自潤(rùn)滑Cu-10Mn-10Al/石墨復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究

熊赳赳，彭成章，胡忠舉，楊佳霖

（1.湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201）

0 前言

現(xiàn)代工業(yè)裝備已向高速、重載、精密和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展[1]，對(duì)減摩耐磨材料提出了更高的要求，發(fā)展適應(yīng)不同工況條件的減摩和耐磨材料已成為人們研究的目標(biāo)。在前期工作中，我們已制備了不同鋁含量的錳鋁青銅，對(duì)其組織結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明：α+κ相組織的硬度低，摩擦磨損性能差，而單相β固溶體組織的硬度較高，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩耐磨性能[2-3]。

為使材料具有更加優(yōu)良的綜合性能，人們常在金屬基體中加入固體自潤(rùn)滑組分以提高材料的摩擦磨損性能[4-6]。由于石墨本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易與銅基體或銅基體中常見(jiàn)的錫和鉛等元素反應(yīng)，同時(shí)具有良好的自潤(rùn)滑作用、能提高摩擦材料的工作穩(wěn)定性、抗擦傷性和耐磨性等特性，特別有利于降低對(duì)偶件的磨損，并使摩擦副工作平穩(wěn)，因此石墨在銅基自潤(rùn)滑材料中應(yīng)用廣泛[7-12]。

本文選用石墨作為固體潤(rùn)滑組分，對(duì)單相β固溶體組織Cu-10Mn-10Al錳鋁青銅材料進(jìn)行合金優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用粉末冶金方法制備Cu-10Mn-10Al/石墨復(fù)合材料，研究石墨含量對(duì)材料顯微組織、孔隙度和摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 復(fù)合材料制備

試驗(yàn)材料選用75μm的銅粉、鋁粉和錳粉，以及加入部分75μm的鎳粉和鐵粉，粉末純度（wt%）≥99.90%，固體潤(rùn)滑組元石墨的顆粒尺寸為300μm.當(dāng)石墨含量≥10%時(shí)，材料的強(qiáng)度、硬度急劇下降，故本文設(shè)計(jì)成分配比如表1所示。用精度0.1mg電子天平稱(chēng)取粉末，在攪拌轉(zhuǎn)速20 r/min的V型混料器中均勻混合600min后，置于60℃真空干燥箱烘干。取適量混合粉料裝入模具中，用單向壓制法在300～350 MPa壓力下壓制成形，保壓15 s，制成Φ20 mm×8mm試樣坯。用ZM系列真空鉬絲爐在真空度為2.0×10-2以下按一定升溫曲線燒結(jié)成型，之后隨爐冷卻，燒結(jié)溫度曲線如圖1所示。

表1 試驗(yàn)材料的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

圖1 燒結(jié)溫度曲線

1.2 結(jié)構(gòu)表征及性能檢測(cè)

采用阿基米德排水法測(cè)定試樣的密度；用超景深顯微鏡觀察復(fù)合材料的顯微組織。采用HRS-2M型高速往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：干摩擦、載荷分別為10 N和20 N、摩擦速度為600 r/min，試驗(yàn)時(shí)間30 min，對(duì)偶材料為淬火45#鋼球，硬度值為HRC（53±3），摩擦因數(shù)由試驗(yàn)機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)測(cè)定。采用NanoMap500DLS雙模式三維表面輪廓儀測(cè)量磨損劃痕橫截面面積。體積磨損率的計(jì)算公式為W=V/（S·F），式中：W為體積磨損率，mm3/（N·m）；V為試樣的磨損體積；F為加載壓力；S為滑動(dòng)距離。以上每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為3次平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)

