不同試驗(yàn)條件下C/C復(fù)合材料的摩擦磨損性能

符宏山, 楊 敏,任慕蘇, 李 紅,張家寶, 韋習(xí)成, 孫晉良

(1.上海大學(xué)復(fù)合材料研究中心,上海200072;2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200444)

C/C復(fù)合材料具有導(dǎo)熱性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)低、耐腐蝕、摩擦性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-3],與軸配合工作時(shí)能自潤(rùn)滑,是一種優(yōu)良的自潤(rùn)滑減磨材料,在汽車軸承、航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封環(huán)、密封圈等精密零部件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4-6].

C/C復(fù)合材料的摩擦磨損性能不僅受材料本身結(jié)構(gòu)組成、纖維取向的影響,還與材料所受載荷、轉(zhuǎn)速、介質(zhì)等工況條件密切相關(guān)[7-8].葛毅成等[9]研究了C/C復(fù)合材料在干態(tài)、水和油浸潤(rùn)條件下的摩擦磨損性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)基體碳為樹脂浸漬碳的試樣摩擦系數(shù)最大,水潤(rùn)滑時(shí)試樣的摩擦系數(shù)最小,但磨損率最大.李克智等[10]對(duì)利用化學(xué)液相沉積工藝制備的C/C復(fù)合材料濕態(tài)摩擦磨損性能進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有粗糙層結(jié)構(gòu)的C/C復(fù)合材料在高速、高制動(dòng)壓力下具有較高的穩(wěn)定性.目前,對(duì)C/C復(fù)合材料的研究主要針對(duì)剎車片在干態(tài)條件下的摩擦磨損性能[11-12],而少數(shù)濕態(tài)條件下的研究也是將試樣置于液態(tài)介質(zhì)中進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),與實(shí)際應(yīng)用中密封環(huán)只受到泄露的潤(rùn)滑油以及水分影響的使用環(huán)境不符.因此,研究C/C復(fù)合材料在貧油汽、貧水汽氣氛條件下的摩擦磨損性能,并探討其摩擦磨損機(jī)理,對(duì)于完善C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的研究十分重要[13-15].

本工作對(duì)比研究了C/C復(fù)合材料在不同載荷及不同潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損行為,并探討了其摩擦磨損機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試樣的制備

以聚丙烯腈預(yù)氧化纖維針刺整體氈為預(yù)制體,以丙烯為碳源,通過化學(xué)氣相滲透(chemical vapor infiltration,CVI)、樹脂浸漬相結(jié)合的工藝制得C/C復(fù)合材料摩擦試樣.試樣經(jīng)2 300°C石墨化處理,其中碳纖維體積分?jǐn)?shù)約為11.00%,熱解碳約為57.50%,樹脂碳約為31.25%.試樣為Φ外35 mm×Φ內(nèi)8 mm×6 mm的圓環(huán),摩擦面與針刺方向垂直.采用排水法測(cè)量試樣的密度及氣孔率,試樣密度及開孔率如表1所示,S1,S2,S3為干態(tài)條件下摩擦試樣,S4為水潤(rùn)滑條件下摩擦試樣,S5為油潤(rùn)滑條件下摩擦試樣.

表1 試樣的密度及開孔率Table 1 Density and porosity of the samples

1.2 測(cè)試與分析

借助德國(guó)卡爾蔡司偏光顯微鏡觀察C/C試樣的金相結(jié)構(gòu).在MM-W1型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)(見圖1).C/C試樣的對(duì)磨銷為40Gr鋼,硬度HRC45,規(guī)格為Φ5.5 mm×10 mm,表面粗糙度Ra0.8μm.

試驗(yàn)條件如下:主軸轉(zhuǎn)速200 r/min,摩擦?xí)r間30 min,在正壓力為0.5,1.0,1.5 MPa下進(jìn)行摩擦試驗(yàn),并在1.5 MPa下以干態(tài)、水潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑為摩擦介質(zhì)分別進(jìn)行測(cè)試.

