MoS2對(duì)鋁基材料摩擦磨損性能的影響

張俊喜，陳百明，龔成功，郭小汝，張振宇，李寶東

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MoS2對(duì)鋁基材料摩擦磨損性能的影響

張俊喜1，陳百明1，龔成功1，郭小汝1，張振宇2，李寶東2

(1. 蘭州工業(yè)學(xué)院材料工程學(xué)院，蘭州 730050；2. 甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及其應(yīng)用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050)

以Al，F(xiàn)e，Zn等金屬粉末和Si粉為原料，采用熱壓法制備MoS2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0和3%的鋁基復(fù)合材料，在滑動(dòng)速度為0.377~1.131 m/s以及載荷為4~10 N的條件下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，研究MoS2對(duì)鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：在0.377 m/s的滑動(dòng)速度下，3% MoS2/鋁基復(fù)合材料在10 N載荷下具有較低的平均摩擦因數(shù)0.4，比不含MoS2材料的摩擦因數(shù)降低近一半；在0.755 m/s的滑動(dòng)速度下，2種材料的摩擦因數(shù)和磨損率接近；在1.131 m/s的滑動(dòng)速度下，載荷7~10 N時(shí)2種材料都嚴(yán)重磨損，3% MoS2/鋁基材料具有相對(duì)較低的磨損率，磨損機(jī)理為熔化磨損，未添加MoS2材料的磨損機(jī)理為嚴(yán)重塑性變形磨損。添加3% MoS2可顯著改善鋁基材料的摩擦磨損性能。

鋁基材料；MoS2；摩擦磨損性能；摩擦因數(shù)；磨損率；磨損機(jī)理

鋁基材料因具有高的屈強(qiáng)比和剛度，廣泛應(yīng)用于一些要求強(qiáng)度高而質(zhì)量輕的場(chǎng)合，如汽車、航空等行業(yè)。鋁基材料的摩擦磨損性能已有較深入的研究[1?2]。文獻(xiàn)[1]報(bào)道了在鋁基體中加入Al2O3和SiC顆粒，材料的磨損率隨顆粒含量增加和顆粒粒徑增大而降低，SiC顆粒強(qiáng)化的鋁基材料耐磨性能比Al2O3顆粒強(qiáng)化的更好，接近傳統(tǒng)的灰鑄鐵，而材料質(zhì)量只有灰鑄鐵的60%。LI等[2]在鋁基材料中加入20% SiC顆粒，并對(duì)材料進(jìn)行熱處理，在一定溫度范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)熱處理的材料具有較好的耐磨性能，在超過(guò)再結(jié)晶溫度后，經(jīng)過(guò)熱處理與未經(jīng)熱處理的材料的抗磨性能基本一致。為了降低鋁基材料的磨損，通常加入潤(rùn)滑劑，如石墨[3?5]等。潤(rùn)滑劑的硬度較小，在摩擦副之間形成潤(rùn)滑薄膜，減少摩擦表面之間的直接接觸，從而提高材料的抗磨損性能。MoS2具有與石墨相似的晶體結(jié)構(gòu)和硬度，也用作摩擦材料的潤(rùn)滑劑[6?9]，但MoS2的硬度較小，如果添加過(guò)多會(huì)使材料的強(qiáng)度降低，含量過(guò)低則難以起到有效的潤(rùn)滑作用。目前對(duì)MoS2作為鋁基材料的潤(rùn)滑劑的研究還很少。本研究在鋁基材料中加入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MoS2，采用熱壓法制備3% MoS2/Al基復(fù)合材料，采用不同的滑動(dòng)速度和載荷，測(cè)試和分析該復(fù)合材料從輕微磨損到嚴(yán)重磨損階段的摩擦磨損性能，研究其磨損機(jī)理，并與未添加MoS2的Al基材料進(jìn)行對(duì)比，研究MoS2對(duì)鋁基材料磨損性能的影響，為提高鋁基材料抗磨損性能提供可借鑒的研究結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Al基復(fù)合材料的制備

采用熱壓法制備鋁基復(fù)合材料。鋁粉從國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購(gòu)買，MoS2從上海膠體化工廠購(gòu)買，表1所列為原料粉末的平均粒度與純度。首先按照表2所列原料配比稱量原料粉末，置于罐式行星球磨混料機(jī)中混料8 h，球料質(zhì)量比為6:1，磨球?yàn)橹睆?~10 mm的不銹鋼球。將混合料放入石墨模具中，在真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行熱壓，加熱速率為10 ℃/min，加熱到400 ℃時(shí)加壓5 MPa，加熱到500 ℃時(shí)加壓10 MPa，600 ℃時(shí)加壓20 MPa，保溫1 h，然后隨爐冷卻到室溫，得到MoS2含量為0和3%的鋁基復(fù)合材料，分 別命名為0#和3#試樣，試樣尺寸為直徑52 mm，高 12 mm。

