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MoS2在铁基粉末冶金摩擦材料中的作用机理

来源：世展网分类：3D打印行业资讯 2022-08-02 12:03 阅读：18307

一、粉末冶金摩擦材料的组成①基体组元。一般为金属（铜、铁、镍）的合金。②润滑组元。他们能减少或者完全消除粘结和卡滞，促使材料摩擦平稳，减小表面磨损。主要有石墨、钼、铜、锌、钡、铁等的硫化物，氮化物及低熔点纯金属（铅、锡、铋等）。③摩擦组元。主要作用是补偿固体润滑剂对材料的影响，以及在不损害摩擦表面的前提下增加滑动阻力，提高摩擦系数。这类组元通常具有非金属特性，能促进形成多相组织，减少表面粘结和卡滞。这类组元有硅、铝、铬等的氧化物，碳化硅和碳化硼，矿物性的复杂化合物（硅灰石、蓝晶石等）。二、粉末冶金摩擦材料的制造工艺

制造工艺包括：混粉、压制和烧结。首先把原材料粉按比例称取，手工混合后置于V型混料器中混合8h，然后在钢模中将粉末压制成密度为4.8~5.2g/cm2的坯块，在加压烧结炉中于氢气保护下，按工艺条件进行烧结，然后水冷至低于100℃后出炉三、MoS2对粉末冶金摩擦材料的影响1、MoS2 对材料密度的影响（烧结过程中）当烧结温度达到989℃时，新相FeS与基体Fe 初步发生溶晶反应，当烧结温度达到1000℃时，烧结过程出现液相，液相填满烧结体内空隙，提高烧结产品的密度。当烧结温度达到1020℃是，溶晶反应更充分，烧结产品的密度更大。烧结过程中MoS2分解的钼，首先可固溶于基体Fe中，对材料起到固化作用。其次，Mo是中强碳化物形成元素，在烧结过程中可溶于渗碳体中形成（Fe,Mo）₃C等合金渗碳体。再者，Mo是α-Fe的稳定元素，当烧结温度超过α-γ相变温度时，使材料的烧结过程得到强化。试验添加0~8%的MoS2，发现随着MoS2含量的增加，材料密度先增加后降低，即少量MoS2（0~4%）能提高材料的密度，但过多（4%~8%）则反而降低材料密度，含量4%时密度达到最大值。这主要是因为，钼在α-Fe中的溶解度有限（＜0.08），如果MoS2不断增加，烧结时分解出来的钼过多，多余的钼以游离的形式存在于基体中。在烧结过程中游离的钼会与基体中的其他材料反应形成钼的多种碳化物。另外，烧结过程中存在的铁、铜与硫所形成的各种硫化物，如FeS、CuS等。这些都属于非金属的碳化物、硫化物，阻碍了金属基体间的相互接触。这些非金属成分对材料烧结密度的降低作用已大于溶晶液相的增多对材料烧结密度的提高作用。

2、MoS2 对材料硬度的影响（烧结过程中）

材料硬度随着MoS2含量的变化与材料密度随MoS2含量的变化趋势相似。当MoS2 含量＜4%时，材料的硬度随着MoS2含量的增加而增大，在MoS2含量为4%时达到最大值，当MoS2含量＞4%时，材料硬度随着MoS2含量的增加而下降。这主要是因为少量MoS2的存在促进了烧结过程中材料的致密化，提高了材料的密度；其次，烧结时分解出来的钼固溶于铁基体中形成了α固溶体，对材料基体起到了固溶强化的作用，从而提高材料硬度。当MoS2含量进一步增加，材料烧结组织中存在的碳化物、硫化物，及游离的Mo随之增加，一方面材料的密度降低，另一方面基体中非金属含量的增加造成金属间接触减少，所以当MoS2含量超过4%后，材料的硬度反而随着MoS2含量的增加而下降了。3、MoS2 对材料摩擦磨损的影响试验添加0~8%的MoS2, 做定速（5m/s和20m/s）摩擦实验，发现不含MoS2的材料摩擦表面崩块脱落现象相当严重，而试验添加4%的材料摩擦表面形成了较完整连续的摩擦面，磨痕均匀。而含量为8%的MoS2的材料摩擦表面出现了大量的覆盖物，经摩擦挤压贴覆于摩擦表面。原因分析：含有MoS2的材料，烧结时由于MoS2分解成的S与基体中的Fe, Cu发生反应，生成了FeS、CuS₂等新相，FeS等硫化钼具有类似MoS2的层状六方结构，同样具有良好的润滑性能，能在摩擦面起到良好的润滑作用，所以含有MoS2的材料较不含MoS2的材料有更稳定的摩擦系数和磨损量。但是过量的MoS2反而降低了材料的摩擦磨损性能，因为过多MoS2的存在会造成材料密度、硬度等机械物理性能的降低，同时其中大量非金属成分的存在进一步阻碍基体金属间的联结作用，从而影响了材料的摩擦磨损性能。

