镍基高温复合自润滑材料的制备与性能研究

摘要

随着食品、纺织及冶金行业的高速发展，人们对在高速高温工况条件下运行的摩擦零件提出了更高的要求。鉴于润滑油脂不可避免的会对环境造成污染，发展在高温高速环境下使用的具有良好耐磨性及自润滑性能的复合材料具有实际的应用及研究价值。镍基合金以其良好的抗氧化、抗腐蚀及高温力学性能而得到了广泛的应用。本文以Ni20Cr合金为基体，加入镍包石墨、BN及共晶BaF2/CaF2混合物为润滑相，采用粉末冶金的方法制备了镍基高温多相复合自润滑材料，并利用OM、SEM、XRD、EDS、摩擦磨损试验及力学性能试验等手段对制备的复合材料的组织结构、显微形貌、力学性能与摩擦磨损性能及其机理进行了系统的研究。结果表明:
　　烧结温度为1220℃，烧结保温时间为3.5h时，镍基合金复合材料获得了最高的力学性能。随着镍包石墨含量的增加，制备材料的密度、硬度及压溃强度呈下降趋势。镍包覆石墨改善了润滑相与基体镍晶粒的浸润性，当镍包石墨的质量分数为10wt.％-20wt.％时，复合材料的硬度达到90HV-110HV，压溃强度达到350MPa-450MPa;复合BN对烧结的阻碍作用使得复合材料的密度降低，孔隙度升高，硬度及压溃强度下降，当BN的含量为2wt.％时，材料的组织结构及力学性能较好。
　　当添加6wt.％-12wt.％的BaF2/CaF2进行复合制备时，含2wt.％BN的镍基复合自润滑材料由于BaF2/CaF2填充孔隙的作用改善了其显微组织结构及力学性能，复合材料硬度为112.9HV-119.6HV，压溃强度为346.47MPa-436.02MPa;而添加了10wt.％镍包石墨及2wt.％BN的Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2材料，当BaF2/CaF2含量为8wt.％时，样品硬度达到最高的66.1HV、压溃强度达到最高的236.64MPa。
　　不同润滑相的Ni20Cr基复合自润滑材料其摩擦磨损性能及机理不同。未添加任何润滑相的样品摩擦系数为0.49左右，磨损量约为0.744mg/m，表现出了严重的粘着磨损现象，加入2wt.％BN后，Ni20Cr复合材料的粘着磨损有所改善，摩擦系数及磨损量降低;石墨大大降低了材料发生粘着磨损的倾向，含10wt.％镍包石墨的镍基复合材料表现出了典型的磨粒磨损的特征;加入2wt.％BN及8wt.％BaF2/CaF2的镍基复合材料其磨损量降低为0.083mg/m，摩擦系数降低为0.31;而同时加入2wt.％BN、10wt.％镍包石墨及8wt.％BaF2/CaF2的材料获得了最低的摩擦系数0.27及较低的磨损量0.114mg/m，其磨损机理为磨粒磨损、表面疲劳磨损及轻微的氧化磨损。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 镍基高温自润滑材料国内外研究现状及发展趋势

1．3 固体润滑剂简介

1．3．1 层状固体润滑剂

1．3．2 软金属固体润滑剂

1．3．3 金属化合物及聚合物固体润滑剂

1．4 固体自润滑复合材料及其制备方法

1．4．1 固体自润滑材料分类

1．4．2 金属基固体自润滑材料

1．4．3 固体自润滑材料制备方法

1．5 粉末冶金法制备复合材料

1．6 镍包石墨复合颗粒简介

1．7 本文研究内容

第2章 实验方案与分析方法

2．1 实验原料及设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验设备

2．2 实验方案及流程

2．3 复合材料的显微组织观察

2．4 复合材料的性能检测

2．4．1 密度及孔隙度的检测

2．4．2 压溃强度测定

2．4．3 硬度的检测

2．4．4 摩擦磨损性能检测

2．5 复合材料的成分分析

第3章 镍基／石墨自润滑材料制备与研究

3．1 烧结工艺优化

3．1．1 烧结时间优化

3．1．2 烧结温度优化

3．1．3 小结

3．2 镍包石墨含量对复合材料性能的影响

3．2．1 烧结样品的宏观形貌

3．2．2 镍包石墨添加量对样品显微组织的影响

3．2．3 烧结样品的EDS成分分析

3．2．4 烧结样品的XRD分析

3．2．5 镍包石墨含量对样品密度及孔隙度的影响

3．2．6 镍包石墨含量对样品硬度及压溃强度的影响

3．2．7 不同镍包石墨含量样品的压溃断口分析

3．3 本章小结

第4章 Ni-Cr／hBN复合自润滑材料的制备与性能研究

4．1 BN含量对烧结样品显微组织的影响

4．1．1 样品烧结后的金相形貌

4．1．2 样品烧结后的SEM形貌

4．2 样品的EDS分析

4．3 烧结样品的XRD分析

4．4 BN含量对样品密度及孔隙度的影响

4．5 BN含量对样品硬度及压溃强度的影响

4．6 不同BN含量样品的压溃断口分析

4．7 本章小结

第5章 Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2多相复合材料制备与研究

5．1 Ni20Cr-BN-BaF2-CaF2复合材料制备与性能研究

5．1．1 烧结样品的显微组织研究

5．1．2 样品的EDS分析

5．1．3 Ni20Cr-BN-BaF2-CaF2样品XRD分析

5．1．4 Ni20Cr-BN-BaF2-CaF2样品密度及孔隙度

5．1．5 Ni20Cr-BN-BaF2-CaF2样品硬度及压溃强度

5．1．6 Ni20Cr-BN-BaF2-CaF2样品压溃断口分析

5．1．7 小结

5．2 Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2复合材料制备与性能研究

5．2．1 Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2样品组织形貌

5．2．2 Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2样品EDS分析

5．2．4 Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2样品的XRD物相分析

5．2．6 Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2样品的密度及孔隙度检测

5．2．7 Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2样品的硬度及压溃强度检测

5．3 本章小结

第6章 镍基自润滑复合材料摩擦磨损性能及机理分析

6．1 BaF2／CaF2含量对Ni20Cr-BN-C-BaF2-CaF2材料的摩擦磨损影响

6．1．1 不同BaF2／CaF2含量样品的磨损表面形貌分析

6．1．2 样品磨损表面的EDS分析

6．1．3 BaF2／CaF2含量对材料摩擦性能的影响

6．2 不同润滑相对镍基材料摩擦磨损性能及机理的影响

6．2．1 不同镍基复合材料磨损表面SEM形貌及分析

6．2．2 不同润滑相样品的磨损表面立体形貌

6．2．3 样品的磨损表面EDS分析

6．2．4 润滑相对镍基复合材料摩擦磨损性能的影响

6．3 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