工業(yè)免維護滑板鐵基自潤滑材料在不同速度下的摩擦學(xué)行為

李炎粉，陶金倉，朱文武，黑中壘

（1.黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南鄭州 454950；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安 710064）

工業(yè)免維護滑板鐵基自潤滑材料在不同速度下的摩擦學(xué)行為

李炎粉1，陶金倉1，朱文武2*，黑中壘1

（1.黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南鄭州 454950；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安 710064）

采用粉末冶金工藝制備了四種不同成分含量的鐵基自潤滑材料，對材料的微觀組織和不同速度下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行分析和考察，采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）以及X射線衍射儀（XRD）對材料金相、磨痕表面形貌和成分進(jìn)行表征。結(jié)果表明，隨著摩擦速度的提高，鐵基自潤滑材料與40Cr鋼盤的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢，材料中石墨含量越高，速度對其磨損率的影響就越大，在摩擦速度為0.1～0.5m/s的條件下，磨損率達(dá)到了10-8cm3/N·m量級，屬于輕微磨損，在1m/s的條件下，F(xiàn)e-Ni-Mo-C自潤滑材料的干摩擦摩擦系數(shù)達(dá)到了0.27，雖然磨損趨勢隨速度升高而升高，但與較低石墨含量和不添加石墨的材料相比摩擦磨損性能較優(yōu)?？傮w來講，本文所研制的鐵基自潤滑材料在不同速度工況下具有較好的摩擦學(xué)性能。

摩擦速度;粉末冶金;自潤滑;磨損

1 引 言

鐵基粉末冶金材料是發(fā)展迅速和具有巨大應(yīng)用潛力的工程材料之一［1］，鐵基粉末冶金零件具有良好的力學(xué)強度、耐磨性能，被廣泛應(yīng)用于汽車、航天、機械等領(lǐng)域［2-3］。粉末冶金法制成的鐵基潤滑材料因其來源廣、價格低廉等特點得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并逐漸取代了部分傳統(tǒng)的鍛鑄材料，用來制造像汽車齒輪、齒類零件和凸輪軸等加工困難或加工成本高的部件［4］。目前，國內(nèi)對于鐵基含油自潤滑材料室溫～150℃條件下摩擦學(xué)的研究較多［5-8］，且鐵基材料的制備、表征方法和研究重點不盡相同。劉志科等［9］利用反應(yīng)鑄造法制備了原位VCp增強鐵基復(fù)合材料，研究了該復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)及界面反應(yīng)機理。張麗娜等［10］利用等離子熔覆技術(shù)制備出鐵基非晶和納米晶涂層，并對涂層的熱力學(xué)及電化學(xué)性能等進(jìn)行了分析研究。李杰等［11］用熱壓燒結(jié)法制備了陶瓷顆粒增強鐵基材料并測定了其力學(xué)性能。目前研制的鐵基合金已經(jīng)應(yīng)用于各種滑動部件如汽車發(fā)動機的導(dǎo)向件中［12，14］。鐵基材料具有較高的力學(xué)性能得到了越來越多的關(guān)注，以往的文獻(xiàn)報道中將鐵基材料作為固體潤滑材料的應(yīng)用以及摩擦學(xué)的研究較少，在自潤滑零部件中，廉價的鐵基材料的研究更具有工程意義。

一般來講，鐵基材料比銅基、鎳基材料的硬度和力學(xué)強度更高，但對軸的磨合性較差，易受腐蝕?；阼F基材料以上特點，本文在鐵基材料中添加鎳、鉬合金元素，以增強材料的防腐蝕性能，使材料性能達(dá)到實際工況的使用要求。將石墨作為潤滑元素添加到自潤滑材料中，既要考慮其對潤滑的影響，也要考慮碳和鐵、鉬元素的化合，相似的研究報道較少。本文在鐵基材料中添加了不同含量的石墨，對不同石墨含量材料的微觀組織、力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并在不同摩擦速度下考察了材料的摩擦磨損性能，對磨損機理進(jìn)行了分析，在具有良好應(yīng)用背景的前提下，為后續(xù)的研究提供了參考依據(jù)。

2 實驗方法

2.1 實驗原料及試樣制備

試驗用到的原料包括銅包鐵粉、鉬粉、鎳粉、銅粉、石墨粉。各種粉末的性質(zhì)參數(shù)見表1。本文所用的主要粉末都是國內(nèi)外機械摩擦學(xué)行業(yè)廣泛應(yīng)用的原料。

表1 試驗用粉原料及規(guī)格Table 1 Raw material powders and specifications

采用精度為0.1mg的電子天平稱取各原料，在三維混料器中混均勻后取出，在40 T壓機上壓制成型，壓制壓力為600～650 MPa，保壓2min后脫模取出，在燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100～1150℃，保溫時間為90min，燒結(jié)完成后隨爐冷卻，燒結(jié)及冷卻過程全程通氮氣保護，材料的組成成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2。