在水潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑條件下,試驗(yàn)前先將試樣置于水或油(殼牌喜力HX5 10W-40)中浸漬24 h,使試樣孔隙被潤(rùn)滑介質(zhì)填充.采用德國(guó)DSA100型視頻光學(xué)接觸測(cè)量?jī)x測(cè)定試樣與蒸餾水、油的接觸角.采用BS210S型電子天平(精度為0.1 mg)測(cè)量試樣摩擦磨損前后的質(zhì)量,計(jì)算質(zhì)量磨損率.借助JSM-6700F掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)觀察試樣磨損后表面及磨屑的形貌特征.

圖1 試樣形狀和接觸形式Fig.1 Samples shape and contact form

2 結(jié)果與討論

2.1 C/C試樣的熱解碳結(jié)構(gòu)

圖2為C/C試樣熱解碳的偏光顯微圖.由圖可知,C/C試樣中CVI制備的熱解碳具有規(guī)整的“十”字架消光輪廓及環(huán)向裂紋,為光滑層結(jié)構(gòu),因此C/C試樣的摩擦系數(shù)相對(duì)較低,具有耐磨的特性.在摩擦過程中,熱解碳形成的磨屑膜隔離材料與對(duì)磨銷的直接接觸,起到了減小摩擦系數(shù)、降低磨損率的作用;熱解碳消耗后,樹脂碳支撐碳纖維,與碳纖維共同保持材料的結(jié)構(gòu),承受應(yīng)力作用;樹脂碳被犁削后,碳纖維因失去支撐而斷裂或脫出,形成硬質(zhì)磨屑.

圖2 C/C試樣熱解碳的偏光顯微圖Fig.2 Polarized light micrograph of pyrocarbon in C/C samples

2.2 摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化

圖3 為0.5 MPa干態(tài)條件下的摩擦系數(shù)曲線.由圖可見,隨著摩擦?xí)r間的增加,摩擦系數(shù)先增大后在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)在0.130～0.142之間.當(dāng)摩擦開始時(shí),C/C試樣表面較高的微凸體與對(duì)磨銷發(fā)生點(diǎn)接觸或線接觸,并迅速被剪切、斷裂或磨平產(chǎn)生磨屑,使得摩擦表面粗糙度增大,摩擦系數(shù)增大.隨著摩擦的進(jìn)行,微凸體在壓力的作用下不斷發(fā)生變形和斷裂,點(diǎn)接觸和線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|,實(shí)際摩擦面積增大,磨屑也不斷增多.當(dāng)磨屑積累到一定程度后,因受擠壓形成一層具有減摩作用的磨屑膜,摩擦系數(shù)不再繼續(xù)增大.在摩擦后期,隨著摩擦?xí)r間的增加,磨屑膜不斷被破壞形成新的磨屑,新的磨屑在擠壓作用下形成新的磨屑膜,磨屑膜的形成和消耗達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡,因此摩擦系數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)性平穩(wěn).

圖3 0.5 MPa干態(tài)條件下的摩擦系數(shù)Fig.3 Friction coefficients at 0.5 MPa under dry condition

2.3 載荷對(duì)摩擦磨損性能的影響

圖4 為干態(tài)條件,0.5,1.0,1.5 MPa下的摩擦系數(shù)曲線(見圖4(a))及質(zhì)量磨損率(見圖4(b)).由圖4(a)可見,3種不同載荷下摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化趨勢(shì)相似,均先增大后逐漸趨于穩(wěn)定;隨著載荷的增加,達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越來越短,波動(dòng)幅度越來越小;穩(wěn)定后,0.5,1.0,1.5 MPa下的摩擦系數(shù)分別為0.136,0.133和0.128.當(dāng)施加載荷時(shí),C/C試樣表面的微凸體被剪切,并在壓力作用下被碾碎成細(xì)小的磨屑;載荷增加時(shí)摩擦表面的微凸體更容易被剪切,在增大的壓力作用下碾碎成的細(xì)小磨屑更容易在摩擦表面積聚,填充于摩擦表面孔隙,并形成光滑、完整的磨屑膜.因此,載荷越大,剝落的磨屑越容易形成磨屑膜,達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越短,摩擦系數(shù)及其波動(dòng)幅度也越小.

