鉻酸鹽固體潤滑材料的制備與高溫自潤滑機理研究.pdf

1、本文采用化學沉淀法和高溫固相反應法分別制備出BaCrO4和BaCr2O4粉體。采用無壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)工藝分別制備出兩種鉻酸鹽塊體陶瓷以及含鉻酸鹽的NiCr金屬基復合材料。采用XRD、SEM、TEM、TG-DTA、Raman光譜儀、納米壓痕儀和高溫摩擦磨損試驗機等研究了兩種鉻酸鹽粉體的合成機理及熱穩(wěn)定性,分析了鉻酸鹽塊體陶瓷及金屬基復合材料的組織結(jié)構(gòu)與力學性能,測試了不同材料在寬溫域范圍內(nèi)的摩擦學行為,討論了鉻酸鹽的塑性變形、高溫氧化及釉

2、化層形成對摩擦學性能的影響,并闡明了其自潤滑機理。最后,通過復合電鍍在高溫合金基體上制備出含鉻酸鹽的復合涂層,考察其摩擦學性能,進一步拓展了其應用范圍。
　　采用化學沉淀法在不同pH值條件下成功制備出具有不同粒徑和不同晶體形貌的BaCrO4粉體。通過控制pH值可以改變水溶液體系中BaCrO4的過飽和度,從而影響B(tài)aCrO4晶體的生長形貌。在EDTA絡合溶液中通過調(diào)節(jié)pH值采用均勻沉淀法可成功制備出具有復雜晶體形貌的BaCrO4粉體

3、。改變pH值不僅改變了溶液的過飽和度,也改變了EDTA溶液中Ba2+離子的絡合程度。在較低pH值條件下,晶體兩端出現(xiàn)不同程度的鍥形形核長大,最終可獲得花生狀的BaCrO4粉體。采用高溫固相反應法制備的BaCr2O4粉體結(jié)晶良好,粒徑在0.8–2?m之間。
　　BaCrO4粉體在空氣中的熱穩(wěn)定性很好,從室溫至1400℃之間不發(fā)生相變。但是其熱穩(wěn)定性在非氧化性氣氛中被破壞。經(jīng)真空1050℃和1250℃熱處理后,BaCrO4會發(fā)生相變生

4、成BaCr2O4和一種未知產(chǎn)物。根據(jù)XRD和XPS分析結(jié)果,這種未知物具有陽離子缺陷型鈣鈦礦結(jié)構(gòu),其化學式為Ba3(Cr6+, Cr5+)2O9–x(x≥0)。BaCr2O4粉體在非氧化性氣氛中的熱穩(wěn)定性很好,從室溫至1400℃之間不發(fā)生相變。但在氧化性氣氛中加熱時BaCr2O4會發(fā)生氧化反應,形成BaCrO4和Cr2O3。
　　采用無壓燒結(jié)法制備出致密度為96.1％的單相BaCrO4陶瓷。在室溫下BaCrO4陶瓷的磨損性能較差,

5、磨損機理以脆性斷裂和磨粒磨損為主。高溫條件下,塑性變形主導了BaCrO4陶瓷的摩擦過程。溫度升高后,BaCrO4陶瓷表面由細小的磨屑燒成而成的細晶層具有良好的塑性變形能力。可以認為BaCrO4在高溫條件下的潤滑能力主要就是由這種塑性變形帶來的。
　　采用熱壓燒結(jié)法成功制備出致密度為98.6%的單相BaCr2O4陶瓷。在室溫下BaCr2O4陶瓷的磨損以脆性斷裂引起的磨屑脫落為主,磨損性能較差。但在高溫磨損條件下BaCr2O4陶瓷發(fā)生

6、摩擦氧化生成的BaCrO4能夠有效提供潤滑,使其摩擦學性能得到提高。當溫度進一步升高時,BaCr2O4陶瓷的劇烈氧化使致密度變差,不能有效承載表面的潤滑膜,使摩擦學性能下降。
　　采用熱壓燒結(jié)法成功制備出NiCr–BaCrO4復合材料。該復合材料在高溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學性能。含10wt.%和20wt%BaCrO4復合材料在400℃和600℃條件下的摩擦系數(shù)均為0.3左右,其磨損率隨溫度的升高而逐漸下降,在400℃時磨損率為1

7、0–5mm3/(Nm)數(shù)量級,而在600℃時進一步降至5×10–6mm3/(Nm)。熱壓燒結(jié)NiCr–BaCr2O4復合材料在高溫條件下表現(xiàn)出比NiCr–BaCr2O4復合材料更為優(yōu)異的摩擦學性能。含10wt.%和0wt.%BaCr2O4復合材料在400℃和600℃下的摩擦系數(shù)均為0.25左右,磨損率在400℃時為1×10–5mm3/(Nm)左右,在600℃時降至2×10–6mm3/(Nm)左右。
　　兩種NiCr基復合材料的高溫

8、自潤滑機理都可以通過形成耐磨釉化層來解釋。在高溫磨損條件下NiCr基復合材料表面生成了一層強度較高的釉化層,而在釉化層表面則是很薄的一層BaCrO4潤滑膜。在高溫磨損時,屈服強度較高的釉化層起到承載的作用。而表面BaCrO4膜較軟,剪切強度較低,起潤滑作用,減小了摩擦系數(shù)與磨損率。BaCr2O4的高溫摩擦氧化產(chǎn)物為BaCrO4和Cr2O3,進一步提高了釉化層的強度,在降低摩擦系數(shù)的同時進一步提高其耐磨性能。
　　為促進釉化層的形成

9、,對NiCr–BaCr2O4復合材料表面進行預氧化處理制備出氧化物涂層。經(jīng)600℃預氧化處理的表層具有良好的摩擦學性能,可進一步提高復合材料在高溫下的耐磨性能。而預磨工藝也是一種有效的表面處理方法。對含20wt.%BaCr2O4的復合材料進行預磨處理,可使其在高溫下的磨損率降低50%–60%。除預氧化處理和預磨處理工藝制備的涂層之外,本文通過復合電鍍制備的Ni–BaCr2O4復合鍍層在寬溫域范圍內(nèi)也呈現(xiàn)出良好的摩擦學性能,在室溫至600