銅合金鑲嵌石墨材料的摩擦磨損性能

史 科，王文東，司明明，王 飛，張 超

(1.國(guó)核工程有限公司，上海 200233；2.上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

0 引 言

在核電、航空、航天、軍工等領(lǐng)域的苛刻服役工況下，當(dāng)無(wú)法采用傳統(tǒng)方式對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)械零部件進(jìn)行潤(rùn)滑，但仍需滿(mǎn)足特別長(zhǎng)的服役壽命要求(如核電領(lǐng)域的蒸汽發(fā)生器支撐用關(guān)節(jié)軸承服役壽命為60 a[1])時(shí)，需采用合理的固體潤(rùn)滑方式滿(mǎn)足此類(lèi)特殊零部件的技術(shù)要求。目前常用的一種固體潤(rùn)滑劑為石墨。將石墨鑲嵌在銅合金中所得的材料既具備銅合金的高強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱與導(dǎo)電性能[2-4]，又具備石墨的自潤(rùn)滑性能。Cu-15Ni-8Sn合金是一種調(diào)幅分解強(qiáng)化型銅合金，經(jīng)固溶時(shí)效熱處理以及后續(xù)的變形加工后其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1 000 MPa以上，且具有優(yōu)異的摩擦學(xué)特性，該合金在重載軸承領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[5]。Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料能滿(mǎn)足核電蒸汽發(fā)生器支撐用關(guān)節(jié)軸承的服役要求；石墨的成分、微觀結(jié)構(gòu)、覆蓋面積比例以及接觸應(yīng)力時(shí)變形和溫度梯度分布等因素共同影響著銅合金鑲嵌石墨材料的摩擦磨損性能[6-16]。但是，目前有關(guān)Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料摩擦學(xué)性能的研究還鮮有報(bào)道。為此，作者將具有不同硬度和強(qiáng)度的石墨鑲嵌在Cu-15Ni-8Sn合金中，并分別在干、濕摩擦條件下對(duì)Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料與05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼組成的摩擦副進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究不同載荷和潤(rùn)滑條件下該鑲嵌材料的摩擦磨損性能，并對(duì)其磨損機(jī)制進(jìn)行分析。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料包括：Cu-15Ni-8Sn合金(以下簡(jiǎn)稱(chēng)銅合金)，化學(xué)成分見(jiàn)表1，由上海材料研究所提供；石墨粉，粒徑為30 μm，由成都中超碳素科技有限公司生產(chǎn)。將石墨粉經(jīng)磨粉、混合、軋制、成型、焙燒、浸漬、再焙燒、石墨化、提純等工序處理后，采用等靜壓成型方法制成。肖氏硬度分別為66，45 HS的塊狀石墨(以下簡(jiǎn)稱(chēng)石墨G1和G2)，石墨G1和石墨G2的抗彎強(qiáng)度分別為75，58 MPa，抗壓強(qiáng)度分別為132，92 MPa。將塊狀石墨加工成尺寸為φ3 mm×4 mm的石墨柱，采用過(guò)盈配合方式鑲嵌于尺寸為φ31.8 mm×φ22 mm×7 mm銅合金圓環(huán)基體上，鑲嵌石墨柱的數(shù)量為19顆，得到Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料。該材料的表面粗糙度為0.4 μm，外觀如圖1所示。為方便描述，將鑲嵌石墨G1和石墨G2的試樣分別記作試樣1和試樣2。

圖1 銅合金鑲嵌石墨材料的外觀

表1 Cu-15Ni-8Sn合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

按照ASTM D3702-94，在MPX-2000型盤(pán)銷(xiāo)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干摩擦磨損試驗(yàn)和濕摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨試樣為經(jīng)固溶時(shí)效處理的尺寸φ32 mm×φ20 mm×13.68 mm的05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼圓環(huán)，對(duì)磨圓環(huán)的表面粗糙度為0.4 μm，試驗(yàn)載荷分別為490，980，1 470 N，轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，試驗(yàn)溫度為25 ℃。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的工作原理見(jiàn)圖2，圖中F為施加載荷。濕摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，將摩擦副浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.27%的硼酸水溶液中。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后，采用TESA-μ HITE型測(cè)高儀測(cè)量試樣磨損前后的高度，計(jì)算磨損高度。采用FEI400L型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦副磨損后的表面形貌，采用附帶的EDAX型能譜儀(EDS)對(duì)不銹鋼表面的微區(qū)成分進(jìn)行分析。

圖2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的工作原理示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

