鉻酸鹽固體潤滑材料的制備與高溫自潤滑機(jī)理研究.pdf

1、本文采用化學(xué)沉淀法和高溫固相反應(yīng)法分別制備出BaCrO4和BaCr2O4粉體。采用無壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)工藝分別制備出兩種鉻酸鹽塊體陶瓷以及含鉻酸鹽的NiCr金屬基復(fù)合材料。采用XRD、SEM、TEM、TG-DTA、Raman光譜儀、納米壓痕儀和高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等研究了兩種鉻酸鹽粉體的合成機(jī)理及熱穩(wěn)定性,分析了鉻酸鹽塊體陶瓷及金屬基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能,測(cè)試了不同材料在寬溫域范圍內(nèi)的摩擦學(xué)行為,討論了鉻酸鹽的塑性變形、高溫氧化及釉

2、化層形成對(duì)摩擦學(xué)性能的影響,并闡明了其自潤滑機(jī)理。最后,通過復(fù)合電鍍?cè)诟邷睾辖鸹w上制備出含鉻酸鹽的復(fù)合涂層,考察其摩擦學(xué)性能,進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。
　　采用化學(xué)沉淀法在不同pH值條件下成功制備出具有不同粒徑和不同晶體形貌的BaCrO4粉體。通過控制pH值可以改變水溶液體系中BaCrO4的過飽和度,從而影響B(tài)aCrO4晶體的生長形貌。在EDTA絡(luò)合溶液中通過調(diào)節(jié)pH值采用均勻沉淀法可成功制備出具有復(fù)雜晶體形貌的BaCrO4粉體

3、。改變pH值不僅改變了溶液的過飽和度,也改變了EDTA溶液中Ba2+離子的絡(luò)合程度。在較低pH值條件下,晶體兩端出現(xiàn)不同程度的鍥形形核長大,最終可獲得花生狀的BaCrO4粉體。采用高溫固相反應(yīng)法制備的BaCr2O4粉體結(jié)晶良好,粒徑在0.8–2?m之間。
　　BaCrO4粉體在空氣中的熱穩(wěn)定性很好,從室溫至1400℃之間不發(fā)生相變。但是其熱穩(wěn)定性在非氧化性氣氛中被破壞。經(jīng)真空1050℃和1250℃熱處理后,BaCrO4會(huì)發(fā)生相變生

4、成BaCr2O4和一種未知產(chǎn)物。根據(jù)XRD和XPS分析結(jié)果,這種未知物具有陽離子缺陷型鈣鈦礦結(jié)構(gòu),其化學(xué)式為Ba3(Cr6+, Cr5+)2O9–x(x≥0)。BaCr2O4粉體在非氧化性氣氛中的熱穩(wěn)定性很好,從室溫至1400℃之間不發(fā)生相變。但在氧化性氣氛中加熱時(shí)BaCr2O4會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng),形成BaCrO4和Cr2O3。
　　采用無壓燒結(jié)法制備出致密度為96.1％的單相BaCrO4陶瓷。在室溫下BaCrO4陶瓷的磨損性能較差,

5、磨損機(jī)理以脆性斷裂和磨粒磨損為主。高溫條件下,塑性變形主導(dǎo)了BaCrO4陶瓷的摩擦過程。溫度升高后,BaCrO4陶瓷表面由細(xì)小的磨屑燒成而成的細(xì)晶層具有良好的塑性變形能力。可以認(rèn)為BaCrO4在高溫條件下的潤滑能力主要就是由這種塑性變形帶來的。
　　采用熱壓燒結(jié)法成功制備出致密度為98.6%的單相BaCr2O4陶瓷。在室溫下BaCr2O4陶瓷的磨損以脆性斷裂引起的磨屑脫落為主,磨損性能較差。但在高溫磨損條件下BaCr2O4陶瓷發(fā)生

6、摩擦氧化生成的BaCrO4能夠有效提供潤滑,使其摩擦學(xué)性能得到提高。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí),BaCr2O4陶瓷的劇烈氧化使致密度變差,不能有效承載表面的潤滑膜,使摩擦學(xué)性能下降。
　　采用熱壓燒結(jié)法成功制備出NiCr–BaCrO4復(fù)合材料。該復(fù)合材料在高溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。含10wt.%和20wt%BaCrO4復(fù)合材料在400℃和600℃條件下的摩擦系數(shù)均為0.3左右,其磨損率隨溫度的升高而逐漸下降,在400℃時(shí)磨損率為1

7、0–5mm3/(Nm)數(shù)量級(jí),而在600℃時(shí)進(jìn)一步降至5×10–6mm3/(Nm)。熱壓燒結(jié)NiCr–BaCr2O4復(fù)合材料在高溫條件下表現(xiàn)出比NiCr–BaCr2O4復(fù)合材料更為優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。含10wt.%和0wt.%BaCr2O4復(fù)合材料在400℃和600℃下的摩擦系數(shù)均為0.25左右,磨損率在400℃時(shí)為1×10–5mm3/(Nm)左右,在600℃時(shí)降至2×10–6mm3/(Nm)左右。
　　兩種NiCr基復(fù)合材料的高溫

8、自潤滑機(jī)理都可以通過形成耐磨釉化層來解釋。在高溫磨損條件下NiCr基復(fù)合材料表面生成了一層強(qiáng)度較高的釉化層,而在釉化層表面則是很薄的一層BaCrO4潤滑膜。在高溫磨損時(shí),屈服強(qiáng)度較高的釉化層起到承載的作用。而表面BaCrO4膜較軟,剪切強(qiáng)度較低,起潤滑作用,減小了摩擦系數(shù)與磨損率。BaCr2O4的高溫摩擦氧化產(chǎn)物為BaCrO4和Cr2O3,進(jìn)一步提高了釉化層的強(qiáng)度,在降低摩擦系數(shù)的同時(shí)進(jìn)一步提高其耐磨性能。
　　為促進(jìn)釉化層的形成

9、,對(duì)NiCr–BaCr2O4復(fù)合材料表面進(jìn)行預(yù)氧化處理制備出氧化物涂層。經(jīng)600℃預(yù)氧化處理的表層具有良好的摩擦學(xué)性能,可進(jìn)一步提高復(fù)合材料在高溫下的耐磨性能。而預(yù)磨工藝也是一種有效的表面處理方法。對(duì)含20wt.%BaCr2O4的復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)磨處理,可使其在高溫下的磨損率降低50%–60%。除預(yù)氧化處理和預(yù)磨處理工藝制備的涂層之外,本文通過復(fù)合電鍍制備的Ni–BaCr2O4復(fù)合鍍層在寬溫域范圍內(nèi)也呈現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能,在室溫至600