一種針刺C/C復合材料-40Cr配副的摩擦學性能

吳坤堯 王 妍 曹鳳香 孫 樂

（1 西安航空學院材料工程學院，西安 710077）

（2 西安建筑科技大學冶金工程學院，西安 710055）

文 摘 采用MMUD-10B型摩擦磨損試驗機分別在干摩擦和水潤滑兩種不同環(huán)境下，固定轉(zhuǎn)速為100 r/min，在不同載荷下（70、150和230 N）對摩擦配副C/C-40Cr進行摩擦學性能對比分析及表征。利用奧林巴斯GX51金相顯微鏡觀察試樣表面的磨痕、采用JJ324BC型的電子天平表征每次實驗的磨損量、使用JSM-6510A型掃描電子顯微鏡（帶有EDS能譜儀）觀察磨屑的形貌及各元素的原子比。結果表明：在干摩擦中，試樣的摩擦因數(shù)較大，在0.046～0.070波動，磨損量較少，且摩擦因數(shù)與磨損量隨著載荷的增加而增加；在水潤滑摩擦情況下，摩擦因數(shù)變化范圍較小，在0.037～0.052，但磨損量較大。干摩擦和水潤滑條件下的摩擦因數(shù)和磨損量與載荷的大小呈正相關趨勢。此外磨屑中穩(wěn)定存在碳纖維和片層狀的40Cr，磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損共同作用。

0 引言

摩擦學的發(fā)展已經(jīng)不單單是探究傳統(tǒng)的機械和力學性能［1-3］，而是轉(zhuǎn)向兩大方面：一是如何起到潤滑與防護以期達到機械工件的使用要求；二是探究摩擦磨損機理，具體集中在混合潤滑條件下磨損過程引起的表面形貌變化對摩擦因數(shù)的影響、混合潤滑滾動、滑動接觸摩擦磨損及自潤滑高強度復合材料的摩擦學性能研究。

近些年，C/C 復合材料由于其具有高比強度和比模量，良好的熱穩(wěn)定性、抗燒蝕性及優(yōu)異的摩擦學性能，在航天航空領域得到廣泛的應用［4-6］。C/C 復合材料是以碳纖維及其織物為增強材料，以碳（或石墨）為基體，通過加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復合材料。而針刺C/C 復合材料增強織物的特殊準三維網(wǎng)狀結構不僅克服了3D 編織預制體生產(chǎn)周期長、成本高等缺點，也解決了2D 鋪層預制體層間結合較弱的問題，并且孔隙分布均勻、結構致密、強度高，已成為一種具有廣泛應用前景的C/C復合材料預制體［7］。目前，針刺C/C 復合材料在航空發(fā)動機軸間密封裝置（主軸環(huán)）的應用也逐漸成為新的研究領域［8］；另一方面，40Cr 由于具有良好的力學性能、低溫沖擊韌性、低缺口敏感性等機械特性亦被廣泛應用于重載條件下航空軸間密封裝置［9］。但大多數(shù)的研究主要集中在C/C 復合材料自身摩擦學行為影響因素，例如纖維類型、基質(zhì)碳結構、磨損的表面形態(tài)等［10-12］。但關于針刺C/C 復合材料與40Cr 構成實際軸間密封摩擦配副時，其摩擦學行為仍有待于考究。特別是在高速重載等苛刻工況下，往往由于配副表面磨損失效而導致難以實際應用。另一方面，對于應用在航空發(fā)動機軸間密封裝置上的C/C 復合材料而言，常有可能受到泄露的潤滑油以及高濕度等環(huán)境的影響，故系統(tǒng)考察該配副在重載時干摩擦及水潤滑條件下的摩擦學行為尤為重要。

基于此，本文模擬兩種潤滑環(huán)境（干摩擦和水潤滑），并在此基礎上系統(tǒng)考察該配副在重載條件下（70、150 和230 N）的摩擦學行為，并對磨痕、磨屑形貌及化學成分進行系統(tǒng)分析，以期對針刺C/C復合材料-40Cr摩擦配副的實際工程應用提供理論指導。

