摩擦学_摩擦学01
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高温摩擦学研究现状及发展趋势
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2013年10月 高温摩擦学研究现状及发展趋势
第1章 研究目的背景意义
两个在接触状态下作相对运动的物体，因接触而阻碍相对运动，并使运动速度减慢，这种现象称之为摩擦。物体表面互相摩擦时，材料自该表面逐渐损失的过程称之为磨损。摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果[1]。
摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践的一门边缘学科。
高温摩擦，顾名思义是在高温工作下的摩擦磨损现象。高温工作条件下，高温和氧化加速了磨损。
1.1 研究高温摩擦的背景
一些较为常见的高温工作环境，如燃烧炉中的炉篦；沸腾炉中的管壁；各种机械的发动机、内燃机；高速工作中的底盘、齿轮等传动系统；夏季工作下的轮胎、传动胶带；这些都会产生高温摩擦磨损现象。相比于常温条件下，材料在高温条件下产生摩擦磨损，使材料产生更多的消耗和使用寿命剧烈地减少，而且这些类高温摩擦情况较为普遍，消耗更为严重，因而我们迫切地需要提高材料的高温耐磨性，以减少高温工作条件下的摩擦磨损。
一方面伴随着现代航空、航天等高新技术的发展，陶瓷材料的广泛应用，材料高温性能和高温润滑要求更高，另一方面随着石油燃料价格的上涨，发动机的经济性越来越受到重视[2]。低能耗、少排放、高推进比的先进绝热发动机逐渐出现在人们的视野中。
自1974年研究绝热发动机以来，英国、美国、日本等国家先后投入巨资对其进行研究，以期实现绝热发动机在军用和民用上的巨大价值。
常规的水冷柴油机，气缸磨擦表面的温度在250到300℃，允许油膜存在。绝热发动机的磨擦表面温度高，第一活塞环返回点的环—壁接触表面温度在530
[3]到650℃，绝热柴油发动机轴承衬垫的工作温度更是高达600~1000℃。现在的润滑油，包括耐高温的合成机油，超过425℃都将立即蒸发并燃烧，在530到650℃,不可能存在油膜[4]。但适当选用摩擦副材料和润滑剂，活塞环—缸套仍能工作良好。这很可能是靠某种固体润滑剂，或某种润滑油的分解产物，或者陶瓷材料本身就有自润性，形成高温下的润滑膜，达到润滑减磨的效果。绝热发动机由于工作温度高，在摩擦学方面会出现许多特殊问题，需要调查研究,逐一解决[4]。因而要实现绝热发动机，其高温摩擦性问题必须得到解决。
一些新技术、新材料的发展和出现，比如表面工程技术、耐磨材料和耐高温润滑剂的发展，促使着高温摩擦学不断地进步发展，材料的耐磨性不断提高。
随着涂层技术的进步，近几十年来涂层摩擦学在各个领域获得了迅速发展，表面工程摩擦学已成为摩擦学研究领域中十分活跃的分支[5]。第一代表面工程技术包括PVD涂层、CVD、热喷涂、电刷镀层、电镀、化学镀、渗氮、渗碳技术、热化学处理以及载能束改性等。20多年来，该类表面工程及其摩擦学的研究取得了巨大进展，许多研究成果已获得了应用。第二代表面工程即复合表面工程，第三代指新近出现的多层及多组元涂层[6,9]。表面工程摩擦学的发展为高温摩擦学的发展提供了巨大的帮助。
传统高温耐磨材料的强化和代用产品、新型高温耐磨陶瓷及高温润滑剂、润滑材料的发展，不断地提高着材料的耐磨性能，减少材料的磨损和消耗，在实现巨大经济效益和社会效益的同时，促使着高温摩擦学和高温磨损原理及机制的不断完善和发展。
1.2 研究高温摩擦目的意义
据估计全世界大约有1/2~1/3的能源以各种形式消耗在摩擦上，大约有80%的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的[10]。在工业领域中，磨料磨损是最重要的一种磨损类型，约占50%。仅冶金、电力、建材、煤炭和农机五个部门的不完全统计，我国每年因磨料磨损所消耗的钢材达百万吨以上[1]。
因此研究高温摩擦，可以提高材料的耐磨性和使用寿命；增加机械可靠性和缩短维修时间；节省材料成本、减少能源浪费；具有很高的社会效益和经济效益。
第2章 国内外研究现状
目前国内外对于高温摩擦的研究主要集中在表面工程摩擦学（PVD涂层、激光熔敷层、渗氮技术等）、润滑材料及耐磨材料这三方面。
