Ni-C自潤(rùn)滑涂層重載下摩擦磨損行為

孫藝聞 柳琪 詹華 李振東 鮑曼雨 王玉 劉娜 汪瑞軍 白宇

摘 要：文章采用有限元模擬方法，并結(jié)合銷盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，深入研究鎳-石墨（Ni-C）固體自潤(rùn)滑涂層在干摩擦環(huán)境下與鎳鉻-碳化鉻（NiCr-Cr3C2）硬質(zhì)材料對(duì)磨下的摩擦磨損行為。模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨外界載荷的升高，涂層塑性變形量及其表面溫度不斷增大;當(dāng)外界載荷為52MPa時(shí)，Ni-C涂層表面形成連續(xù)穩(wěn)定的石墨潤(rùn)滑層，使得摩擦系數(shù)最低降至0.2左右;當(dāng)外界載荷增大至109MPa時(shí)，塑性變形量和摩擦系數(shù)顯著增大，最終導(dǎo)致涂層斷裂與脫落失效。

關(guān)鍵詞：自潤(rùn)滑;鎳-石墨;涂層;重載;模擬仿真

中圖分類號(hào)：TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）09-0063-04

Friction and Wear Behavior of Ni-C Self-lubricating Coating under Heavy Load

Sun Yiwen1， Liu Qi1， Zhan Hua2， Li Zhendong2， Bao Manyu2， WangYu1， Liu Na1， Wang Ruijun2， Bai Yu1

（1. State Key Laboratory for Strength of Metallic Materials， Xi an Jiaotong University， Xi an 710049， China;

2. Beijing Jinlukuntian Special Machine Co.， Ltd.， Beijing 100083， China）

Abstract：This paper adopts the finite element simulation method， combined with the pin-disc friction and wear experiment， in-depth study of the friction and wear behavior of nickel-graphite （Ni-C） solid self-lubricating coatings and nickel-chromium-chromium carbide （NiCr-Cr3C2） hard materials under dry friction. The simulation and experimental results show that the plastic deformation and surface temperature of the coating increase with the increase of external load; when the external load is 52 MPa， a continuous and stable graphite lubricating layer is formed on the surface of the Ni-C coating， which reduces the friction coefficient to about 0.2; when the load is increased to 109 MPa， the friction coefficient and plastic deformation increase significantly， which eventually leads to the failure of the coating to break and fall off.

Key words：self-lubricating; Ni-C; coating; heavy load; simulation

固體潤(rùn)滑材料依靠其本身或其轉(zhuǎn)移膜的低剪切特性而具有優(yōu)良的耐磨和減摩性能。金屬基固體自潤(rùn)滑材料是以固體潤(rùn)滑劑作為組元加入到金屬基體中形成的復(fù)合材料，兼具基體金屬良好的機(jī)械強(qiáng)度與固體潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)特性，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

現(xiàn)階段對(duì)不同摩擦副磨損過程的研究多采用實(shí)驗(yàn)方法，然而這種方法只能觀察到最終磨損后的狀態(tài)，未能將磨損的動(dòng)態(tài)過程真實(shí)反映。基于此，模擬仿真作為一種重要手段越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。如Molinari 等人[4]采用了改進(jìn)的Archard 模型，模擬了銅塊及鋼板摩擦副的運(yùn)動(dòng)過程，獲得了表面演化對(duì)其接觸的影響規(guī)律。馬廉潔等人[5]采用有限元方法，仿真研究了導(dǎo)軌摩擦副的摩擦力與溫度分布，獲得了具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的表面結(jié)構(gòu)。張香紅等人[6]建立了PDC軸承摩擦生熱分析模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了易發(fā)生熱失效的位置，提高了軸承壽命。然而，目前針對(duì)摩擦磨損過程的有限元仿真研究主要集中在應(yīng)力分布與摩擦生熱兩個(gè)方面，對(duì)真實(shí)工況條件下材料變形及結(jié)構(gòu)演化影響的研究相對(duì)較少，而固體自潤(rùn)滑材料在真實(shí)工況下摩擦過程中的塑性變形對(duì)其自身強(qiáng)度與摩擦學(xué)性能均會(huì)產(chǎn)生重要影響。

