稀土化合物对粉末冶金镍基合金摩擦磨损性能的影响

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表时间:2007-06-30 人气:1

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1　前言
稀土元素因其具有特殊的电子结构和物理化学性质,在材料科学中得到了广泛的应用。近年来稀土在摩擦学材料中的应用也得到了重视,在聚合物中添加稀土化合物(ＬａＦ3,ＣｅＦ3,ＣｅＯ2,Ｌａ2Ｏ3)可明显改善其力学及摩擦磨损性能[1,2]。镍基合金具有优良的力学和高温抗氧化性能,已广泛应用于各种燃气轮机。利用氧化物[3～5]、硫化物[6,7]减摩及氧化物与硫化物协同减摩[8～10]的合金及镍基自润滑材料得到了一定的研究。Ｓｌｉｎｅｙ的研究表明ＬａＦ3和ＣｅＦ3能有效地润滑镍合金,在室温时摩擦系数为0 5,500℃以上摩擦系数在0 2左右[11]。文献[12]测试了ＣｅＦ3含量对镍合金摩擦磨损性能的影响,本文用粉末冶金热压方法制备了含不同稀土化合物(ＬａＦ3,ＣｅＯ2和Ｌａ2Ｏ3)的Ｎｉ-Ｃｒ基合金,评价了其摩擦磨损性能。

2　试验方法
2 1　合金制备
用纯度高于96%的ＮｉＣｒ合金粉末为基,其中添加一定量的Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂ粉末,再分别添加不同质量分数的ＬａＦ3及4%的ＣｅＯ2,Ｌａ2Ｏ3粉末。充分混和后先冷压成45ｍｍ×15ｍｍ的盘状,然后将这几种盘状样品一次装入石墨模具内,每两个样品之间用石墨片隔开。在ＦＶＰＨＰＲ 10型(日本产)真空热压机上一次将这组样品制备出来。真空抽至5～10Ｐａ后用氩气保护并开始升温;升温速度20℃/ｍｉｎ;热压压力16ＭＰａ;温度1280℃;保温保压时间20ｍｉｎ。
图1是添加3种不同稀土化合物的镍基合金的金相照片。可见,添加ＬａＦ3和ＣｅＯ2的镍基合金(图1ｂ和图1ｃ)的晶粒较细,孔隙分布较均匀,而添加Ｌａ2Ｏ3的镍基合金(图1ａ)晶粒粗化,孔隙聚集并球化。
用ＸＲＤ分别对这3种合金进行分析。结果表明,这几种合金的相结构基本一致,即主要由Ｎｉ基固溶体、Ｎｉ3(Ａｌ,Ｔｉ)、及少量的Ｃｒ18Ｍｏ42Ｎｉ40等相组成,没有检测到单质的Ｍｏ,Ａｌ,Ｔｉ元素和稀土化合物,说明材料在制备过程中已充分合金化,添加的少量稀土化合物在热压过程中可能分解或固溶到镍基固溶体中。
2 2　摩擦磨损试验
摩擦磨损性能试验在ＭＭ 200型环-块试验机上进行。将合金制备为块样,摩擦偶件为淬火45#钢环,硬度为56ＨＲＣ,直径为40ｍｍ。试验前环、块试样表面均用500#砂纸打磨,然后用酒精棉球清洗,在空气中晾干后备用。试验在室温、大气中和干摩擦下进行。试环转速分别为200ｒ/ｍｉｎ(滑行速度4 19ｍ/ｓ)和400ｒ/ｍｉｎ(滑行速度8 38ｍ/ｓ);载荷分别为100Ｎ及200Ｎ,滑行距离均为15084ｍ。
用感量为0 1ｍｇ的电子分析天平测定试样块磨损前后的质量损失。用光学显微镜及扫描电镜观察试块磨损表面形貌。

3　试验结果与讨论
3 1　ＬａＦ3含量对合金摩擦磨损性能的影响
　　图2示出了ＬａＦ3含量对合金样品的摩擦系数(μ)和磨损质量的影响曲线。从图2ａ可以看出,随滑行速度及载荷的增加,几种不同ＬａＦ3含量合金的摩擦系数下降。低载低速下(100Ｎ,4 19ｍ/ｓ)合金的摩擦系数最高,载荷及速度分别增加一倍,几种ＬａＦ3含量合金的摩擦系数分别下降近50%。几种试验条件下,ＬａＦ3含量为4%的合金的摩擦系数最低。从图2ｂ可以看出,未添加ＬａＦ3镍基合金的磨损量随试验速度及载荷的增加而上升。低载低速下(100Ｎ,4 19ｍ/ｓ),合金的磨损量随ＬａＦ3含量的增加而略有上升。在高速及高载下ＬａＦ3含量最高的样品磨损量最小。
综合这3种条件下的摩擦磨损试验结果,ＬａＦ3含量为4%的合金综合性能最好。
3 2　不同稀土化合物对合金摩擦磨损性能的影响
图3示出了分别添加质量分数为4%的Ｌａ2Ｏ3或ＬａＦ3及ＣｅＯ2的镍基合金在3种试验条件下的摩擦系数(图3ａ)及磨损量(图3ｂ)。从图3ａ中可以看出,这几种不同稀土化合物对镍基合金的摩擦系数影响差别不大,但这3种合金的摩擦系数都随速度及载荷的增加而下降。从图3ｂ中可以看出,3种试验条件下添加ＣｅＯ2镍基合金的磨损量都最低。3种合金在低载高速下的磨损量都比低载低速及高载高速下的低。