圖4 干態(tài)條件,0.5,1.0,1.5 MPa下的摩擦系數(shù)及質(zhì)量磨損率Fig.4 Friction coefficients and the mass wear loss at 0.5,1.0,1.5 MPa under dry condition

圖4(b)中,0.5,1.0,1.5 MPa條件下的質(zhì)量磨損率分別為0.020,0.030,0.092 mg/轉(zhuǎn).隨著載荷的增加,硬質(zhì)顆粒的犁削作用增強(qiáng),磨損加劇;同時(shí),摩擦過程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,積累到一定程度時(shí),磨屑膜在內(nèi)應(yīng)力的作用下開裂并產(chǎn)生磨屑,隨著載荷的增加,磨屑膜更容易開裂,導(dǎo)致磨損率更大.

2.4 潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)摩擦磨損性能的影響

C/C試樣與蒸餾水、潤(rùn)滑油的接觸角測(cè)試結(jié)果如圖5所示,由圖可見,C/C試樣與水的接觸角最終穩(wěn)定在130°左右,與潤(rùn)滑油的接觸角最終穩(wěn)定在1.8°左右,說明C/C復(fù)合材料為疏水親油性材料.試樣浸漬潤(rùn)滑介質(zhì)后,潤(rùn)滑油在材料內(nèi)部的體積分?jǐn)?shù)大于水,且油膜在C/C試樣表面呈鋪展?fàn)顟B(tài).將浸漬潤(rùn)滑介質(zhì)后的試樣在相同載荷(1.5 MPa)下進(jìn)行測(cè)試,得到C/C試樣在干態(tài)、水潤(rùn)滑及油潤(rùn)滑3種條件下的測(cè)試結(jié)果如圖6所示.

圖5 試樣與蒸餾水、潤(rùn)滑油的接觸角Fig.5 Contact angles of samples with distilled water and oil

圖6 1.5 MPa不同潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)和質(zhì)量磨損率Fig.6 Friction coefficients and mass wear loss at 1.5 MPa under different conditions

由圖6(a)可見,在3種條件下,C/C試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相似,均先增大而后呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定.在濕態(tài)條件下的C/C試樣因?yàn)橛袧?rùn)滑介質(zhì)的存在,摩擦系數(shù)較干態(tài)條件下要小.在摩擦穩(wěn)定階段,干態(tài)條件下的摩擦系數(shù)最大(0.128),波動(dòng)幅度最小;水潤(rùn)滑條件次之(0.125);油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)最小(0.120),波動(dòng)幅度最大.在濕態(tài)條件下,摩擦開始時(shí),除因微凸體斷裂產(chǎn)生碎屑粒子使得摩擦系數(shù)增大外,摩擦表面的升溫使得C/C試樣摩擦表面的水膜或油膜解吸附,也會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大.隨著摩擦?xí)r間的增加,C/C試樣表面溫度升高,液態(tài)介質(zhì)蒸發(fā),表面溫度因熱傳導(dǎo)到內(nèi)部,使得內(nèi)部的液態(tài)介質(zhì)受熱膨脹向表面滲出,同時(shí)帶走部分熱量,將摩擦?xí)r的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能消耗,因此摩擦系數(shù)較干態(tài)條件下要小.油的潤(rùn)滑性能較水要好,C/C復(fù)合材料又屬疏水親油材料,滲入材料內(nèi)部油的體積分?jǐn)?shù)也大,因此油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)最小.