由圖3(a)可知：在摩擦磨損初期，試樣1在干摩擦條件下的啟動(dòng)摩擦因數(shù)較大，這是由于摩擦副間的摩擦由靜摩擦轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦導(dǎo)致的；隨著試驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)的增加，摩擦因數(shù)先降低后呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；當(dāng)載荷為490，980 N時(shí)，試樣1的摩擦因數(shù)較小，而載荷為1 470 N時(shí)，摩擦因數(shù)較大，可知摩擦因數(shù)隨載荷的增大呈上升趨勢(shì)。石墨的微觀結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，同一層內(nèi)的碳原子以化學(xué)鍵結(jié)合，層與層之間的結(jié)合力較弱，受剪切力作用時(shí)相互平行的層間容易滑移[11];在一定載荷的作用下，石墨可在不銹鋼表面形成較為穩(wěn)定、連續(xù)的固體轉(zhuǎn)移膜，因此摩擦因數(shù)較小。隨著載荷的增大，石墨受到的壓應(yīng)力增大，不銹鋼表面的微凸峰壓入石墨內(nèi)，而微凸峰的瞬間應(yīng)力具有時(shí)變性，導(dǎo)致固體轉(zhuǎn)移膜破壞并處于成膜與破裂的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中[11-15]，因此摩擦因數(shù)增大并呈波動(dòng)性變化。由圖3(b)可知：在摩擦磨損初期，試樣2在干摩擦條件下的啟動(dòng)摩擦因數(shù)較小，隨著試驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)的增加，摩擦因數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；摩擦因數(shù)隨載荷的增大呈上升趨勢(shì)。石墨G2的硬度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均較低，在較低的壓應(yīng)力作用下即可在不銹鋼表面有效地形成石墨固體轉(zhuǎn)移膜，因此摩擦因數(shù)較小[14]，但所形成的固體轉(zhuǎn)移膜較薄。而較高的壓應(yīng)力容易導(dǎo)致低強(qiáng)度石墨形成的固體轉(zhuǎn)移膜的破裂，使得固體轉(zhuǎn)移膜處于較為劇烈的成膜與破裂交變過(guò)程中[11-15]，在摩擦磨損過(guò)程中，石墨與銅合金同時(shí)與不銹鋼表面接觸，因此摩擦因數(shù)較大，且最大值超過(guò)了0.50。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可知，試樣2的摩擦因數(shù)大于試樣1的，這是因?yàn)槭獹2的硬度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均較低，在相同壓應(yīng)力作用下形成的固體轉(zhuǎn)移膜更易破裂，使得銅合金與不銹鋼直接摩擦，因此摩擦因數(shù)較大。

圖3 不同載荷下干摩擦?xí)r不同試樣的摩擦因數(shù)-轉(zhuǎn)數(shù)曲線

由圖4結(jié)合圖3可知：試樣1在濕摩擦條件下的摩擦因數(shù)與干摩擦條件下的相當(dāng)；當(dāng)載荷為490 N時(shí)，試樣1的摩擦因數(shù)較小但波動(dòng)較大，隨著載荷的增加，摩擦因數(shù)增大。在適當(dāng)壓應(yīng)力下，石墨在不銹鋼表面形成固體轉(zhuǎn)移膜，因此摩擦因數(shù)較??；進(jìn)一步增大壓應(yīng)力時(shí)，金屬表面的微凸峰壓入石墨內(nèi)，再加上硼酸水溶液的沖刷作用，固體轉(zhuǎn)移膜破碎并快速脫落，硼酸水溶液潤(rùn)滑作用趨于弱化，因此摩擦因數(shù)增大。

圖4 不同載荷下濕摩擦?xí)r試樣1的摩擦因數(shù)-轉(zhuǎn)數(shù)曲線

2.2 磨損量

由表2可知：在干磨擦條件下，隨著載荷的增加，試樣1與試樣2的磨損高度整體呈增大趨勢(shì)，但相同載荷下試樣2的磨損高度較大；在濕摩擦條件下，試樣1的磨損高度隨著載荷的增加而增大，且載荷越大，磨損高度增加的程度越劇烈。

表2 不同潤(rùn)滑條件不同載荷下不同試樣的磨損高度

2.3 磨損形貌與磨損機(jī)制

由于干摩擦、不同載荷下摩擦副的表面磨損形貌相似，因此僅對(duì)490 N條件下的表面形貌進(jìn)行觀察。由圖5可知：干摩擦條件下，不銹鋼表面附有較均勻的石墨固體轉(zhuǎn)移膜并可見(jiàn)一些細(xì)微片狀石墨磨屑，同時(shí)表面還存在微細(xì)犁溝[15]；試樣1石墨邊界處表面凹凸不平，可見(jiàn)石墨剝落痕跡與微小凹坑，石墨表面存在微裂紋、微孔[14-15]以及片狀與粒狀石墨。石墨均采用等靜壓成型工藝制成，為多相石墨結(jié)構(gòu)，因此石墨G1中既有石墨化結(jié)構(gòu)碳,又有亂層結(jié)構(gòu)碳與特異亂層結(jié)構(gòu)碳[16]?？芍?，在干摩擦條件下石墨G1的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，并伴有疲勞磨損。