通过观察摩擦面SEM发现加入MoS2材料的摩擦面崩块现象相对来说好一点，而且形成了比较好的摩擦层。这说明MoS2的存在对于铁基粉末冶金摩擦材料摩擦过程中摩擦层的行程起到了重要作用。这是因为，一方面FeS起到了润滑作用，促进了摩擦层的形成。另一方面，摩擦面高温瞬间可达到1000℃以上，FeS与Fe发生溶晶反应，使摩擦面出现液相。该溶晶液相附着在摩擦面上，形成连续的表面附着膜，有效阻隔了金属材料间的直接接触，起到了相当的润滑作用。同时该液相的存在还有利于摩擦过程中摩擦面表层物质的塑性流动，改善了摩擦面的物质分布，从而促进了材料摩擦成的形成，提高了材料的摩擦磨损性能。试验表明未加入MoS2的材料在刹车过程中其材料和对偶的磨损量都远远高于加入MoS2的材料。并且随着MoS2含量的增加，刹车过程中材料及对偶的磨损先降低后增加，其中MoS2含量4%的材料及对偶的磨损量最小。4、速度对含MoS2铁基粉摩擦材料的摩擦磨损影响低速时，摩擦材料的表面温度高于300℃，摩擦面开始氧化，摩擦表面形成了一层主要成分是Fe₃O₄, FeO的氧化膜。并且随着摩擦过程的进行，摩擦表面温度不断升高，生成的氧化膜不断加厚。这些不断增加的氧化膜在摩擦过程中压力的作用下，相互叠加、覆盖，形成了叠层状表面膜。中速时，摩擦材料的表面温度高于450℃，摩擦材料的表面氧化膜出现明显的块状剥落。这是因为，一方面，摩擦面温度不断升高，表面氧化膜不断加厚，使得氧化膜与基体的结合强度降低。另一方面不断加厚的氧化膜下形成了高变形区，导致表面裂纹的形成和扩展。因此氧化膜也随之破裂剥落。高速时，摩擦材料的表面温度高于1000℃，氧化膜破坏。材料表面层在高温下发生软化和大量塑性变形。另外，该温度下，材料表面的FeS和Fe基体的共晶液相开始形成，液相覆盖在摩擦面上，大大改善了摩擦表面形貌。同时，高温下，摩擦层发生了回复、再结晶、碳化物的溶解等组织变化。此事表面层成分更加复杂，氧化膜有Fe3O4+FeO变为FeO+Fe2O3，此外还形成了其他新的化合物。材料表面多种化合物的存在有效改善了摩擦面的摩擦性能，材料表面发生了自我修复，在摩擦面形成了良好工作层。（以上解释了为什么MoS2在刹车过程中低温减摩高温摩的作用）四、总结：在铁基粉末冶金摩擦材料中MoS2的含量通常为2~6%。MoS2 在增加耐磨性的同时，显著降低了材料的摩擦系数。随着材料中MoS2含量从0增加到8﹪,材料摩擦磨损性能先提高再降低,MoS2含量为4﹪时材料表现出良好的综合性能和优异的摩擦磨损性能。

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