由圖6(b)可見,干態(tài)、水潤(rùn)滑及油潤(rùn)滑條件下的質(zhì)量磨損率分別為0.092,0.232,0.109 mg/轉(zhuǎn),水潤(rùn)滑條件下磨損率最大,油態(tài)次之,干態(tài)最小.這是由于在干態(tài)條件下,摩擦面之間容易形成比較完整的磨屑膜,有效隔離了C/C試樣與對(duì)磨銷的直接接觸,因此質(zhì)量磨損率最小.而滲透在材料孔隙內(nèi)部的水和油會(huì)加劇材料的裂紋擴(kuò)展,因熱膨脹向表面滲出的液態(tài)介質(zhì)將磨屑分散于摩擦表面,磨屑不易積聚形膜,導(dǎo)致水潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑條件下的磨損率更大.由于C/C復(fù)合材料的疏水親油性質(zhì),樣品浸漬水后,C/C試樣表面吸附的水量較少,與對(duì)磨銷的接觸面積較大;而浸漬油后,材料表面形成一層油膜,油膜可隔離C/C試樣與對(duì)磨銷的接觸,減少C/C試樣的犁削磨損,因此質(zhì)量磨損率比水潤(rùn)滑條件下要小.

3 摩擦磨損形貌與機(jī)理分析

C/C試樣的摩擦磨損過程可分為4個(gè)階段:①在載荷及剪切力的作用下,C/C試樣表面的硬質(zhì)微凸體與對(duì)磨銷發(fā)生點(diǎn)接觸或線接觸,微凸體相互作用變形、剪切并斷裂,產(chǎn)生硬質(zhì)顆粒,摩擦系數(shù)增大,形成磨損;②硬質(zhì)顆粒對(duì)C/C試樣表面產(chǎn)生犁削作用,試樣表面發(fā)生裂紋擴(kuò)展,熱解碳剝落形成硬度較低的磨屑,樹脂碳被犁削成硬質(zhì)磨屑,碳纖維失去樹脂碳的支撐后斷裂或脫出,產(chǎn)生硬質(zhì)顆粒.在離心力的作用下,部分磨屑脫出摩擦表面,加劇試樣的磨損;③細(xì)小的磨屑填充試樣表面的孔隙及裂紋,在壓力作用下被碾壓成磨屑膜,隔離了試樣與對(duì)磨銷的直接接觸,摩擦系數(shù)減小;④在載荷的持續(xù)作用下,磨屑膜開裂,產(chǎn)生磨屑,磨屑中的硬質(zhì)顆粒對(duì)摩擦面繼續(xù)產(chǎn)生犁削作用,同時(shí)磨屑又不斷被碾壓形成磨屑膜,整個(gè)摩擦面處于“犁削—形膜”的動(dòng)態(tài)平衡.

圖7為干態(tài)條件、不同載荷下C/C試樣摩擦磨損后表面的SEM形貌圖.由圖可見,在0.5 MPa下,摩擦后樣品表面存在大小不一的磨屑粒子堆積,磨屑膜不完整;在1.0 MPa下,摩擦后的樣品表面磨屑較少,形成鱗片狀堆積的磨屑膜層;在1.5 MPa下,摩擦后的樣品表面形成了完整的磨屑膜.隨著載荷的增加,微凸體與對(duì)磨銷的接觸面積增大,在摩擦過程中,更多微凸體被剪切、斷裂而產(chǎn)生磨屑,熱解碳剝落程度更高,一部分細(xì)小的磨屑填充于摩擦表面的裂紋,一部分磨屑在更大載荷作用下被碾壓形成磨屑膜.因此,隨著載荷的增加,C/C試樣中剝落的熱解碳增多,摩擦表面形成的磨屑膜更為完整.

圖7 干態(tài)條件,不同載荷下摩擦磨損后的SEM圖Fig.7 Wear surface SEM images at different loads under dry condition

