合涂层材料和自润滑涂层材料的研究及应用。
1 陶瓷材料
在现代材料研究中陶瓷已成为品种、功能极多的一个材料大家族。陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高刚度及高化学稳定性[1],近年来对陶瓷材料韧性化的深入研究又在一定程度上克服了陶瓷材料加工困难和容易发生脆性断裂的不足,使得陶瓷材料用作涂层材料很有发展前景。
1.1 Al2O3陶瓷
Al2O3陶瓷的硬度高、耐磨性好,因而常被用作涂层材料。文献[2]研究了等离子喷涂Al2O3涂层与AISID2钢配副的磨损性能,结果表明:(1) Al2O3涂层的磨损与载荷和滑动速度有关,且存在一个最大磨损量的载荷。如在干摩擦条件下,发生最大磨损量的载荷是88.5N;在油润滑条件下,最大磨损量的载荷是1.369kN。(2)在干摩擦条件下,产生最小磨损量和最大磨损量的滑动速度分别为1m/s和5m/s;在油润滑条件下,滑动速度超过1m/s时,磨损量剧增。总体来讲,Al2O3涂层的磨损很小。
在Al2O3中加入TiO2和ZrO2等陶瓷材料和固体润滑剂,有利于改善其摩擦磨损性能。文献[3]研究了Al2O3+40%ZrO2陶瓷复合涂层与铸铁配副的摩擦学特性,结果表明:在油润滑条件下,涂层的磨损率小于0.5*10-7mm3/Nm,平均摩擦因数为0.098。文献[4]研究了等离子喷涂Al2O3、Al2O3/ TiO2,Al2O3/ TiO2/Cu涂层与Al2O3+40%TiO2材料对磨时的干摩擦学特性,结果表明:在Al2O3中加入TiO2涂层的硬度降低,但韧性提高,所以耐磨性提高;在Al2O3中加入质量份数为13%的铜,能降低其摩擦系统的磨损率和摩擦因数,如图1所示。文献[5]研究MoS2在Al2O3涂层中的摩擦学作用,结果表明:(1)通过减小犁沟和塑性变形的作用,Al2O3复合涂层降低了未涂层金属的磨损量。(2)涂层移走和破坏以后,磨损量突然增加。(3)在涂层中添加MoS2,可减慢Al2O3基体中的裂纹扩展,从而延迟涂层的破坏。(4)MoS2在Al2O3涂层中重量百分比为40%时耐磨性最好,其磨损量比Al2O3涂层降低9倍。可见,上述复合涂层与Al2O3涂层相比较,摩擦磨损性能都提高很大。
1.2 Cr2O3陶瓷
Cr2O3陶瓷硬度很高,且摩擦因数低,Cr2O3基涂层常用于改善内燃机活塞与套筒之间的摩擦磨损性能。文献[6]研究了等离子喷涂Cr2O3涂层自配副在450℃时的磨损性能,结果表明:在达到稳定阶段以后,磨损率小于10-9g/Nm。文献[7]研究了Cr2O3涂层与SUS304钢的对磨,结果表明:(1) Cr2O3涂层的磨损存在一临界载荷,在此载荷以下,涂层的磨损量微乎其微(1*10-4mm3),超过临界载荷,磨损量急剧增加,可达15*10-3mm3。(2)在某一载荷以上,Cr2O3涂层的磨损量高于SUS304钢。可见,在滑动试验中,只有在临界载荷以下,Cr2O3涂层才具有优良的耐磨性。综上所述,Cr2O3涂层的摩擦磨损特性为:
(1)高温下耐磨性较好,摩擦因数较低;(2)当与某些材料配副时,其磨损存在临界载荷。为改善涂层的摩擦磨损性能,文献[8]研究了固体润滑剂CaF2和BaF2在等离子喷涂Cr2O3涂层中的摩擦学作用,结果表明:CaF2和BaF2降低了摩擦因数和涂层的磨损量,当CaF2和BaF2的含量分别为14%~21%和20%~31%时,摩擦因数最低,达0.2~0.25,相应磨损量也最低。
1.3 TiO2陶瓷