圖2所示為不同石墨含量的錳鋁青銅粉末燒結(jié)材料的顯微組織照片?？梢钥闯觯缓脑嚇樱▓D2a）中光亮部分為β相，β相是以Cu3Al為基的固溶體，屬體心立方結(jié)構(gòu)；黑色點(diǎn)狀或絲狀部分為富鐵含錳的κ相，且析出量較多。當(dāng)石墨含量為2%時(shí)（圖2b），復(fù)合材料仍以β+κ相組織為主，基本上相互連結(jié)構(gòu)成材料基體，在其上灰色部分為石墨相，石墨部分摻雜到κ相中成斷續(xù)網(wǎng)狀分布，部分則完全孤立分布。隨著石墨含量的增加，可以看出Cu-10Mn-10Al/石墨復(fù)合材料中石墨相所占面積逐步增大，并且石墨相逐步構(gòu)成連續(xù)網(wǎng)狀，同時(shí)石墨之間相互聚集形成片狀整體，這種均勻分布的組織結(jié)構(gòu)有助于發(fā)揮材料的減摩耐磨性能。當(dāng)石墨含量達(dá)到10%時(shí)（圖2f），石墨聚集形成片狀整體的現(xiàn)象逐步明顯，破壞了基體的完整性，因此石墨含量不宜過(guò)高。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖2 石墨含量對(duì)材料顯微組織的影響

2.2 復(fù)合材料的密度與孔隙度

孔隙是粉末冶金材料的固有特征，孔隙度顯著地影響材料的力學(xué)、物理、化學(xué)和工藝性能。圖3所示為錳鋁青銅粉末燒結(jié)材料的密度和孔隙度隨石墨含量的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，燒結(jié)材料的密度隨著石墨含量的增加而降低。這是由于石墨的密度為2.25 g/cm3，而銅的密度為8.96 g/cm3，增加石墨含量必然會(huì)降低燒結(jié)材料的密度。另一方面，在不加入石墨的原粉末燒結(jié)基體中，試樣是有10%左右孔隙度的半致密材料。這是因?yàn)槌煞峙浔戎杏休^高的Al含量，Al活性較高，會(huì)奪取材料中的氧形成氧化鋁，在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)阻礙液相的流動(dòng)和分子間的擴(kuò)散，影響燒結(jié)致密化的進(jìn)行，從而產(chǎn)生一些較大孔隙[13]。在加入石墨后，材料迅速上升至孔隙度大于15%的多孔材料，但其后隨著石墨含量的增加，孔隙度變化不大。石墨使材料中的孔隙度增加來(lái)自于兩方面，一是石墨自身就屬于多孔材料含有一定的孔隙；二是石墨與Cu間不互溶，均勻分布在金屬基體之間，燒結(jié)過(guò)程中石墨對(duì)金屬原子間的擴(kuò)散起阻礙作用，阻礙燒結(jié)頸的形成，增大材料的孔隙度。但石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2%后，材料試樣的制備過(guò)程中的壓制和燒結(jié)的工藝條件對(duì)過(guò)多的孔隙有一定的充填能力，從而使孔隙度并沒(méi)有隨石墨含量的增加而出現(xiàn)明顯增加[9]。由于孔隙的存在，粉末冶金材料可用于制造多孔含油軸承，其中孔隙就是儲(chǔ)油孔。一般多孔含油軸承的孔隙度在10%～30%，故本文所制備的Cu-10Mn-10Al/石墨復(fù)合材料可用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑加以浸漬，使?jié)櫥瑒┨畛涞讲牧峡紫吨袃?chǔ)存起來(lái)，進(jìn)一步提高材料自潤(rùn)滑性能。

圖3 石墨含量與材料密度和孔隙度的關(guān)系

2.3 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

圖4 所示為干摩擦實(shí)驗(yàn)條件下錳鋁青銅粉末燒結(jié)材料摩擦因數(shù)隨石墨含量的變化情況。從圖中可以看出，在干摩擦條件下摩擦因數(shù)隨石墨含量增加均呈先迅速降低后緩慢增加的趨勢(shì)，不含石墨的原基體摩擦因數(shù)最大，約為0.379，當(dāng)石墨含量為1%左右時(shí)，摩擦因數(shù)最小，約為0.144.