表2 材料的組成Table 2 Mass fraction of each components

2.2 材料分析與測試

在HB-62.5Kg型布氏硬度計上測量燒結(jié)試樣的硬度;在WJ-10型萬能材料試驗機上測量材料常溫下的機械性能;在電子天平上測量燒結(jié)試樣的密度;采用JSM-5600型掃描電鏡（SEM）對摩擦層的形貌進(jìn)行觀察，并用EDS能譜儀對摩擦層組成進(jìn)行分析。在高溫栓-盤式摩擦磨損試驗機上考察材料的摩擦磨損性能;試塊為所研制的材料，經(jīng)過機加工后的尺寸為φ5× 15mm的栓，試盤為45#鋼盤，尺寸為φ45 mm× 10mm。試驗條件為室溫大氣環(huán)境，試驗時間30min，摩擦系數(shù)的計算取3次試驗數(shù)值的平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 自潤滑材料的物相分析

如圖1，a、b、c、d四圖分別為四種鐵基自潤滑復(fù)合材料經(jīng)腐蝕液侵蝕處理后的金相組織圖片，腐蝕液成分為2vol％HNO3+98vol％無水乙醇。Fe-Ni-Mo-C（a）材料的金相組織由鐵素體組成連續(xù)相，少量珠光體、黑色區(qū)域的石墨和孔洞夾雜于其中［見圖1（a）］; Fe-Ni-5Mo-C（b）材料的金相組織由鐵素體形成連續(xù)相，而少量珠光體分散于基體中［見圖1（b）］;Fe-Ni-5Mo-2C（c）材料由珠光體和鐵素體共同構(gòu)成材料的基體，珠光體中的滲碳體呈片狀，且滲碳體的厚度較小，晶粒較細(xì)、黑色的區(qū)域呈現(xiàn)輕度球化，珠光體的晶粒較粗并團聚成球狀［見圖1（c）］;Fe-Ni-5Mo-3C（d）材料中的珠光體的數(shù)量占整個組織的90％以上［見圖1（d）］。鉬和鐵都屬于反石墨化元素，且鉬的石墨化能力要高于鐵，故鐵基材料中鉬的添加和珠光體的出現(xiàn)不利于單質(zhì)石墨的生成，從而阻礙了鐵基自潤滑材料的石墨化［8］;從圖1可以看出，添加一定量的石墨可以促使珠光體的出現(xiàn)，而珠光體可以增強材料的力學(xué)強度，進(jìn)而改善材料的耐磨性能，這一點將在以下的摩擦試驗中得到驗證。

圖1 四種不同成分鐵基自潤滑材料的微觀組織 （a）Fe-Ni-Mo-C;（b）Fe-Ni-5Mo-C;（c）Fe-Ni-5Mo-2C;（d）Fe-Ni-5Mo-3CFig.1 Microstructure of four kinds of iron-based self-lubricating composites

從表3材料的力學(xué)性能可以看出，隨著Mo的添加，材料的密度增加，而添加石墨后，材料的密度減小，在石墨含量為2％時材料的硬度和抗壓強度達(dá)到最大值。由此可以看出，在Mo含量為5％的條件下，材料的力學(xué)性能隨著石墨含量的增高而降低，此時雖然珠光體的量在四種材料中最大，但石墨含量過高時，過量的石墨可能會影響材料的力學(xué)強度，進(jìn)而影響耐磨性。由于珠光體是由鐵素體和滲碳體一層一層地疊加而成，相當(dāng)于硬度不同的疊層材料，圖1（d）中珠光體的形態(tài)和圖1（c）中不同，圖1（c）中的珠光體呈球狀，滲碳體片的厚度比圖1（d）的厚度大，其厚度增加將會增強材料的耐磨性，這也與后面的磨損率的數(shù)據(jù)相一致。

表3 鐵基自潤滑材料的力學(xué)性能Table 3 Mechanical performance of iron-based self-lubricating composites

圖2 四種材料不同摩擦速度時的平均摩擦系數(shù)變化Fig.2 Average coefficient of friction at different friction velocity