2.1 相关技术研究
2.1.1 表面工程摩擦技术
刘爱华[5]分别对CrAlN、AlTiN、TiAlN、CrN和AlN五种PVD氮化物涂层在200 ℃~700 ℃的高温摩擦磨损特性及机理进行了研究，将五种不同的氮化物涂层在不同的温度、加载速度和载荷下进行实验，发现AlTiN最适应高温高速高载的摩擦环境。并发现涂层高温下都会发生氧化磨损，硬度较低的CrN发生塑变而失效，硬度较高CrAlN发生磨粒磨损，化学活性高的AlTiN会发生粘着磨损。
李志明，钱士强等[11]对电刷镀Ni-P合金镀层的高温摩擦磨损性能进行了研究，实验结果表明，在20CrMo的基体上，电刷镀合金Ni-P层能有效降低试样在高温（450 ℃）下的摩擦因数，减少磨损量。其磨损原理为氧化磨损、犁沟切削和磨粒磨损。
张平等[12]采用网格化激光淬火和低温离子渗硫技术对42MnCr52钢进行复合表面处理，与未处理样品相比较,硬度提高20%左右,摩擦因数降低约10%,磨损失重量减少50%以上，具有显著的抗高温摩擦磨损性能。其渗硫层疏松多孔，具有储油功能，改善了润滑条件。
王耀华等[13]采用高温摩擦磨损试验机研究从室温(25℃)至700℃下Fe-Al/TiC激光熔覆层与Si3N4球配副时的摩擦磨损特性,探讨了涂层的高温摩擦磨损机理。其熔覆层的高温磨损机理为剥层磨损。
袁建辉等[14]通过大气等离子喷涂方法,使用自制的含有WC-Co、Cu和BaF2/CaF2共晶体的复合喷涂粉末,制备出WC-Co-Cu-BaF2/CaF2自润滑耐磨涂层。在200℃、400℃和600℃下进行WC-Co-Cu-BaF2/CaF2涂层和WC-Co涂层的高温摩擦试验。其摩擦产物层光滑致密，摩擦因数和磨损率都较小。
2.1.2 润滑技术和材料
李建亮等[3]进行了宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究，采用脉冲激光在镍基材料表面刻蚀微孔来存储润滑氧化物；采用双层辉光等离子渗金属技术对微孔化表面渗Mo或Mo／N复合渗处理以改善表面耐磨性能。
孙晓峰等[15]研究了纳米SiO2在润滑油中的高温摩擦学性能，发现纳米SiO2能明显改善菜籽油的高温减摩抗磨性能,在500℃时,摩擦因数仅为0.16,磨损量降低了80%以上。
姜美焕等[16]做了双咪唑离子液体的合成及其高温摩擦学性能研究，发现烷基链连接的双咪唑离子液体的减摩抗磨性能明显优于醚链连接的双咪唑离子液体,且缩短双咪唑离子液体的连接链长度有利于提高其摩擦学性能。
2.1.3 耐磨材料
周松青等[17]研究以SiC为基体,用TiC和B4C为原料,采用新的反应原理生成TiB2,原位合成了TiB2-SiC基复相陶瓷,提高了SiC陶瓷的物理性能和高温摩擦学性能。高温摩擦氧化是TiB2-SiC基复相陶瓷自对偶高温磨损主要机理。
张辉[18]研究了三种典型硬脆刀具材料(PCD刀具、Al2O3/TiC陶瓷刀具和硬质合金刀具)的高温摩擦磨损特性,揭示了硬脆刀具材料高温摩擦磨损机理,从而为刀具材料的设计和选择提供理论依据。
刘佐民[19]对M50 高速钢高温摩擦磨损特性进行了研究，结果表明：在温度高于400℃的条件下，由于摩擦热与环境温度的共同作用，使材料的接触界面保持半熔融状态，在滑动过程中于摩擦表面形成了一层“金属膜”，使摩擦因数明显降低，尤其在600℃高温下的摩擦因数和磨损率都几乎最低，而且都相当平稳。
此外，还有学者对各种复合材料和酚醛树脂等无机化学合成材料的高温摩擦特性及磨损机理进行了研究。
2.2 高温摩擦磨损实验及试验机
磨损实验类型分为实物实验和实验室试验。
试样实验常用的磨损试验机有销盘式试验机，上试样为销，下试样为旋转的圆盘，主要用于与矿石、砂石等固体材料发生磨损情况下金属材料的耐磨性能实验，如MPX-200型和ML-10型；环快式试验机上试样为平面块状，下试样为环状，主要用来做各种润滑油和脂在滑动摩擦状态下的承荷能力和摩擦特性的实验，如MHK-500型；双环式试验机上下试样均为圆环状，主要用来测定金属和非金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、滑动和滚动复合摩擦或间歇摩擦情况下的磨损量，如MM-100型和MM-200型；往复式试验机上试样在下试样上作往复运动，主要用于评定往复运动机件如导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性，如MS-3型；四球式试验机试样为四个大小相同的钢球，主要用于评定润滑剂承载能力，如MQ-12型。