与Al2O3和Cr2O3陶瓷相比,TiO2陶瓷硬度较低但韧性高。这种涂层一般用在轴衬套和泵密封件上,抵抗540℃以下的磨损。文献[9]研究了等离子喷涂TiO2涂层在不同载荷、不同速度下与不锈钢配副的摩擦磨损性能,结果表明:涂层的磨损量随载荷的增加而增加,随滑动速度的增大而减少,摩擦因数约在0.4~0.6之间,并认为磨损量随滑动速度的增加而降低的原因之一是在摩擦表面之间形成的F℃2O3-F℃3O4薄膜,有自润滑作用;其次是在高温下TiO2涂层软化,降低了研磨磨损。
为考虑润滑条件的影响,文献[10]研究了等离子喷涂TiO2涂层与Cr3C2-NiCr涂层配副时在干摩擦、水润滑和酒精润滑下的摩擦学特性,结果表明:(1)在上述三种条件下,摩擦因数依次为为0.46、0.50、0.15,水润滑条件下摩擦因数升高的原因是水的吸收导致涂层的断裂和剥层。(2)在水和酒精润滑条件下,TiO2涂层的磨损比干摩擦时大,其原因是在有润滑剂存在时,TiO2涂层的断裂韧性变差。Cr3C2-NiCr涂层在酒精润滑条件下,磨损因数大大降低,归因于光滑表面膜(主要成分为Cr2O3)的形成。
文献[11]在相同条件下用滚筒-块摩擦磨损试验机研究了等离子喷涂Cr2O3、Cr3C2、TiO2、WC18%Co、Al2O3涂层的摩擦磨损性能。试验结果如表1。
可见,(1)在润滑条件下,喷涂层摩擦因数大约为0.1,而在干摩擦条件下,摩擦因数增至0.5左右。(2)在润滑条件下,Cr2O3-Cr2O3配副的磨损量很小,在干摩擦条件下,Cr2O3-Al2O3配副的抗咬合能力最差。(3)在润滑条件下,涂层材料的耐磨性从大到小为:Cr3C2>Cr2O3> TiO2>WC18%Co >Al2O3。
1.4 TiN陶瓷
TiN陶瓷的硬度很高,耐磨性很好,是所有陶瓷中应用最广泛的涂层材料,常用于刀具上。文献[12]的研究结果(表2)表明,TiN涂层明显地降低了磨损,同时摩擦因数也有所降低。
2 自润滑材料
自润滑材料在与其它材料对磨过程中,能在两表面之间形成一层固体润滑膜而起到润滑作用。自润滑材料一般较软,是通过减小摩擦因数来增加耐磨性的。这些材料用做涂层材料,无需外加润滑剂,是很有发展前途的。
2.1 石墨基和MoS2基自润滑材料
石墨和MoS2是层状结构的晶体,层间结合力很弱,极易发生层间剪切,当与其它材料对磨时,显示出低的摩擦因数,从而表现出自润滑性能。为了更好发挥石墨和MoS2的摩擦磨损性能,实际应用中多采用以这两种材料为基的复合材料。文献[13]曾在45钢基体上用电沉积工艺形成(N-i P))石墨复合涂层,摩擦磨损试验表明:石墨含量3%~4%、磷含量4%~6%为佳;同时涂层与不同材料配副时显示出不同的摩擦学特性。例如,复合涂层与20钢配副时摩擦因数较大,而与45钢(淬硬)配副时,由于增加了接触表面的硬度,就更好地发挥了石墨的减摩作用(L=0.1~0.3)。因此,正确选择对磨副是发挥石墨减摩作用的关键之一,配副的原则是对磨面双方的强度(或硬度)基本相当而不易发生粘着。
文献[14]通过电接触粉末冶金在金属基体上形成铜基石墨涂层的摩擦学特性:试验表明,石墨基涂层的摩擦学特性不仅与石墨含量有关而且与铜晶粒和石墨颗粒的大小有关。表现出最好的摩擦学特性(摩擦因数0.1~0.11,磨损率为0.12Lm/km)的铜晶粒尺寸为100~160Lm、石墨颗粒尺寸为200Lm以上。
