1前言
稀土元素因其具有特殊的電子結構和物理化學性質,在材料科學中得到了廣泛的應用。近年來稀土在摩擦學材料中的應用也得到了重視,在聚合物中添加稀土化合物(LaF3,CeF3,CeO2,La2O3)可明顯改善其力學及摩擦磨損性能[1,2]。鎳基合金具有優良的力學和高溫抗氧化性能,已廣泛應用于各種燃氣輪機。利用氧化物[3～5]、硫化物[6,7]減摩及氧化物與硫化物協同減摩[8～10]的合金及鎳基自潤滑材料得到了一定的研究。Sliney的研究表明LaF3和CeF3能有效地潤滑鎳合金,在室溫時摩擦系數為0 5,500℃以上摩擦系數在0 2左右[11]。文獻[12]測試了CeF3含量對鎳合金摩擦磨損性能的影響,本文用粉末冶金熱壓方法制備了含不同稀土化合物(LaF3,CeO2和La2O3)的Ni-Cr基合金,評價了其摩擦磨損性能。
2試驗方法2 1合金制備
用純度高于96%的NiCr合金粉末為基,其中添加一定量的Mo、Al、Ti、B粉末,再分別添加不同質量分數的LaF3及4%的CeO2,La2O3粉末。充分混和后先冷壓成?45mm×15mm的盤狀,然后將這幾種盤狀樣品一次裝入石墨模具內,每兩個樣品之間用石墨片隔開。在FVPHPR10型(日本產)真空熱壓機上一次將這組樣品制備出來。真空抽至5～10Pa后用氬氣保護并開始升溫;升溫速度20℃/min;熱壓壓力16MPa;溫度1280℃;保溫保壓時間20min。
添加3種不同稀土化合物的鎳基合金的金相照片。可見,添加LaF3和CeO2的鎳基合金的晶粒較細,孔隙分布較均勻,而添加La2O3的鎳基合金晶粒粗化,孔隙聚集并球化。
用XRD分別對這3種合金進行分析。結果表明,這幾種合金的相結構基本一致,即主要由Ni基固溶體、Ni3(Al,Ti)、及少量的Cr18Mo42Ni40等相組成,沒有檢測到單質的Mo,Al,Ti元素和稀土化合物,說明材料在制備過程中已充分合金化,添加的少量稀土化合物在熱壓過程中可能分解或固溶到鎳基固溶體中。2 2摩擦磨損試驗
摩擦磨損性能試驗在MM200型環-塊試驗機上進行。將合金制備為塊樣,摩擦偶件為淬火45#鋼環,硬度為56HRC,直徑為?40mm。試驗前環、塊試樣表面均用500#砂紙打磨,然后用酒精棉球清洗,在空氣中晾干后備用。試驗在室溫、大氣中和干摩擦下進行。試環轉速分別為200r/min(滑行速度4 19m/s)和400r/min(滑行速度8 38m/s);載荷分別為100N及200N,滑行距離均為15084m。
用感量為0 1mg的電子分析天平測定試樣塊磨損前后的質量損失。用光學顯微鏡及掃描電鏡觀察試塊磨損表面形貌。濟南思達測試技術有限公司 專業摩擦磨損試驗機生產廠家！www.jnstart.com
3試驗結果與討論3 1LaF3含量對合金摩擦磨損性能的影響
示出了LaF3含量對合金樣品的摩擦系數(μ)和磨損質量的影響曲線 可以看出,隨滑行速度及載荷的增加,幾種不同LaF3含量合金的摩擦系數下降。低載低速下(100N,4 19m/s)合金的摩擦系數最高,載荷及速度分別增加一倍,幾種LaF3含量合金的摩擦系數分別下降近50%。幾種試驗條件下,LaF3含量為4%的合金的摩擦系數最低。可以看出,未添加LaF3鎳基合金的磨損量隨試驗速度及載荷的增加而上升。低載低速下(100N,4 19m/s),合金的磨損量隨LaF3含量的增加而略有上升。在高速及高載下LaF3含量最高的樣品磨損量最小。
綜合這3種條件下的摩擦磨損試驗結果,LaF3含量為4%的合金綜合性能最好。3 2不同稀土化合物對合金摩擦磨損性能的影響
示出了分別添加質量分數為4%的La2O3或LaF3及CeO2的鎳基合金在3種試驗條件下的摩擦系數及磨損量。從a中可以看出,這幾種不同稀土化合物對鎳基合金的摩擦系數影響差別不大,但這3種合金的摩擦系數都隨速度及載荷的增加而下降。中可以看出,3種試驗條件下添加CeO2鎳基合金的磨損量都最低。3種合金在低載高速下的磨損量都比低載低速及高載高速下的低。3 3磨痕形貌及分析
示出了合金磨損表面形貌的SEM照片。從中可以看出,低載低速下(100N,4 19m/s),添加LaF3合金磨損表面較粗糙,表面有磨屑脫落留下的凹坑及一些松散的、將要脫落的片狀磨屑。說明摩擦表面有氧化,磨損主要表現為粘著、犁溝及氧化磨損。隨著滑行速度的增加,摩擦表面變得較光滑,表面粘著脫落坑減少。示在高載高速下(200N,8 38m/s),由于摩擦熱影響的結果,摩擦表面熱軟化甚至融化,合金的摩擦表面變得更加光滑,但仍有劃痕。從摩擦表面上已見不到松散的氧化物,氧化物被擠壓研磨成膜,與軟化及熔融金屬基體粘結,形成摩擦保護性“釉質層”[13],減少摩擦過程中金屬與金屬之間的粘著。
從中看到合金的摩擦系數隨載荷及速度的增加下降很快,說明了“釉質層”的減摩作用。由于釉質氧化層具有高的硬度,一般比基體具有更好的耐磨作用[5,9]。從圖3b中可以看到幾種添加稀土化合物的合金在高載高速下的磨損量一般比低載低速下的少,其單位載荷、單位滑行距離下的磨損量不到低載低速下的一半(或略多一點),進一步證實“釉質層”的抗磨作用。
添加CeO2合金的表面磨痕與添加LaF3合金的相似,只是其摩擦表面比添加LaF3合金的略光滑一些。都有沿滑動方向條狀凸起的氧化物平臺,它是氧化“釉質層”摩擦過程中增長的結果。高溫(或高載高速)摩擦時“釉質層”的形成與磨損脫落是一個先處于相互競爭,后又處于動態平衡的過程,故可以長期起到摩擦自保護作用。
4結論
(1)采用粉末冶金熱壓方法制備的含幾種不同稀土化合物的鎳基合金中,稀土化合物的加入可明顯改善合金在高載高速下的耐磨性能,尤其以添加CeO2合金的磨損量最少。
(2)添加稀土化合物合金在高載高速下的摩擦系數及磨損量都明顯低于低載低速下的,這與其摩擦表面形成的減摩耐磨“釉質層”有關。濟南思達測試技術有限公司 專業摩擦磨損試驗機生產廠家www.jnstart.com