銀合金粉末粒度對Ag-MoS2復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

王新平，肖金坤，張 雷，周科朝

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

銀合金粉末粒度對Ag-MoS2復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

王新平，肖金坤，張 雷，周科朝

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

采用粉末冶金熱壓的方法制備Ag-MoS2復(fù)合材料，研究銀合金粉末的粒度對復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：隨著銀合金粉末粒度的減小，MoS2團聚體在基體中的分散性得到改善，材料的硬度和抗彎強度同時也得到大幅提高。銀合金粉末較小時，復(fù)合材料的穩(wěn)定摩擦因數(shù)較低且較平穩(wěn)；當粉末粒徑大于38 μm時，復(fù)合材料的磨損量顯著增大。MoS2團聚體彌散的涂覆在磨損表面上形成了不連續(xù)的潤滑膜，提高MoS2在基體的分散性有利于增加潤滑膜在磨損表面的覆蓋面積，從而減輕表層材料的剪切應(yīng)力和減少金屬與金屬之間的接觸，降低材料的摩擦與磨損。

Ag-MoS2復(fù)合材料；粉末粒度；自潤滑；摩擦；磨損

銀是具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐蝕性能的金屬材料。MoS2在高真空的太空環(huán)境下具有優(yōu)異的潤滑性能，而且還具有耐高溫和抗輻射的特點。銀與 MoS2組成的復(fù)合材料具有低摩擦、低磨損率、低接觸電阻、低電噪聲以及良好的儲存穩(wěn)定性等性能，廣泛用作衛(wèi)星等航天機構(gòu)中的滑動電接觸材料，將衛(wèi)星太陽電池陣的電功率及遙測信號傳遞到衛(wèi)星本體中[1-4]?；瑒与娊佑|材料的性能直接影響整個電路系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、精確性和使用壽命，隨著現(xiàn)代衛(wèi)星向大功率和長壽命方向的發(fā)展，對電接觸材料各方面的性能要求也越來越高。

Ag-MoS2復(fù)合材料在摩擦磨損過程中，摩擦表面能持續(xù)不斷的形成 MoS2潤滑膜，能有效降低摩擦因數(shù)，阻止金屬與金屬之間的直接接觸，防止粘著焊接現(xiàn)象的發(fā)生。但 MoS2為半導(dǎo)體，接觸面上形成潤滑膜后會在一定程度上提高接觸電阻[5]。許多學(xué)者研究了 MoS2的含量對復(fù)合材料摩擦磨損性能和電性能影響，MoS2含量在10%左右時復(fù)合材料具有較低的磨損率，含量低于此值不能起到很好的潤滑作用，含量過高會導(dǎo)致材料力學(xué)性能的過度降低和材料磨損率升高。KOVACIK等[6]研究成分對銅-石墨復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)石墨粉末越細，石墨在基體中的分散性越好，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)就越低。劉夏靜和丁春華[7]在研究Ni基耐高溫自潤滑涂層IS304時，發(fā)現(xiàn)采用較小尺寸(小于 2 μm)的中高溫潤滑相 BaF2/CaF2和低溫潤滑相銀制備的涂層具有較低的摩擦因數(shù)，并認為細小的潤滑相分布均勻且潤滑相粒子之間的距離較小，在摩擦過程中更容易形成潤滑膜。MoS2與銀基體的潤濕性差，界面結(jié)合強度低，當基體中二硫化鉬團聚體較大時，在摩擦磨損過程中有可能出現(xiàn)團聚體從磨損表面整體脫落的情況，降低了潤滑效果，同時也增大了材料的磨損率[8]。由于銀基復(fù)合材料采用粉末冶金方法制備，其原材料中的銀合金粉末比 MoS2粉末粒徑大得多，燒結(jié)材料中的 MoS2粉末主要填充在銀合金粉末顆粒的間隙位置，因此基體中 MoS2團聚體的大小及分散性與銀合金粉末顆粒的粒徑有直接的關(guān)聯(lián)。本文作者采用不同粒度及粒度分布的銀合金粉末制備了銀基復(fù)合材料，并對其摩擦磨損性能進行了研究，以期提高銀基復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

