碳迁移致Ti(C,N)基金属陶瓷表面复合润滑相原位形成机制及自配副摩擦磨损行为

Ti(C,N)-based cermets suffer severe wear as self-mated couples in dry friction condition in oil, chemical or metallurgy industry. The present mechanism to achieve self-lubricating has side effect on the material properties due to adding foreign substance or adoption of special technology, thus the mechanical properties and the lubricating properties are hard to be combined. Therefore, the project proposes that composite lubricating phases of micro-graphite and oxide could be achieved on the surface of the cermets by the carbon migration process during liquid phase sintering and friction. However, addition of other materials or special treatment process are not necessarily required. The project investigates the inward migration process of carbon during liquid phase sintering and the formation mechanism of binder phase-poor, hard phase phase-rich and carbon-rich gradient surface; the outward migration process of carbon during friction and the formation mechanism of the micro-graphite phase in the binder phase; the oxidation of the core/rim hard phase and the formation mechanism of Mo/Ti oxide; the film-forming mechanism,transition,fracturing and reforming of the composite lubricating film and the synergistic effect during friction condition. The proposed in-situ formation of the composite lubricating phase by carbon migration can enrich the self-lubrication research and can be referred to by anti-wear and friction reducing research of ceramics-metal materials.

石油化工、矿山冶金等行业中Ti(C,N)基金属陶瓷滑动轴承自配副在干式摩擦工况中受到严重的摩擦磨损。目前的自润滑实现机制因添加外来物质或采用特殊工艺而会对基体特性产生影响，难以兼顾力学性能和润滑性能。因此，本申请提出无外来物质和复杂工艺，利用液相烧结和摩擦过程中的碳元素迁移在金属陶瓷表面原位形成微石墨相与氧化物复合自润滑相。项目研究金属陶瓷液相烧结过程中碳元素从表面向内部的迁移规律及贫粘结相、富硬质相、富碳梯度表层的形成机制；摩擦过程中碳元素从亚表层向表层的迁移规律和粘结相中微石墨相的形成机制；摩擦过程中芯/环结构硬质相的氧化过程及Mo/Ti氧化物自润滑膜的形成机制；微石墨与氧化物复合自润滑膜的成膜特点、转移、破裂和再生规律，以及摩擦过程中的协同作用机制。本申请提出的基于碳迁移过程的复合润滑相原位形成机制丰富了自润滑机制的研究，为陶瓷-金属复合材料的抗磨减摩研究提供参考。

石油开采、地质矿山等行业中广泛使用的泵用轴承，是确保旋转机械长期可靠运行的重要基础零件。由于在一定温度和载荷作用下持续摩擦，滑动轴承极易发生磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损等而失效。Ti(C,N)基金属陶瓷是以 Ti(C,N)为基，以金属为粘结剂，并添加金属碳化物制备的硬质材料，具有高硬度、高耐磨性、低密度、低摩擦系数，因而在泵用轴承制造领域备受青睐。但是在自配副形式和润滑条件不利时其作为滑动轴承材料仍容易产生严重的磨损。在石油、海洋、冶金、化工等领域，由于设备结构设计的限制导致外来添加润滑剂无法实施；或者存在一定的温度，润滑油（脂）效果不好，实际工作时的金属陶瓷摩擦副需要在干摩擦条件下服役，磨损严重。 本研究通过渗碳，直接添加，层铺压制-烧结和骤变温度场等不同冶金工艺，在金属陶瓷中引入了自润滑石墨相，制备成功了富碳、富石墨相自润滑梯度金属陶瓷，并研究了石墨相形态、石墨相分布、渗碳梯度层结构与元素分布的控制方式，滑动摩擦过程中自润滑金属陶瓷摩擦温度场分布、表面微石墨相与氧化物的协同润滑机理。研究发现添加石墨的晶粒12μm，含量为1wt.%，石墨相团簇范围最大；将金属陶瓷样品进行固体渗碳处理时，渗碳层厚度（L）与渗碳时间（t）的满足模型L=2.2*102 t；对金属陶瓷梯度自润滑轴套试样在滑动摩擦过程中的瞬态温度场进行了模拟仿真，最大摩擦温度位于接触界面区域，在对磨环表面存在一些呈岛状分布的瞬时高温区域“闪温岛”；摩擦过程中发现了石墨与TiO2/MoO3复合润滑膜的存在，在摩擦过程中，Mo原子与Ti原子的活性提高，与空气中氧原子结合的趋势增加，Mo与Ti的氧化物掉落于界面处，与石墨形成复合润滑膜，减少了硬质颗粒对基体的“犁沟”作用，减小了磨损量。