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TiB_2/Al复合材料的自润滑机理研究

田首夫  
【摘要】:自润滑材料一般由润滑剂和承载相组成,当滑动摩擦时存在润滑剂失效、溅落等问题,在空间环境或高精密仪器仪表环境下适用范围有限,金属材料作为承载体,需要加入大量的固体润滑剂,往往使得力学性能与自润滑性不能同时兼顾,因此设计制备一种既有一定机械强度,又有自润滑性能的材料具有重要的工程意义和材料科学价值。 赵敏博士等人发现了TiB_2/Al复合材料具有高强度和自润滑特性,但是对其自润滑机理研究还很不深入。本论文以GCr15轴承钢为对磨件对TiB_2/Al复合材料的自润滑行为及机理进行进一步的的研究。 对增强体TiB_2颗粒进行预氧化处理,用压力浸渗法制备TiB_2/Al复合材料,采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)对微观组织进行了观察,采用CJS111A型和WTM-2E型销盘式摩擦磨损试验机对材料摩擦学性能进行了测试,并对摩擦学机理进行探讨。 摩擦学研究具有系统依赖性和时间依赖性。在系统依赖性方面,TiB_2/Al-GCr15摩擦副的内部因素如复合材料界面结合、增强体体积分数和外部因素如载荷、滑动速度、GCr15的表面粗糙度、真空及氩气气氛试验等诸多条件,并且进行了系统分析和对比研究。在时间依赖性方面,综合各种条件下的磨合曲线,总结并推导出了TiB_2/Al复合材料的自润滑机理。 研究发现,TiB_2颗粒预氧化是TiB_2/Al复合材料产生自润滑特性的必要条件。预氧化过后的TiB_2颗粒表面被一层20-30nm厚的由TiO2和B_2O_3组成的混合氧化物包裹。两种氧化物为TiB_2在预热温度下与空气中的O2反应所致。其中反应物B_2O_3及其与空气中的水蒸气反应生成的具有层状结构的固体润滑剂硼酸(H_3BO_3)对摩擦磨损性能有重要影响,这是TiB_2/Al复合材料具有自润滑性的内在因素。 增强体体积分数与摩擦学行为研究表明,存在黏着磨损向自润滑状态转变的临界体积分数。体积分数低于24.3%,不具备自润滑性;两者之间为过渡区,自润滑现象的产生受到试验条件的影响;高于31.6%,则具备自润滑性。 选取了0.49N、0.98N、1.96N、3.92N载荷研究载荷对材料摩擦磨损性能的影响,结果表明,当载荷≥0.98N时,不具备自润滑特性,载荷为0.49N时,材料在各种速度下出现了自润滑性。可以据此推论:摩擦时在材料表面的润滑膜很薄,承载能力较弱,高载下无法有效的起到降低摩擦的作用。 选取0.2、0.5、0.8、1.0、1.5、2.0m/s时的摩擦系数研究了速度对摩擦学行为的影响。结果表明,1)随着速度的升高,摩擦系数从0.5降到0.2。磨损机制也从黏着磨损为主转化成以氧化磨损为主。2)材料自身具备自润滑剂,但是低速下仍然不具备自润滑特性,说明维持自润滑特性仅仅依靠预氧化产生的TiO2和B_2O_3远远不够,需要TiB_2在摩擦热作用下的持续氧化来源源不断的提供自润滑剂。3)自润滑条件下的复合材料磨损表面存在润滑膜,局域分布,且由氧化物混合组成,很薄。 本文还研究了GCr15盘的表面粗糙度对摩擦磨损行为的影响。发现存在自润滑现象的最佳表面粗糙度,且该数值与TiB_2颗粒预氧化后氧化物层厚度有紧密联系。设TiB_2的表面氧化物厚度为h,对磨盘的表面粗糙度为Ra。则最佳表面粗糙度的大小与增强体表面预氧化产生的TiO2和B_2O_3层厚度大小相当,在20-30nm数量级,即Ra~0.02-0.03μm。1)Rah,对应Ra0.606μm和Ra0.372μm。接触时氧化物层无法填满对磨盘微凸体间隙,造成高硬度的对磨盘微凸体对复合材料的磨粒磨损,产生大量犁沟。2)Ra~h,对应Ra0.023μm。接触时氧化物层刚好填满对磨盘微凸体间隙,阻止了对磨盘与基体合金的黏着,减小了摩擦。3)Rah,对应Ra0.005μm。接触时氧化物层能够填满对磨盘微凸体间隙,但是由于表面过于光滑,分子作用占据主导地位,实际接触面积大大增加,黏着作用占据主导地位,摩擦反而升高。 摩擦系数曲线的实时变化,是摩擦副体系内各种减小摩擦、增大摩擦的因素互相影响的一种外在表现。对不同载荷、滑动速度、表面粗糙度情况下的摩擦系数曲线进行综合分析,得出预氧化TiB_2颗粒表面氧化物在磨合阶段起作用,平稳阶段主要是摩擦热的积累使得增强体TiB_2急剧氧化,进而提供源源不断的润滑剂,减小了摩擦。TiB_2/Al-GCr15组成的摩擦副体系,产生自润滑现象时,润滑剂产生的来源,一个是预氧化TiB_2引入,一个是摩擦热使增强体TiB_2持续氧化所致。


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