金屬基固體自潤滑復合材料研究現狀及展望

胡艷艷　劉耀　張建波　胡美俊　陳婷婷

摘要：

隨著當今世界工業化進程的推進，金屬基固體自潤滑復合材料因其獨特的潤滑性能受到廣泛的關注，成為潤滑領域一個重要的研究方向.介紹了金屬基固體自潤滑材料的主要制備方法和特點以及固體潤滑劑的主要種類、制備方法和特性，總結了近年來國內外對銅基、鋁基、鎳基、銀基和鐵基等金屬基固體自潤滑復合材料的研究進展，并對金屬基固體自潤滑復合材料未來的發展進行了展望.

關鍵詞：

金屬基； 自潤滑材料； 固體潤滑劑； 研究進展

中圖分類號： TB 331文獻標志碼： A

Abstract：

With the development of world industrialization process，the metalmatrix solid selflubricating composites as an important research direction in the field of lubrication have caused great attention due to their unique lubricity.This paper introduces the main preparation methods and the characteristics of the solid lubricant，the main types，preparation methods and characteristics of the metalmatrix solid selflubricating composites.The research progress of copperbased，aluminumbased，nickelbased，silverbased and ironbased solid selflubricating composites were summarized in recent years.Finally，the future development of metal matrix solid selflubricating composites were discussed.

Keywords：

metal matrix； selflubricating composites； solid lubricant； research progress

在軍事、航空和汽車等工程領域中，齒輪等機械零件之間相互運動產生的摩擦磨損現象，導致了大量機械的故障和失效，給工業生產造成了重大損失[1-3].據統計，在工業生產的各個工程領域中，因摩擦磨損而導致的機械失效，占零件失效總量的60%～80%；因摩擦磨損導致的能量損失，達到能量消耗總量的30%～50%[4].為了滿足各種復雜工況條件下的工業生產，減少機械零件間的摩擦磨損行為，改善潤滑條件成為了重中之重.在各工程領域中，液體潤滑劑是應用最廣泛的改善機械零件間潤滑性的方式[5].然而，在某些真空、高溫和重載等苛刻工況條件下，傳統的液體潤滑劑已經無法滿足機械零件的潤滑需要.為了解決此類潤滑問題，金屬基固體自潤滑材料逐漸受到研究者們的青睞.

金屬基固體自潤滑材料是指采用熔煉、鑄造等方法，將固體潤滑劑加入到金屬基體中形成復合材料.該類材料既保留了基體金屬的性質，也賦予了固體潤滑劑的優良性能.在摩擦磨損過程中，表面發生物理和化學反應形成潤滑膜，具有優良的潤滑性能[6].

本文從不同角度詳細論述了金屬基固體自潤滑復合材料的研究開發與進展，以期為設計開發其力學性能與摩擦磨損性能良好匹配的金屬基固體自潤滑復合材料提供參考和借鑒.

1材料的主要制備方法

目前，制備金屬基固體自潤滑復合材料的方法主要包括粉末冶金法、鑄造法、半固態成形法、浸滲法和表面技術制備法等.主要制備方法及其特點如表1[7-8]所示，其中，粉末冶金法是當前制備金屬基固體自潤滑復合材料最流行的制備方法.該方法可以靈活地調整成分設計和組織設計，在改善耐磨性方面遠遠優于傳統的鑄造材料[9].半固態成形是未來開發制備固體自潤滑材料的發展方向，相對傳統的粉末冶金法和鑄造法，采用半固態成形制備的復合材料能夠獲得傳統制備方法難以企及的綜合性能，具有巨大的研究潛力.但是，目前半固態成形方法在成形過程中對漿料形核、長大機制以及制備過程中溫度場的控制等仍需進一步的研究[10].浸滲法制備的材料與預制件的質量息息相關，預制件的質量受黏結劑、造孔劑和燒結工藝等因素影響較大，需要大量的探索，工藝較為繁雜.