1 實驗

1.1 材料制備

采用粉末冶金熱壓方法制備了 Ag-MoS2復(fù)合材料，其中采用氣霧化法制備了超細Ag-2.86Cu合金粉末，并將霧化的銀合金粉末依次過孔徑為 48、38和25 μm 的篩網(wǎng)，選取粒度分別為 38～48 μm、＜38 μm、25～38 μm和＜25 μm的銀合金粉備用。將MoS2粉末(＜1.5 μm)在 120 ℃下干燥 12 h，取質(zhì)量分數(shù)為 8%的MoS2粉末分別與以上4種銀合金粉倒入球磨罐中，加入少量氧化鋯球，并于250 r/min的轉(zhuǎn)速球磨混合8 h，然后將混合均勻的粉末置于石墨模具中，在 880～930℃的溫度、25 MPa的壓力和N2氣氛保護下熱壓燒結(jié)，保溫時間為20 min，熱壓結(jié)束后隨爐冷至室溫。測試所制備復(fù)合材料的密度、布氏硬度和抗彎強度，并觀察了其組織形貌。將所制備Ag-MoS2復(fù)合材料加工成直徑為10 mm，厚度為3 mm的半圓形試樣，用于進行摩擦磨損試驗。

1.2 摩擦磨損試驗

采用SFT-2M銷盤式摩擦磨損試驗機對Ag-MoS2復(fù)合材料的摩擦磨損性能進行測試，摩擦副的運動方式為銷盤式，對偶件選擇貨幣銀(Ag10Cu)合金，其硬度為120 HB。摩擦試驗前，試樣和對偶盤都經(jīng)粒度為800、1000和1500號金相砂紙拋光，再用丙酮清洗干凈。測試載荷為1N，測試轉(zhuǎn)速為100 r/min，滑動速度為0.27 m/s，滑動總距離為30 km。用精度為0.1 mg的電子天平測量試樣磨損前后的質(zhì)量，精度為0.005 N的壓力傳感器測試了摩擦力。采用Nova NanoSEM230型掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣磨損表面形貌、對偶盤表面形貌和磨屑形貌進行觀察，并用X射線能量散射譜儀(EDS)對試樣磨損表面、對偶盤表面和磨屑的成分進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 銀合金粉末的形貌及粒度分析

圖1是采用激光法測試分級后的銀合金粉末的粒度分布情況。由圖1可以看出，粒徑為38～48 μm和25～38 μm粉末平均粒徑較大，分布較窄，粒徑＜38 μm和＜25 μm 的粉末平均粒徑較小，分布較寬。38～48 μm、25～38 μm、＜38 μm 和＜25 μm 粉末的平均粒徑依次為43.15、33.88、21.38和18.87 μm。

圖1 霧化銀合金粉末的粒度分布Fig. 1 Particle size distribution of atomized silver alloy powder

采用氣霧化法制備粒徑＜38 μm銀合金粉末的基本形貌如圖2所示，所得粉末顆粒為球形度較好的實心球體，表面粘附有少量的行星球，符合氣霧化粉末的基體特征。

圖2 霧化銀合金粉末的顯微形貌Fig. 2 SEM micrograph of atomized silver alloy powder

圖3 不同粒度銀合金粉末制備的Ag-MoS2復(fù)合材料的組織形貌Fig. 3 SEM micrographs of Ag-MoS2 composites prepared by hot-pressing Ag alloy powders with different sizes: (a) 38-48 μm;(b) 25-38 μm; (c) ＜38 μm; (d) ＜25 μm

2.2 Ag-MoS2復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

圖3是采用不同粒度銀合金粉末制備的Ag-MoS2復(fù)合材料的組織形貌。從圖3可以看出，MoS2團聚體主要填充在合金粉末顆粒的間隙位置，隨著合金粉末粒度的減小，基體中 MoS2團聚體的尺寸也在減小，MoS2的分布也越均勻。采用粒徑＜25 μm合金粉末制備的復(fù)合材料(圖3(d))中MoS2分布的均勻性較38～48 μm的(圖3(a))有明顯的改善，說明合金粉的粒度直接影響著基體中MoS2團聚體的大小與分布。

