姚 遠(yuǎn)，揭曉華

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 前 言

摩阻材料(Friction material)是一種由具有高而穩(wěn)定摩擦系數(shù)的材料制成，可產(chǎn)生足夠大摩擦力來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞或動(dòng)能降減的材料，要求兼具較高的摩擦系數(shù)、較好的耐磨性以及一定的力學(xué)性能。根據(jù)基體材料的不同，常見的摩阻材料可分為半金屬型、混合纖維型、金屬粉末燒結(jié)型和C/C型等?；诳煽啃院褪孢m性的考慮，摩阻材料應(yīng)在較大的溫度范圍內(nèi)具備穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、較高的耐磨性和可控的噪音水平。

作為金屬基材料特殊形態(tài)，金屬間化合物(Intermetallics)中金屬鍵和共價(jià)鍵共存，且其原子排列長程有序，因而具備一些特殊的性能。其中，F(xiàn)e-Al系以其良好的高溫穩(wěn)定性、優(yōu)良的高溫摩擦磨損性能，兼具密度低、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已作為潛在新型摩阻材料而逐漸受到重視。在多種Fe-Al金屬間化合物中，較多的研究集中于Fe3A1(DO3)這種在中高溫下穩(wěn)定性較好的金屬間化合物。Pang 等[1]認(rèn)為，DO3型Fe3Al的晶胞為體心立方結(jié)構(gòu)，由4個(gè)A2(bcc)晶胞和4個(gè)B2晶胞組成，晶格常數(shù)為0.578nm，分子式可表述為Fe1Fe22Al。

這種二元金屬間化合物的制備方法主要分為兩類。一類是通過反復(fù)碾壓、微鍛等物理手段使某一合金元素固溶至另一合金元素晶格之中，形成穩(wěn)而有序的分子結(jié)構(gòu)，如機(jī)械合金化法 (Mechanical alloying)[2]，這種操作工藝簡易、成本低廉且產(chǎn)物較為純凈單一的制備方法可在較低能態(tài)下輕易生成納米級粉體產(chǎn)物，在一定程度上避免了高溫制備方法中的熔化、凝固和氧化等問題；另一類是通過高溫、高能物理或化學(xué)反應(yīng)，使得Al與Fe迅速反應(yīng)生成Fe-Al系金屬間化合物，如鋁熱自蔓延(Self-propagating hightemperature synthesis)[3]、激光表面合金化(Laser alloying)[4]、中頻感應(yīng)熔煉(Medium frequency induction melting)[5-6]和等離子熔敷 (Plasma cladding)[7]等。

有別于常見摩阻材料易出現(xiàn)耐熱性差(如纖維材料熱衰減明顯)、脆性大(如半金屬材料邊緣易碎)或成本過高(如C/C型材料)等問題，通過熱等靜壓法制備的Fe3Al復(fù)合材料在較大的溫度范圍(RT～600℃)表現(xiàn)出良好的抗氧化、高耐磨和高強(qiáng)度等特性[8]，且成本遠(yuǎn)低于含有Ti、Ni、Cr等戰(zhàn)略性金屬元素的金屬間化合物和不銹鋼，滿足現(xiàn)代載具高速、重載的發(fā)展對摩阻材料應(yīng)有更高綜合性能的需要，F(xiàn)e3Al基復(fù)合材料在摩阻材料領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

現(xiàn)有文獻(xiàn)多為研究類論文，如李亞敏等[5]討論了Fe3Al金屬間化合物的組織和力學(xué)性能；原晨光等[6]研究了TiC/Fe-Al復(fù)合材料原位制備及其顯微結(jié)構(gòu)等，綜述類文章較少。本文針對摩擦磨損行為的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2 復(fù)合物相對摩擦磨損行為的影響

出于在耐磨性、耐蝕性的優(yōu)異表現(xiàn)以及低密度、低成本等方面的綜合考慮，F(xiàn)e3Al基金屬間化合物自發(fā)現(xiàn)之時(shí)便極具發(fā)展?jié)摿?，受到國外科研機(jī)構(gòu)及Areelormittal、Ta Ta、POSCO 等 鋼 鐵 公 司 的 廣 泛關(guān)注，開發(fā)出多種Fe-Al鐵素體鋼和Fe-Mn-Al-C系列合金，國內(nèi)的北京科技大學(xué)、東南大學(xué)、蘭州大學(xué)等也取得了一定的成果，如研制出用Fe3Al制備的催化裂化裝置中雙滑動(dòng)閥導(dǎo)軌和烘焙機(jī)電加熱棒等[9]。然而，由于環(huán)境氫脆的影響，F(xiàn)e3Al系金屬間化合物在空氣中僅4.1%的延展率[10]使其不易進(jìn)行加工，須通過添加Cr、Zr、B、Cu、Ni等合金元素來提高韌性、強(qiáng)化晶界或消除孔隙[8]，進(jìn)而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

