石墨粒徑大小對(duì)銅基石墨復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

陳亞軍, 馬劉洋, 李 晨, 溫 恒, 陳 堃, 解 挺

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所,安徽 合肥 230009)

銅基石墨復(fù)合材料由金屬基體、潤滑組元、硬質(zhì)相等成分組成,具有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗氧化耐腐蝕及耐磨損等特性,在滑動(dòng)軸承、支承中得到廣泛的應(yīng)用,國內(nèi)外在銅基石墨自潤滑復(fù)合材料方面有許多研究報(bào)導(dǎo)[1-6]。

但是,由于銅與片狀石墨之間性質(zhì)差異大,且兩者互不潤濕,導(dǎo)致所制備材料性能較差,相關(guān)學(xué)者[7-11]通過對(duì)固體潤滑相石墨進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如石墨含量、石墨粒徑、石墨種類及石墨表面鍍層改性等因素對(duì)銅基石墨復(fù)合材料性能的影響。然而,固體潤滑相石墨的粒徑對(duì)銅基石墨復(fù)合材料摩擦接觸面石墨潤滑膜的影響規(guī)律尚缺乏系統(tǒng)研究。因此,本文選用3種不同粒徑的片狀石墨作為固體潤滑相,單一粒徑的球形純銅粉作為基體,對(duì)燒結(jié)后銅基石墨試樣的力學(xué)性能、組織進(jìn)行探究,并在此基礎(chǔ)上對(duì)摩擦接觸面石墨的覆蓋情況進(jìn)行探究并予以分析,從而對(duì)銅基石墨復(fù)合材料的配方優(yōu)化提供一定的參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料制備

銅基石墨復(fù)合材料成分見表1所列,原料按配方進(jìn)行配粉混料后,采用粉末冶金方法成型樣品。試樣毛坯用We-600型液壓式材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓制(壓力400 MPa,保壓時(shí)間1 min);然后在氫氣保護(hù)氣氛(氫氣流速200 mL/min)下進(jìn)行燒結(jié)(燒結(jié)溫度960 ℃,保溫時(shí)間2 h)。所用銅粉平均粒徑為43 μm,片狀石墨粉平均粒徑分別為2、30、60、90 μm。

表1 銅基石墨復(fù)合材料成分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用阿基米德排水法測(cè)量樣品密度。采用HV-1000A型維氏硬度計(jì)測(cè)量燒結(jié)試樣的硬度,在試樣上取5個(gè)均勻分布的數(shù)據(jù)點(diǎn),測(cè)出硬度取平均值,壓頭為136°正菱形金剛石壓頭,載荷為0.98 N。金相顯微鏡對(duì)試樣組織進(jìn)行觀察,采用自制的小型摩擦試驗(yàn)機(jī)并配合光學(xué)顯微鏡對(duì)摩擦副接觸區(qū)側(cè)面進(jìn)行微觀動(dòng)態(tài)觀察,小型摩擦試驗(yàn)機(jī)簡圖如圖1所示。摩擦試驗(yàn)條件為:復(fù)合材料樣品的對(duì)磨試件為45#鋼,轉(zhuǎn)速為0.1 m/s,載荷為80 N。摩擦試驗(yàn)時(shí)間分別為0、4、8、12、16、20 min。

圖1 小型摩擦試驗(yàn)機(jī)簡圖

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨粒徑對(duì)材料力學(xué)性能和組織的影響

以粒徑為43 μm的銅粉作為基底,試樣的密度和硬度與石墨粒徑間的關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2可以看出,隨著片狀石墨粉粒徑的增大,試樣密度呈現(xiàn)先上升再減小,最后趨于緩慢上升的趨勢(shì)。試樣的密度在2 μm時(shí)為最小值,這主要是由于在相同體積分?jǐn)?shù)下,小粒徑石墨的總表面積最大,導(dǎo)致與銅基體接觸處的孔隙率上升;當(dāng)石墨粒徑為30 μm時(shí),材料的密度達(dá)最大值,為7.51 g/cm3。60 μm片狀石墨由于尺寸的增大,填隙作用減弱,密度下降。而90 μm處密度小幅度上升,原因如下:一方面,石墨粉粒徑的增大導(dǎo)致填隙作用減弱,片狀石墨的鱗片狀結(jié)構(gòu)使得與銅基體間潤濕角較大,試樣局部孔隙率上升;另一方面,接觸面積的減小作用更顯著,從而導(dǎo)致密度小幅度上升。

圖2 材料的密度、硬度與石墨粒徑間的關(guān)系

此外,從圖2中的硬度曲線可以發(fā)現(xiàn),隨著片狀石墨粒徑的增大,硬度值的變化整體呈現(xiàn)逐漸上升繼而下降的趨勢(shì),在石墨粒徑為2 μm處取得最小值,這與片狀石墨粉在基體中分散均勻度是相關(guān)的,小粒徑石墨在基體中的分布更廣,硬度最低,而粒徑增大時(shí)硬度雖然上升,但也存在最佳值,石墨粉粒徑過大會(huì)導(dǎo)致石墨粉團(tuán)聚,局部區(qū)域的硬度有所下降。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn),石墨粒徑為30 μm時(shí)取得最大值。

