WC-10Co-MoS_%282%29%40Ni自润滑硬质合金与钛合金的摩擦学性能研究.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：何乃如，支斌斌，贾均红，等 自润滑硬质合金与钛合金的摩擦学性能研究润滑与密封，（）：，（）：基金项目：国家自然科学基金青年项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：何乃如（），男，博士，副教授，研究方向为固体 润 滑 材 料 的 设 计、制 备 及 性 能。：。自润滑硬质合金与钛合金的摩擦学性能研究何乃如 支斌斌 贾均红 杨 杰 陈 威（陕西科技大学机电工程学院 陕西西安）摘要：为探究 自润滑硬质合金与 钛合金的摩擦学性能，通过热压烧结制备不同含量 的硬质合金试样，采用扫描电子显微镜、三维轮廓仪、维氏硬度计等分析自润滑硬质合金的组织结构和力学性能，利用往复式摩擦试验机研究干摩擦、切削液环境和深冷环境下硬质合金与钛合金的摩擦学性能。结果表明：随着硬质合金中 含量的增加，表面孔隙减少，力学性能缓慢下降；在干摩擦、切削液环境和深冷环境下，摩擦因数均随 含量的增加而降低；钛合金和硬质合金在干摩擦时由于钛合金的黏附，阻碍了 发挥润滑作用，磨损形式以黏着和氧化为主；在切削液环境中磨损形式以磨粒磨损和黏着磨损为主，而在深冷环境下减少了氧化和黏着，其磨损形式主要为磨粒磨损，并伴有分层磨损现象。关键词：自润滑硬质合金；钛合金；摩擦磨损；深冷环境中图分类号：（，）：，：；随着高新技术的快速发展，钛合金由于其低密度、高比强度、良好的低温韧性和优异的耐腐蚀性等综合性能，使其在航空、航天、化工、造船等领域的应用越来越广泛。然而，钛合金导热性差、化学活性大，使得切削过程中产生的热量集聚在切削区域，进而使刀具的刃口迅速磨损。同时，高温下钛合金与空气中的氧和氮发生反应，形成硬质层，导致加工硬化，进一步降低了刀具的寿命和工件的表面质量。因此，解决钛合金加工过程中的冷却和润滑问题，改善切削界面的摩擦状态，是提高刀具加工效率和零件表面质量的关键。高速高精度切削加工技术的发展，对切削过程中冷却和润滑提出了更加严格的要求，目前相关研究工作主要分为改善切削加工环境和改善刀具自身性能 个方面。在改善切削加工环境方面，可采用新型混合润滑冷却液和深冷加工技术等。其中深冷加工技术也是研究的前沿热点，研究发现，在深冷环境下，切削区域温度、零件表面完整性、刀具磨损等都有显著改善。在改善刀具自身性能方面，可通过赋予刀具自润滑性能，使得在切削加工过程中在刀具表面形成一层润滑膜，从而降低切削温度和切削力，减缓刀具磨损。自润滑刀具具有减摩、抗磨、润滑功能，可在无外加润滑液或润滑剂的条件下实现自润滑切削加工。能够实现自润滑的刀具有：软涂层自润滑刀具，原位反应自润滑刀具和添加固体润滑剂的自润滑刀具。软涂层自润滑刀具是将固体润滑剂涂覆在刀具表面，但在深冷环境下难以保障刀具基体、过渡层和表面涂层材料的物理性能（弹性模量、热膨胀系数、泊松比）相匹配。原位反应自润滑刀具是刀具在切削的过程中产生高温，促进刀具表面发生反应，生成润滑膜，从而实现润滑。但该方法生成润滑膜的温度条件苛刻，温度低时润滑膜难以生成。添加固体润滑剂的自润滑刀具是在刀具材料中添加固体润滑剂，在切削过程中受到摩擦、挤压的作用时，固体润滑剂析出，并涂覆在前刀面上形成固体润滑膜，实现自润滑功能。等研究了将 引入 中，通过烧结制备块状自润滑硬质合金，发现 的加入可显著降低硬质合金的摩擦因数和磨损量。等研究了在 （，）陶瓷刀具材料中加入 对摩擦磨损性能的影响，结果表明，的加入使刀具材料具有良好的润滑能力，核壳结构的设计提高了刀具材料的耐磨性。目前，工业生产中钛合金的切削加工主要运用硬质合金刀具，国内外关于切削过程中冷却和润滑的研究，大多集中在上述中的一个方向，将深冷加工技术和添加固体润滑剂结合起来的研究还鲜有报道。