石墨和MoS2對AerMet100基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

茍 州， 李長生， 張 號， 季琳琳

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

0 前 言

AerMet100鋼是一種綜合性能優(yōu)異的新型超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度硬度、高斷裂韌性、優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能和抗疲勞性能，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是作為齒輪、輪軸和曲軸等傳動件使用時，則需要改善其摩擦學(xué)性能。近年來，許多研究者在金屬基體材料中添加固體潤滑劑，采用粉末冶金工藝制取摩擦學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，在摩擦副的作用下固體潤滑劑會在材料表面形成潤滑薄膜[4-6]，可以有效降低材料在使用過程中的摩擦損耗，延長零件服役壽命。石墨和MoS2的晶體結(jié)構(gòu)相似，潤滑機(jī)理相近，摩擦系數(shù)低，具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，常作為固體潤滑劑用于制備金屬基自潤滑復(fù)合材料[7-10]。Skarvelis等[11]使用MoS2制備了具有優(yōu)良摩擦學(xué)性能的自潤滑涂層。朱和明等[12]通過在TA7鈦合金涂層中加入石墨，顯著改善了合金的耐磨性能; 當(dāng)石墨濃度為3 g/L時，涂層摩擦系數(shù)保持在0.15以下，表現(xiàn)出良好的減摩特性。Ren等[13]在酚醛復(fù)合材料中添加石墨，顯著降低了材料的摩擦系數(shù)和磨損率。

綜上可知，國內(nèi)外學(xué)者對于石墨和MoS2的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了廣泛研究，但多數(shù)是以涂層為研究對象，將石墨和MoS2作為固體潤滑劑方面的研究需要加深。此外，關(guān)于提高AerMet100鋼基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的研究匱乏，研究石墨和MoS2在常溫下對AerMet100基復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)理十分必要。本工作以AerMet100鋼粉末為基體，以石墨和MoS2為固體潤滑劑，并同時添加一定的Cu粉，發(fā)揮合金元素的復(fù)合強(qiáng)化效果，提高材料的綜合力學(xué)性能，采用粉末冶金工藝制備石墨/MoS2/AerMet100復(fù)合材料，分析比較不同含量的石墨和MoS2對AerMet100基復(fù)合材料密度、孔隙率、硬度和摩擦學(xué)性能的影響，研究石墨和MoS2的協(xié)同潤滑作用和相應(yīng)減摩耐磨機(jī)理，為進(jìn)一步改善AerMet100基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能和擴(kuò)大其工業(yè)應(yīng)用范圍提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 復(fù)合材料制備

AerMet100鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如下：C 0.210～0.250，Co 13.000～14.000，Ni 11.000～12.000，Cr 2.900～3.300，Mo 1.100～1.300，S+P≤0.005，F(xiàn)e余量。AerMet100鋼粉末的純度>99%，粒度為200目；MoS2的純度>99%，粒度為200目；鱗片石墨的純度>99%，粒度為200目；Cu粉的純度>99%，粒度為200目?？偣苍O(shè)計(jì)5組配方如表1所示。

表1 石墨/MoS2/AerMet100復(fù)合材料成分配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

按表1的成分配料，將稱量好的原料放入球磨罐中，球料比為10∶1，罐內(nèi)加入適量無水乙醇，抽真空并充入氬氣，防止原料在球磨過程中被氧化，在行星式球磨機(jī)上以400 r/min的頻率間隙球磨12 h。球磨后的粉末在75 ℃下真空干燥7 h，將干燥后的粉末充分研磨。將研磨均勻的粉末放入模具中，在小型液壓機(jī)下以500 MPa壓力壓制，保壓時間為3 min，壓制成圓盤(φ25 mm)。將圓盤置于管式爐中燒結(jié)，在燒結(jié)過程中，不斷通入氬氣以防止試樣氧化，燒結(jié)溫度為1 150 ℃，保溫時間為1.5 h，隨爐緩冷至室溫。將燒結(jié)后的試樣經(jīng)砂紙打磨、拋光和超聲清洗后即得到所需待測試樣。

