极端环境下的摩擦学问题及解决方法
0引言
摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。
人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类已知钻木取火。《诗经·邶风·泉水》已有“载脂载舝，还车言迈”的诗句，表明中国在春秋时期已较普遍地应用动物脂肪来润滑车轴。应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著《博物志》。书中提到酒泉延寿和高奴有石油，并且用于“膏车及水碓甚佳”。但长久以来摩擦学的研究进展缓慢。直到15世纪，意大利的列奥纳多·达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径。1785年，法国C.库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。
摩擦学研究的对象很广泛，其中极端环境下的摩擦学在近20年来发展迅速。极端工况条件下的摩擦学问题包括宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。
1极端环境下的摩擦学概况
随着航天、航空、信息等高技术和海洋开发、先进制造技术等工业的迅速发展,迫切需要解决极端条件如高承载、高速度、高真空、高低温、强辐射及各种外场作用下的摩擦学问题。极端条件下的摩擦学与常规系统中摩擦、磨损和润滑相比,主要有如下特点:①高真空下(如10-11 Pa)缺少氧化膜的润滑作用,易发生冷焊;②高速(如40 000 r/min)、重载(如数GPa)、宽温度范围(如- 269℃ ～2000℃ );③强辐射、空间低轨道(10-5～ 10-7 Pa)下原子氧的侵蚀;④低摩擦和摩擦噪声(如摩擦系数0.01)、长寿命(数十年)、高可靠性;⑤高PV值、强氧化(如液氧)和强还原(如液氢)介质;⑥模拟试验异常困难。我国及欧洲主要使用固体润滑来解决极端条件下,如空间摩擦学问题,而美国则应用带密封装置的低蒸气压液体润滑剂或固体润滑来解决空间摩擦学问题。针对我国空间站、卫星、火箭、航空等计划和信息技术、先进制造技术等所遇到的多种苛刻工况下的摩擦学问题,开展特殊条件下摩擦、磨损与润滑的研究势在必行。这方面的研究也是认识材料在极端条件下的结构与性能变化的重要内容[1]。
2 极端环境下的摩擦学问题及解决办法
2.1高真空下摩擦学问题及解决办法
真空摩擦学是研究真空环境下两个相互运动接触、表面摩擦、磨损和润滑的工程科学。航天器在太空高轨道上运行过程中所承受的空间气压为10-11Pa量级，而在近地轨道上运行期间所承受的空间气压处于10-5~10-7Pa量级的范围，与此对应的舱内真空度为10-4Pa量级。研究表明，在上述真空条件下，摩擦表面不能形成降低摩擦的金属氧化物或污染物层而导致高摩擦因数，摩擦热不能通过气体对流传导而带走，摩擦面温度急剧上升而易于发生黏着磨损。
随着航空航天技术的迅速发展，对真空摩擦学系统提出了新的要求。真空摩
擦润滑的优劣，必然会对整个空间计划的实施产生重大影响。
案例分析 (1)空间站
空间站的计划寿命长达30年(普通航天器的大都在10年以下)，这就要求其对摩零部件的摩擦学性能优异，而且这些零部件都可以维修并重复使用。由于对接机构长期暴露于空间环境，对真空、失重、辐照和原于氧侵蚀的长期效应都需要进行深入系统的考察，其中电插接件、流体连接器及密封件等多次接合与脱开，故其偶件都需要可靠的润滑，并且必须在相应的空间条件下进行考察。空间站和极地平台的巨大太阳能电池阵的驱动机构及展开和收缩机构、高功率电刷—滑环和特大直径轴承等，都应当保证可靠的润滑并防止真空冷焊。 (2)先进的运载工具
先进的运载工具主要包括火箭发动机、宇宙飞船和航天飞机，它们支撑着整个空间计划的实施。其中，在超低温和强活性环境中重载、高速轴承的润滑，以及在高压下从超低温至高温的密封(动、静)都是关键技术。 (3)地球资源卫星