另外，目前对于将 作为固体润滑添加剂制备自润滑刀具的研究也较少，用于刀具材料涂层的研究显示其具有良好的减摩作用，但 与 的结合性能较差。目前，人们通常采用添加第二相来改善材料的力学性能和结合能力，如山东大学的邓建新团队就采用核壳结构的 ，使刀具拥有良好的减摩性能和力学性能。因此本文作者将以 作为润滑相，研究添加不同 含量的 硬质合金材料的力学性能和在干摩擦、切削液环境和深冷环境中与钛合金球的摩擦学性能。实验材料与方法 实验材料制备实验用到的 钛合金球为商用直径 球，表 给出了其化学成分。实验所用的 粉末由河北凯昂焊接材料有限公司生产，粉末粒径为，纯度为 ；晶粒抑制剂 和 粉末由秦皇岛一诺高新材料开发有限公司生产，粉末粒径均为 ，纯度为 ；粉末由上海飞煌科技有限公司生产，与 的质量比为 ，粉末粒径，是一种以 为核、为壳结构的复合粉体，其显微结构如图 （）所示。图 （）示出了 复合粉体截面形貌及、的元素分布，可以看出，颗粒周围均匀包裹着一层镍。表 钛合金球的化学成分 元素质量分数 图 的 形貌和元素分布 按表 给出的比例，将、和 粉末加入行星球磨机中进行乙醇溶液湿磨，球料比为 ，球磨时间为 ，转速为 。然后，将复合粉末经抽滤、干燥、过筛后，装入石墨模具中进行氩气保护的热压烧结。烧结工艺如下：烧结温度为 ，保温时间为 ，烧结压力为 。将烧结后的自润滑复合材料经过打磨、抛光，得到 的试样块。润滑与密封第 卷表 混合粉末比例 试样类型 体积分数 体积分数 质量分数 质量分数 试样 试样 试样 试样 试样 注：和 的质量分数根据 的质量计算。力学与摩擦磨损试验采用压痕法在显微维氏硬度仪（，莱州市华银仪器）上测试样品的维氏硬度，施加的载荷为 ，保持时间为 ；使用万能材料实验机测试试样的单边切口梁断裂韧性和横向断裂强度，测试标准为 和 。摩擦磨损试验在 往复式摩擦磨损试验机上进行，示意图如图 所示，钛合金球固定在夹具上，垂直加载 的力作用于硬质合金试样表面，试样固定在底盘上，并进行往复直线运动，行程为，速度为 。实验对比研究了不同 含量的硬质合金与钛合金球在干摩擦、切削液环境（）和深冷环境（冷却源为液氮，温度）下的摩擦磨损性能，其中切削液和深冷环境是将试样固定在溶液槽中，注入切削液或喷入液氮。图 往复式摩擦磨损试验示意 形貌与化学组分分析运用 公司生产的 型扫描电子显微镜和 射线能谱仪分析烧结的硬质合金以及摩擦磨损后的硬质合金与钛合金表面形貌与化学组分。采用非接触式三维轮廓仪（）分析硬质合金磨痕三维形貌。实验结果与分析 材料表面形貌图 所示为不同 体积分数的硬质合金试样表面形貌。图 不同 体积分数的硬质合金表面形貌和 体积分数为 硬质合金的元素分布 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）年第 期何乃如等：自润滑硬质合金与钛合金的摩擦学性能研究 由图 可以看出，随着 体积分数的增加，材料表面的孔隙数量逐渐减少，孔隙大小逐渐减小，这是因为 表面的 在烧结过程中也起到了黏结剂的作用，使硬质合金在烧结过程中更加致密。图 （）、（）所示是 体积分数为 的硬质合金中 和 元素的分布，可以看出 在试样中分布均匀。材料的力学性能图 给出了 的力学性能。可以看出，随着 体积分数的增加硬质合金的硬度和断裂强度出现下降的趋势。这是因为，相比于，的强度和硬度较低，且 的加入会加速 晶粒的生长，这使得硬质合金硬度和断裂强度出现下降。值得注意的是，随着 体积分数的增加，的断裂韧性呈现出先上升后下降的趋势，少量的 添加可以提高硬质合金的断裂韧性。这是因为，的引入使得 在烧结过程中溶解在 相中，并在冷却过程中抑制 向 的转化。由于 比 有更多的滑移系统，中的位错在加载外力时更容易滑移，因此可以获得更高的断裂韧性。然而，在 体相中类似于空腔，当 的占比持续增加，会导致硬质合金的断裂韧性明显下降。