1.2 測試分析

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料微觀組織和物相

圖1是試樣A1,A3,A5在1 150 ℃下燒結(jié)1.5 h所得復(fù)合材料的XRD譜。從圖中可以看出，在氬氣氣氛下，經(jīng)高溫?zé)釤Y(jié)后的復(fù)合材料，未被氧化。其主峰均為鐵基固溶體(Fe - Ni - Cr - Cu)且峰形尖銳，說明高溫?zé)Y(jié)促進(jìn)了晶粒的增長。其中銅的加入起到沉淀硬化的作用，提高復(fù)合材料強(qiáng)度；在燒結(jié)過程中Cu與Ni形成Ni - Cu固溶體，近似于蒙乃爾銅結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和沖擊韌性[14]。在燒結(jié)過程中部分石墨會與Fe，Mo，Mn等合金元素反應(yīng)生成碳化物(MxCy)硬質(zhì)相，碳化物的彌散分布有利于提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和承載能力。在高溫?zé)Y(jié)過程中，一部分MoS2穩(wěn)定存在于復(fù)合材料中，另一部分發(fā)生分解，與材料中的Cr，F(xiàn)e，Co等合金元素反應(yīng)生成FeS和CrxSx+1等硫化物。這些硫化物易于變形，是良好的潤滑劑，在載荷的作用下，可以在摩擦副和材料的接觸面形成均勻致密的潤滑膜，有效降低復(fù)合材料的磨損率和摩擦系數(shù)，提升材料的摩擦學(xué)性能。

圖2是燒結(jié)后試樣的組織結(jié)構(gòu)分布圖，白色物質(zhì)為合金基體，黑色物質(zhì)主要是未反應(yīng)的固體潤滑劑、碳化物、硫化物和氣孔。可以看出隨著石墨含量的增加，復(fù)合材料孔隙率增大，致密度減小，當(dāng)石墨含量為8.0%時，材料組織疏松，結(jié)構(gòu)不規(guī)則，且黑色物質(zhì)團(tuán)聚嚴(yán)重，割裂了復(fù)合材料的基體連續(xù)性，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降。隨著MoS2的添加，復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)變得均勻且呈網(wǎng)狀分布，如試樣A4。但是當(dāng)MoS2的含量達(dá)到8.0%時，也會產(chǎn)生黑色物質(zhì)團(tuán)聚的現(xiàn)象，這是因?yàn)楸M管MoS2與金屬對偶表面的親和力要強(qiáng)于石墨[15]，但是當(dāng)過量加入MoS2時，其在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)增大，阻隔了合金元素之間的擴(kuò)散反應(yīng)，破壞了合金基體的連續(xù)性，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.2 復(fù)合材料物理與力學(xué)性能

表2為復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能。從表2可以看出隨著石墨含量的增加，復(fù)合材料的孔隙率先下降后上升，其密度和硬度均先上升后下降，這是因?yàn)槭c金屬基體的融合性差，其中一部分以不連續(xù)的游離態(tài)存在，阻礙了強(qiáng)化相在金屬基體中的彌散分布，影響了金屬原子的擴(kuò)散，削弱了金屬鍵的結(jié)合作用，使得復(fù)合材料的結(jié)合性和連續(xù)性變差。隨著MoS2的逐量添加，復(fù)合材料的孔隙率先下降后上升，硬度和密度先上升后下降。這是因?yàn)镸oS2與金屬對偶表面的親和力比石墨高，在燒結(jié)過程中MoS2中的硫元素會與金屬元素反應(yīng)，生成CrxSx+1和FeS等硫化物潤滑相。特別是在高溫?zé)Y(jié)時，原子間的擴(kuò)散劇烈，晶界結(jié)合強(qiáng)度提高，進(jìn)一步促進(jìn)元素之間的擴(kuò)散，使得生成的強(qiáng)化相和潤滑相能均勻分布在金屬基體中，復(fù)合材料的致密性提高，密度增大，力學(xué)性能提高[16]。

表2 石墨/MoS2/AerMet100復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能

2.3 復(fù)合材料摩擦學(xué)性能

圖3是石墨/MoS2/AerMet100復(fù)合材料摩擦系數(shù)和磨損率。可以看出在一開始時，摩擦系數(shù)都較大且不穩(wěn)定，這是因?yàn)樵谧畛醯哪ズ掀?，試樣直接與摩擦副碳化鎢鋼球相接觸，接觸面潤滑劑少，摩擦學(xué)性能差。隨著碳化鎢鋼球與試樣對磨時間加長，摩擦系數(shù)開始降低且趨于穩(wěn)定，進(jìn)入了穩(wěn)定摩擦磨損期。這一階段，在摩擦副的碾壓下，鋼球和試樣接觸面的潤滑劑向外擠出而形成連續(xù)光滑的潤滑膜，減少了碳化鎢鋼球和復(fù)合材料的直接接觸，降低了材料的摩擦系數(shù)和磨損率，提高了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。當(dāng)石墨的含量為8.0%，MoS2的含量為0時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率最高，分別為0.34和 4.28×10-5mm-3/(N·m)，摩擦學(xué)性能較差。隨著石墨含量降低、MoS2含量相應(yīng)增加時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率都呈降低的趨勢，這也反映在實(shí)際摩擦試驗(yàn)過程中，磨痕變淺變窄，磨屑減少。特別是當(dāng)添加6.0%MoS2和2.0%石墨時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均達(dá)到最小值分別為0.17和1.21×10-5mm3/(N·m)。但是當(dāng)石墨的含量為0，MoS2的含量為8.0%時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率又開始變大，這表明當(dāng)協(xié)同使用石墨和MoS2作為固體潤滑劑時，復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能較好。