材料的耐磨性與強(qiáng)度、硬度、密度等基本性質(zhì)密切相關(guān)。添加Cr、B、Cu等合金元素通?？稍鰪?qiáng)韌性，而強(qiáng)度與硬度通?？赏ㄟ^添加硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(如碳化物)來增強(qiáng)。Cheng等[11]通過熱壓燒結(jié)制備研究了添加15～35wt.% 的 W0.5Al0.5C0.5對 Fe-15.88Al-5.46Cr(wt.%)常溫摩擦學(xué)性能的影響[10]，發(fā)現(xiàn)基體硬度隨著碳化物含量的增加而增加，耐磨性則先升(0～25wt.%)后降(35wt.%)，但含量為35wt.%時(shí)仍比15wt.%時(shí)要高，摩擦系數(shù)也體現(xiàn)出與耐磨性一致的趨勢。Mahdi等[12]通過高速火焰噴涂法(HVOF)將Fe3Al、Ti、C 混合粉末噴涂至基體表面形成Fe3Al/TiC覆層，這種含有碳化物硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的覆層硬度較高，TiC 含量為70mol.%時(shí)維氏硬度為650，幾乎是純Fe3Al的兩倍，且由于大量硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)覆蓋在軟基體表面，因而磨損率遠(yuǎn)低于純Fe3Al覆層和添加10mol.%TiC的復(fù)合覆層，在中高溫下的磨損機(jī)制也從疲勞磨損向粘著磨損轉(zhuǎn)變[13]。此外，Pang等[14]通過等離子體活化燒結(jié)法(SPS)制備的Fe3Al-多壁碳納米管(CNTs)復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和顯微硬度均遠(yuǎn)高于未添加CNTs和熱壓燒結(jié)(HIP)制備的Fe3Al材料。通過冷壓燒結(jié)，筆者研究了CNTs含量對基體密度、硬度、摩擦和磨損率的影響[15]。結(jié)果表明，CNTs以線狀或絮狀與基體緊密結(jié)合，分散情況良好。隨著CNTs含量增加，基體密度總體呈現(xiàn)降低趨勢，硬度和摩擦系數(shù)先升高后降低，而平均磨損面積則先降低后升高，如圖1所示。

圖1 CNTs含量對摩擦系數(shù)及平均磨損面積的影響[15]Fig.1 Effect of CNTs(%)on coefficient of friction and average wearing area

根據(jù)Archard定律[16](W=KLS/H，其中：W 是磨損量，K 是系數(shù)，L是載荷，S是距離，H 是硬度)，磨損量與載荷、摩擦距離成正比，與表面硬度成反比，而實(shí)際的磨損機(jī)制可能更為復(fù)雜。一般來說，摩擦表面強(qiáng)度和硬度的提高將顯著降低磨損率，但如果硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(如碳化物)或CNTs等摻雜物添加過多，改變了摩擦表面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，則磨損結(jié)果和機(jī)制可能將完全不同。Cheng等[11]發(fā)現(xiàn)添加硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)可顯著降低未添加時(shí)的嚴(yán)重磨損剝落效應(yīng)，添加量在25wt.%時(shí)幾乎沒有磨屑出現(xiàn)，而添加量增加到35wt.%時(shí)的磨損面雖然更加光滑，但卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝層和凹陷，磨損機(jī)制也由粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閯儗优c氧化磨損。同樣的，添加過量的CNTs也會(huì)造成摩擦表面內(nèi)部疏松而降低耐磨性[15]。

3 試驗(yàn)條件對摩擦磨損行為的影響

在實(shí)際摩擦磨損試驗(yàn)中，磨損行為表現(xiàn)出的差異性往往與試驗(yàn)條件緊密相關(guān)，如環(huán)境溫度、摩擦速率、試樣載荷、滑動(dòng)距離、環(huán)境氣氛、摩擦副與試樣的相對硬度等，這些試驗(yàn)條件之間往往還會(huì)相互影響或制約。