图 烧结硬质合金试样力学性能随 体积分数的变化 摩擦因数图 所示为不同 体积分数的硬质合金试样在 种环境下平均摩擦因数的变化。结果发现，在干摩擦时，随着 体积分数的增加摩擦因数逐渐降低；在切削液和深冷环境中的摩擦因数相较于干摩擦时显著降低。切削液环境下，随着 体积分数的增加配副的摩擦因数先显著降低，但当 的体积分数为 时摩擦因数反而出现上升。深冷环境下少量的 添加对摩擦因数没有明显影响，当 的体积分数为 时摩擦因数出现明显下降。图 给出了 体积分数为 时，配副在 种环境下的摩擦因数随滑动时间的变化曲线。在干摩擦以及切削液环境下配副经过短暂的跑合后摩擦因数分别保持在 与 左右，且波动较大；而在深冷环境下配副的跑合阶段达到 左右，之后摩擦因数稳定在 左右。图 种环境下 体积分数对配副平均摩擦系数的影响 图 种环境下 体积分数为 时摩擦因数随时间的变化 钛合金球的磨损为了研究配副在 种环境下磨损机制，首先测量钛合金球磨损后的磨斑直径，并根据公式（）计算得出钛合金球的磨损量，得出如图 所示的 种环境下与不同 体积分数的硬质合金对摩时钛合金球的磨损量。可以看出，在干摩擦时，随着硬质合金中 体积分数的增加，钛合金球的磨损量逐渐减小；对比切削液和液氮环境，虽然 种环境均润滑与密封第 卷可以减小摩擦因数，但切削液环境下钛合金球的磨损量整体高于液氮环境，这是因为 的表面和边缘存在不饱和键，在水环境中会与环境中的水分和氧反应，形成氧化物，从而使 的磨损寿命极短，这使得 在切削液环境中难以在试样和钛合金表面涂覆，摩擦面的接合始终是钛合金与硬质合金，造成了钛合金球的高磨损量。（）（）（）式中：是钛合金球的直径；是磨损面的直径。图 所示是 种环境下与不同 体积分数的硬质合金对摩后钛合金球磨痕表面形貌。在干摩擦时，随着 体积分数的增加，磨痕表面的白色氧化物和黏着逐渐减少，并促进了光滑摩擦区域的形成。在切削液环境下，硬质合金中不加 时，钛合金磨痕上遍布犁沟，当 体积分数增加到 时，磨痕表面变得平滑，犁沟减少。图 种环境下 体积分数对硬质合金磨损量的影响 图 种环境下与不同 体积分数下钛合金球磨痕区域的 照片 ：（），；（），；（），；（），；（），；（），；（），；（），；（），年第 期何乃如等：自润滑硬质合金与钛合金的摩擦学性能研究 从图 （）所示的点 的扫描结果来看，磨痕表面的磨粒主要成分为钛和钛的氧化物，硬度较低，这也符合浅而细的犁耕形貌。在深冷环境下，硬质合金中不加 时，钛合金球的磨损形式与切削液环境下的类似，但犁沟减少，光滑面更大，这造成了 种环境下的磨损量差别巨大（见图）。随着 体积分数的增加，钛合金球的磨粒磨损变得严重，这是因为自润滑硬质合金的力学性能下降，在一段时间的摩擦后，材料剥落，从而造成钛合金摩擦面明显的犁削。从图 （）、（）中可以看出，干摩擦和深冷环境下的钛合金球表面均存在分层磨损，但两者形成的原因不同。根据图 （）所示的点 的扫描结果，其磨损位置的主要成分为、及其氧化物，说明干摩擦时的分层磨损主要由反复的黏着和氧化造成的。图 （）所示为图 中深冷环境下分层磨损的局部放大图，可以看出，磨损区域周围分布着大量裂纹，这是由于在深冷环境中钛合金很难产生明显的塑性变形，在这种情况下，一旦塑性变形累积达到材料的疲劳极限，疲劳裂纹就会在磨损表面萌生，随着摩擦时间的增加，裂纹的扩展会导致钛合金表面的亚表层断裂和材料剥落。图 所示为 种环境下不同 体积分数的硬质合金磨痕截面二维轮廓。整体来看，切削液环境下的硬质合金磨损程度最小，含有少量的磨粒磨损；干摩擦与深冷环境下的磨痕轮廓相似，均表现为随着 体积分数的增加磨损程度先增大后下降，这是由于添加 的硬质合金的力学性能下降，耐磨 性差，但当 体 积 分 数 达 到时，摩擦面上的 减少了钛合金的黏着和氧化磨损。