3.2 不同速度的摩擦磨損性能分析

從圖2中可以看出，四種材料的摩擦系數(shù)均隨摩擦速度的提高而減小，但a、b兩種材料降低的幅度較小，c、d材料摩擦系數(shù)降低的幅度要比a、b材料的大，這可能與材料燒結(jié)后材料表面形成珠光體的量有關(guān)，這與文獻(xiàn)［12］報道的Fe-C材料摩擦系數(shù)和磨損率隨組織中珠光體的數(shù)量的變化趨勢基本符合。材料與40Cr鋼盤對摩的摩擦系數(shù)隨石墨添加量的增多而明顯降低，雖然b材料在速度為0.5m/s的條件下，摩擦系數(shù)比a材料略高，但從總體上來看，石墨的添加降低了摩擦系數(shù)，改善了摩擦性能。圖3為四種材料在不同速度下的磨損率，由圖中可以看出a、b、c、d四種材料的磨損率均隨摩擦速度的提高而升高。但a、b兩種材料的磨損率的升高趨勢要快于c、d材料，且d材料的磨損率在高速條件下增長的趨勢又較快。在摩擦速度不高于0.5m/s的條件下，微觀組織以珠光體為主相的c、d材料的磨損率達(dá)到了10-8cm3/N·m量級，屬于輕微磨損。速度為1m/s，石墨含量在3％左右時摩擦系數(shù)達(dá)到最低，約為0.27，但石墨含量為3％時，材料在低速條件下耐磨性較好。結(jié)合摩擦系數(shù)和磨損率可以看出，石墨含量在2％和3％時，摩擦速度在≤0.5m/s的條件下，材料的摩擦磨損性能較好，雖然d材料的摩擦系數(shù)在速度達(dá)到1m/s的條件較小，但其磨損率比低速狀態(tài)高了一個量級，隨著速度的提高，其磨損量會增大。

圖3 四種材料不同摩擦速度時的磨損率的變化Fig.3 Wear rate of iron-based self-lubricating composites at different friction velocity

結(jié)合圖1中材料的金相組織，a、b材料的微觀組織以鐵素體為主相（如圖1（a）、（b）），鐵素體的強度、硬度不高，但具有較好的韌性和塑性，而c、d材料的微觀組織是以珠光體為主相（如圖1（c）、（d）），珠光體力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度較高，硬度適中，可以提高Fe-C組織的耐磨性能，這也與摩擦磨損試驗的數(shù)據(jù)相一致。d材料在速度低于0.5m/s時，摩擦磨損性能較好，但速度升高到1m/s后，磨損加劇，這可能是因為石墨的添加量過高影響了材料的力學(xué)強度，在速度較高的情況下，潤滑劑在高速離心力的作用下被甩出，加劇了材料的磨損。

3.3 摩擦盤和材料表面磨損形貌與成分分析

從圖4中可以看出，F(xiàn)e-Ni-5Mo-2C（c）材料在摩擦中出現(xiàn)了一層紅褐色的轉(zhuǎn)移膜。低速條件下對偶盤的表面相對光滑，隨著速度的升高，磨痕寬度逐漸變大，在速度達(dá)到1m/s時，犁溝較為明顯，磨損機制為疲勞磨損和輕微的磨料磨損。由于該材料的基體以珠光體為主，其綜合力學(xué)性能較好，硬度較高，隨著速度的提高，材料對于對偶鋼盤的剪切加劇，同時也增大了材料本身的磨損（見圖3c）。

圖4 Fe-Ni-5Mo-2C材料與40Cr對偶鋼盤在不同轉(zhuǎn)速下摩擦30min后的鋼盤表面宏觀圖片（a-0.1m/s，b-0.5m/s，c為1m/s）Fig.4 Macroscopic view of 40Cr steel plates against Fe-Ni-5 Mo-2C composites at different friction velocity after 30min

從圖5的SEM掃描電子顯微鏡圖像可以看出，兩種不同材料在相同速度下表現(xiàn)出不同的磨損機制。b材料的摩擦表面出現(xiàn)了疲勞剝落現(xiàn)象（如圖5a），主要是由于材料主相以鐵素體為主，材料的力學(xué)強度較低，40Cr對偶鋼盤的硬度為29 HRc，硬-軟的對摩條件導(dǎo)致了材料產(chǎn)生了磨屑和塑性變形。而c材料的微觀組織以珠光體為主，材料的力學(xué)強度較高，磨損率較低，且加入的石墨的量較高，在材料和對偶盤之間形成了一層較好的潤滑轉(zhuǎn)換膜，阻止了材料和對偶盤之間的直接接觸，材料表面形貌較為光滑，僅有小部分的疲勞剝落（見圖5b）。從圖6的XRD圖譜中可以看出，40Cr對偶鋼盤與鐵基自潤滑材料對摩后的主要的產(chǎn)物為Fe和Fe2O3，由于石墨的量較少，摩擦后主要以三體摩擦的形式存在，因此石墨的XRD譜峰很弱，但仍起到了一定的潤滑作用。對于材料摩擦后產(chǎn)生的磨屑，本文沒有做進(jìn)一步的分析，在隨后的工作中將會做進(jìn)一步的研究。