綜上，建立基于真實(shí)工況條件下摩擦副運(yùn)動(dòng)仿真模型，開展其摩擦學(xué)模擬仿真研究，將會(huì)極大促進(jìn)固體自潤(rùn)滑材料的發(fā)展。作為金屬基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的重要組成部分，鎳-石墨（Ni-C）由于具有低摩擦因數(shù)、耐腐蝕性等優(yōu)良特性，成為應(yīng)用最為廣泛的一種固體自潤(rùn)滑材料[7-8]。為此，本文采用有限元模擬并結(jié)合銷盤式摩擦實(shí)驗(yàn)方法，深入研究Ni-C固體自潤(rùn)滑涂層在干摩擦環(huán)境下與鎳鉻-碳化鉻（NiCr-Cr3C2）硬質(zhì)材料對(duì)磨下的摩擦磨損行為，以期為自潤(rùn)滑涂層的合理使用提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)過程與方法

1.1 有限元模擬

建立銷盤式摩擦磨損熱-力耦合分析幾何模型，如圖1所示。模型中考慮摩擦磨損過程中的非線性接觸問題，求解器選用ABAQUS/Explicit顯式算法[9]。并同時(shí)使用ALE自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)控制計(jì)算過程中的網(wǎng)格畸變，以保證摩擦磨損仿真過程運(yùn)算的順利進(jìn)行[10]。

考慮模型準(zhǔn)確性與高效性，使用dynamic、temp-disp、explicit對(duì)三維熱-力耦合模型進(jìn)行模擬。材料模型選用Johnson-Cook本構(gòu)模型，其表達(dá)式如下[11]：

式中，σe為Von Mises應(yīng)力;εe 表示等效塑性應(yīng)變;為相對(duì)等效塑性應(yīng)變率;為無量綱溫度;Tm、Tr為金屬的熔點(diǎn)與室溫;A為材料屈服強(qiáng)度;B為應(yīng)變硬化系數(shù);C為應(yīng)變率敏感系數(shù);m為溫度軟化系數(shù);n為加工硬化系數(shù)。

1.2 涂層制備與摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

采用1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼圓片基體，通過超音速高能等離子噴涂（Supersonic atmospheric plasma spraying，SAPS）制備NiCr-Cr3C2涂層。所制備涂層具有孔隙率低、結(jié)合性好等突出優(yōu)點(diǎn)[12-13]。圖2所示的是Ni-C原始噴涂粉末（牌號(hào)：Metco307NS，歐瑞康美科公司），涂層噴涂工藝參數(shù)如表1所示，其對(duì)磨副NiCr-Cr3C2涂層制備方法與過程詳見文獻(xiàn)[14]。

采用MPS-2000A銷盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)NiCr-Cr3C2涂層與對(duì)磨銷Ni-C進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，其中對(duì)磨副直徑為2mm，涂層半徑為25mm，涂層厚度為0.3mm，磨損半徑為15mm，加載載荷分別為10MPa，52MPa、109MPa和145MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 有限元模擬仿真

在構(gòu)建銷盤式摩擦磨損熱-力耦合分析幾何模型基礎(chǔ)上，輸入相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行銷盤式摩擦磨損過程模擬計(jì)算，獲得不同時(shí)間歷程下涂層的Mises應(yīng)力與溫度分布云圖，所得結(jié)果如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)Mises應(yīng)力在對(duì)磨副接觸部位最大，而摩擦生熱的溫度隨著摩擦過程的進(jìn)行也在逐漸增大，其中最高溫度可達(dá)到319.8 ℃。

從有限元模擬結(jié)果來看，隨著施加載荷的增加，Mises應(yīng)力、溫度、塑性變形量都有所增加。當(dāng)外界施加載荷為10MPa時(shí)，Mises應(yīng)力僅為785MPa，摩擦過程中產(chǎn)生的最高溫度為319.6℃，Ni-C涂層未發(fā)生塑性變形，平均摩擦系數(shù)約為0.5。當(dāng)外界載荷增加到50MPa時(shí)，Ni-C涂層已經(jīng)發(fā)生了明顯的塑性變形。與此同時(shí)，Mises應(yīng)力與溫度不斷提高，摩擦系數(shù)驟降至0.18，表明Ni-C涂層出現(xiàn)了明顯的自潤(rùn)滑現(xiàn)象。當(dāng)外界載荷繼續(xù)升高時(shí)，Mises應(yīng)力、溫度、摩擦系數(shù)、塑性變形量均持續(xù)升高，當(dāng)外界載荷增加至145MPa時(shí)，Mises應(yīng)力達(dá)到了2513MPa，最高溫度達(dá)到1023℃，塑性變形量高達(dá)13%，平均摩擦系數(shù)升至0.8。

