1　前言

近年来,镍基高温自润滑耐磨合金的研究十分引人注目,但是对其机械与摩擦磨损等综合性能的研究还有待进一步深入和提高[1,2]。在镍基高温合金中加入硫,是实现较宽温度范围内自润滑的一条新途径。含硫镍基高温合金从室温到600℃范围中有较好的摩擦磨损物理-力学性能,有可能成为制造先进内燃机引擎的摩擦(减摩)部件选材[3]。目前,在这个领域中的研究方向主要是深入而系统地考察活性元素硫等的作用机理。在本论文中,作者较为系统地研究了当活性元素硫以ＭｏＳ2形式添加到镍基合金中时所制得材料的摩擦学特性。

2　试验部分

2 1　试样的制备实验中选用Ｎｉ 20Ｃｒ合金粉和ＭｏＳ2粉,按ＭｏＳ2的添加量为质量分数10%、20%、30%分别配制成Ａ,Ｂ,Ｃ号三种试样,经过混料、钢模冷压、再装入石墨模热压。热压过程采用Ｎ2气保护,热压压力6～15ＭＰａ,热压温度1100～1250℃,保温时间10～15ｍｉｎ。通过机械加工等手段,将各种材料制成了Φ6ｍｍ×15ｍｍ的试样供摩擦磨损试验机用。

2.2　试样的检测在布氏硬度计(意大利Ａ 200)上测量硬度。在ＭＧ 2000型高速高温摩擦磨损试验机上测定试样的摩擦学性能.利用日本产3014型Ｘ光衍射仪,对各种热压后的材料组织进行相分析,利用ＫＹＫＹＡＭＲＡＹ1000Ｂ扫描电镜进行摩擦面的微观分析。测试条件为:速度1.0～2.5ｍ/ｓ,负荷58.8～117.6Ｎ,环境温度ＲＴ、300℃、400℃、500℃、600℃五种,在大气中测量。在本论文中,未附加说明测试条件时,是指负荷10ｋｇ、速度1.5ｍ/ｓ、对偶盘材料为淬火Ｗ18Ｃｒ4Ｖ,在选定条件下,摩擦系数、磨损率均是在磨合10～15ｍｉｎ后时所测定的值。图表中的每个数据均为3次实验后的平均值。

3　试验结果与分析

3 1　物相分析与硬度从Ａ、Ｂ,Ｃ号材料ＸＲＤ物相分析发现所制备材料中已经基本上没有ＭｏＳ2(或者含量极少无法探测到),这是因为在热压过程中,尽管有Ｎ2气氛保护,由于温度高达1100℃以上,ＭｏＳ2发生了分解,分解出来的硫与铬结合生成了铬的硫化物。通过查阅ＰＤＦ卡片及参阅文献[4,5,6,],发现这种硫的化合物实际上不是一种单一物相,它是由Ｃｒ2Ｓ3、Ｃｒ3Ｓ4、Ｃｒ5Ｓ6,及Ｃｒ7Ｓ8构成的ＣｒｘＳｙ(ｘ/ｙ=2/31～1)型共晶体化合物,这种共晶体化合物在摩擦面温度作用下,可以变软或熔化,在摩擦过程中形成减摩膜,成为润滑剂。同时,ＭｏＳ2分解出来的活性元素Ｍｏ,一方面固溶在Ｎｉ-Ｃｒ合金基体中,另一方面会与石墨模具上的碳发生反应生成Ｍｏ2Ｃ等碳化物。当原料中ＭｏＳ2质量分数增至20%时,即元素Ｍｏ的含量达到了12%,由于Ｍｏ不能在材料中完全固溶或碳化,出现了新的金属Ｍｏ相。继续增加ＭｏＳ2质量分数到30%时,由此又产生了新相Ｃｒ18Ｍｏ42Ｎｉ40金属间化合物。Ａ、Ｂ、Ｃ号材料的硬度分别为280、291、260(ＨＢ30Ｄ2),Ｃ号材料的硬度要低于Ａ、Ｂ号材料,造成这种硬度的变化原因和原材料中的ＭｏＳ2分解有关,硬度主要受Ｍｏ元素强化作用和Ｓ元素的弱化作用影响。材料中所生成的ＣｒＸＳＹ等硫化物相,在高温合金中实际上是一个对强度、硬度、塑性不利的相。它往往分布在合金的晶界位置,引起材料的物理-力学性能下降。尽管ＭｏＳ2的加入带来了硫元素对物理-力学性能的损害,同时也会带来Ｍｏ元素的固溶强化作用以及生成硬质碳化物相的弥散强化作用,一定程度上可以抵消硫元素的消极影响。因此,可以看到添加20%ＭｏＳ2的Ｂ号材料与添加10%ＭｏＳ2的Ａ号硬度基本一样。不过,当添加ＭｏＳ2过量时,材料中硫含量增加,使得硫元素不利影响大于Ｍｏ元素的强化作用,使Ｃ号材料硬度指标下降。可见,必须适当控制ＭｏＳ2添加量,才能保证材料的硬度指标。

3 2　原料粉中添加ＭｏＳ2对材料摩擦磨损性能影响表1分别是Ａ、Ｂ、Ｃ号三种材料在室温(ＲＴ),300℃和600℃时的摩擦系数及磨损率情况。表1　Ａ、Ｂ、Ｃ号三种材料摩擦系数/磨损率 材料ＡＢＣＲＴ0.318/1.590.237/1.970.220/11.2300℃0.288/3.910.192/2.290.227/41.5600℃0.258/12.70.153/7.860.206/52.4　 单位:×10-14ｍ3/Ｎ·ｍ比较分析发现,Ａ号材料因为原料中添加的ＭｏＳ2最少,故其润滑组元(ＣｒｘＳｙ)也必将最少,导致其摩擦系数最大,Ｃ号材料因为原料中添加过多ＭｏＳ2,使得最终材料机械物理性能下降,导致其磨损率格外大。Ｂ号材料的摩擦磨损性能在三种材料中最好,这表明在原料添加20%ＭｏＳ2较为合适。