图 图 中点、的 光谱和区域 的高倍 照片 （）（），（）图 种环境下不同 体积分数的硬质合金磨痕轮廓 ：（）；（）；（）润滑与密封第 卷 图 所示为 体积分数为 和 的硬质合金磨痕的三维形貌。可以看出，磨粒磨损和黏着磨损普遍存在，且 的添加可以降低钛合金的黏着程度。对比图 （）、（）可知，深冷环境下的磨痕深度和宽度均比干摩擦时的小，是由于深冷环境所用到的液氮会在摩擦面周围形成干燥少氧的环境，同时带走摩擦热，使摩擦过程中减少了氧化磨损。其次由于 的 种同素异构体的转换，从室温到 为 结构，从 到 为 结构，相比 相更硬，在烧结的冷却过程中，钴由 结构转变回 结构，但这种相变是不完整的，使烧出的试样同时具有 和 结构，深冷环境促进了硬质合金中 向 的转变，造成深冷环境下的硬质合金硬度增大，进而耐磨性提高。图 体积分数为 和 的硬质合金磨痕的三维形貌 ：（），；（），；（），；（），；（），；（），图 所示为 体积分数为 的硬质合金在 种环境下的磨痕的元素分布情况。干摩擦时，磨痕区域有大量钛合金黏附，几乎被磨掉，这造成了摩擦过程中钛合金与钛合金的对摩。切削液环境和深冷环境中的磨痕区域有少量的钛合金黏附，且对磨痕中的 影响较小，说明在摩擦过程中 能够发挥润滑作用。高倍下的 分析结果进一步表明，切削液环境和深冷环境可以减少黏着和氧化，并降低了 在摩擦过程中的损耗。从微观形貌来看，深冷环境下存在剥落现象，这造成了如图 （）所示的明显犁沟。图 所示为硬质合金和钛合金的摩擦磨损示意图。从图 （）可观察到，含量较低时，在摩擦初始阶段摩擦面上有 的存在和少量的钛合金黏着；摩擦一段时间后，磨痕表面几乎被钛合金覆盖，此时钛合金球的磨损量较大。随着硬质合金中 含量的增加，摩擦面上更多的 发挥润滑作用，使钛合金黏着减少，磨损量降低。如图（）所示，当硬质合金中 较少时，在摩擦的初始阶段，切削液的存在减少了钛合金的黏着，同时 与水反应起不到润滑作用，使得摩擦面的接合为钛合金和硬质合金，这造成了钛合金较高的磨损量。随着硬质合金中 含量的增加，附着在摩擦表面，钛合金的磨损量明显减少。从图（）可以看到，深冷环境下的钛合金磨损量最少，但 的添加降低了硬质合金的力学性能，摩擦面经过长时间冲击，材料表面出现了剥落，这加剧了硬质合金的磨损。年第 期何乃如等：自润滑硬质合金与钛合金的摩擦学性能研究 图 种环境中 体积分数为 的硬质合金磨痕的元素分布和 能谱 ：（）；（）；（）润滑与密封第 卷图 不同环境下配副的摩擦磨损示意 ：（）；（）；（）结论（）制备的自润滑硬质合金随着 含量的增加，材料表面的孔隙逐渐减少和缩小。（）随着 含量的增加硬质合金的硬度和强度逐渐下降，断裂韧性先上升后下降。（）在摩擦过程中，摩擦因数和钛合金球的磨损量随着硬质合金中 含量的增加，有一个下降的趋势。深冷环境中钛合金球的磨损量最小，这是由于其主要的磨损机制由黏着磨损和氧化磨损转变为磨粒磨损。（）切削液环境和深冷环境均降低了硬质合金材料的磨损，当 含量过多时，力学性能的下降导致其磨损程度上升。参考文献 杨晔，司丽娜，张晨辉钛合金切削润滑研究现状与发展趋势润滑与密封，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：孙惠斌航空难加工材料的深冷加工技术研究进展航空制造技术，（）：，（）：，：，年第 期何乃如等：自润滑硬质合金与钛合金的摩擦学性能研究 ，：刘景文，周后明，周文，等基于固体润滑剂与原位反应双机制自润滑陶瓷刀具中国机械工程，（）：，（）：潘培道，刘孝光，殷韦韦，等干切削加工用自润滑刀具研究进展池州学院学报，（）：，（）：连云崧，邓建新，李士鹏，等软涂层刀具的材料优选及涂层制备功能材料，（）：，（）：，：，（，），：，：周后明，罗文懿，龙远强，等基固体润滑剂微织构自润滑刀具切削性能的研究机械科学与技术，（）：，（）：吴光永镍包覆六方氮化硼自润滑陶瓷刀具及其性能研究济南：山东大学，：，（，），：，：，（）：，：，：，（）：润滑与密封第 卷