3.1 環(huán)境溫度

金屬材料的組織結(jié)構(gòu)、硬度、強(qiáng)度、韌性及表面狀況往往隨溫度升高而產(chǎn)生變化。在實(shí)際應(yīng)用中，材料處于高溫工況或由于劇烈摩擦導(dǎo)致高溫等情況較為常見，因而有必要了解材料的摩擦學(xué)性能隨溫度變化的情況。

Bai等[8]通過 MA-PAS 法原位反應(yīng)制備了Al2O3/Fe-25Al復(fù)合材料并系統(tǒng)研究了材料在Ar氣氛保護(hù)下從室溫到773K 的摩擦學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)材料的摩擦系數(shù)隨溫度升高逐漸降低，在637K 達(dá)到最低值0.47，繼續(xù)升溫至773K 則再次升高到0.52，但仍低于473K 時(shí)的0.65，且在所有溫度下的摩擦系數(shù)均低于純Fe-25Al，在4wt.%Cr/Fe3Al-20wt.%Al2O3體系中Bai等也得到了相同的趨勢[18]。

Zhang 等 分 別 研 究TiC/Fe-28Al-Cr[13]、Ba0.75Sr0.75SO4/Fe3Al[17]體系后發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)隨溫度升高總體上也表現(xiàn)出先降后升的趨勢。值得一提的是，溫度從室溫升高到200℃時(shí)，含有TiC硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)和Ba0.25Sr0.75SO4自潤滑顆粒復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均表現(xiàn)出小幅上升的趨勢，200℃之后再次緩慢下降，而Bai等制備的復(fù)合材料中盡管也含有Al2O3硬質(zhì)材料，但并未觀察到這一現(xiàn)象。以上論著并未深入探討此問題，且所知文獻(xiàn)中均未對此現(xiàn)象進(jìn)行探討。以上文獻(xiàn)摩擦系數(shù)隨溫度變化情況擬合如圖2所示。

圖2 Fe3 Al復(fù)合摩阻材料的摩擦系數(shù)隨溫度變化擬合圖[8，13，17，18]Fig.2 Variation of friction coefficient of Fe3 Al with the increasing temperature

值得注意的是，Bai等的研究中所使用的摩擦副材料分別為GCr15 軸承鋼[8]和Inconel718 合金[18]，而Zhang等[13-17]的研究中均使用了Si3N4硬質(zhì)球作為摩擦副。溫度升高首先將導(dǎo)致材料表面微膨脹，表面變得更為粗糙，且材料表面粗糙顆粒與基體的結(jié)合力逐漸增強(qiáng)，當(dāng)摩擦副為不易磨損的硬質(zhì)材料(如Si3N4)時(shí)，雙方表面粗糙顆粒的咬合力增強(qiáng)，宏觀上就表現(xiàn)為摩擦系數(shù)的升高；而當(dāng)摩擦副為非硬質(zhì)材料(如GCr15軸承鋼或Inconel718 合金)時(shí)，逐漸軟化的摩擦副在面對表面強(qiáng)度和硬度逐漸升高的復(fù)合材料時(shí)將首先被磨損，宏觀上就表現(xiàn)為摩擦系數(shù)的降低。

磨損率是除摩擦系數(shù)之外反映磨損狀態(tài)的另一個(gè)重要參數(shù)。影響磨損率的因素多而復(fù)雜，環(huán)境溫度與氣氛、摩擦副的相對硬度、表面氧化狀況、表面磨屑數(shù)量與成分等都對磨損率有顯著影響，且磨損率與摩擦系數(shù)也并非完全正相關(guān)，如Zhang[13]發(fā)現(xiàn)Fe3Al在溫度從200℃升到400℃過程中，摩擦系數(shù)緩慢下降(降低12%)，而磨損率卻因氧化加劇而大幅提高(增加200%)，溫度升到600℃時(shí)磨損率又因Fe3Al強(qiáng)度升高[19]而大幅降低(降低50%)[13]。若剔除氧化因素，磨損率的表現(xiàn)則截然不同，不僅隨溫度升高而大幅降低，且Fe-25Al在800℃還能保持極低的磨損率(10-4mm3·N-1·m-1)[8]。由此可見，氧化是中/高溫摩擦磨損中的重要影響因素，控制磨損環(huán)境氣氛中氧含量或增強(qiáng)材料表面抗氧化性是降低磨損率的有效手段。當(dāng)然，氧化并非只有負(fù)面作用，在磨損面上形成適當(dāng)厚度的氧化層有助于保護(hù)基體，且氧化物磨屑還能降低摩擦系數(shù)從而有效降低磨損率[18]。