MG-200型高速高温摩擦磨损试验机，可在高温、常温和有液体介质的情况下作金属或非金属材料的耐磨性试验和测定摩擦系数。试样接触形式可为盘销式、双环式、环快式等[1]。
目前大多数做高温摩擦磨损试验的多用点接触式的试验机。
2.3 影响高温摩擦系数的因素
乔玉林等[20]对热轧钢/热轧钢摩擦副干摩擦高温摩擦行为进行了研究,结果表明,在试验范围内热轧钢/热轧钢摩擦副的高温摩擦系数随时间的延长呈增长趋势,增长趋势的快慢与试验参数有关,高速时的高温摩擦系数明显低于低速时的高温摩擦系数;大量氧化铁磨屑的产生是造成热轧钢/热轧钢摩擦副高温摩擦系数上下波动的主要原因。
刘爱华[5] 分别对CrAlN、AlTiN、TiAlN、CrN和AlN五种PVD氮化物涂层在200 ℃~700 ℃的高温摩擦磨损特性及机理进行了研究,结果表明，由于摩擦温升,涂层氧化更易发生,尽管涂层的轻微氧化可以提高耐磨性,但氧化加剧却可以造成涂层的最终失效。实验还表明，温度、试验速度、载荷等都会对材料的高温摩擦系数产生影响。
总结得出材料的高温摩擦系数主要是由温度、试验速度、实验载荷这三种因素影响的，其次还受摩擦里程和摩擦系统介质等因素的影响。
2.4高温摩擦磨损机制
乔玉林等[20]对热轧钢/热轧钢摩擦副干摩擦高温摩擦行为进行了研究,结果表明,试验速度对热轧钢/热轧钢摩擦副的高温磨损机理有很大的影响,在高速(0132m/s)条件下,高温磨损机理主要是磨粒磨损;而在低速(0110m/s)条件下,高温磨损机理主要是粘着磨损。
不同的材料其高温摩擦磨损机制是不同的，影响其磨损的因素有很多，其磨损机理也可能是多种机制构成的。
①磨粒磨损
对于硬度较大的材料，会发生微观切削、微观犁沟和微观断裂。一般来说硬度越高，抗磨损性能越好。耐磨材料由于其产生硬质点易造成磨粒磨损。
②粘着磨损
对于硬度较小的材料和较低的试验速度下易发生粘着磨损。粘着磨损分为涂抹、擦伤、撕脱和咬死。
③氧化磨损
氧扩散到摩擦副的变形层内，形成氧化膜。氧化膜的生成和不断剥落会形成氧化磨损。由于在高温条件下，摩擦副更易形成氧化膜，所以高温下最主要的磨损机理是氧化磨损。
第3章 研究中存在的问题
3.1 涂层等表面处理层
①难以获得准确的接触应力和摩擦温度等参数
②涂层不易制备，与基体的结合力不好，高温下可能导致涂层脱落 ③对磨球硬度小于涂层硬度，磨损量不能检测 ④磨球可能会与涂层在高温下反应
3.2 高温耐磨材料
①传统的金属耐磨材料中高锰钢必须在高的冲击载荷下使用[20]；而低合金钢韧性较差。
②非金属高温耐磨材料中的陶瓷材料韧性也存在着很大的问题；酚醛树脂和聚乙烯超高分子等的抗高温氧化性差。
③复合材料成分分布、相分布复杂多变，研究起来十分复杂困难。
3.3高温润滑材料
液体一般是以酯、醚类的有机物组成，成分复杂。
固体高温润滑剂一般是石墨、氟化石墨、二硫化钼为主，其缺点是润滑膜一旦失效就难以再生；一般地说，其摩擦因数比润滑油脂的大；摩擦界面上的热量不易被带走或逸散；容易产生碎屑、振动和噪声。
高温润滑材料在研究中不易观察和测量其在高温时的性能指标，操作困难。
第4章 趋势与发展方向
4.1 向普通金属耐磨材料强化和代用方向
高锰钢的强化——增加合金含量和添加稀有元素变质剂脱氧、细化晶粒，高锰钢的代用——采用淬火的耐磨低合金钢和高强度球墨铸铁[21]。
4.2 向复合材料和非金属耐磨材料方向
与传统的金属耐磨材料相比，陶瓷和非金属耐磨材料有着比金属材料更优异的耐磨特性[21]。传统的高温耐磨材料的设计思路均是在高强韧金属基体中加入弥散分布的硬质增强相颗粒，增强相主要承担磨损应力，基体主要起联接支撑增强相，协调变形和承受冲击应力的作用。如Stelite6合金和T800等。
目前利用高硬度的耐磨材料和韧性较好的基体相结合的复合耐磨材料在工业中广泛应用。陶瓷材料具有很高的高温耐磨性，但由于其脆性不适合高强度冲击载荷，因此其研究增韧陶瓷是一个很好的研究方向。
4.3 向表面工程抗磨技术方向
由于磨损问题常常仅仅发生在零件的表面和局部。因此，只要工艺上可行，采用表面局部强化或者复合材料的方法是最为经济和有效的。近些年来表面工程在抗磨技术方面的应用也在逐步加大中，很多学者都倾向于使用表面工程技术实现高温抗磨，比如现在热兴的表面激光处理、真空熔覆、PVD、刷镀和自修复技术的应用[21]。此外对于表面工程技术正向第二代表面工程即复合表面工程，第三代即新近出现的多层及多组元涂层方向发展。