2固體潤滑劑及特性

固體潤滑劑的選擇對金屬基固體自潤滑復合材料的性能影響至關重要，固體潤滑劑的性能與制備和金屬基固體潤滑復合材料的性能息息相關.部分固體潤滑劑的性能如表2[11]所示.

目前，在金屬基固體自潤滑復合材料中廣泛使用的固體潤滑劑主要分為以下4類：

（1） 軟金屬潤滑劑，如Ag、Pb、Cr等.通常對于這類潤滑劑采用表面技術等方法在摩擦材料表面形成潤滑膜，以提高材料的摩擦磨損性能[12].該類潤滑劑經濟性較差，且對材料潤滑性能提高有限.

（2） 陶瓷固體潤滑劑，如Al2O3、TiC等.該類材料具有較大的硬度、剛度和較好的化學穩定性，適用于制備高強度的金屬基自潤滑復合材料[13].

（3） 石墨潤滑劑.石墨潤滑劑具有優異的潤滑性能，在各類潤滑領域受到廣泛的關注和大量深入的研究.由于石墨與各類金屬基體之間的潤濕性較差，制備石墨/金屬基自潤滑材料通常需要將石墨進行金屬化改性，以改善兩者之間的潤濕性，提高材料的摩擦磨損性能[14-15].

（4） 金屬陶瓷固體潤滑劑，如Ti3AlC2、Ti3SiC2等.金屬陶瓷材料兼具金屬和非金屬陶瓷的特性，既能與各類金屬基體保持良好的潤濕性，又具有類似石墨的優異的潤滑性能，是近年來研究的熱點[16-18].

固體潤滑劑的添加量對復合材料的性能主要有兩方面的影響：一方面是影響復合材料的硬度、彎曲強度和壓潰強度等力學性能；另一方面是影響復合材料的摩擦因數、磨損量等摩擦磨損性能.以石墨為例，如圖1[19]所示.圖1為石墨含量對銅基復合材料硬度的影響，可以看出，隨著石墨含量的增加，材料的硬度逐漸下降.這是因為在制備過程中，石墨顆粒會發生團聚等現象，導致材料的孔隙率增加，致密度下降，從而引起材料的硬度下降.

圖2[19]為不同載荷下石墨含量對合金摩擦因數的影響.在低載荷下，材料的摩擦因數隨著石墨含量的升高而降低；隨著載荷升高，材料的摩擦因數隨著石墨含量的增加先升高后降低.這是因為隨著石墨含量的增加，材料的致密度下降，孔隙率升高.在高載荷工況下服役時，孔隙率高的材料摩擦表面形成的潤滑膜致密度較差，材料潤滑性欠佳，從而導致材料的摩擦磨損性能下降.

3常見金屬基固體自潤滑復合材料

基體金屬的力學性能、導電性能和高溫性能不但對金屬基固體自潤滑復合材料的綜合性能影響顯著，同樣也對復合材料的摩擦磨損性能影響巨大.目前，研究和應用廣泛的固體自潤滑復合材料金屬基體有銅基、鋁基、鎳基、銀基和鐵基等.

3.1銅基固體自潤滑復合材料

銅基固體自潤滑復合材料既能保持銅基體優良的導電、導熱能力和良好的耐腐蝕性等綜合性能，又能容納固體潤滑劑特有的潤滑性能，廣泛應用于電接觸材料、受電弓板材料等[20].

甄文柱等[21]以MoS2和Cu復合粉體為原料，采用等離子噴涂技術制備MoS270Cu復合涂層，并對材料進行真空摩擦磨損試驗.研究表明，材料在真空環境下的磨損機制主要以脆性斷裂和疲勞磨損為主.隨著滑動速率和載荷的增加，涂層會發生軟化現象，更容易形成致密的自潤滑層，從而降低摩擦因數.陳歲元等[22]以霧化銅粉為基體，以Al2O3、石墨和MoS2等為強化相，采用粉末冶金方法制備銅基自潤滑復合材料.研究表明，強化相提高了基體的強度硬度，同時在摩擦磨損的過程中，形成了致密的自潤滑膜，實現了自潤滑與力學性能的良好匹配.尹延國等[19，23-24]采用粉末冶金方法制備了銅基石墨固體自潤滑復合材料.結果表明，溫度對復合材料的耐磨性影響較大，采用合適的工藝可以提高復合材料的服役溫度.NGAI等[25]以鍍銅Ti3SiC2粉末和銅粉為原料，采用熱壓燒結—軋制方法制備自潤滑復合材料，通過調整工藝獲得了高強度、高密度并具有較低的摩擦因數和電阻率的復合材料.