1 實驗

配副材料為針刺C-C復合材料和40Cr。其中上配副材料為針刺C/C復合材料，直徑為Φ6 mm×15 mm，其成型工藝為：將無緯布和碳纖維網(wǎng)胎交替疊層鋪放，利用針刺把碳纖維制成多孔的碳氈，采用化學氣相滲透（CVI）和樹脂浸漬/碳化（I/C）的工藝進行致密化，并進行石墨化處理，使其密度達到1.82 g/cm3。力學性能：抗拉強度62 MPa，抗壓強度134 MPa，彎曲強度80 MPa，剪切強度38 MPa。下配副材料為40Cr，尺寸為Φ43 mm×3 mm。主要成分質(zhì)量分數(shù)為C 0.41%、Cr 1%，其余主要為Fe元素，主要力學性能：抗拉強度990 MPa，抗剪強度428 MPa，屈服強度793 MPa。試樣形狀及尺寸如圖1所示。采用MMUD-10B型摩擦磨損試驗機進行室溫摩擦磨損實驗，摩擦力矩為15 N·m，轉(zhuǎn)速為100 r/min，每組摩擦試驗均重復5次，并進行誤差修正求摩擦全過程平均摩擦因數(shù)，載荷均為70、150和230 N，水潤滑條件下通過在摩擦接觸區(qū)域加入等量1.5 mL蒸餾水來實現(xiàn)，其余試驗參數(shù)均與干摩擦相同。利用奧林巴斯GX51金相顯微鏡觀察試樣磨痕，采用JJ324BC型的電子天平表征每次實驗的磨損量，將收集的磨屑用JSM-6510A型掃描電子顯微鏡（帶有EDS能譜儀）觀察與分析。磨損量計算公式如下：Δm=m前-m后（m前表示實驗前上配副和下配副的質(zhì)量，m后表示實驗后上配副和下配副的質(zhì)量）。磨損率計算如下：w=Δm/m前（Δm是指磨損質(zhì)量，m前是指磨損前質(zhì)量）

圖1 磨銷和磨盤的尺寸Fig.1 Dimensions of grinding pins and grinding discs

2 結果與討論

2.1 不同條件下的摩擦性能

圖2為在干摩擦和水潤滑兩種環(huán)境下，不同載荷（70，150 和230 N）條件下摩擦因數(shù)及磨損率與時間的變化曲線。可以看出，隨載荷增加，干摩擦時的摩擦因數(shù)由0.046 增大到0.070，呈上升趨勢；對水潤滑而言，摩擦因數(shù)由0.037 升高到0.052，亦呈上升趨勢。明顯可知干摩擦的摩擦因數(shù)普遍大于水潤滑。磨損率變化趨勢與摩擦因數(shù)的變化規(guī)律一致，可見不同的摩擦條件對配副材料的摩擦行為有重要的影響。從圖2 可以看出，在干摩擦中，摩擦因數(shù)與載荷的大小呈正相關，即載荷越大摩擦因數(shù)亦變大，這是由于在摩擦初期試樣表面存在氧化膜，當載荷較小時，氧化膜得以保持完整，通常來說氧化膜的存在會起到一定的潤滑作用［13-14］，另一方面，當載荷較小時，摩擦接觸區(qū)域不會產(chǎn)生強烈的咬合狀態(tài)，從而使得在相對較低載荷下，平均摩擦因數(shù)較?。坏S著載荷的增加，氧化膜的完整性被逐漸破壞，摩擦接觸區(qū)域咬合不斷增加，從而使得摩擦因數(shù)逐漸增大，因此，在干摩擦中，隨著載荷的增加，摩擦因數(shù)亦不斷增大；在水潤滑摩擦中，由于C/C 復合材料在含有一定水分的氣氛中具有優(yōu)異的自潤滑性能［14］，從而提高耐磨損能力，使其摩擦因數(shù)相對較小，隨著載荷的不斷增加，水的相對分子質(zhì)量較低，無法隔絕配副之間的直接接觸，使得摩擦因數(shù)緩慢增加，因此，摩擦因數(shù)干摩擦大于水潤滑。

此外，在摩擦過程中，載荷大小會影響磨損量，對于干摩擦，隨著載荷增大，磨損量逐漸增多，這可能是由于在摩擦初期，當轉(zhuǎn)速恒定時，摩擦產(chǎn)生了一些硬質(zhì)磨粒［15］，在實驗過程中，這些硬質(zhì)磨粒被反復研磨、擠壓，加劇了摩擦，使得磨損量逐漸增加。在水潤滑中，硬質(zhì)磨粒之間不斷擠壓、研磨，使得磨損量隨著載荷的增加而增加，但吸附水分子后，C/C 復合材料表面能降低，磨屑與表面相互作用力降低，磨屑回到試樣磨損表面的數(shù)量減小，難以形成較厚的磨屑膜；而且由于水的分子量低、黏度小，在摩擦表面通過吸附作用形成的水分子膜的厚度小，承載能力低，難以隔離配副之間的直接接觸，而40Cr 的硬度、強度高，導致C/C復合材料處于高磨損狀態(tài)，磨損量較干摩擦大。

圖2 C/C-40Cr在不同載荷下的干摩擦及水潤滑條件下的摩擦因數(shù)及磨損率變化Fig.2 The curve of friction coefficient and wear rate of C/C-40Cr under dry friction and water lubrication with different loads