不同粒度銀合金粉末制備的Ag-MoS2復(fù)合材料的密度、硬度和抗彎強度如表1所列。從表1可以看出，所制備復(fù)合材料的密度較高，其相對密度均達到98%以上，其原因是 MoS2粉末的粒徑比銀合金粉末的粒徑小的多，且容易發(fā)生滑移變形，經(jīng)過球磨后銀合金粉末表面包覆了一層 MoS2膜，使得球形度較好的合金粉具有更好的流動性，在熱壓過程中，MoS2團聚體易于填充在合金粉顆粒的間隙位置，在較低的壓力下便能制備出相對密度較高的復(fù)合材料。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著合金粉粒度的減小，復(fù)合材料的硬度呈逐漸升高的趨勢，材料的抗彎強度也有很顯著的提高，從粒徑為38～48 μm 的 88.08 MPa 提高至粒徑＜25 μm 的 179.08 MPa，抗彎強度提高了兩倍，這主要得益于隨著粉末粒度減小，粉末的比表面積增加，顆粒之間更容易發(fā)生燒結(jié)，使復(fù)合材料獲得更加完善的界面結(jié)合狀態(tài)，從而提高材料的力學(xué)性能。

表 1 不同粒度銀合金粉末制備的 Ag-MoS2復(fù)合材料的密度、硬度和抗彎強度Table1 Density, hardness and bending strength of Ag-MoS2 composites prepared by Ag alloy powders with different sizes

圖4 摩擦因數(shù)隨滑動距離的變化曲線Fig. 4 Variation of friction coefficient of Ag-MoS2 composites with sliding distance: (a) 38-48 μm; (b) 25-38 μm; (c) ＜38 μm; (d) ＜25 μm

圖5 磨損量和滑動距離的關(guān)系曲線Fig. 5 Variation of wear loss of Ag-MoS2 composites with sliding distance

2.3 銀合金粉末粒度對 Ag-MoS2復(fù)合材料摩擦與磨損性能的影響

圖4所示為Ag-MoS2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨滑動距離變化的關(guān)系曲線。由圖4可看出，各試樣的初始摩擦因數(shù)均為0.2左右，隨著滑動距離的增加，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，滑動距離達到5 km后，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。初始接觸時，復(fù)合材料與對偶盤的接觸表面都比較光滑，這時摩擦因數(shù)較低；隨著滑動距離的增加，復(fù)合材料與對偶盤摩擦表面因磨損而變得粗糙，造成摩擦因數(shù)增大；經(jīng)過一定距離的滑動后，復(fù)合材料發(fā)生了一定體積的磨損，MoS2從基體中釋放出來而轉(zhuǎn)移至復(fù)合材料與對偶盤的摩擦表面，并形成潤滑膜，故摩擦因數(shù)開始明顯減小[9-10]。采用粒度較大、比粒度小的合金粉末所制備的復(fù)合材料，其摩擦因數(shù)波動大且穩(wěn)定摩擦因數(shù)高，其原因在于 MoS2團聚體在基體中的分布均勻性較差，從而影響了MoS2轉(zhuǎn)移膜的形成。

圖5所示為Ag-MoS2復(fù)合材料的磨損量隨著滑動距離變化的關(guān)系曲線。圖5表明，復(fù)合材料的磨損量與滑動距離基本上呈直線關(guān)系，符合Archard磨損公式[11]，即

式中：W為磨損量，k為磨損系數(shù)，P為載荷，S為滑動距離，H為材料的硬度。測試所得磨損量正比于滑動距離，表明在整個摩擦磨損過程中復(fù)合材料的磨損機制沒有發(fā)生顯著的改變，材料的磨損是穩(wěn)定的。38～48 μm銀合金粉制備的復(fù)合材料的磨損量最大，而其它3種復(fù)合材料的磨損量比較接近，這與其力學(xué)性能有關(guān)，該復(fù)合材料的硬度和抗彎強度均明顯低于其它3種復(fù)合材料的，低力學(xué)性能導(dǎo)致該材料的抗磨損性能也較低。

圖 6(a)～(d)所示為不同粒度的銀合金粉末制備的Ag-MoS2復(fù)合材料的磨損表面形貌。很明顯，磨損表面發(fā)生了塑性變形，塑性變形分為兩種類型，第一種為表面材料經(jīng)擠壓發(fā)生塑性流變后形成薄片狀材料；第二種為由硬微凸體壓入表面并滑動，產(chǎn)生塑性變形犁溝。Ag-MoS2復(fù)合材料的磨損表面上犁溝較淺，局部區(qū)域發(fā)生了剝落，但磨損表面整體上還是比較光滑，表明材料主要發(fā)生第一種塑性變形。隨著銀合金粉末粒度的減小，Ag-MoS2復(fù)合材料的磨損逐漸減輕，磨損表面也變得平整。銀合金粉末較粗時，基體中MoS2團聚體尺寸也較大，在摩擦載荷的作用下，表層材料的應(yīng)力集中也越顯著，因而磨損表面的破壞也越嚴重。