3.2鋁基固體自潤滑復合材料

鋁基固體自潤滑復合材料具有優良的摩擦磨損性能，同時兼具質量輕、價格低和耐蝕性好等優點，是近年來研究的熱點之一.研究表明，在相同條件下，鋁基比青銅基固體自潤滑復合材料具有更高的壽命和許用pv值，因此非常適合作為金屬基固體自潤滑復合材料室溫至中高溫度段中的基體材質[26-27]，廣泛應用于汽車活塞、軸瓦等[28].

丁志鵬等[29]采用無壓浸滲法制備碳納米管/鋁基復合材料，通過顯微組織觀察發現碳納米管分布均勻，復合材料組織性能良好，在低碳納米管材料中，隨著碳納米管含量的增加，其摩擦磨損性能顯著升高.陳庚等[30]采用機械超聲混合攪拌的方法制備Mg2B2O5/6061Al復合材料，發現在摩擦磨損過程中，復合材料的摩擦因數波動幅度小，在一定的摩擦速率和載荷下，能夠起到穩定的減摩作用.GUPTA等[31]采用冷壓燒結的方法制備了不同成分的Ti3SiC2/Al復合材料.研究表明，在Ti3SiC2含量較低時，Ti3SiC2對材料起彌散強化作用，材料的力學性能顯著提高；同時，Ti3SiC2對材料摩擦磨損性能具有顯著增益效果.XU等[32]研究了摩擦速率對Ti3SiC2/TiAl復合材料自潤滑性能的影響.研究發現，材料的自潤滑性能與材料表面的氧化層致密度有關，氧化層所占摩擦表面的百分比越大，材料的自潤滑性能越好.

3.3鎳基固體自潤滑復合材料

鎳基固體自潤滑復合材料既繼承了鎳本身的高熔點，又保留了固體潤滑劑良好的潤滑性能，成為高溫機械、化工和航空航天等高溫腐蝕領域中廣泛應用的材料[33].

ZHANG等[34]采用反應燒結的方法制備了Ni3AlhBNAg復合涂層.該涂層具有力學性能和摩擦磨損性能的良好匹配，其服役溫度高于800 ℃，同時，該涂層還能避免金屬間化合物所產生的脆性.HU等[35]采用原位燃燒合成的方法制備了（TiCTiB2）Ni/TiAl/Ti梯度復合材料.研究表明，在摩擦磨損的過程中，摩擦面上形成了耐高溫的致密氧化層，隨著摩擦溫度的升高，材料仍能保持一個較低的摩擦因數和磨損失重.桑可正等[36]采用粉末冶金法制備了Si/SiCNi復合材料，并對其進行銷盤摩擦試驗.研究表明，在低溫下，材料的自潤滑性能變化不大；當溫度高于300 ℃時，材料的摩擦磨損性能顯著改善.趙海軍等[37]采用復合電鑄技術制備了石墨/鎳基復合材料，發現材料的摩擦磨損性能隨著石墨含量的增加而升高.當石墨含量達到臨界值時，摩擦磨損性能趨于穩定；隨著石墨含量繼續增加，材料磨損失重顯著升高.

3.4銀基固體自潤滑復合材料

銀基體本身具有良好的導電、導熱和摩擦磨損性能.通過引入固體潤滑劑能夠在極小降低導電性能的前提下，進一步提高材料的摩擦磨損性能，實現導電性能和自潤滑性能的優良匹配.但是，經濟性較差是制約其廣泛使用的主要原因之一.銀基固體自潤滑復合材料廣泛應用于航天器發動機渦輪泵軸承、超導裝置等[38].

