石墨含量對銅基石墨自潤滑復(fù)合材料摩擦過程中石墨潤滑膜的影響

張俊龍，陳亞軍，李晨，尹延國,2，解挺,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，合肥 230009；2.高性能銅合金材料及成形加工教育部工程研究中心，合肥 230009)

0 引 言

銅基石墨自潤滑復(fù)合材料擁有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗氧化性、耐腐蝕性和耐磨性等特性，常用來制作滑動軸承(軸套)、電觸頭等零部件，在機械、化工、電氣和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的運用[1]。

長期以來，銅基石墨自潤滑復(fù)合材料中石墨的含量、尺寸[2]、形態(tài)[3]以及表面狀態(tài)[4]等對材料摩擦磨損的影響受到廣泛關(guān)注。關(guān)于石墨含量對銅基石墨復(fù)合材料的影響已有很多學(xué)者做了相關(guān)研究。文獻[5]研究了體積分?jǐn)?shù)為0～4%的石墨對銅基材料摩擦磨損性能的影響，結(jié)果表明隨著石墨體積分?jǐn)?shù)的增加，摩擦因數(shù)減小，當(dāng)石墨體積分?jǐn)?shù)小于3.5%時，磨損率逐漸降低。文獻[6]研究了體積分?jǐn)?shù)為1%～10%的石墨對銅基石墨材料摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)石墨體積分?jǐn)?shù)在1%增至5%的過程中，磨損率不斷升高，摩擦因數(shù)有明顯減??；石墨體積分?jǐn)?shù)在5%增至10%的過程中，磨損率下降明顯，但摩擦因數(shù)在石墨體積分?jǐn)?shù)增至7%前有少許的增大后再次減小。文獻[7]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～8%的石墨填充銅基復(fù)合材料(機械合金化法制備)的摩擦磨損性能，結(jié)果表明隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦因數(shù)減小，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，材料的磨損率最低。文獻[8]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～10%的石墨填充銅基材料的摩擦磨損性能，結(jié)果表明隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦因數(shù)和磨損率減?。划?dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過8%時，磨損率升高。這些研究表明石墨含量有一個最佳值，石墨含量過高會導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低而使磨損增大。

還有學(xué)者研究了表面鍍層的石墨含量對材料摩擦性能的影響。石墨表面鍍層(鍍銅、鍍鎳)能夠改善銅與石墨之間的潤濕性，提高混粉的均勻程度和壓制過程中兩界面的結(jié)合能力，進而使材料的力學(xué)性能和摩擦性能更好[9]。文獻[10]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～10%的鍍鎳石墨對銅基自潤滑材料摩擦性能的影響，在一定載荷范圍(20～40 N)內(nèi)，石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%的材料的耐磨性和自潤滑效果最好。文獻[4]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～20%石墨表面鍍銅的銅基石墨復(fù)合材料的摩擦性能，在恒定載荷下石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，材料摩擦因數(shù)和磨損率均越小。

一些學(xué)者還研究了銅基石墨復(fù)合材料的磨損機制和潤滑機制。文獻[11]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%石墨的銅基復(fù)合材料的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，材料的磨損形式從黏著磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠趧儗幽p；當(dāng)石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到5%時，材料的磨損機制以疲勞剝層磨損為主。文獻[12]發(fā)現(xiàn)摩擦剛開始，銅基摩擦副直接接觸，磨損劇烈，接著在材料內(nèi)部擠壓變形力的作用下，石墨向材料表面遷移，表面的石墨增多，又在剪切力的作用下在摩擦表面形成潤滑膜。

以前的研究普遍認(rèn)為石墨在摩擦表面形成石墨潤滑膜，石墨含量相對應(yīng)有個最佳值，這是銅基自潤滑復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損體積減小的關(guān)鍵所在，但對于復(fù)合材料石墨潤滑膜的評價并沒有更深層次的分析。本文擬通過粉末冶金壓燒工藝制備5種不同石墨含量填充的銅基復(fù)合材料，重點研究石墨含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)與潤滑膜成膜特性的關(guān)聯(lián)性。

1 試驗

1.1 復(fù)合材料的制備

復(fù)合材料由粒度43 μm的銅粉、粒度30 μm的石墨和少量的硬脂酸鋅(改善試樣脫模性能)組成，石墨含量分別為2%，6%，10%，14%和20%。

試樣采用粉末冶金方法制備，具體工藝為：將銅粉、石墨和硬脂酸鋅根據(jù)試驗方案準(zhǔn)確稱重并在軸式輥磨機中充分混合8 h；在剛性壓制模具中裝入混均的粉，使用We-600型液壓式材料試驗機在室溫壓制成坯，壓力為400 MPa，保壓時間為1 min；最后將試樣置于JHN-1燒結(jié)爐中，在氫氣保護氣氛(氫氣流速200 mL/min)下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為960 ℃，保溫時間為2 h，加工完成試樣的最終尺寸為5 mm×5 mm×30 mm。

1.2 試驗方法

摩擦磨損試驗選用自制的原位觀察摩擦試驗機，如圖1所示,摩擦試驗條件為：對磨試樣為直徑30 mm的45#鋼，摩擦條件為干摩擦，摩擦方式為環(huán)-塊接觸，線速度為0.1 m/s，載荷為50 N，摩擦試驗時間為20 min。

圖1 小型摩擦試驗機簡圖

用光學(xué)顯微鏡(OM)對試樣組織進行觀察；用阿基米德排水法測量密度；用HV-1000A型維氏硬度計測量硬度，壓頭為136°正菱形金剛石，載荷為0.98 N；磨損量為試樣磨損前后的質(zhì)量差ΔW；用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-6701F)分析試樣磨損表面形貌；用能譜儀(EDS)對磨損表面進行成分及分布分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨含量對材料金相組織的影響

