稀土化合物对粉末冶金镍基合金摩擦磨损性能的影响

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　　1前言

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　　稀土元素因其具有特殊的电子结构和物理化学性质,在材料科学中得到了广泛的应用。近年来稀土在摩擦学材料中的应用也得到了重视,在聚合物中添加稀土化合物(LaF3,CeF3,CeO2,La2O3)可明显改善其力学及摩擦磨损性能[1,2]。镍基合金具有优良的力学和高温抗氧化性能,已广泛应用于各种燃气轮机。利用氧化物[3～5]、硫化物[6,7]减摩及氧化物与硫化物协同减摩[8～10]的合金及镍基自润滑材料得到了一定的研究。Sliney的研究表明LaF3和CeF3能有效地润滑镍合金,在室温时摩擦系数为0 5,500℃以上摩擦系数在0 2左右[11]。文献[12]测试了CeF3含量对镍合金摩擦磨损性能的影响,本文用粉末冶金热压方法制备了含不同稀土化合物(LaF3,CeO2和La2O3)的Ni-Cr基合金,评价了其摩擦磨损性能。

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　　2试验方法2 1合金制备

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　　用纯度高于96%的NiCr合金粉末为基,其中添加一定量的Mo、Al、Ti、B粉末,再分别添加不同质量分数的LaF3及4%的CeO2,La2O3粉末。充分混和后先冷压成?45mm×15mm的盘状,然后将这几种盘状样品一次装入石墨模具内,每两个样品之间用石墨片隔开。在FVPHPR10型(日本产)真空热压机上一次将这组样品制备出来。真空抽至5～10Pa后用氩气保护并开始升温;升温速度20℃/min;热压压力16MPa;温度1280℃;保温保压时间20min。

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添加3种不同稀土化合物的镍基合金的金相照片。可见,添加LaF3和CeO2的镍基合金的晶粒较细,孔隙分布较均匀,而添加La2O3的镍基合金晶粒粗化,孔隙聚集并球化。

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　　用XRD分别对这3种合金进行分析。结果表明,这几种合金的相结构基本一致,即主要由Ni基固溶体、Ni3(Al,Ti)、及少量的Cr18Mo42Ni40等相组成,没有检测到单质的Mo,Al,Ti元素和稀土化合物,说明材料在制备过程中已充分合金化,添加的少量稀土化合物在热压过程中可能分解或固溶到镍基固溶体中。2 2摩擦磨损试验

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　　摩擦磨损性能试验在MM200型环-块试验机上进行。将合金制备为块样,摩擦偶件为淬火45#钢环,硬度为56HRC,直径为?40mm。试验前环、块试样表面均用500#砂纸打磨,然后用酒精棉球清洗,在空气中晾干后备用。试验在室温、大气中和干摩擦下进行。试环转速分别为200r/min(滑行速度4 19m/s)和400r/min(滑行速度8 38m/s);载荷分别为100N及200N,滑行距离均为15084m。

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　　用感量为0 1mg的电子分析天平测定试样块磨损前后的质量损失。用光学显微镜及扫描电镜观察试块磨损表面形貌。

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　　3试验结果与讨论3 1LaF3含量对合金摩擦磨损性能的影响

　　示出了LaF3含量对合金样品的摩擦系数(μ)和磨损质量的影响曲线　可以看出,随滑行速度及载荷的增加,几种不同LaF3含量合金的摩擦系数下降。低载低速下(100N,4 19m/s)合金的摩擦系数最高,载荷及速度分别增加一倍,几种LaF3含量合金的摩擦系数分别下降近50%。几种试验条件下,LaF3含量为4%的合金的摩擦系数最低。可以看出,未添加LaF3镍基合金的磨损量随试验速度及载荷的增加而上升。低载低速下(100N,4 19m/s),合金的磨损量随LaF3含量的增加而略有上升。在高速及高载下LaF3含量最高的样品磨损量最小。

　　综合这3种条件下的摩擦磨损试验结果,LaF3含量为4%的合金综合性能最好。3 2不同稀土化合物对合金摩擦磨损性能的影响

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示出了分别添加质量分数为4%的La2O3或LaF3及CeO2的镍基合金在3种试验条件下的摩擦系数及磨损量。从a中可以看出,这几种不同稀土化合物对镍基合金的摩擦系数影响差别不大,但这3种合金的摩擦系数都随速度及载荷的增加而下降。中可以看出,3种试验条件下添加CeO2镍基合金的磨损量都最低。3种合金在低载高速下的磨损量都比低载低速及高载高速下的低。3 3磨痕形貌及分析

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　示出了合金磨损表面形貌的SEM照片。从中可以看出,低载低速下(100N,4 19m/s),添加LaF3合金磨损表面较粗糙,表面有磨屑脱落留下的凹坑及一些松散的、将要脱落的片状磨屑。说明摩擦表面有氧化,磨损主要表现为粘着、犁沟及氧化磨损。随着滑行速度的增加,摩擦表面变得较光滑,表面粘着脱落坑减少。示在高载高速下(200N,8 38m/s),由于摩擦热影响的结果,摩擦表面热软化甚至融化,合金的摩擦表面变得更加光滑,但仍有划痕。从摩擦表面上已见不到松散的氧化物,氧化物被挤压研磨成膜,与软化及熔融金属基体粘结,形成摩擦保护性“釉质层”[13],减少摩擦过程中金属与金属之间的粘着。

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　　从中看到合金的摩擦系数随载荷及速度的增加下降很快,说明了“釉质层”的减摩作用。由于釉质氧化层具有高的硬度,一般比基体具有更好的耐磨作用[5,9]。从图3b中可以看到几种添加稀土化合物的合金在高载高速下的磨损量一般比低载低速下的少,其单位载荷、单位滑行距离下的磨损量不到低载低速下的一半(或略多一点),进一步证实“釉质层”的抗磨作用。

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　　添加CeO2合金的表面磨痕与添加LaF3合金的相似,只是其摩擦表面比添加LaF3合金的略光滑一些。都有沿滑动方向条状凸起的氧化物平台,它是氧化“釉质层”摩擦过程中增长的结果。高温(或高载高速)摩擦时“釉质层”的形成与磨损脱落是一个先处于相互竞争,后又处于动态平衡的过程,故可以长期起到摩擦自保护作用。

　　4结论

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　　(1)采用粉末冶金热压方法制备的含几种不同稀土化合物的镍基合金中,稀土化合物的加入可明显改善合金在高载高速下的耐磨性能,尤其以添加CeO2合金的磨损量最少。

　　(2)添加稀土化合物合金在高载高速下的摩擦系数及磨损量都明显低于低载低速下的,这与其摩擦表面形成的减摩耐磨“釉质层”有关。 / Z" R0 [" @: |+ b【MechNet】

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