圖4是各試樣的磨痕形貌，試樣A2，A4磨痕所選區(qū)域的EDS譜見圖5。從圖4a可以看出，在摩擦過程中，接觸面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，形成了深且多的犁溝和凹坑，并伴有明顯斷裂的現(xiàn)象，表現(xiàn)為嚴(yán)重的氧化磨損、黏著磨損和疲勞磨損。這是因?yàn)楫?dāng)與金屬對偶表面親和力較差的石墨含量過高時，其所在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)增大，破壞了復(fù)合材料基體的連續(xù)性，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能下降，不能對潤滑膜起到有效的支撐作用，潤滑膜在摩擦副擠壓下斷裂，復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能不好[17]。從圖4b可以看出，隨著MoS2的添加，試樣磨痕變淺，凹坑變少變淺，犁溝和堆積現(xiàn)象有明顯的減弱，疲勞磨損和黏著磨損程度降低。從圖5a可以看出，磨痕區(qū)氧元素含量高，說明在摩擦過程中有氧化磨損。圖4d為添加6.0%MoS2和2.0%石墨試樣的磨痕形貌，整個磨痕表面較為平整，沒有明顯的犁溝、凹坑和磨屑的堆積，此時僅表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損。從圖5b可以看出，S，F(xiàn)e，Cr等元素的含量較高。這是因?yàn)樵谀Σ吝^程中，CrxSx+1和FeS等硫化物在碳化鎢鋼球的擠壓下，逐漸向摩擦接觸面聚集。隨著時間的延長，這些硫化物和潤滑劑的聚集量不斷增多，最終形成連續(xù)穩(wěn)定的潤滑膜。石墨與Fe，Mo，Mn等合金元素反應(yīng)生成碳化物硬質(zhì)相，這些碳化物彌散分布在基體材料中，提高了材料的強(qiáng)度，對潤滑膜起到良好的承載作用，使得潤滑膜能穩(wěn)定存在并持續(xù)發(fā)揮潤滑作用。在硫化物潤滑相和碳化物硬質(zhì)相的共同作用下，復(fù)合材料具備最好的摩擦學(xué)性能。當(dāng)僅含8.0%MoS2時，試樣磨痕區(qū)的犁溝加深，部分潤滑膜在不斷的壓磨過程中破損被拉出而留下凹坑，表現(xiàn)為磨粒磨損和黏著磨損，摩擦學(xué)性能下降。這主要是因?yàn)镸oS2含量較高時，其所占體積分?jǐn)?shù)增大，試樣的組織變得疏松，硬度降低，基體對潤滑膜的承載作用降低，潤滑膜在反復(fù)壓磨過程中，發(fā)生破裂，難以在試樣與碳化鎢鋼球的接觸面形成連續(xù)有效的潤滑膜，其摩擦學(xué)性能降低[18]。

3 結(jié) 論

(1)采用粉末冶金法制備了石墨/MoS2/AerMet100復(fù)合材料。石墨的過量添加會損壞基體組織的連續(xù)性，降低復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。

(2)協(xié)同使用MoS2和石墨作為固體潤滑劑，能有效提高AerMet100基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。當(dāng)添加6.0%MoS2和2.0%石墨時，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.17，磨損率為1.21×10-5mm3/(N·m)，復(fù)合材料具有最佳摩擦學(xué)性能。

(3)石墨/MoS2/AerMet100復(fù)合材料在高溫?zé)Y(jié)過程中，會生成硫化物潤滑相和碳化物硬質(zhì)相。在摩擦過程中，硫化物協(xié)同潤滑劑在接觸面聚集并形成連續(xù)穩(wěn)定的潤滑膜，起到良好的潤滑作用。硬質(zhì)相碳化物的彌散分布不僅能提高材料的力學(xué)性能，加強(qiáng)基體對潤滑膜的承載作用。