氧化在影響材料摩擦系數(shù)和磨損率的同時(shí)，還影響著不同溫度下的磨損機(jī)制和磨損形貌。相關(guān)研究表明，F(xiàn)e-25Al在室溫至200℃的空氣中磨損時(shí)由于氧化作用而表現(xiàn)出表面微裂紋、表面分層及嚴(yán)重剝落等典型的疲勞磨損形貌，溫度進(jìn)一步升高時(shí)由于氧化層增厚和基體強(qiáng)度增加而降低了疲勞磨損效應(yīng)，磨損機(jī)制由疲勞磨損向疲勞磨損和粘著磨損共存轉(zhuǎn)變[13]；在有Ar氣氛保護(hù)時(shí)Fe-25Al在室溫至200℃則僅表現(xiàn)出微犁溝等粘著磨損形貌，溫度進(jìn)一步升高時(shí)則由粘著磨損向疲勞磨損轉(zhuǎn)變[8]。

3.2 滑動(dòng)速率

Mahdi等[12]系統(tǒng)研究了含有0～70mol.%TiC 的Fe3Al復(fù)合覆層(300～600 HV)分別在摩擦速率為0.04～0.8m/s時(shí)對磨Al2O3磨球(1600～1700 HV)的磨損率，發(fā)現(xiàn)磨損率隨摩擦速率增加總體上呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。當(dāng)TiC 含量較低時(shí)(0～30mol.%)，磨損率隨摩擦速率的變化幅度較為明顯，0.1m/s時(shí)達(dá)到最高值，磨損形貌也由起初的輕微疲勞磨損向疲勞裂紋、表面分層和破碎轉(zhuǎn)變；當(dāng)TiC 含量較高時(shí)(50～70mol.%)，磨損率隨摩擦速率的變化幅度則相對較小。值得一提的是，當(dāng)摩擦速率較高時(shí)(0.3～0.8m/s)，所有成分體系的磨損率均隨摩擦速率的提高而顯著降低，某些特定成分在0.8m/s的磨損率與0.04m/s時(shí)相當(dāng)(如30mol.%TiC)甚至更低(如70mol.%TiC)，Yang等[20]認(rèn)為此現(xiàn)象的原因是高速滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫在復(fù)合材料表面形成了保護(hù)性Fe/Al氧化層，保護(hù)基體免受傷害的同時(shí)降低了摩擦系數(shù)，從而降低了磨損率，磨損機(jī)制也由疲勞磨損向氧化磨損及粘著磨損轉(zhuǎn)變。

Wang等[21]通過MA-PAS 制備了Fe3Al(524±7 HV)，研究了常溫下(載荷10N、滑動(dòng)距離500m)與SS304(230±5 HV)對磨時(shí)不同摩擦速率下的磨損行為。研究發(fā)現(xiàn)，與Mahdi等所得結(jié)論不同，體積磨損率與摩擦系數(shù)均隨滑動(dòng)速率的增加(0.065～0.39m/s)而顯著降低。Wang等[21]認(rèn)為，對磨損行為影響較大的是對磨面間的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力，摩擦速率對此影響不大。但提高摩擦速率將顯著升高摩擦表面的瞬時(shí)溫度，從而大幅提高SS304向Fe3Al的轉(zhuǎn)移量，故而顯著降低了體積磨損率，如表1所示。

表1 Fe3 Al合金在不同滑動(dòng)速度下的摩擦系數(shù)、磨損量和磨損率[21]Table 1 Fiction coefficient，wear mass loss and volume wear rate of Fe3 Al alloys at different sliding speed

在上述試驗(yàn)中，Mahdi使用Al2O3磨球的硬度(1600～1700HV)遠(yuǎn)大于0～70mol.%TiC/Fe3Al的硬度(300～600HV)，因而在摩擦試驗(yàn)中主要是Fe3Al被磨損；而Wang使用的摩擦副是硬度較低的SS304(230±5HV)，因而在摩擦試驗(yàn)中將主要被磨損，且一部分磨損產(chǎn)物還將粘附至Fe3Al基體表面。由此可見，對磨表面相對硬度的差異可能是影響試驗(yàn)結(jié)果和磨損機(jī)制的關(guān)鍵，選擇不同的對磨體系將有可能完全改變相同摩擦條件下同種材料的磨損行為。