4.4 向更高效的高温润滑剂和润滑材料方向
目前液态高温润滑剂的发展如下： 第一代PE-4L——TMP酯
第二代MRI-1——DIPE酯
第三代MRI-7
第四代MRI-2——芳香酯
第五代MRI-5——五环聚苯醚[22] ……
传统的高温固体润滑剂一般是以石墨、氟化石墨、二硫化钼为主，新型的高温固体润滑剂多以新型陶瓷材料和复合材料为主。
参考文献
[1] 刘瑞堂，刘文博，刘锦云.工程材料力学性能[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001：162-175.[2] 郑长虹.国外绝热发动机的研制与发展[J].车用发动机，1986.[3].李建亮.宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究[D].南京：南京理工大学，2009.[4] 吴大昌.绝热发动机的现状与展望[J].兵工学报，1985,4.[5] 刘爱华.PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损特性及机理研究[D].山东：山东大学，2012.[6] Bell T.Realizing the potential of duplex surface engineering.InNew Directions in Tribology[M].London: Mech Eng Pre,1997.[7] Ehrhardt H.New developments in the field of superhardcoatings[J].Surf Coat Technl, 1995, 74-75:29～35.[8] Chen M Y, Lin X, Dravid V P,et al.Synthesis andtribological properties of carbon nitride as a novel superhardcoating and solid lubricant[J].Tribo Tran, 1993, 36(3):491～495.[9] Matthews A, Leyland A.Hybrid techniques in surfaceengineering[J].Surf Coat Tech, 1995, 71:88～92.[10] 温诗铸，黄平.摩擦学原理[M].北京：清华大学出版社，2008.9.[11] 李志明，钱士强，王伟，沈红卫，龙荷荪.电刷镀Ni-P合金镀层的高温摩擦磨损性能[J].上海工程技术大学学报，2013,24（1）：79-82.[12] 张平，曾庆强，蔡志海，李奇.激光淬火渗硫复合层的抗高温摩擦磨损性能[J].装甲兵工程学院学报，2010.[13] 王耀华，高清振，张晓南，李启峰.Fe-Al/TiC激光熔覆层的高温摩擦磨损和氧化性能[J].机械工程材料，2011,5.[14] 袁建辉,祝迎春,雷强,占庆,黄晶,丁思月.等离子喷涂制备WC-Co-Cu-BaF2/CaF2自润滑耐磨涂层及其高温摩擦性能[J].中国表面工程,2012,25(2):31-36.[15] 孙晓峰，乔玉林，王侃，马世宁.纳米SiO_2在润滑油中的高温摩擦学性能[J].装甲兵工程学院学报，2008,1.[16] 姚美焕，岳园园，张一敏，夏延秋，周峰，梁永民.双咪唑离子液体的合成及其高温摩擦学性能研究[J].摩擦学学报，2011.[17] 周松青.碳化硅及其复相陶瓷高温摩擦学特性的研究[D].湖南：湖南大学，2006.[18] 张辉.硬脆刀具材料的高温摩擦磨损特性及机理研究[D].山东：山东大学，2011.[19] 刘佐民.M50高速钢高温摩擦磨损特性的研究[J].摩擦学学报，1997,1.[20] 乔玉林，梁志杰，孙晓峰，小豆岛明.热轧钢/热轧钢摩擦副干摩擦高温摩擦行为的研究[J].金属热处理，2006,31（1）：31.[21] 周平安.耐磨材料的现状与发展[J].新世纪水泥导报，2005,6:40-42.[22] 李银发.国外高温润滑剂研究进展情况[J].润滑油，1993，6.,
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