2.2 40Cr磨痕形貌

圖3為40Cr在干摩擦下的磨痕形貌圖。

圖3 干摩擦時在不同載荷下40Cr的磨痕形貌Fig.3 Wear track of 40Cr microstructure under dry friction with 3 different loads

由圖可知試樣表面存在不同程度的磨損，沿著相對運動方向出現(xiàn)明顯的深淺不一的梨溝狀的磨痕，與此同時還伴有黏著坑，這是典型的黏著磨損［16］，這是由于材料的上下配副在相互摩擦磨損過程中，兩個接觸面上的磨粒形成黏著點，在法向剪切力的作用下黏接點會發(fā)生剪切斷裂，從而使得材料的摩擦表面出現(xiàn)深淺不一的劃痕甚至于出現(xiàn)輕微的撕裂現(xiàn)象，露出里面的纖維狀組織。此外，載荷的大小與磨痕的深淺相關，當載荷較小時，磨盤上的磨痕較淺；當載荷較大時，磨痕比較深。而摩擦因數(shù)的變化規(guī)律亦是隨著載荷的增加呈逐漸增大趨勢，與前文分析相對應。綜上所述，在干摩擦中，配副之間出現(xiàn)不同的磨痕主要是黏著磨損機制。

圖4為水潤滑下的磨痕形貌，可見材料表面出現(xiàn)了明顯的黏著坑和梨溝，且其深淺與轉(zhuǎn)速的大小有關，因此推測在實驗中最主要的磨損機制仍是黏著磨損［17］。從圖4（a）可知材料表面出現(xiàn)的一些深淺不一的梨溝型磨痕，推測在摩擦初期出現(xiàn)硬度較大的40Cr，使其與配副材料相互擠壓，發(fā)生明顯的撕裂。從圖4（b）和圖4（c）可以看到，材料表面出現(xiàn)的現(xiàn)象與圖4（a）類似，有明顯的凹坑和一些撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)，材料的磨損表面除了因為擦傷和部分較硬的微凸體的切削作用變得非常粗糙并且有深淺不一的犁溝出現(xiàn)之外，還有明顯的撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)，這種磨損機理為黏著磨損。這是因為在摩擦磨損過程中，兩個相互接觸表面上的微凸體不斷形成黏著點，在力的作用下黏著接點會發(fā)生剪切斷裂，脫落成磨屑或者發(fā)生遷移，從而導致摩擦表面呈現(xiàn)出較深的劃痕甚至出現(xiàn)表面撕裂現(xiàn)象［14］。從圖4中可以看出，其磨損機理與干摩擦一致，主要呈黏著磨損。

圖4 水潤滑時在不同載荷下40Cr的磨痕形貌Fig.4 Wear track of 40Cr microstructure under three different loads in water lubrication

綜上所述，在干摩擦和水潤滑摩擦下，40Cr 的磨損機理主要是黏著磨損。上下配副之間劇烈作用，產(chǎn)生的一些硬質(zhì)磨粒相互黏著、斷裂和彈塑性形變，使得摩擦副表面的溫度升高，成分、組織和性能發(fā)生變化，出現(xiàn)明顯的黏著坑和一些深淺不一的梨溝，甚至出現(xiàn)一些撕碎斷裂現(xiàn)象，并最終對實驗結果產(chǎn)生影響。

2.3 不同條件下磨屑形貌及組分

圖5 為在干摩擦時不同載荷下所產(chǎn)生磨屑的微觀形貌，每一種載荷下選擇3個不同選區(qū)。

圖5 在干摩擦環(huán)境下3種不同載荷下的磨屑形貌Fig.5 Morphology of wear debris under dry friction with 3 different loads

圖6 在水潤滑環(huán)境下3種不同載荷下的磨屑形貌Fig.6 The morphology of wear debris in water lubrication with 3 different loads