圖8為在1.5 MPa,干態(tài)、水潤(rùn)滑、油潤(rùn)滑3種狀態(tài)下摩擦磨損后C/C試樣表面的SEM形貌圖,由圖可見,在干態(tài)條件下,摩擦表面形成完整的磨屑膜;在水潤(rùn)滑條件下,樣品表面有少量層狀堆積的磨屑,磨屑膜不完整,部分區(qū)域存在孔隙;在油潤(rùn)滑條件下,碳纖維輪廓較為清晰,部分纖維間有狹長(zhǎng)的縫隙,纖維表面存在少量磨屑,磨屑膜不完整.在水潤(rùn)滑條件下,隨著摩擦的進(jìn)行,材料內(nèi)部的水不斷減少,C/C試樣表面開始形成磨屑膜,因摩擦開始時(shí)試樣表面的水分對(duì)摩屑的分散作用使得磨屑需要更長(zhǎng)時(shí)間才能形成磨屑膜,在摩擦?xí)r間相同的情況下,水潤(rùn)滑條件下的磨屑膜不如干態(tài)條件下完整;在油潤(rùn)滑條件下,摩擦開始時(shí)摩擦表面被油膜隔開,載荷一部分由油膜承擔(dān),一部分由微凸體承受.摩擦阻力一部分由油膜剪切引起,一部分由微凸體的相互作用變形和剪切引起.隨著摩擦的進(jìn)行,油膜變薄,油膜對(duì)磨屑的分散作用減弱,磨屑在壓應(yīng)力作用下逐漸形成磨屑膜,由于試樣內(nèi)部滲入油的體積分?jǐn)?shù)較大,摩擦過程中裂紋擴(kuò)展加速,因此油潤(rùn)滑條件下摩擦表面的縫隙比水潤(rùn)滑條件下要大.

圖8 1.5 MPa不同潤(rùn)滑條件下摩擦磨損后的SEM圖Fig.8 Wear surface SEM images at 1.5 MPa under different conditions

圖9 為在摩擦磨損過程中,水和油潤(rùn)滑條件下C/C試樣表面的示意圖.由于C/C復(fù)合材料是疏水親油材料,其內(nèi)部孔隙中水的體積分?jǐn)?shù)較小,摩擦面間形成的水膜稀薄,在摩擦過程中只能起到一定的潤(rùn)滑作用,隨著摩擦的進(jìn)行,摩擦表面的水減少,剝落的磨屑開始積聚,因此水潤(rùn)滑條件下摩擦表面的磨屑呈堆積狀.在油潤(rùn)滑條件下,C/C試樣內(nèi)部孔隙中滲入油的體積分?jǐn)?shù)較大,形成的油膜鋪展在試樣表面,有效隔離了試樣與對(duì)磨銷的直接接觸,降低了摩擦系數(shù)及磨損率;同時(shí),油膜對(duì)磨屑起分散作用,因此C/C試樣表面未形成完整的磨屑膜,只能看到碳纖維清晰的輪廓.

圖9 水和油潤(rùn)滑條件下C/C試樣表面示意圖Fig.9 Surfaces of C/C samples under water and oil conditions

4 結(jié)論

(1)在干態(tài)條件下,隨著摩擦?xí)r間的增加,C/C試樣的摩擦系數(shù)先增大后達(dá)到穩(wěn)定.摩擦系數(shù)增大是由于C/C試樣表面微凸體剪切斷裂,摩擦阻力增大引起.微凸體斷裂形成的磨屑在壓力作用下擠壓形成磨屑膜,磨屑膜的動(dòng)態(tài)消耗及產(chǎn)生是摩擦系數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)的原因.

(2)在干態(tài)條件下,隨著載荷由0.5 MPa增大至1.5 MPa,磨屑被擠壓成完整的磨屑膜,有效隔離了試樣與對(duì)磨銷的直接接觸,使得摩擦系數(shù)逐漸減小;但由于磨屑膜在高載荷下更容易被破壞,使得質(zhì)量磨損率逐漸增大.

(3)在相同載荷(1.5 MPa)下,水和油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)較干態(tài)條件下要小,質(zhì)量磨損率較干態(tài)條件下要大.水和油潤(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)較小是由于潤(rùn)滑介質(zhì)自身形成的液態(tài)膜起了減摩作用;磨損率較大是由于潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)磨屑的分散作用,不利于形成磨屑膜.試樣表面的油膜可減少試樣的犁銷磨損,因此其質(zhì)量磨損率較水潤(rùn)滑條件下要小.

(4)水潤(rùn)滑條件下形成的水膜較薄,對(duì)C/C試樣與對(duì)磨銷接觸的隔離效果較油膜差,磨損率較油潤(rùn)滑條件下要高,這是由C/C復(fù)合材料疏水親油的性質(zhì)引起的.