不同石墨含量銅基復(fù)合材料的金相組織如圖2所示。經(jīng)壓制燒結(jié)后石墨不與基體發(fā)生反應(yīng)，石墨的組織結(jié)構(gòu)沒有變化，石墨均勻分散在銅基體中。組織中石墨的團聚現(xiàn)象隨著石墨含量的增加而加劇[9]，材料的銅基體連續(xù)性降低，進而影響其耐磨性。

圖2 不同石墨含量銅基復(fù)合材料的金相組織

2.2 石墨含量對材料力學(xué)性能的影響

石墨屬于軟質(zhì)相，在銅基復(fù)合材料的基體中均勻分布，在銅基體中可視為孔隙，割裂了銅基體。隨著基體中石墨含量的增加，銅基體的割裂程度增大，導(dǎo)致材料力學(xué)性能變差[8]。不同石墨含量銅基復(fù)合材料的密度、硬度如圖3所示，隨著石墨含量的增加，材料的密度和硬度均逐漸下降，故其力學(xué)性能逐漸變差。

圖3 不同石墨含量銅基復(fù)合材料的密度、硬度

2.3 石墨含量對材料耐磨性能的影響

經(jīng)20 min摩擦試驗后，不同石墨含量銅基復(fù)合材料的平均磨損量如圖4所示：當(dāng)石墨含量小于14%時，隨著石墨含量的增加，磨損量減小；當(dāng)石墨含量達到20%，由于其力學(xué)性能過低，與前4種相比，磨損量明顯增大，所以材料的耐磨性受石墨含量的影響較大。

圖4 不同石墨含量銅基復(fù)合材料的平均磨損量

2.4 不同石墨含量時材料摩擦表面分析

2.4.1 摩擦表面形貌

不同石墨含量銅基復(fù)合材料的摩擦表面形貌(SEM)如圖5所示:1)當(dāng)石墨含量為2%時，犁溝較多，局部區(qū)域有撕裂，存在黏著磨損，石墨潤滑膜產(chǎn)生，部分摩擦表面平整光滑，存在磨粒磨損[10]；2)當(dāng)石墨含量為10%時，摩擦表面平整光滑，石墨潤滑膜存在，主要磨損形式為磨粒磨損，犁溝很少；3)當(dāng)石墨含量為20%時，摩擦表面基本平整， 雖存在石墨潤滑膜，但其低力學(xué)性能導(dǎo)致表面局部有破損且伴隨著小尺寸的裂紋，有不同程度的剝落成凹坑現(xiàn)象[11]。因此，石墨含量的增加使摩擦表面更加平整且更容易形成潤滑膜，材料的耐磨性更好，但過高含量的石墨使銅基體與石墨結(jié)合的牢靠程度下降，導(dǎo)致其力學(xué)性能過差，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，進而使材料的耐磨性變差。

圖5 不同石墨含量銅基復(fù)合材料的摩擦表面形貌

2.4.2 石墨的成膜特性

由于石墨由碳元素組成，所測試的磨損表面碳元素分布即是石墨的分布。對銅基復(fù)合材料試樣摩擦20 min后的表面隨機選擇5個區(qū)域，通過掃描電鏡和能譜儀(EDS)掃描分析碳元素和銅元素在各區(qū)域的占比(圖6a右圖白色區(qū)域為碳，表示覆蓋在磨損表面的石墨潤滑膜),統(tǒng)計各個區(qū)域的碳含量并對5個區(qū)域的碳含量取平均值，算出不同的石墨含量。不同石墨含量下銅基復(fù)合材料表面的石墨潤滑膜覆蓋率如圖6b所示，發(fā)現(xiàn)摩擦表面石墨潤滑膜覆蓋情況與石墨含量之間存在顯著聯(lián)系：當(dāng)石墨含量小于14%時，隨著石墨含量的增加，石墨潤滑膜覆蓋率上升，減摩效果變好，試樣磨損量降低；而當(dāng)石墨含量達到20%，一方面過高含量的石墨會使材料力學(xué)性能過低，另一方面石墨含量增加并沒有提高石墨潤滑膜覆蓋率，還容易導(dǎo)致石墨潤滑膜在后續(xù)摩擦過程中破損、掉落，使石墨潤滑膜覆蓋率下降，磨損加大。

圖6 摩擦表面石墨覆蓋率的分析過程和結(jié)果

2.4.3 石墨潤滑膜的形成機制

摩擦過程中石墨會從銅基復(fù)合材料內(nèi)部擠至摩擦表面并覆蓋成膜，石墨潤滑膜產(chǎn)生的原理[12]如圖7所示，在摩擦過程中近接觸區(qū)的材料逐漸損耗，由于石墨具有黏附性，其會附著在材料的摩擦表面，當(dāng)?shù)侥Σ梁笃跁r，材料的摩擦表面附著一層石墨潤滑膜，起到潤滑且降低磨損的作用。

圖7 摩擦過程石墨潤滑膜形成示意圖

3 結(jié)論

通過對不同石墨含量銅基復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性以及石墨潤滑膜覆蓋率的研究，得到以下結(jié)論：

1)隨著石墨含量的增加，由于石墨割裂了銅基體使材料的密度和硬度均有所下降，材料的力學(xué)性能降低。

2)隨著石墨含量的增加，試樣表面的石墨潤滑膜的覆蓋率先升高后降低，磨損量先減小后增大。

3)綜合材料的力學(xué)性能和石墨潤滑膜兩方面的影響可知，石墨含量為14%時，石墨潤滑膜的覆蓋率最大，耐磨性最好。