合成孔径雷达天线长U m以上，要求它的铰链处于超低摩擦，且其展开通度很低，因而必须采用固体薄膜润滑，并确保系统能够承受发射过程中的强烈振动和冲击过载。因为天线太大很难进行地面真空试验，而目前使用的润滑薄膜在大气中的润滑性能一般都差，所以需要研制在真空和大气等不同环境中都具有优异摩擦学性能的润滑薄膜，以便充分而系统地完成地面模拟试验。 (4)空间机械臂和空间机器入
空间机械臂和空间机器人都长期暴露在空间环境中从事维修和伺服等工作。其中，大量采用的谐波齿轮传动减速器(简称谐波减速器)的动作必须干稳、可靠，而且应当能够承受大的惯性载荷并具有长寿命。这就需要实现谐波减速器良好的固体润滑，并对其在真空条件下的实用性能进行严格考察。
(5)远程通讯用中继卫星和有效载荷及航天器的发展与试验计划
能定向和跟踪的可展开天线很大(直径大于5m)，需要对其谐波减速器和定向机构的固体润滑系统进行优化设计与施工，使之能够承受大的惯性载荷并具有长寿命，同时还要解决与上述大型太阳能电池阵和雷达天线类似的其它技术问题。由于在失重条件下生长无缺陷的晶体，以及激光通讯和定向机构等都需要长时间保持无振动操作，因而必须使其光机电运动部件具有超低的摩擦和摩擦噪声。 主要技术途径概述：
解决真空摩擦学问题的主要技术途径。目前，已经得到应用的主要空间润滑技术有：球轴承内外围采用物理气相沉积(PVD)MoS2或Pb的固体润滑薄膜(以塑料基自润滑复合材料或铅青铜作保持器)，其应用面占现有空间机械用球轴承的90％以上，其典型寿命试验结果。可以看出，在轴承内外围均以MoS2薄膜润滑的情况下，用自润滑复合材料[如聚四氖乙烯(PTFE)基复合材料]保持器时的球轴承寿命比用钢保持器时的高100倍，但其摩擦力矩却明显增大(增幅约80％)。尽管如此，但毕竟对人们改进这类材料配伍并进行深入系统的机理研究指出了方向；用气相沉积T1C或TiN配以MoS2基自润滑薄膜进行表面处理，或用低蒸汽压的油或脂以贮油器和防爬壁的形式进行润滑，均可延长轴承或齿轮的工作寿命；将塑料基与金属基自润滑复合材料组合配对用于齿轮副、滑动轴承或球形连接器以实现润滑；将A8—MoS2基自润滑复合材料制作成电接触摩擦副的一方(如电刷或触点)可防止真空冷焊[2]。
2.2 高温摩擦学问题及解决办法
些较为常见的高温工作环境，如燃烧炉中的炉篦；沸腾炉中的管壁；各种机械的发动机、内燃机；高速工作中的底盘、齿轮等传动系统；夏季工作下的轮胎、传动胶带；这些都会产生高温摩擦磨损现象。相比于常温条件下，材料在高温条件下产生摩擦磨损，使材料产生更多的消耗和使用寿命剧烈地减少，而且这些类高温摩擦情况较为普遍，消耗更为严重，因而我们迫切地需要提高材料的高温耐磨性，以减少高温工作条件下的摩擦磨损。
自1974年研究绝热发动机以来，英国、美国、日本等国家先后投入巨资对其进行研究，以期实现绝热发动机在军用和民用上的巨大价值。
常规的水冷柴油机，气缸磨擦表面的温度在250到300℃，允许油膜存在。绝热发动机的磨擦表面温度高，第一活塞环返回点的环—壁接触表面温度在530到650℃，绝热柴油发动机轴承衬垫的工作温度更是高达600~1000℃[3]。现在的润滑油，包括耐高温的合成机油，超过425℃都将立即蒸发并燃烧，在530到650℃,不可能存在油膜[4]。但适当选用摩擦副材料和润滑剂，活塞环—缸套仍能工作良好。这很可能是靠某种固体润滑剂，或某种润滑油的分解产物，或者陶瓷材料本身就有自润性，形成高温下的润滑膜，达到润滑减磨的效果。
绝热发动机由于工作温度高，在摩擦学方面会出现许多特殊问题，需要调查研究,逐一解决。因而要实现绝热发动机，其高温摩擦性问题必须得到解决。 2.2.1高温摩擦磨损机制
乔玉林等[3]对热轧钢/热轧钢摩擦副干摩擦高温摩擦行为进行了研究,结果表明,试验速度对热轧钢/热轧钢摩擦副的高温磨损机理有很大的影响,在高速(0132m/s)条件下,高温磨损机理主要是磨粒磨损;而在低速(0110m/s)条件下,高温磨损机理主要是粘着磨损。