2.2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

噴涂態(tài)Ni-C涂層的剖面SEM圖像如圖5所示，可以看出涂層主要由潤(rùn)滑相石墨（A區(qū)域）和金屬Ni粘接相（B區(qū)域）組成。涂層與基體、潤(rùn)滑相與粘接相之間均緊密結(jié)合，并未發(fā)現(xiàn)明顯孔洞，通過圖像法測(cè)量涂層孔隙率低于1 %。

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后Ni-C涂層磨痕形貌及EDS能譜分析如圖6所示，從圖6可看出，當(dāng)載荷較低時(shí)，涂層磨痕較淺，而隨著施加載荷的持續(xù)增加，磨痕深度進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)施加載荷為10MPa時(shí)，磨痕表面較為平整，無明顯的剝落和裂紋出現(xiàn)。當(dāng)載荷增大至52MPa時(shí)，磨痕表面變得更加光滑，磨痕表面未發(fā)現(xiàn)明顯犁溝與磨屑。原因在于由于外界法向載荷增大，剪切應(yīng)力隨之增大，涂層表面形成石墨自潤(rùn)滑層，引起摩擦阻力的減小。而當(dāng)載荷進(jìn)一步增大至109MPa時(shí)，磨痕變深變寬，出現(xiàn)凹坑和犁溝。將磨痕進(jìn)一步放大觀察，可以發(fā)現(xiàn)明顯的磨屑和部分涂層剝落，表明當(dāng)外界載荷進(jìn)一步增加時(shí)，涂層表面的潤(rùn)滑層發(fā)生脫落轉(zhuǎn)移，自潤(rùn)滑性能降低。對(duì)比磨損前后的EDS能譜，發(fā)現(xiàn)磨痕中新增了Cr、Fe等元素，說明一些部位已磨至金屬基體。

不同外界載荷下的摩擦系數(shù)曲線如圖7所示，從圖中發(fā)現(xiàn)摩擦經(jīng)歷了明顯的跑合、過渡、穩(wěn)定磨損三個(gè)階段。當(dāng)外界載荷為10MPa時(shí)，穩(wěn)定后摩擦系數(shù)在0.5左右;當(dāng)載荷增加到52MPa時(shí)，在高載荷和剪切力作用下，石墨相在涂層表面析出，形成了明顯的自潤(rùn)滑層。另一方面，高載荷使得對(duì)磨接觸區(qū)溫度進(jìn)一步升高，這也導(dǎo)致了涂層塑性畸變強(qiáng)度更大，自潤(rùn)滑膜更快形成，摩擦系數(shù)曲線更快穩(wěn)定，摩擦系數(shù)降低至0.2以下。當(dāng)載荷持續(xù)增加到109MPa時(shí)，已經(jīng)成為明顯的重載情況，重載再加高溫，使得涂層強(qiáng)度不夠，自潤(rùn)滑層難以發(fā)揮作用，導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高，曲線波動(dòng)較大，涂層在600s之后完全失效。

從施加載荷為52MPa下的銷盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，Ni-C涂層所受Mises應(yīng)力變化過程與實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程一致，銷-盤接觸位置所受應(yīng)力最大。圖8中的有限元塑性變形云圖與實(shí)際磨痕所在位置相符，并且與對(duì)磨銷對(duì)磨中心部位變形程度最大。

3 結(jié)論

（1）Ni-C自潤(rùn)滑涂層的Mises應(yīng)力、摩擦生熱溫度、塑性變形都會(huì)隨著施加載荷增大而增大，而摩擦系數(shù)隨著施加載荷增大先降低后逐漸升高。

（2）Ni-C涂層在低載荷下，磨痕表面無明顯裂紋及剝落現(xiàn)象;當(dāng)載荷為52MPa時(shí)，石墨潤(rùn)滑層形成;當(dāng)載荷增大持續(xù)增加至109MPa，涂層表面潤(rùn)滑層發(fā)生脫落轉(zhuǎn)移。

（3）數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，當(dāng)外界載荷在52MPa時(shí)，Ni-C涂層的平均摩擦系數(shù)降低至0.2左右;而高于52MPa時(shí)，摩擦系數(shù)升高，涂層變形過大，導(dǎo)致斷裂甚至脫落，石墨潤(rùn)滑層失效。

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