CHEN等[39]采用粉末冶金法制備了銀基石墨和MoS2自潤滑復合材料，并進行了大氣和真空中摩擦磨損的研究.結果表明，隨著固體潤滑劑含量的增加，材料摩擦性能有所提高，在真空中摩擦因數和磨損失重增加量高于大氣中的增加量，但仍具有較好的自潤滑性能.張敏等[40]采用粉末冶金法制備了碳納米管銀石墨復合材料，研究了電流對材料自潤滑性能的影響.發現材料在帶電磨損過程中的失重大于干摩擦失重，這是由于電流對摩擦表面氧化層的破壞導致的.馬超等[41]以短碳纖維、特種短碳纖維和MoS2為原料，制備了短碳纖維增強銀基固體自潤滑復合材料.研究表明，采用特種短碳纖維制備的復合材料不但能夠獲得良好的自潤滑性能，還具有較高的力學性能.

3.5鐵基固體自潤滑復合材料

鐵基固體自潤滑復合材料具有經濟性較好，強度、硬度高，并有一定的高溫性能等特點，廣泛應用于軸承、齒輪等工程零件.

采用粉末冶金法制備鎳包覆石墨鐵基固體自潤滑復合材料.研究表明，包覆層可顯著提高材料的力學性能和潤滑性能，材料的服役溫度可高達500 ℃[42-43].匡加才等[44]采用原位合成法制備了（TiB2+Fe2B）/鐵基復合材料，經熱處理后，固體潤滑劑顆粒均勻化，材料的切削磨損能力顯著提高.成小樂等[45]采用粉末冶金真空燒結法制備WC/45鋼復合材料.研究表明，采用溫壓燒結的材料能夠避免材料內部的孔隙，提高材料的致密度，從而提高材料的力學性能和摩擦磨損性能.

4結論

由金屬基固體自潤滑復合材料的性能特點和工業工程上的應用可以看出，隨著工業化進程的推進，金屬基固體自潤滑復合材料在各個工程領域具有廣泛的應用前景，是未來潤滑技術發展的主要方向之一.但是，當今金屬基固體自潤滑復合材料的發展仍存在一些不足之處亟需解決.

（1） 固體潤滑劑與基體的結合問題.當前大多數的固體潤滑劑與基體金屬之間的相容性較差，用常規方法制備金屬基固體自潤滑復合材料，易導致固體潤滑劑與基體結合界面缺陷大、結合力差，這將導致材料在摩擦磨損過程中摩擦面上難以形成完整的潤滑膜.要獲得界面結合良好的金屬基固體自潤滑復合材料，往往需要采用固體潤滑劑金屬化等工藝來改善，這勢必提高工業化、規模化生產的成本，阻礙金屬基固體自潤滑復合材料的應用與推廣.

（2） 固體潤滑劑在基體內易發生偏聚.高含量的固體潤滑劑在制備過程中易發生偏聚，從而引發材料內部孔隙率升高、密度減小、力學性能下降，最終引發磨損量上升，嚴重影響材料的使用壽命.因此，需要研究開發新工藝、新材料以降低復合材料內部偏聚等缺陷.

（3） 探索新型固體潤滑劑.相對于傳統的潤滑油，固體自潤滑復合材料的潤滑性能仍無法達到潤滑油潤滑的效果.因此需要進一步深入研究金屬基固體自潤滑復合材料的摩擦磨損機制，構建摩擦磨損模型，完善摩擦磨損理論，開發新型的固體潤滑劑，以期實現甚至超越液體潤滑劑的潤滑效果.

（4） 苛刻的工況環境對材料提出更高的要求.隨著工業化、現代化進程的推進，在軍事、航空航天和交通等領域對材料的要求更為嚴格.要求材料在高溫、高磁、高速和強電流等工況下具有更高的使用壽命、承載能力、耐腐蝕性、高溫強度和熱穩定性等.

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（編輯：丁紅藝）