不同的材料其高温摩擦磨损机制是不同的，影响其磨损的因素有很多，其磨损机理也可能是多种机制构成的。
①磨粒磨损
对于硬度较大的材料，会发生微观切削、微观犁沟和微观断裂。一般来说硬度越高，抗磨损性能越好。耐磨材料由于其产生硬质点易造成磨粒磨损。
②粘着磨损
对于硬度较小的材料和较低的试验速度下易发生粘着磨损。粘着磨损分为涂抹、擦伤、撕脱和咬死。
③氧化磨损
氧扩散到摩擦副的变形层内，形成氧化膜。氧化膜的生成和不断剥落会形成氧化磨损。由于在高温条件下，摩擦副更易形成氧化膜，所以高温下最主要的磨损机理是氧化磨损。
2.2.2影响高温摩擦系数的因素
乔玉林等[3]对热轧钢/热轧钢摩擦副干摩擦高温摩擦行为进行了研究,结果表明,在试验范围内热轧钢/热轧钢摩擦副的高温摩擦系数随时间的延长呈增长趋势,增长趋势的快慢与试验参数有关,高速时的高温摩擦系数明显低于低速时的高温摩擦系数;大量氧化铁磨屑的产生是造成热轧钢/热轧钢摩擦副高温摩擦系数上下波动的主要原因。
刘爱华[4]分别对CrAlN、AlTiN、TiAlN、CrN和AlN五种PVD氮化物涂层在200 ℃~700 ℃的高温摩擦磨损特性及机理进行了研究,结果表明，由于摩擦温升,涂层氧化更易发生,尽管涂层的轻微氧化可以提高耐磨性,但氧化加剧却可以
造成涂层的最终失效。实验还表明，温度、试验速度、载荷等都会对材料的高温摩擦系数产生影响。
总结得出材料的高温摩擦系数主要是由温度、试验速度、实验载荷这三种因素影响的，其次还受摩擦里程和摩擦系统介质等因素的影响。 2.2.1 解决方法
1.表面工程摩擦技术
刘爱华[4]分别对CrAlN、AlTiN、TiAlN、CrN和AlN五种PVD氮化物涂层在200 ℃~700 ℃的高温摩擦磨损特性及机理进行了研究，将五种不同的氮化物涂层在不同的温度、加载速度和载荷下进行实验，发现AlTiN最适应高温高速高载的摩擦环境。并发现涂层高温下都会发生氧化磨损，硬度较低的CrN发生塑变而失效，硬度较高CrAlN发生磨粒磨损，化学活性高的AlTiN会发生粘着磨损。
李志明，钱士强等[5]对电刷镀Ni-P合金镀层的高温摩擦磨损性能进行了研究，实验结果表明，在20CrMo的基体上，电刷镀合金Ni-P层能有效降低试样在高温（450 ℃）下的摩擦因数，减少磨损量。其磨损原理为氧化磨损、犁沟切削和磨粒磨损。
张平等[6]采用网格化激光淬火和低温离子渗硫技术对42MnCr52钢进行复合表面处理，与未处理样品相比较,硬度提高20%左右,摩擦因数降低约10%,磨损失重量减少50%以上，具有显著的抗高温摩擦磨损性能。其渗硫层疏松多孔，具有储油功能，改善了润滑条件。
王耀华等[7]采用高温摩擦磨损试验机研究从室温(25℃)至700℃下Fe-Al/TiC激光熔覆层与Si3N4球配副时的摩擦磨损特性,探讨了涂层的高温摩擦磨损机理。其熔覆层的高温磨损机理为剥层磨损。
袁建辉等[8]通过大气等离子喷涂方法,使用自制的含有WC-Co、Cu和BaF2/CaF2共晶体的复合喷涂粉末,制备出WC-Co-Cu-BaF2/CaF2自润滑耐磨涂层。在200℃、400℃和600℃下进行WC-Co-Cu-BaF2/CaF2涂层和WC-Co涂层的高温摩擦试验。其摩擦产物层光滑致密，摩擦因数和磨损率都较小。 2．润滑技术和材料
李建亮等[9]进行了宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究，采用脉冲激光在镍基材料表面刻蚀微孔来存储润滑氧化物；采用双层辉光等离子渗金属技术对微孔化表面渗Mo或Mo／N复合渗处理以改善表面耐磨性能。
孙晓峰等[10]研究了纳米SiO2在润滑油中的高温摩擦学性能，发现纳米SiO2能明显改善菜籽油的高温减摩抗磨性能,在500℃时,摩擦因数仅为0.16,磨损量降低了80%以上。
姜美焕等[11]做了双咪唑离子液体的合成及其高温摩擦学性能研究，发现烷基链连接的双咪唑离子液体的减摩抗磨性能明显优于醚链连接的双咪唑离子液体,且缩短双咪唑离子液体的连接链长度有利于提高其摩擦学性能。 3.耐磨材料