圖4 石墨含量對(duì)干摩擦條件下材料摩擦因數(shù)的影響

經(jīng)計(jì)算得到如圖5所示錳鋁青銅粉末燒結(jié)材料摩擦率隨石墨含量的變化情況?？梢钥闯觯尤胧笤嚇硬牧系哪p率比原基體的磨損率低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，由最高的1.616×10-3mm3/（N·m）降低至最低的1.764×10-5mm3/（N·m），其余變化基本與圖4相似。

圖5 石墨含量對(duì)材料磨損率的影響

圖4 和圖5的結(jié)果表明：石墨的加入能極大地改善錳鋁青銅粉末燒結(jié)材料的摩擦磨損性能，這是因?yàn)樽鳛楣腆w潤(rùn)滑劑加入基體的石墨在摩擦過(guò)程中受載荷擠壓和熱作用，脫落并填入相對(duì)滑動(dòng)表面的微觀凹坑中形成一層較為穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，并靠本身的“自耗”來(lái)不斷補(bǔ)充和提供固體潤(rùn)滑劑、修復(fù)被撕裂貨劃傷的潤(rùn)滑膜，從而起到減摩作用[14]。但是隨著石墨含量的增加，在基體中屬于軟質(zhì)相的石墨對(duì)基體的割裂作用越加明顯，破壞了基體的連續(xù)性，從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能的下降。當(dāng)石墨含量超過(guò)2%之后，這種割裂作用帶來(lái)的材料性能下降的影響超過(guò)由石墨形成潤(rùn)滑膜的影響，從而使材料的摩擦磨損性能降低。

另一方面在20 N的載荷下，材料的的摩擦磨損性能優(yōu)于10 N.根據(jù)修正粘著理論，由公式μ=（S·Ar）/P 可知[15]，當(dāng)載荷 P 增大時(shí)，實(shí)際接觸面積Ar也增大。但由于此處的接觸表面處于彈性或粘彈性狀態(tài)，Ar的增加速率小于P的增加速率，因此，20 N載荷條件下的摩擦因數(shù)比10 N的小。另外較大的載荷也有助于材料中石墨的轉(zhuǎn)移，形成更穩(wěn)定的自潤(rùn)滑膜，起到顯著的減摩耐磨作用。

對(duì)于市面上廣泛使用的鋁青銅（Cu-9Al-4Fe-4Ni-2Mn），在同一摩擦實(shí)驗(yàn)條件下，得到如圖6和圖7所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其平均摩擦系數(shù)為0.392，磨損率為2.139×10-4mm3/（N·m）。選取選取Cu-10Mn-10Al+2%C復(fù)合材料作對(duì)比，其平均摩擦系數(shù)為0.17，磨損率為1.724×10-5mm3/（N·m）.由此可以說(shuō)明Cu-10Mn-10Al/石墨復(fù)合材料作為新型無(wú)鉛銅基自潤(rùn)滑減摩耐磨材料是可行的，能滿足在減摩耐磨的使用要求。

圖6 兩種摩擦材料在相同條件下的摩擦系數(shù)曲線圖

圖7 磨損輪廓曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）Cu-10Mn-10Al/石墨復(fù)合材料的基體合金主要為β相固溶體和少量第二相κ相；固體潤(rùn)滑組分石墨在燒結(jié)過(guò)程中，主要以單質(zhì)相的形式存在，且隨著石墨含量增加部分會(huì)形成連續(xù)網(wǎng)狀，部分則相互聚集形成片狀整體。均勻分布的組織結(jié)構(gòu)有助于發(fā)揮材料的減摩耐磨性能。

（2）較高Al含量易形成氧化鋁，與石墨一起增大材料的孔隙度，并隨石墨含量增加，使孔隙度保持在16%左右不變。適當(dāng)?shù)目紫犊梢宰鳛閮?chǔ)油孔，有利于進(jìn)一步提高Cu-10Mn-10Al/石墨復(fù)合材料的自潤(rùn)滑性能。

（3）在Cu-10Mn-10Al/石墨復(fù)合材料中，石墨對(duì)材料摩擦磨損性能有顯著影響。在干摩擦條件下，材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨石墨含量增加呈現(xiàn)先迅速降低后緩慢增加的趨勢(shì)，在石墨含量為1%時(shí)，材料的摩擦因數(shù)和磨損率最小。并且隨著載荷的提高，摩擦表面能形成更穩(wěn)定的自潤(rùn)滑膜。