3.4 磨損機理分析

Peterson［16-17］評價了許多氧化物的潤滑行為，并指出氧化物的硬度和結(jié)構(gòu)在很大程度上決定其潤滑行為，氧化物的硬度如一些低溶點的金屬如鉛、鉍和銻等由于嚴(yán)重地降低合金強度而不能被采用，但這些金屬產(chǎn)生的氧化物能有效地潤滑。摩擦過程中，除了所添加的石墨外，在摩擦過程中由于瞬間高溫（可達(dá)到1000℃以上）生成的金屬氧化物也具有一定的潤滑作用［18］。從圖6對材料表面的XRD分析結(jié)果可以看出，所生成少量金屬氧化物主要是氧化鐵，摩擦過程中可能還會有少量從材料中擠壓出的石墨起到減摩作用。通過圖7中的EDS元素分析可以看到，摩擦過程中，在對偶盤的表面有Mo、Ni元素的轉(zhuǎn)移，這可能是摩擦過程中所生成潤滑膜的主要成分，所生成的復(fù)合潤滑膜附著在40Cr對偶鋼盤表面，阻止了材料和對偶鋼盤的直接接觸，從而減小了磨損［19-20］。

圖5 b和c材料在1m/s時的SEM典型磨損形貌 （a）b材料;（b）c材料Fig.5 SEM images of b and c showing the morphologies of the worn surfaces at 1m/s

圖6 與Fe-Ni-5Mo-2C材料在0.5m/s下對摩后的對偶鋼盤磨損表面XRD圖譜Fig.6 XRD pattern of worn surface of 40Cr steel plate against Fe-Ni-5Mo-2C at 0.5m/s

圖7 40Cr對偶鋼盤表面元素的EDS分析Fig.7 EDS of worn surface on 40Cr steel plate

此外，隨著速度增加，復(fù)合材料中的石墨受到擠壓滲出，在一定程度上改善了材料的摩擦學(xué)性能，摩擦系數(shù)隨速度的增加而減小;雖然材料的磨損量隨速度增加而增大，但隨著石墨添加量的增多，磨損量的增加幅度得到了控制（見圖2、圖3）。當(dāng)石墨添加量達(dá)到3％時，雖然降低了摩擦系數(shù)和低速下的磨損率，但由于材料的力學(xué)強度降低了近9％，這也影響了材料在高速下的耐磨性。

4 結(jié) 論

1.通過粉末冶金模壓燒結(jié)的方法，制備出了摩擦磨損性能較好的Fe-Ni-Mo-C自潤滑材料，其中，在干摩擦，1m/s的條件下，自潤滑材料的干摩擦摩擦系數(shù)達(dá)到了0.27，在摩擦速度為0.1～0.5m/s的條件下，磨損率達(dá)到了10-8cm3/N·m量級，屬于輕微磨損。

2.隨著摩擦速度的提高，鐵基自潤滑材料與40Cr鋼盤對摩后的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢，摩擦速度越高，摩擦系數(shù)降低的幅度就越大，而磨損率則隨摩擦速度的增大呈升高的趨勢。

3.石墨含量越高，材料的磨損率隨速度變化的趨勢就越小，磨損趨于穩(wěn)定。

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Tribological Behavior of Iron-based Self-lubricating Composites Used in Industrial Maintenance-free Sliding plates

LI Yan-fen1，TAO Jin-cang1，ZHU Wen-wu2*，HEI Zhong-lei1
（1.Huanghe Jiaotong University，Automotive Engineering Institute，Zhengzhou 454950，China; 2.Chang’an University，Automobile School，Xi’an 710064，China）

Iron-based self-lubricating composites with varying element contents were fabricated by powder metallurgy technology.Tribological properties were investigated with a pin-on-disc tribometer at room temperature.The microstructure were analyzed by a metallography microscope.Scanning electron microscope（SEM）and X-ray diffraction（XRD）were utilized to characterize microstructure，morphologies and phase of the composites.The experimental results indicated that friction coefficient of Fe-based self-lubricating composites against 40Cr steel plate decreased after rubbed，and they belonged to the mild wear and the minimum reached the order of 10-8cm3/N·m at speed of 0.1m/s to 0.5m/s，the lowest friction coefficient of Fe-Ni-Mo-C self-lubricating composites against 40Cr steel was 0.27 at dry friction.Although the wear rised with speed，but it is very stable compared with the composite contained no graphite or lower graphite. Combined with friction coefficient，iron-based self-lubricating composites prepared by this technology showed excellent tribological performance at different friction speed.

fricton speed;powder metallurgy;self-lubrication;wear

TH117

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.031

1673-2812（2016）03-0486-06

2015-02-09;

2015-05-15

李炎粉（1981-），女，講師，主要從事自潤滑材料摩擦學(xué)及應(yīng)用研究。E-mail：gjd0119@163.com。

朱文武（1987-），男，碩士，主要從事汽車零部件的應(yīng)用研究。