2.4 銀合金粉末粒度對潤滑相在摩擦表面成膜的影響

金屬基固體自潤滑復(fù)合材料是由金屬基體和固體潤滑相組成，在干摩擦狀態(tài)下，復(fù)合材料與對偶材料之間的接觸可分為兩部分：一部分為金屬與金屬的接觸，另一部分為固體潤滑膜與金屬的接觸。因此，其摩擦狀態(tài)與在高載荷時發(fā)生的邊界潤滑相似。在液體潤滑條件下，當兩摩擦表面承受載荷以后，將有一部分粗糙峰因接觸壓力較大導(dǎo)致潤滑劑膜破裂，產(chǎn)生兩表面的直接接觸，形成金屬結(jié)點。因而，邊界潤滑的摩擦阻力就包括了用來破壞這些結(jié)點的力、潤滑劑膜本身對滑動的阻力和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生的阻力[12-13]。同樣，對于金屬基固體自潤滑復(fù)合材料的摩擦也包括以上3個阻力，則摩擦力F可以表示為[12]

圖6 Ag-MoS2復(fù)合材料的磨損表面形貌Fig. 6 Morphologies of worn surfaces of Ag-MoS2 composites: (a) 38-48 μm; (b) 25-38 μm; (c) ＜38 μm; (d) ＜25 μm

式中：A為真實接觸面積，α為潤滑膜的面積分數(shù)，Sm和Sl分別為金屬和潤滑劑的剪切強度，F(xiàn)p為犁溝效應(yīng)的阻力。由此可知，摩擦表面上的固體潤滑膜，對降低金屬基固體自潤滑復(fù)合材料的摩擦阻力具有非常顯著的作用。

研究表明，金屬基固體自潤滑復(fù)合材料經(jīng)摩擦磨損后，其摩擦表面會形成固體潤滑膜，其對偶表面也會形成富固體潤滑劑的轉(zhuǎn)移層，它們均有助于摩擦因數(shù)的降低；而且在復(fù)合材料中固體潤滑劑含量較低時，固體潤滑劑含量的增加對摩擦因數(shù)的降低的效果更加明顯[13-16]。圖7(a)所示為復(fù)合材料磨損表面的微觀形貌，由圖 7(a)可知，磨損表面上分布著許多納米級的小黑點，經(jīng)EDS分析，這些小黑點為MoS2顆粒。圖7(b)所示為復(fù)合材料磨屑表面的微觀形貌，磨屑表面也鑲嵌了許多納米級 MoS2，磨屑的表面形貌與磨損表面的微觀形貌基本相似，磨屑的表面形貌反映了局部區(qū)域的磨損表面形貌。在摩擦磨損過程中，MoS2團聚體在壓力和剪切力的作用下從表層材料中擠出，擠出的MoS2團聚體進入摩擦面后被破碎成細小顆粒，然后在壓力和摩擦力的作用下涂覆在磨損表面上，再進一步向四周鋪展形成不連續(xù)的MoS2潤滑膜。因此，金屬基固體自潤滑復(fù)合材料磨損表面形成的固體潤滑膜并不像液體潤滑膜是連續(xù)的，而是由許多細小的潤滑劑顆粒鑲嵌形成的非連續(xù)潤滑膜，當然在磨損表面還會吸附有分子層厚度的固體潤滑膜，它們在起到潤滑作用的同時也能有效防止金屬粘著現(xiàn)象的發(fā)生。