表1 原料粉末的平均粒度與純度

表2 鋁基復(fù)合材料的原料配比

1.2 摩擦實(shí)驗(yàn)

用線切割機(jī)從鋁基復(fù)合材料上截取切割直徑為4 mm、高度為9 mm的圓柱體試樣，在多功能摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，摩擦副結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)偶環(huán)的外徑為44 mm，內(nèi)徑為28 mm，厚度為10 mm。對(duì)偶環(huán)的材料為45鋼，硬度HRC為35~40。鋁基材料試樣在對(duì)偶盤上的旋轉(zhuǎn)直徑為36 mm。每次實(shí)驗(yàn)前用丙酮清洗試樣和對(duì)偶環(huán)，并用1000#砂紙打磨對(duì)偶環(huán)。試驗(yàn)壓力為4~10 N，滑動(dòng)速度為0.377~1.131 m/s (200~600 r/min)，試驗(yàn)時(shí)間均為10 min。

圖1 摩擦副結(jié)構(gòu)示意圖

在摩擦試驗(yàn)前后分別用精度為±0.1 mg 的電子秤稱量試樣的質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量磨損量，再用下式計(jì)算質(zhì)量磨損率：

=D/(·)

式中：Δ為質(zhì)量磨損量，g；為滑動(dòng)距離，m；為載荷，N。

采用HV-1000維氏硬度儀測(cè)量材料的顯微硬度，試驗(yàn)壓力為0.98 N，加壓時(shí)間為10 s，取5個(gè)點(diǎn)的平均值。用JSM-5600LV掃描電鏡觀察材料的磨損表面形貌，分析磨損機(jī)理。所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，2次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)定，0#試樣(不含MoS2)的硬度HV為61，3#試樣(含3% MoS2)的硬度HV為24。因?yàn)镸oS2的硬度較低，所以3#試樣的硬度比0#試樣降低50%以上。圖2所示為3#試樣的SEM形貌以及S與Mo元素的面分布圖，從圖中可看出MoS2分布較均勻。

圖2 3%MoS2/Al基復(fù)合材料的SEM形貌以及Mo元素與S元素的面分布

圖3所示為0#和3#試樣在滑動(dòng)速度為0.377 m/s，載荷分別為4，7和10N條件下的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。從圖3(a)可看到，0#試樣的摩擦因數(shù)隨載荷增大而增大。從圖3(b)可看到，3#試樣在10 N載荷下的摩擦因數(shù)最小，摩擦因數(shù)最穩(wěn)定，基本保持在0.4左右；在4 N和7 N載荷下，摩擦因數(shù)的變化幅度和平均值都遠(yuǎn)高于10 N載荷下的摩擦因素，4 N載荷下的摩擦因數(shù)稍高于7 N載荷下的摩擦因數(shù)。從2種材料的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化可看出，添加3% MoS2后鋁基材料具有穩(wěn)定的、最小的摩擦因數(shù)。

圖3 0#試樣和3#試樣在不同載荷下的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化

圖4所示為0#和3#試樣在滑動(dòng)速度為0.755 m/s，載荷分別為4，7和10 N條件下的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，0#試樣在4 N載荷下的摩擦因數(shù)具有最大值和最大的變化幅度，7 N與10 N載荷下的摩擦因數(shù)很接近。對(duì)比圖3(b)和圖4(b)可知，滑動(dòng)速度從0.377 m/s提高到0.755 m/s，3#試樣的摩擦因數(shù)和變化幅度均大幅度提高，在10 N載荷下的摩擦因數(shù)仍然最小，4 N載荷下的摩擦因數(shù)最大。

在滑動(dòng)速度為1.131 m/s時(shí)，所有材料的摩擦因數(shù)變動(dòng)幅度都較大，因此本文沒(méi)有提供其摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。

