1　前言
随着现代工业等领域的飞速发展,对于在高温下工作的减摩材料提出了更高的要求,从而使得材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问题日益受到重视[1,2],促进了相应的高温自润滑材料的研制与发展。采用粉末冶金方法制造金属基固体自润滑材料由于在制备工艺,结构组成等方面具有许多独特的优越性,可以制造出几乎无偏析、组织均匀和热加工性能良好的材料,特别是在改善耐磨性方面大大优于传统铸造材料[3],此类材料在高温(包括因滑动摩擦产生的摩擦热)特殊工况下,有着广阔的应用前景。本文从不同角度系统论述了粉末冶金高温金属基自润滑材料开发与进展情况,以期为设计、制备和发展具有力学性能和摩擦磨损性能优化组合的高温自润滑材料提供参考。

2　高温固体润滑剂特性
对于能在较高温度或高温下工作的减摩材料,必须能够保证高的热强性、抗氧化性和良好的减摩性能,能满足这些要求的只有多元复合材料[4]。粉末冶金高温金属基自润滑材料中的固体润滑剂是以一种结构组元加入到复合材料之中的,固体润滑剂的加入可以改善材料的减摩性能,同时又影响到材料的物理和力学性能。根据润滑剂的性质,它们可以以粉末的形式添加到原始混料中,或者烧结后添加到材料的孔隙中,根据加入的方法不同,润滑剂可以在材料制备过程中,在烧结时与材料基体相互作用,部分或完全转化成新态。如果润滑剂添加到已经烧结过的材料孔隙中,则不起变化。
固体润滑剂现有约1000多种[3],其润滑机理不尽相同,大致可分为三大类:(一)无机固体润滑剂(1)软金属类,如Ｐｂ,Ａｇ等;(2)金属化合物类,如金属氧化物ＰｂＯ,Ｂｉ2Ｏ3等,金属氟化物ＣａＦ2,ＢａＦ2等,金属硫化物ＭｏＳ2,ＷＳ2等,金属氮化物ＢＮ等,金属硒化物ＭｏＳｅ2,ＷＳｅ2等;(3)金属盐类,如无机含氧酸盐,Ｚｎ3(ＰＯ4)2等;(4)其他,如石墨。(二)有机固体润滑剂,如ＰＴＦＥ等;(三)复合固体润滑剂,如Ｍｏ-ＭｏＳ2、Ａｇ-ＰＴＦＥ-ＷＳｅ2等。
但是,其中能够在混入预混合粉中,压制成形后,经受得住高的烧结温度而不丧失润滑者不多。
石墨、ＭｏＳ2是目前广泛使用的固体润滑材料,其摩擦系数与温度的关系[3]如图1所示,石墨在大气下540℃可短期使用,在426℃可长期使用,而ＭｏＳ2在大气压下399℃可短期使用,在349℃可长期使用,在高温真空条件下,ＭｏＳ2表现出优异的润滑性能。石墨在干燥气氛中或在真空中会逐渐丧失润滑能力,而在成份中加入ＭｏＳ2可以使材料在400℃以上的真空或干燥气体中工作[5]。
图1　石墨与ＭｏＳ2的摩擦系数———温度的关系
　　 复合材料中加入硫或硫化物时,材料的性能将取决于其与基体相互作用的性质和程度。在烧结加热时,将会伴随着硫化物的全部或部分分解,结果是硫和基体的金属骨架相互作用,因此防止硫化物性能变化将会大大改善材料的最终性能。Ｗａｎｇ等用热压烧结方法,制备出ＭｏＳ2含量达80%的Ｎｉ/ＭｏＳ2自润滑复合材料,并考察了高温摩擦学特性[6]。研究发现[7,8],一些硫化物可以提高ＭｏＳ2在金属底材上的成膜能力和抑制ＭｏＳ2的氧化过程。金属硒化物和碲化物的性能与硫化物相似,在真空和空气中摩擦系数与温度的关系[4\〗如图2所示。在真空中摩擦系数比在气体介质中低,它们的热稳定性,根据成份不同可达400℃1350℃。氮化硼(ＢＮ)具有分层结构的六方晶系,与石墨及ＭｏＳ2类似,但其与石墨及ＭｏＳ2相比,具有极好的热稳定性,在900℃左右性能仍然稳定,表现出良好的润滑性能。

图2　摩擦系数与在空气(ａ)和真空中(ｂ)工作时温度的关系

　　 金属氟化物作为高温固体润滑剂,引起人们的兴趣。氟化物具有高的化学和热稳定性,在加到复合材料中仍保持着自己的原始性能。研究表明[9],ＣａＦ2和ＢａＦ2在500℃开始具有润滑特性,在高温下它们具有相当高的抗氧化能力,可以使用至900℃仍不发生氧化失效。含氟化物(ＣａＦ2或ＢａＦ2)的材料,可以保证在无润滑、高载、高温(>500℃)下工作。