TiB2-Al復合材料的自潤滑機理研究.pdf

1、自潤滑材料一般由潤滑劑和承載相組成,當滑動摩擦時存在潤滑劑失效、濺落等問題,在空間環(huán)境或高精密儀器儀表環(huán)境下適用范圍有限,金屬材料作為承載體,需要加入大量的固體潤滑劑,往往使得力學性能與自潤滑性不能同時兼顧,因此設計制備一種既有一定機械強度,又有自潤滑性能的材料具有重要的工程意義和材料科學價值。
　　趙敏博士等人發(fā)現了TiB2/Al復合材料具有高強度和自潤滑特性,但是對其自潤滑機理研究還很不深入。本論文以GCr15軸承鋼為對磨件對

2、TiB2/Al復合材料的自潤滑行為及機理進行進一步的的研究。
　　對增強體TiB2顆粒進行預氧化處理,用壓力浸滲法制備TiB2/Al復合材料,采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)對微觀組織進行了觀察,采用CJS111A型和WTM-2E型銷盤式摩擦磨損試驗機對材料摩擦學性能進行了測試,并對摩擦學機理進行探討。
　　摩擦學研究具有系統依賴性和時間依賴性。在系統依賴性方面,TiB2/Al-GCr

3、15摩擦副的內部因素如復合材料界面結合、增強體體積分數和外部因素如載荷、滑動速度、GCr15的表面粗糙度、真空及氬氣氣氛試驗等諸多條件,并且進行了系統分析和對比研究。在時間依賴性方面,綜合各種條件下的磨合曲線,總結并推導出了TiB2/Al復合材料的自潤滑機理。
　　研究發(fā)現,TiB2顆粒預氧化是TiB2/Al復合材料產生自潤滑特性的必要條件。預氧化過后的TiB2顆粒表面被一層20-30nm厚的由TiO2和B2O3組成的混合氧化物包

4、裹。兩種氧化物為TiB2在預熱溫度下與空氣中的O2反應所致。其中反應物B2O3及其與空氣中的水蒸氣反應生成的具有層狀結構的固體潤滑劑硼酸(H3BO3)對摩擦磨損性能有重要影響,這是TiB2/Al復合材料具有自潤滑性的內在因素。
　　增強體體積分數與摩擦學行為研究表明,存在黏著磨損向自潤滑狀態(tài)轉變的臨界體積分數。體積分數低于24.3％,不具備自潤滑性;兩者之間為過渡區(qū),自潤滑現象的產生受到試驗條件的影響;高于31.6%,則具備自潤滑

5、性。
　　選取了0.49N、0.98N、1.96N、3.92N載荷研究載荷對材料摩擦磨損性能的影響,結果表明,當載荷≥0.98N時,不具備自潤滑特性,載荷為0.49N時,材料在各種速度下出現了自潤滑性?？梢該送普?摩擦時在材料表面的潤滑膜很薄,承載能力較弱,高載下無法有效的起到降低摩擦的作用。
　　選取0.2、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0m/s時的摩擦系數研究了速度對摩擦學行為的影響。結果表明,1)隨著速度的升高

6、,摩擦系數從0.5降到0.2。磨損機制也從黏著磨損為主轉化成以氧化磨損為主。2)材料自身具備自潤滑劑,但是低速下仍然不具備自潤滑特性,說明維持自潤滑特性僅僅依靠預氧化產生的TiO2和B2O3遠遠不夠,需要TiB2在摩擦熱作用下的持續(xù)氧化來源源不斷的提供自潤滑劑。3)自潤滑條件下的復合材料磨損表面存在潤滑膜,局域分布,且由氧化物混合組成,很薄。
　　本文還研究了GCr15盤的表面粗糙度對摩擦磨損行為的影響。發(fā)現存在自潤滑現象的最佳表

7、面粗糙度,且該數值與TiB2顆粒預氧化后氧化物層厚度有緊密聯系。設TiB2的表面氧化物厚度為h,對磨盤的表面粗糙度為Ra。則最佳表面粗糙度的大小與增強體表面預氧化產生的TiO2和B2O3層厚度大小相當,在20-30nm數量級,即Ra~0.02-0.03μm。1)Ra>>h,對應Ra0.606μm和Ra0.372μm。接觸時氧化物層無法填滿對磨盤微凸體間隙,造成高硬度的對磨盤微凸體對復合材料的磨粒磨損,產生大量犁溝。2)Ra~h,對應Ra

8、0.023μm。接觸時氧化物層剛好填滿對磨盤微凸體間隙,阻止了對磨盤與基體合金的黏著,減小了摩擦。3)Ra<　　摩擦系數曲線的實時變化,是摩擦副體系內各種減小摩擦、增大摩擦的因素互相影響的一種外在表現。對不同載荷、滑動速度、表面粗糙度情況下的摩擦系數曲線進行綜