圖5所示為0#和3#試樣在不同載荷和滑動(dòng)速度下的質(zhì)量磨損率。由圖5(a)可見，在4 N載荷的作用下，0#試樣的磨損率隨滑動(dòng)速度增加而增大，只是在滑動(dòng)速度從0.755 m/s增加到1.131 m/s時(shí)磨損率變化很?。辉谳d荷為7 N和10 N條件下，滑動(dòng)速度為1.131 m/s時(shí)，材料急劇磨損，在不到10 min的時(shí)間內(nèi)便已磨損到極限，其磨損率未在圖中畫出。從圖5(b)可看到，在0.377 m/s的滑動(dòng)速度下，3#試樣的磨損率隨載荷提高而略有增大；在0.755 m/s的滑動(dòng)速度下，4~7 N載荷范圍內(nèi)，磨損率隨載荷增加而逐漸增大，磨損率大于0.377 m/s滑動(dòng)速度下的磨損率，但在10 N載荷下磨損率降低，并且低于0.377 m/s下的磨損率；在1.131 m/s的滑動(dòng)速度下，盡管在4 N載荷下磨損率較小，但在7 N和10 N載荷下的磨損率遠(yuǎn)高于其它滑動(dòng)速度下的磨損率，是其它滑動(dòng)速度下磨損率的10倍以上，顯然是磨損機(jī)理發(fā)生了變化，材料從輕微磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重磨損。

圖4 鋁基材料在不同載荷下的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化

2.2 分析與討論

圖6所示為0#和3#試樣在滑動(dòng)速度為0.377 m/s下的磨損表面形貌。圖6(a)和(d)分別為0#和3#試樣在4 N載荷作用下的磨損表面形貌。從圖6(a)可看到局部區(qū)域較光滑，這是摩擦副之間微凸體接觸變形的結(jié)果，由于0#試樣的硬度較高，摩擦過(guò)程中只有微凸體的相互接觸變形，因而具有較小的摩擦因數(shù)；從圖6(d)可見沿摩擦方向的劃痕和松散的脫落磨屑。由于3#試樣的硬度較低，在摩擦過(guò)程中微凸體接觸磨損脫落，摩擦副之間的接觸面積較大，故其摩擦因數(shù)及變動(dòng)幅度相應(yīng)較大(如圖3(b)所示)，其磨損率高于0#試樣。圖6(b)和(e)分別為0#和3#試樣在7 N載荷作用下的磨損表面形貌。由圖可見磨損表面都有明顯的劃痕，這是磨粒磨損的特征[10?11]，在圖6(e)中可見有較連續(xù)的潤(rùn)滑層，使磨損減輕，所以3#試樣的磨損率低于0#試樣的磨損率(見圖5)。對(duì)比圖6(c)和(f)可見，0#和3#試樣在10 N載荷作用下的磨損表面都具有明顯的劃痕，其磨損機(jī)理也是磨粒磨損，但在3#試樣的磨損表面具有連續(xù)的潤(rùn)滑膜，而0#試樣的磨損表面潤(rùn)滑膜較松散，盡管兩者的磨損率基本接近，但3#試樣的摩擦因數(shù)低于0#試樣(見圖3)。

圖5 鋁基材料在不同載荷和滑動(dòng)速度下的磨損率

圖6 鋁基材料在滑動(dòng)速度為0.377 m/s下的磨損表面形貌

從對(duì)圖6的分析可知，在0.377 m/s的滑動(dòng)速度下，在7 N和10 N的載荷下，添加MoS2潤(rùn)滑劑的材料由于形成了連續(xù)的潤(rùn)滑薄膜，有效降低了磨損，其摩擦磨損性能得到不同程度的改善。

圖7所示為0#和3#試樣在滑動(dòng)速度為0.755 m/s下的磨損表面形貌。圖7(a)和(d)分別為0#和3#試樣在4 N載荷作用下的磨損表面，2個(gè)磨損表面都有摩擦劃痕，而3#試樣表面的劃痕較多且細(xì)小，這主要是因?yàn)?#試樣的硬度較低，更易被磨損，因而其磨損率高于0#試樣。從圖7(b)和(e)看出0#試樣表面具有較深的劃痕，而3#試樣表面具有嚴(yán)重的塑性變形[12]，因而其磨損率高于0#試樣(見圖5)。圖7(c)和(f)分別為0#和3#試樣在10 N載荷作用下的磨損表面形貌，從圖中可看出，這2個(gè)試樣的磨損表面都具有較連續(xù)的潤(rùn)滑膜，所以其磨損率較低(如圖(5)所示)。

圖7 鋁基材料在滑動(dòng)速度為0.755 m/s下的磨損表面形貌

從圖7可看出，在較高的滑動(dòng)速度和載荷下，由于摩擦副之間溫度升高使得材料強(qiáng)度降低，潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑作用不明顯；在高載荷作用下，0#和3#試樣具有相近的磨損性能。