圖5 490 N載荷下干摩擦后不銹鋼和試樣1的表面形貌

由圖6可知：490 N載荷下濕摩擦后，不銹鋼表面局部存在細(xì)微片狀的亞穩(wěn)定石墨固體轉(zhuǎn)移膜，硼酸溶液沖刷導(dǎo)致石墨固體轉(zhuǎn)移膜碎片化，在高倍形貌下可見(jiàn)微觀脫落的片狀石墨和微細(xì)犁溝[14]；試樣1中石墨G1表面存在片狀和粒狀石墨，且可見(jiàn)隨機(jī)分布的微孔[15]，同時(shí)轉(zhuǎn)移膜碎片之間存在明顯的溝痕，這是硼酸溶液沖刷的痕跡。由此可知，濕摩擦條件下，載荷為490 N時(shí)試樣1中石墨G1的磨損機(jī)制為磨粒磨損和沖刷磨損。

圖6 490 N載荷下濕摩擦后不銹鋼和試樣1中石墨的表面形貌

由圖7可知：載荷為1 470 N時(shí)，不銹鋼濕摩擦表面存在聚集的微粒狀石墨和少量片狀石墨磨屑，固體轉(zhuǎn)移膜分布不均勻，同時(shí)還存在微細(xì)犁溝；石墨邊界處表面凹凸不平，在石墨即將剝落處存在微裂紋，以及硼酸溶液沖刷下形成的石墨微片與石墨微粒；石墨表面存在不均勻分布的大量片狀石墨和微粒狀石墨，并伴有較多的犁溝、孔洞、凹坑，同時(shí)轉(zhuǎn)移膜碎片之間存在明顯的硼酸溶液沖刷的溝痕。由此可知，在濕摩擦條件下，載荷為1 470 N時(shí)，試樣1中石墨G1的磨損機(jī)制以磨粒磨損和沖刷磨損為主。

圖7 1 470 N載荷下濕摩擦后不銹鋼和試樣1的表面形貌

由圖8可知，載荷為1 470 N時(shí)，不銹鋼濕摩擦表面存在銅和錫元素。對(duì)磨時(shí)，試樣中石墨與銅合金在同一幾何平面上，二者同時(shí)與不銹鋼表面接觸，在較高的接觸應(yīng)力下，硬度較低的銅和錫轉(zhuǎn)移至不銹鋼摩擦表面；銅和錫微細(xì)片狀顆粒的存在會(huì)增大銅合金鑲嵌石墨材料的磨損程度，同時(shí)銅合金與不銹鋼表面直接接觸和磨粒的存在導(dǎo)致其摩擦因數(shù)較大。

圖8 1 470 N載荷下濕摩擦后試樣1/不銹鋼摩擦副中不銹鋼表面的EDS譜

3 結(jié) 論

(1)Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料在干摩擦條件下與05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼對(duì)磨時(shí)，其摩擦因數(shù)隨載荷的增大基本呈增大趨勢(shì)，鑲嵌較高硬度和強(qiáng)度石墨的材料的摩擦因數(shù)小于鑲嵌較低硬度和強(qiáng)度石墨的。濕摩擦條件下對(duì)磨時(shí)，鑲嵌較高硬度和強(qiáng)度石墨時(shí)材料的摩擦因數(shù)隨載荷的增大而增大，且與干摩擦條件下的相當(dāng)；隨著載荷的增大，在干摩擦和濕摩擦條件下的磨損量均呈增大趨勢(shì)。

(2)在干摩擦條件下，不銹鋼對(duì)磨環(huán)表面附有均勻分布的石墨固體轉(zhuǎn)移膜，石墨表面存在片狀與粒狀石墨以及微裂紋和微孔，此時(shí)石墨的表面磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，并伴有疲勞磨損；在濕摩擦條件下，不銹鋼對(duì)磨環(huán)表面石墨固體轉(zhuǎn)移膜分布不均勻，石墨表面存在不均勻分布的大量片狀石墨和微粒狀石墨，以及硼酸溶液沖刷形成的溝痕，此時(shí)石墨的磨損機(jī)制以磨粒磨損和沖刷磨損為主。