3.3 摩擦載荷

Yong-Suk Kim 等[22]分別研究了在室溫下具有25%、28%、30% Al含量的B2-Fe3Al和DO3-Fe3Al合金在低載荷下(2～7N)對磨AISI 52100 鋼球(845HV)的干摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)兩種有序結(jié)構(gòu)合金的磨損行為在給定條件下差異不大且DO3型磨損率稍高，且均隨載荷增加而逐漸增大。此外，B2-Fe3Al磨損率曲線斜率表現(xiàn)出隨載荷增加而變大的趨勢，這說明載荷不同時(shí)磨損機(jī)制存在一定的差異性。進(jìn)一步通過SEM 觀察磨損表面發(fā)現(xiàn)，低載荷(2N)下的磨損機(jī)制主要是微犁溝，增大載荷則磨損機(jī)制有向犁溝與表面層剝落共存轉(zhuǎn)變的趨勢。他認(rèn)為這一機(jī)制的主要原因是滑動(dòng)摩擦中表面反復(fù)接觸致使應(yīng)力積累，表層下方的位錯(cuò)密度逐漸增大并沿著高密度位錯(cuò)形成微裂紋，最終導(dǎo)致磨損表面的剝落，表面層下位錯(cuò)聚集所處的深度決定了材料的磨損率。

一些文獻(xiàn)報(bào)道了更高載荷下材料的摩擦磨損行為。Zhang 等[23]使用等離子噴涂法制備了Fe3Al-Al2O3涂層，并研究了載荷為40～80N 時(shí)對磨硬質(zhì)金屬的摩擦學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)和磨損率均隨載荷增加而增大，且重載下(80N)的磨損率增加得更多。與之不同的是，文獻(xiàn)[21]的結(jié)果表明，載荷在10～50N之間時(shí)變化時(shí)，F(xiàn)e3Al的磨損率先隨載荷增加而增加，在載荷為30N 時(shí)達(dá)到最大值，隨后逐漸下降。Fe3Al磨損率下降的主要原因是當(dāng)載荷增大時(shí)，硬度較低的SS304對磨副在重載導(dǎo)致的高剪切力和瞬時(shí)高溫的共同作用下更易被磨損且更快地涂覆至Fe3Al表面，從而降低了Fe3Al的磨損率，而當(dāng)對磨副為高硬度材料時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。這進(jìn)一步證實(shí)了摩擦副的相對硬度在影響摩擦磨損機(jī)制中的重要作用。

4 展 望

由于在中高溫下具有優(yōu)異的機(jī)械性能和摩擦磨損性能，F(xiàn)e3Al可用作高溫下機(jī)械接觸部件、表面涂層材料或剎車材料而備受關(guān)注。通過添加Zr、Cr、Cu、B等合金元素和CNTs、Al2O3、TiC 等復(fù)合材料，F(xiàn)e3Al金屬間化合物的室溫延展性、硬度、強(qiáng)度等機(jī)械性能和摩擦磨損性能已得到大幅改善。

1.已有多種制備方法，但可獲得純度高且晶體結(jié)構(gòu)相同的Fe3Al金屬間化合物的報(bào)道尚未見到。制備工藝有待進(jìn)一步發(fā)展和提高。

2.現(xiàn)有文獻(xiàn)主要研究的是Fe3Al復(fù)合材料的性能特點(diǎn)，其作為摩阻或耐磨材料時(shí)的噪音水平、振動(dòng)幅度等舒適性研究有待加強(qiáng)。

3.當(dāng)摩擦副的相對硬度保持一定時(shí)，如基體硬度遠(yuǎn)大于(遠(yuǎn)小于、相當(dāng)于)摩擦副材料硬度時(shí)，即便添加的復(fù)合材料完全不同，摩擦系數(shù)和磨損率在不同環(huán)境溫度、摩擦速率、摩擦載荷下均有相同的趨勢變化；反之，即便材料體系相同，摩擦磨損行為卻可能完全不同。這說明相對硬度可能是影響材料摩擦磨損行為的關(guān)鍵，有必要開展進(jìn)一步的研究。