Fe_3Si金属间化合物在干摩擦及水润滑条件下的摩擦学性能研究.docx

Fe3Si金属间化合物在干摩擦及水润滑条件下的摩擦学性能研究贾建刚1,吕晋军2,马勤1(1.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050;2.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000)摘要:利用高能球磨和热压烧结工艺制备了Fe3Si有序金属间化合物块体材料,考察了其与Si3N4配副时在干摩擦和水润滑条件下的摩擦学性能.结果表明,在干摩擦条件下Fe3Si/Si3N4摩擦副表现出很高的摩擦系数,Fe3Si与Si3N4的磨损率分别为1.408×10-14m3/(N·m)和4.735×10-16m3/(N·m),两者相差近2个数量级;在水润滑条件下,-153-153Fe3Si的磨损率下降而Si3N4的磨损率上升,两者磨损率分别为7.406×10m/(N·m)和2.522×10m/(N·m).另外,在水润滑条件下的摩擦化学产物对Fe3Si的摩擦学性能影响显著.关键词:Fe3Si;摩擦学性能;摩擦化学产物;Si3N4中图分类号:TH117.3文献标志码:A文章编号:100420595(2008)0420299205长期以来Fe3Si金属间化合物以其优异的软磁性能受到广泛关注,它不仅广泛用于音频、视频及卡片阅读器用磁头材料,也有望代替普通硅钢片,成为新一代能量转换用磁芯材料.Fe3Si金属间化合物还具有负的电阻温度系数,是一种有特殊性质的导体,有望成为新型电阻材料[1～3].除了用作功能材料外,Fe3Si金属间化合物也是一种潜在的高温结构材料,文献[4]指出,含25.2at%Si的杜里龙合金(Durironalloy)甚至可以耐沸腾的硫酸腐蚀,同时Fe3Si还表现出良好的耐磨性能.然而,关于Fe3Si金属间化合物摩擦学的报道很少.为此,我们采用机械合金化制粉,热压烧结合成了有序的Fe3Si金属间化合物,考察其与Si3N4陶瓷配副时在干摩擦和水润滑条件下合物块体,热压烧结工艺:温度为1100℃、压力为20MPa、烧结时间为1h.在瑞士CSEM公司产THT072135型高温摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,将热压烧结制备的Fe3Si试盘和Si3N4陶瓷球(直径3mm)组成摩擦副.干摩擦试验条件为:载荷5N、线速度0.5m/s、滑动距离1000m.水润滑介质采用蒸馏,试验条件为:载荷5N、线速度0.4m/s、滑动距离1000m.试验在室温条件下进行,试验前用丙酮超声清洗试样表面.Si3N4陶瓷的磨损率由读数显微镜测量磨斑直径并计算球冠体积而得.采用2206型表面粗糙度测量仪测定Fe3Si磨损断面面积,进而经计算得到磨损率.用D8型X射线衍射仪(XRD)和2010F型透射电子显微镜(TEM)对球磨粉末和烧结产物进行物相分析和结构分析,用JSM26700型扫描电子显微镜(SEM)分析Fe3Si的磨损表面形貌;水润滑条件下的摩擦产物用铜网直接捞取,用TEM观察其形貌,利用PHI25702型多功能X射线光电子能谱仪(XPS)对Fe3Si在水润滑条件下的磨损表面进行元素化学价态分析,选用MgKα线作为激发源,结合能测量精度为±0.3eV,以C1s的结合能284.8eV的摩擦学性能,以期为拓展Fe3Si的应用提供依据.1实验部分将3∶1摩尔比的Fe粉(纯度98%,74μm)和Si粉(纯度99.8%,74μm)置于FritschPulversit2te5型行星式球磨机中进行机械球磨,以GCr15钢球作为研磨介质,球料比为10∶1,球磨机转速为300r/min,球磨时间为20h.用球磨得到的合金粉末在中频感应热压烧结设备中制备Fe3Si金属间化基金项目:国家自然科学基金资助项目;甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS0622B252025).收稿日期:2008201207;修回日期:2008205229/联系人贾建刚,e2mail:lzhjiajiangang@163.com作者简介:贾建刚,男,1977年生,讲师,博士研究生,目前主要从事金属间化合物高温结构材料研究.300摩擦学学报第28卷作为内标.2结果与讨论2.1相组成与结构图1为球磨20h的粉末和热压烧结试样的Fig3SEMmicrographofhot2pressedFe3Si图3热压烧结Fe3Si表面SEM照片的Fe3Si不够致密,表面空洞的直径从亚微米到数微米不等.2.2干摩擦及水润滑条件下的摩擦磨损性能图4和图5分别示出了Fe3Si/Si3N4摩擦副在干Fig1XRDpatternsforthemilledpowdersandthehotpressedsample图1球磨粉末和热压烧结试样的XRD谱图XRD谱图,可看出,在本文的试验条件下,球磨20h的产物为Fe(Si)固溶体.由于球磨过程中粉末经历了反复的变形、断裂