MoS2在惰性气氛中表现出特别低的摩擦因数,所以在太空和真空中MoS2的应用很广泛。文献[15]研究了电镀Ni/MoS2复合涂层在真空中与1045钢配副时的摩擦磨损特性,结果表明:(1)当MoS2含量在31.6%~80%时,摩擦因数较低,其中MoS2为78%时,摩擦因数最低仅0.014,在此含量范围内,磨损寿命随MoS2含量的增加而增加,这与空气中的试验结果明显不同。(2)随着载荷的增加,涂层磨损寿命降低。
MoS2涂层的缺点是耐久性很差,所以不少文献研究了MoS2涂层的寿命问题。文献[16]研究了三极管溅射MoS2涂层与不同材料配副时的磨损特性,结果表明:在干滑动条件下,MoS2涂层的耐久性由于空气中氧气的存在而降低,与对磨材料无关;而在氩气气氛中,MoS2涂层的耐久性与对磨材料有关,与陶瓷对磨的耐久性大于与钢对磨的耐久性。
为了提高MoS2涂层的耐久性,文献[17]在非平衡电磁管溅射MoS2涂层中加入TiN和Au,研究了MoS2、TiN/MoS2、、MoS2/Au、TiN/MoS2/Au与WC/Co配副时的磨损寿命,结果表明:在载荷为40N、相对湿度为45%条件下,MoS2涂层经过1100次循环被破坏,而TiN/ MoS2为1300次,MoS2/Au为1900次,TiN/MoS2/Au为5500次循环。可见,这些添加剂大大提高了MoS2涂层的磨损寿命。
2.2 其它自润滑材料
2.2.1 软金属材料
软金属具有与高粘度流体相似的润滑行为,故软金属润滑膜一旦破裂,能通过自行修补而恢复润滑性能[21]。软金属不具有MoS2那样的承载能力,使用时只能以薄膜或与其它材料复合的形式,使载荷由基材来承受。
软金属涂层剪切强度低,在边界润滑条件下,软金属涂层能够持久地或在跑合阶段发挥有效的减摩作用。文献[18]研究了在油润滑条件下Pb、Sn和Pb-Sn-Cu软金属涂层的摩擦磨损特性,结果表明:涂层的磨损体积都随载荷的增加而增加,如45Lm厚的Sn涂层在载荷由10MPa增至20MPa时,磨损体积由不足0.01mm3达到32.4mm3;在上述条件下,各涂层的摩擦因数在0.02~0.12范围内,软金属涂层的厚度影响很大,在本试验条件下,只有当涂层的厚度大于10Lm时才具有低的摩擦因数和较长的耐磨寿命。
2.2.2 氧化物和氟化物
许多自润滑材料在空气中在高温条件下就丧失润滑性能,因此,能在更高温度下使用的自润滑材料氧化物应用而生。其中显示出最好润滑效果的是PbO,其摩擦因数随温度上升而降低,在400℃以上显示出比MoS2更好的润滑性。PbO在370℃~480℃可氧化成Pb3O4,在480℃以上又形成PbO,因而PbO长时间显示良好润滑性的温度范围是480℃~850℃[19]。
氟化物中常用的固体润滑剂是氟化钙和氟化钡,其适用温度范围都比PbO宽。图2是62%BaF2+38%CaF2涂层在空气中的摩擦因数与温度的关系曲线[18]。可以看出,室温下摩擦速度从2m/s提高到10m/s,摩擦因数就保持在0.2左右的较低值。Slin℃y认为,这种涂层的使用温度范围是500℃~950℃[18]。
3 结束语
以上介绍表明,陶瓷材料和自润滑材料是比较常用的耐磨涂层材料。陶瓷材料的硬度大,因而要通过增加摩擦因数来增加耐磨性。自润滑材料料材质较软,当与其它材料对磨时,能在两表面之间形成固体润滑膜,从而减小摩擦因数来增加耐磨性。这两种材料的复合涂层能发挥两种材料的优点,表现出更好的摩擦磨损特性,因此,这类复合涂层应当是今后耐磨涂层材料的研究重点。
参考文献略
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