由圖可知：其主要由纖維狀的C/C復合材料和片層狀的40Cr 構成，可觀察到纖維管狀的C/C 復合材料發(fā)生了明顯的斷裂，片層狀的40Cr 表面有一些明顯的黏著坑，表面伴有嚴重的撕碎斷裂痕跡，這是典型的黏著磨損與磨粒磨損。隨著載荷的不斷增大，磨屑量也越來越多，磨屑中片層狀的40Cr 具有顯著的層狀特征，觀察其形貌可知，材料的磨損主要是黏著磨損和磨粒磨損。圖5（a）的磨屑量較少，且磨屑顆粒較大，磨損表面纖維之間存在裂紋。待載荷達到150 N后，如圖5（b）所示，磨屑量增多，磨屑顆粒變小。當載荷達到230 N 時，如圖5（c）所示，磨屑量達到最大，而磨屑顆粒已經(jīng)基本轉(zhuǎn)化為細小的片狀結構。載荷增大，磨屑量亦增大，其磨屑顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)殚L條狀以及大顆粒狀，甚至有脫落的跡象。從磨屑顆粒在放大1 000 倍的形貌圖可以發(fā)現(xiàn)：磨屑顆粒均表現(xiàn)為塊狀結構，僅有極少一部分小顆粒黏著于塊狀的結構上。隨著載荷的增加，由于磨損產(chǎn)生的磨屑顆粒表現(xiàn)為區(qū)域性片狀剝離，并伴有輕微的剝離斷層表征。在載荷為150 N 下，試樣經(jīng)磨損后產(chǎn)生的磨屑顆粒已經(jīng)開始向大量剝落轉(zhuǎn)變，在同一塊片狀結構的磨屑上分布著眾多細小的片狀剝離層。隨著載荷的繼續(xù)增大，磨屑顆粒開始減小，轉(zhuǎn)化為更為細小的顆粒狀產(chǎn)物。由于載荷的增大，磨屑顆粒直接從試樣表面撕下，且大量的磨屑被直接碾碎為更加細小的顆粒物，并通過擠壓直接粘附于剝落的條狀磨屑上。分析可知，黏著磨損與磨粒磨損共同作用于摩擦過程。

如圖6 所示，在水潤滑下磨屑的50×和1 000×SEM 形貌，磨屑呈膠黏狀。通過對比可知，在70 N 載荷磨損下，磨屑量比較少，且磨粒較大。隨著載荷的不斷增大，待載荷達到150 N 后，磨屑量增加，磨屑顆粒較前面有所減小，并逐步轉(zhuǎn)化為小顆粒狀。當載荷達到230 N 時，磨損量在持續(xù)增多，而磨屑的顆粒已轉(zhuǎn)化為細小的顆粒和小的片狀結構，還可以看見一些細小的纖維狀的C/C 復合材料存在。在水潤滑中，與前文分析一致，其主要的磨損機理仍為黏著磨損和磨粒磨損，磨損量也在隨著載荷的增加而緩慢增加；磨屑從膠黏狀緩慢的變?yōu)榧毿〉念w粒，被碾碎的C/C復合材料和較小的片層狀40Cr黏結在一起。

2.4 磨屑化學成分分析

圖7 為干摩擦和水潤滑在150 N 摩擦時所產(chǎn)生磨屑的化學成分分析。

圖7 150 N作用下產(chǎn)生的磨屑EDS曲線Fig.7 EDS curve of wear debris produced under 150N

可以看出，在干摩擦中C原子比為34.32%，在水潤滑中C 原子比為89.97%，即在水潤滑中C 元素的含量高于干摩擦，由于石墨是一種結晶形態(tài)，具有六方晶格，原子呈層狀排步，同一層晶面上碳原子間距0.142 nm，相互之間是共價鍵結合，層與層之間的距離為0.34 nm，原子間呈分子鍵結合，層與層之間的作用力很小，故很容易在層間發(fā)生相對滑動［18-19］，因此結合這些結構特點，可以看出C 元素的存在可以起到很好的減磨作用，使得摩擦因數(shù)降低。另一方面，O 原子的含量在水潤滑時遠高于干摩擦，在摩擦磨損實驗過程中O 元素形成了氧化膜使得摩擦因數(shù)進一步降低。從圖7 中可知，在干摩擦中，其片層狀的組織經(jīng)由EDS 分析，其中元素主要包含F(xiàn)e、C、Cr，由此可以得出磨屑中片層狀的組織為40Cr，纖維管狀組織為C/C 復合材料；對水潤滑摩擦而言，磨屑中的主元素是由C、O、Fe 三種元素組成，C 元素的質(zhì)量分數(shù)最高，遠高于Fe、O 元素。而Si、Cr、Mn的質(zhì)量分數(shù)相對較少，處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述，主要是因為C、O、Fe 元素的質(zhì)量分數(shù)對水潤滑下的摩擦因數(shù)產(chǎn)生較大的影響，在摩擦過程中C 的磨損起到了潤滑作用使得摩擦因數(shù)相對較低，而O 元素形成了氧化膜使得摩擦因數(shù)降低。

3 結論

（1）在干摩擦中，摩擦因數(shù)較大（0.046～0.070），但磨損量較小，隨著載荷的增加摩擦因數(shù)逐漸增加，波動范圍較大。

（2）在水潤滑摩擦下，摩擦因數(shù)較?。?.037～0.052），磨損量較大，隨著載荷的增加摩擦因數(shù)緩慢增大。

（3）C/C-40Cr 摩擦配副水潤滑摩擦因數(shù)明顯小于干摩擦，即水潤滑條件下可起到減磨作用。

（4）磨屑中均包含纖維狀C/C復合材料和片層狀的40Cr，主要磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損。