圖8所示為0#和3#試樣在滑動(dòng)速度為1.131 m/s，載荷分別為7 N和10 N下的磨損表面形貌。由圖可見，在7 N載荷作用下，0#試樣磨損表面為大量的變形層，材料磨損嚴(yán)重(磨損時(shí)間不到10 min)；3#試樣的磨損表面具有沿滑動(dòng)方向的劃痕和塑性變形，從圖5看出其磨損率較高。在7 N載荷作用下，0#試樣磨損表面為被撕裂后形成的凹坑，這是摩擦力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度導(dǎo)致材料嚴(yán)重塑性變形失效的特征[12]，這與CHEN等[13]研究AZ91鎂合金的磨損得出的塑性變形形貌一致；3#試樣的磨損表面具有嚴(yán)重的塑性流動(dòng)，這是在高載荷和高滑動(dòng)速度下產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致材料表面熔化所致，因此其磨損率非常高[14](見圖5)。

圖8 鋁基材料在滑動(dòng)速度為1.131 m/s下的磨損表面形貌

從圖8的分析可知，在高的滑動(dòng)速度1.131 m/s和7~10 N載荷條件下，由于摩擦產(chǎn)生的溫升導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，因此0#和3#試樣都具有高的磨損率，0#試樣為塑性變形磨損，3#試樣為熔化磨損。0#試樣的磨損率高于3#試樣的磨損率，這說(shuō)明添加MoS2潤(rùn)滑劑可明顯減輕高載荷和高滑動(dòng)速度下鋁基材料的磨損，這也與其他研究者在鋁基材料中添加石墨得出的結(jié)論一致[4?5]。

3 結(jié)論

1) 在滑動(dòng)速度為0.377 m/s時(shí)，在高載荷下(10 N)，添加MoS2的鋁基材料，由于摩擦表面形成連續(xù)的潤(rùn)滑膜，因而具有較低的摩擦因數(shù)，為不含MoS2的鋁基材料的一半左右。

2) 在滑動(dòng)速度為0.755 m/s時(shí)，由于滑動(dòng)速度提高導(dǎo)致摩擦副之間的溫度升高，材料的強(qiáng)度降低，潤(rùn)滑劑的作用不明顯。

3) 在滑動(dòng)速度為1.131 m/s時(shí)，在7~10 N的載荷作用下，盡管2種材料都磨損嚴(yán)重，但添加了MoS2的材料具有相對(duì)較低的磨損率。

4) 在滑動(dòng)速度為1.131 m/s、載荷為10 N的條件下，添加了MoS2材料的磨損機(jī)理為熔化磨損，未添加MoS2材料的磨損機(jī)理為塑性變形。

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(編輯 湯金芝)

Effect of MoS2on tribological properties of aluminum matrix composite materials

ZHANG Junxi1, CHEN Baiming1, GONG Chenggong1, GUO Xiaoru1, ZHANG Zhenyu2, LI Baodong2

(1. School of Materials Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China;2. Provincial Key Laboratory for Green Cutting Technology and Application of Gansu Province (University), Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China)

Aluminum matrix composite materials with MoS2mass fraction of 0% and 3% were fabricated by hot press method using Al, Fe, Zn and Si powders as raw materials. The tribological properties of aluminum matrix materials with MoS2content of 3% and 0% were studied comparatively at sliding speed of 0.377?1.131 m/s and load of 4?10 N. The results show that at the sliding speed of 0.377 m/s, the aluminum matrix material with 3% MoS2has lower average friction coefficient of 0.4 which is 1/2 lower than that of the material with 0% MoS2under load of 10 N; at the sliding speed of 0.755 m/s, the tribological properties of the two aluminum matrix materials are similar; at the sliding speed of 1.131 m/s and load of 7~10 N, although two materials wear severely, the materials with 3% MoS2has lower wear rate than that of material with 0% MoS2, and the wear mechanism of aluminum matrix materials with 3% and 0% MoS2is melting wear and plastic deformation, respectively. It can be seen from the results that addition of 3% MoS2can improve tribological properties of aluminum matrix materials obviously.

aluminum matrix materials; MoS2; tribological properties; friction coefficient; wear rate; wear mechanism

TF125.9

A

1673?0224(2016)05?746?08

蘭州工業(yè)學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目(14K-012)；甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2014A-122)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51361020)

2015?10?22；

2016?02?26

陳百明，副教授，博士。電話：13008772885；E-mail: chenbm1120@163.com