[发明专利]具备超低摩擦系数的金属或合金以及能够大幅降低金属或合金摩擦系数的方法

说明书

本发明涉及降低金属材料摩擦系数的技术，具体为一种具备极低摩擦系数的金属或合金材料，以及在大载荷条件下能够大幅降低金属或合金摩擦系数的方法，适用于金属材料铜、镍、铁等及其合金。本发明通过施加塑性变形，在金属及其合金材料表面引入梯度纳米结构，自表及里晶粒尺寸由最表层纳米尺度梯度过渡为芯部微米尺度的粗晶结构，获得了一种具备超低摩擦系数的金属或合金。该金属或合金具备梯度纳米结构，其摩擦系数显著低于普通粗晶状态的金属或合金，在载荷为10～100N范围内，其摩擦系数由粗晶态的0.6以上降低至0.42以下。

技术领域

本发明涉及一种具备极低摩擦系数的金属或合金材料，以及在大载荷条件下能够大幅降低金属或合金摩擦系数的方法。

背景技术

众所周知，摩擦将导致大量机械能无效损耗，据不完全统计，能源的30～50％消耗于摩擦与磨损；对材料来说，60％～80％的失效由磨损引起。干摩擦条件下，金属材料的摩擦系数通常很高，一般范围在0.6～1.2之间，主要原因是在摩擦过程中接触表面下方产生塑性变形，导致表面粗糙化以及形成易脱落的摩擦层。降低金属摩擦系数对于提高工程应用中金属零件之间接触的可靠性及效率，以及降低磨损造成的损耗至关重要。由于摩擦系数反映摩擦系统中接触物体之间的状态，依赖于材料所处摩擦学系统的条件。因此，摩擦系数对于材料微观结构(不改变化学成分)的改变并不敏感，干摩擦条件下，降低金属的摩擦系数在技术上极具挑战性。

对于金属材料而言，晶粒细化到纳米量级，大多数服从Hall-Petch关系，硬度较普通粗晶材料显著提高，是否能够降低摩擦系数，提高耐磨性无疑成为摩擦学工作者极为关注的问题。

对于大多数均匀纳米结构金属材料而言，尽管文献报道相对于粗晶状态其硬度提高，耐磨性有不同程度提高，但很少发现其摩擦系数大幅度下降的现象，仅有几例都是在很小载荷(极低接触应力)的情况下发生。例如，纳米晶Ni在载荷为98mN(最大Hertz接触应力为511MPa)、滑动速度为1.25mm/s时，摩擦系数为0.3。而当接触应力或滑动速度增大时，摩擦系数增大为0.6～0.7，与粗晶Ni基本一致(参考文献1：S.V.Prasad等,Scr.Mater.(材料快报)，2011，64：729)。究其原因，在摩擦过程中，均匀纳米结构金属塑性变形能力极为有限，材料表面容易发生应变局域化，导致摩擦表面粗糙化，形成易剥落的摩擦层，摩擦系数与粗晶材料相比没有明显变化，很难真正意义上降低摩擦系数，耐磨性的提高有很大的局限性，这正是利用纳米结构降低金属材料摩擦磨损所面临的重要难题。

最近，我国材料科学家Lu等人(参考文献2:K.Lu,Science(科学)2014，345,1455)提出一种金属的梯度纳米结构，其具备高强度和高拉伸塑性，以铜棒为例，表层梯度纳米结构屈服强度高达660MPa，约为粗晶铜10倍，其拉伸真应变高达100％时仍未出现裂纹，塑性变形能力相比均匀纳米结构铜显著提高，但是仍未真正触及并解决降低金属或合金摩擦系数的问题。

发明内容

本发明的目的在于围绕金属或合金材料的摩擦学特性，首次发明了一种具有超低摩擦系数的金属或合金，并提出了降低金属或合金摩擦系数的方法。

本发明的技术方案是：

一种具备极低摩擦系数的金属或合金，该金属或合金具备梯度纳米结构，其摩擦系数显著低于普通粗晶金属或合金，在载荷为10～100N范围内，其摩擦系数由粗晶态的0.6以上降低至0.42以下。

该金属或合金的梯度纳米结构为：表面为纳米晶，芯部为粗晶，中间过渡区域为变形结构，自表及里晶粒尺寸由最表层纳米尺度梯度过渡为芯部微米尺度的粗晶结构。

上述梯度纳米材料的尺寸为：最表层晶粒尺寸为25～40nm，纳米晶层(晶粒尺寸<100nm)厚度约为80～100μm，由表及里晶粒尺寸从25～40nm梯度过渡为芯部20～50μm，变形层厚度为700～800μm。

上述金属或合金的种类为铜、镍或铁等金属材料；或者，铜、镍或铁的合金。