圖 8(a)所示為貨幣銀對偶盤的磨損表面形貌。從圖 8(a)中可以看出，對偶盤表面覆蓋了一層連續(xù)的疏松轉(zhuǎn)移層，經(jīng)整個區(qū)域的EDS分析(見圖8(b))，轉(zhuǎn)移層中的 MoS2含量為 8.6%(質(zhì)量分數(shù))，Cu含量為3.6%(質(zhì)量分數(shù))，與復(fù)合材料中成分的含量相近，表明該轉(zhuǎn)移層的材料是從復(fù)合材料中轉(zhuǎn)移而來的。在摩擦磨損過程中，產(chǎn)生的細小的磨屑黏附在盤的表面，在正壓力和摩擦力的作用下，磨屑發(fā)生塑性變形并相互粘結(jié)，形成一層疏松的轉(zhuǎn)移層[17]。由于磨屑的表面涂覆有彌散的 MoS2團聚體，因而對偶表面形成由磨屑組成的轉(zhuǎn)移層具有潤滑效果，能夠降低摩擦副的摩擦因數(shù)。

根據(jù)上述分析，Ag-MoS2復(fù)合材料基體中 MoS2團聚體的大小與分布均勻性，不僅會對磨損表面潤滑膜的形成會產(chǎn)生影響，還會對對偶盤上轉(zhuǎn)移層潤滑膜的形成產(chǎn)生影響?？傊w中 MoS2團聚體越小、分布越均勻，那么摩擦面上形成的潤滑膜的面積越大，產(chǎn)生的潤滑效果越明顯，這樣摩擦系統(tǒng)的摩擦因數(shù)也越小，因而采用粒徑＜38 μm和＜25 μm的銀合金粉末制備的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)比粒徑為38～48 μm和25～38 μm 的銀合金粉末制備的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)小且穩(wěn)定(見圖3)。

圖7 Ag-MoS2復(fù)合材料的磨損表面和磨屑表面Fig. 7 Worn(a) and wear debris(b) surfaces of Ag-MoS2 composite after sliding wear

圖8 對偶盤表面的轉(zhuǎn)移層的形貌及其EDS分析Fig. 8 Morphology of transfer layer on counter disc surface(a)and its EDS analysis(b)

3 結(jié)論

1) Ag-MoS2復(fù)合材料的硬度和抗彎強度隨著銀合金粉末粒度的減小而提高，當粉末粒度從 38～48 μm減小至＜25 μm時，復(fù)合材料的硬度和抗彎強度分別從45.9 HB、88.08 MPa提高至56.8 HB、179.08 MPa。

2) 隨著銀合金粉末粒度的減小，MoS2團聚體在Ag-MoS2復(fù)合材料基體中的分布均勻性得到提高，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)波動和穩(wěn)定摩擦因數(shù)都隨著減??；滑動距離達到5 km時，對偶盤表面基本覆蓋了含潤滑劑的轉(zhuǎn)移層，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低至最小值并保持穩(wěn)定。

3) 銀合金粉末的粒度會影響到基體中 MoS2團聚體的大小與分布均勻性，從而影響潤滑劑在摩擦表面的成膜過程以及表面潤滑膜的覆蓋面積；復(fù)合材料磨損表面和磨屑表面都觀察到 MoS2潤滑膜，對偶表面也形成了富含潤滑劑的轉(zhuǎn)移層，它們都有利于降低摩擦因數(shù)。

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Effect of silver alloy particle size on friction and wear properties of Ag-MoS2composites

WANG Xin-ping, XIAO Jin-kun, ZHANG Lei, ZHOU Ke-chao
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The Ag-MoS2composites were prepared by powder metallurgy method. The effects of the atomized Ag-Cu alloy particle size on the microstructure, mechanical properties and tribological performances of composites were investigated. The results show that the dispersion of MoS2particle in matrix and the mechanical properties of composites are dramatically improved by reducing the particle size of alloy powder. The composite has a low and sTablefriction coefficient when the small size alloy particle is used. When the particle size of alloy powder is above 38 μm, the wear loss of the composite increases severely. SEM observation indicates that the worn surface is covered with smeared MoS2particles and discontinuous lubricating film is formed on it. The area of lubricating film covered on the worn surface increases with increasing the homogeneity of MoS2in the matrix, and a large area of lubricating film can reduce the magnitude of shear stress transferred to subsurface and prevent the metal-to-metal contact. Therefore, it helps to reduce the friction and wear of composite.

Ag-MoS2composite; particle size; self-lubricating; friction; wear

TH117.3

A

1004-0609(2012)10-2811-07

湖南省科技計劃重點項目(2011GK4004)

2011-10-28；

2012-03-13

張 雷，副研究員，博士；電話：0731-88830464；E-mail: zhanglei@csu.edu.cn

(編輯 李艷紅)