TiB2-Al復(fù)合材料的自潤(rùn)滑機(jī)理研究.pdf

1、自潤(rùn)滑材料一般由潤(rùn)滑劑和承載相組成,當(dāng)滑動(dòng)摩擦?xí)r存在潤(rùn)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(rùn)滑劑,往往使得力學(xué)性能與自潤(rùn)滑性不能同時(shí)兼顧,因此設(shè)計(jì)制備一種既有一定機(jī)械強(qiáng)度,又有自潤(rùn)滑性能的材料具有重要的工程意義和材料科學(xué)價(jià)值。
　　趙敏博士等人發(fā)現(xiàn)了TiB2/Al復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和自潤(rùn)滑特性,但是對(duì)其自潤(rùn)滑機(jī)理研究還很不深入。本論文以GCr15軸承鋼為對(duì)磨件對(duì)

2、TiB2/Al復(fù)合材料的自潤(rùn)滑行為及機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的的研究。
　　對(duì)增強(qiáng)體TiB2顆粒進(jìn)行預(yù)氧化處理,用壓力浸滲法制備TiB2/Al復(fù)合材料,采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)對(duì)微觀組織進(jìn)行了觀察,采用CJS111A型和WTM-2E型銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料摩擦學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試,并對(duì)摩擦學(xué)機(jī)理進(jìn)行探討。
　　摩擦學(xué)研究具有系統(tǒng)依賴性和時(shí)間依賴性。在系統(tǒng)依賴性方面,TiB2/Al-GCr

3、15摩擦副的內(nèi)部因素如復(fù)合材料界面結(jié)合、增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)和外部因素如載荷、滑動(dòng)速度、GCr15的表面粗糙度、真空及氬氣氣氛試驗(yàn)等諸多條件,并且進(jìn)行了系統(tǒng)分析和對(duì)比研究。在時(shí)間依賴性方面,綜合各種條件下的磨合曲線,總結(jié)并推導(dǎo)出了TiB2/Al復(fù)合材料的自潤(rùn)滑機(jī)理。
　　研究發(fā)現(xiàn),TiB2顆粒預(yù)氧化是TiB2/Al復(fù)合材料產(chǎn)生自潤(rùn)滑特性的必要條件。預(yù)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(yù)熱溫度下與空氣中的O2反應(yīng)所致。其中反應(yīng)物B2O3及其與空氣中的水蒸氣反應(yīng)生成的具有層狀結(jié)構(gòu)的固體潤(rùn)滑劑硼酸(H3BO3)對(duì)摩擦磨損性能有重要影響,這是TiB2/Al復(fù)合材料具有自潤(rùn)滑性的內(nèi)在因素。
　　增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)與摩擦學(xué)行為研究表明,存在黏著磨損向自潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界體積分?jǐn)?shù)。體積分?jǐn)?shù)低于24.3％,不具備自潤(rùn)滑性;兩者之間為過渡區(qū),自潤(rùn)滑現(xiàn)象的產(chǎn)生受到試驗(yàn)條件的影響;高于31.6%,則具備自潤(rùn)滑

5、性。
　　選取了0.49N、0.98N、1.96N、3.92N載荷研究載荷對(duì)材料摩擦磨損性能的影響,結(jié)果表明,當(dāng)載荷≥0.98N時(shí),不具備自潤(rùn)滑特性,載荷為0.49N時(shí),材料在各種速度下出現(xiàn)了自潤(rùn)滑性?？梢該?jù)此推論:摩擦?xí)r在材料表面的潤(rùn)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(shí)的摩擦系數(shù)研究了速度對(duì)摩擦學(xué)行為的影響。結(jié)果表明,1)隨著速度的升高

6、,摩擦系數(shù)從0.5降到0.2。磨損機(jī)制也從黏著磨損為主轉(zhuǎn)化成以氧化磨損為主。2)材料自身具備自潤(rùn)滑劑,但是低速下仍然不具備自潤(rùn)滑特性,說明維持自潤(rùn)滑特性僅僅依靠預(yù)氧化產(chǎn)生的TiO2和B2O3遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(rùn)滑劑。3)自潤(rùn)滑條件下的復(fù)合材料磨損表面存在潤(rùn)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(duì)摩擦磨損行為的影響。發(fā)現(xiàn)存在自潤(rùn)滑現(xiàn)象的最佳表

7、面粗糙度,且該數(shù)值與TiB2顆粒預(yù)氧化后氧化物層厚度有緊密聯(lián)系。設(shè)TiB2的表面氧化物厚度為h,對(duì)磨盤的表面粗糙度為Ra。則最佳表面粗糙度的大小與增強(qiáng)體表面預(yù)氧化產(chǎn)生的TiO2和B2O3層厚度大小相當(dāng),在20-30nm數(shù)量級(jí),即Ra~0.02-0.03μm。1)Ra>>h,對(duì)應(yīng)Ra0.606μm和Ra0.372μm。接觸時(shí)氧化物層無法填滿對(duì)磨盤微凸體間隙,造成高硬度的對(duì)磨盤微凸體對(duì)復(fù)合材料的磨粒磨損,產(chǎn)生大量犁溝。2)Ra~h,對(duì)應(yīng)Ra

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