NiCrW基自润滑复合材料的制备及摩擦学性能研究

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冶金设备中的零部件长期在高温、重载和振动等恶劣的工况下服役,磨损是其主要的失效形式,这要求材料不但具备一定的力学性能,而且在宽温域内具有较好的摩擦学性能。本文采用化学镀法制备出镀镍石墨,固相反应法合成出WS2纳米片,以镀镍石墨和WS2纳米片为润滑剂,NiCrW合金粉为基体材料,通过粉末冶金工艺制备出力学性能较高且在宽温域内具备较好自润滑性能的镍合金基自润滑复合材料。通过HT1000高温摩擦磨损试验机测试材料的摩擦学性能,利用扫描电子显微镜、能量色散光谱仪和X射线衍射仪等设备分析润滑剂和磨痕表面的微观形貌和成分,并研究了复合材料在宽温域内的自润滑机理。详细内容如下:1、采用化学镀法制备出镀层厚度均匀且致密的镀镍石墨,分别以纯石墨和镀镍石墨为润滑剂,NiCrW合金粉为基体,采用粉末冶金工艺制备出NiCrW/石墨复合材料。镀镍石墨因在基体中较好的分散性和与基体的结合性,使复合材料的组织结构、力学性能和摩擦学性能均优于添加纯石墨的复合材料。随着石墨含量增加、温度升高,NiCrW/石墨复合材料的摩擦系数和磨损率先降低后升高,当镀镍石墨含量为3wt.%时,NiCrW/石墨复合材料的摩擦学性能较好,室温到500℃的摩擦系数为0.27-0.42,300℃时的摩擦系数为0.27,磨损率为2.7×10-55 mm3·N-1m-1,摩擦学性能最佳。NiCrW/石墨复合材料在室温到500℃具备一定自润滑性能是因为石墨和NiCr2O4在表面形成的润滑层具有减摩性能,同时材料中的碳化物Fe3C和Cr3C2增强了耐磨性能。2、采用固相反应法制备出纯度较高的六方层状WS2纳米片,以WS2纳米片为润滑剂、NiCrW合金粉为基体,同时加入Cu粉,经粉末冶金工艺制得NiCrW/WS2复合材料。随WS2含量增加,复合材料的密度和硬度先上升后降低,摩擦系数逐渐降低而磨损率先降低后升高。当WS2含量为10wt.%时,材料的密度和硬度较高且摩擦学性能最佳,随着温度升高,材料的摩擦系数逐渐下降,磨损率有所上升,含10wt.%WS2的复合材料在室温到500℃的摩擦系数在0.23-0.37,具有较好的自润滑性能。室温下,WS2起润滑作用,同时WS2与Cr反应生成的CrS具有高温润滑作用,从而在宽温域内的自润滑性能较好,高温下磨损率升高则是由于金属硫化物的“自损耗”现象。3、同时以镀镍石墨和WS2纳米片为润滑剂,NiCrW合金粉为基体,并加入Cu粉,采用粉末冶金工艺制备出NiCrW/石墨/WS2复合材料,烧结过程中,WS2分别与石墨和Cr元素生成WC硬质相和CrS、Cr2S3润滑相,同时含有3wt.%石墨和10wt.%WS2的复合材料具有较高的密度和硬度。随着润滑剂含量增加、温度升高,复合材料的摩擦系数逐渐下降,磨损率先降低后升高,同时含有3wt.%石墨和10wt.%WS2的复合材料在室温到500℃之间的磨损率较小,在(2.7-3.1)×10-55 mm3·N-1m-1之间,摩擦系数为0.13-0.35,石墨和WS2的协同润滑作用使材料在宽温域内具有较好的自润滑性能。石墨在室温下起主要润滑作用,温度升高时,基体表面生成的金属氧化物开始表现出润滑性能,500℃时,CrS、Cr2S3起主要的润滑作用,同时磨损率因CrS和Cr2S3的“自损耗”现象有所回升。
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