周松青等[12]研究以SiC为基体,用TiC和B4C为原料,采用新的反应原理生成TiB2,原位合成了TiB2-SiC基复相陶瓷,提高了SiC陶瓷的物理性能和高温摩擦学性能。高温摩擦氧化是TiB2-SiC基复相陶瓷自对偶高温磨损主要机理。
张辉[13]研究了三种典型硬脆刀具材料(PCD刀具、Al2O3/TiC陶瓷刀具和硬质合金刀具)的高温摩擦磨损特性,揭示了硬脆刀具材料高温摩擦磨损机理,从而为刀具材料的设计和选择提供理论依据。
刘佐民[14]对M50 高速钢高温摩擦磨损特性进行了研究，结果表明：在温度高于400℃的条件下，由于摩擦热与环境温度的共同作用，使材料的接触界面保持半熔融状态，在滑动过程中于摩擦表面形成了一层“金属膜”，使摩擦因数明显降低，尤其在600℃高温下的摩擦因数和磨损率都几乎最低，而且都相当平稳。
此外，还有学者对各种复合材料和酚醛树脂等无机化学合成材料的高温摩擦特性及磨损机理进行了研究。 2.3 高速摩擦学问题及解决办法
高速摩擦（4~6×104 r/min）主要的失效形式是剪切断裂。高速摩擦学,是研究摩擦副处在相对高的滑动速度时,两个表面之间相互作用、变化及有关理论和实践的学科。通常人们将制动摩擦线速度大于40m/s的制动工况认为是高速摩擦。随着科学技术的发展,对交通运输工具和动力机械的速度和安全性要求越来越高,对制动装置及制动材料的性能也提出了更高的要求。例如制动材料要有足够而稳定的摩擦系数,动、静摩擦系数之差小;良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度;良好的耐磨性和抗粘着性,不易擦伤对偶件,无噪声;低成本,对环境无污染等。传统的制动材料已不能满足高速条件下的需要,这就必须开发新的摩擦制动材料,研究高速摩擦条件下各种因素对材料摩擦学性能的影响。但这方面前人的研究工作不多,本文综述了这方面的研究进展,着重讨论了高速条件下速度、温度、正压力对材料摩擦学性能的影响。
相对滑动速度v对摩擦系数μ的影响一般情况下,相对滑动速度v越大,摩擦系数μ越小。具体减小的程度,不同的学者根据各自的实验条件得出的结论也不一致。如法国人Boehet通过机车车辆的制动试验得出了摩擦系数与滑动速度的关系表达式为：
μ= k/(1+ 0.73v)
式中: k为系数,对于干燥钢轨k= 0.45,潮湿钢轨k= 0.25; v为滑动速度(m/ s)。 1882年德国学者FrankG提出了摩擦系数与速度的经验公式
μ=μ0+ e- cv (2)
式中:μ0———静摩擦系数; C———常数。
金属切削加工的过程可以归结为切削物(刀具、磨粒等)对被切削物的剪切、挤压、变形等引起的烈摩擦和磨损的过程。高速切削过程中产生的高温、高压和大变形使得刀具和工具之间的摩擦学特性与传统的切削过程中的摩擦学特性具有明显的区别。高速切削摩擦学不仅研究刀具和工件之间的相对运动和摩擦、刀具磨损和破损,材料的力学特性、物理特性以及化学特性之间的匹配,同时也研究切削条件和周围环境条件(如空气,切削液)对摩擦、已加工表面的影响。在高速条件下,虽然刀具表面原有的吸附膜容易被破坏,但高速切削所带来的高温条件,容易使刀具表面形成新的氧化膜,并且使黏结区材料因高温而软化,使刀屑间的摩擦力降低。目前,研究者在zorev模型的基础上提出了六种不同的摩擦模型来模拟高速切削过程中前刀面的摩擦情况:(1)常系数摩擦模型(2)存在两种摩擦系数的模型(3)黏结区常极限剪切应力与滑动区常库伦摩擦力模型(4)随温度变化的摩擦系数模型(5)黏结区随温度变化的极限剪切应力与滑动区常库伦摩擦力模型(6)黏结区常极限剪切应力与滑动区随温度变化的库伦摩擦力模型。高速切削加工中,刀具与切屑之间的摩擦系数对切削过程产生重大影响。
高速切削摩擦学是一门处于多学科交叉领域的学科,可以为指导高速切削过程中新型刀具材料的制造以及刀具寿命预测和刀具设计提供理论基础。高速切削过程中的高温、高压、高应变速率使刀屑以及刀工之间的摩擦学特性具有显著的
张冬-极端环境下的摩擦学问题及解决方法