不同石墨粒徑銅基石墨復(fù)合材料金相圖如圖3所示,其中大顆粒狀為基體銅,黑色條狀為片狀石墨。從圖3可以看出,基體銅顆粒近似球形,彼此間互相連結(jié),燒結(jié)頸作用隨著石墨粒徑的增大越發(fā)顯著,而片狀石墨則主要分布在基體銅各顆粒界面空隙處。圖3中,填隙石墨均可以看到明顯的尺寸變化,小尺寸石墨均勻分布在銅基體中,呈細(xì)條狀,而大尺寸的石墨填隙作用較弱,趨向于團(tuán)聚形成大長條狀,鱗片狀石墨由層狀分布狀態(tài)逐漸變?yōu)殡s亂分布狀態(tài)。

圖3 不同粒徑石墨銅基石墨復(fù)合材料金相圖

2.2 石墨粒徑對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響

銅作為軟質(zhì)金屬,與45#鋼對(duì)磨時(shí),由于彼此硬度相差較大,硬質(zhì)金屬傾向于壓入軟金屬中,使得接觸面積增大,摩擦力也隨之增大。并且當(dāng)摩擦副間發(fā)生滑移時(shí),盡管接觸面積不變,但由于屈服強(qiáng)度較大,克服塑性變形的能量隨之增大。作為固體潤滑相的石墨由于其與銅基體的不相容性,在擠壓力作用下會(huì)在界面處產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而在摩擦剪切作用下逐步從基體中進(jìn)入摩擦界面,繼而在摩擦副之間形成一層剪切強(qiáng)度很小的薄膜,使得摩擦所引起的塑性變形主要集中在薄膜之內(nèi),摩擦力和摩擦因數(shù)都能降低,減小基體因摩擦所受的損傷[12]。由于磨損部位相互滑動(dòng),石墨顆粒附著在接觸表面上并保持良好潤滑石墨的特性,摩擦系數(shù)降低。事實(shí)上,石墨會(huì)減少金屬與金屬(與鋼盤復(fù)合)的直接接觸點(diǎn),從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低[13]。

4種試樣在不同時(shí)間段下的磨損量曲線如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn),片狀石墨粒徑的變化對(duì)摩擦結(jié)果產(chǎn)生了顯著的影響。

片狀石墨粒徑為2 μm時(shí),試樣在前12 min,磨損量曲線較為穩(wěn)定,這主要是由于石墨粒徑越小,在銅基體中的分布越均勻,由于石墨與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度弱,在銅基體承載發(fā)生塑性變形時(shí),易于將石墨顆粒擠出至摩擦界面以提供潤滑介質(zhì),形成固體潤滑膜,使摩擦系數(shù)越小,減摩自潤滑效果好[14]。磨損整體進(jìn)程比較穩(wěn)定。

圖4 銅基石墨復(fù)合材料磨損量變化曲線

而石墨粒徑為30 μm和60 μm的試樣,其磨損量曲線較為平緩,這是因?yàn)榇藭r(shí)固體潤滑相在摩擦過程中會(huì)被擠壓出表面形成潤滑膜,由于這2個(gè)尺寸的石墨顆粒數(shù)還相對(duì)較多,能夠保證在摩擦面上形成較好的潤滑膜,所以其磨損較為穩(wěn)定。

石墨粒徑較大時(shí),同等含量的條件下,石墨顆粒數(shù)變少,有利于銅合金基體形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)骨架,缺陷減少,材料的整體強(qiáng)度、硬度、韌性都獲得了提高,從而有利于耐磨性的提高。90 μm石墨的試樣磨損量較大,這是因?yàn)楹箢w粒石墨的銅基自潤滑材料石墨顆粒數(shù)少,在摩擦表面形成石墨的潤滑膜不能很好覆蓋表面,減摩性能有所降低,所以導(dǎo)致磨損量增大。16 min后其磨損突然增加,應(yīng)該是由于潤滑膜破壞產(chǎn)生了黏著磨損導(dǎo)致的。

90 μm石墨銅基復(fù)合材料試樣摩擦表面形貌的光學(xué)顯微照片如圖5所示。從圖5可以看出，黑色的石墨已在摩擦表面形成具有潤滑作用的潤滑膜。由于石墨潤滑膜的存在,使得金屬摩擦副的直接接觸被隔離,從而表現(xiàn)出摩擦表面形貌為比較光滑的微犁溝，如圖6所示,說明材料摩擦過程中以剝層磨損和磨粒磨損為主要磨損形式。 由于30 μm石墨的試樣具有較好的力學(xué)性能,其摩擦表面相對(duì)比較光滑,耐磨性能較好。

圖5 90 μm石墨銅基復(fù)合材料試樣摩擦表面形貌

圖6 不同粒徑石墨銅基復(fù)合材料的摩擦表面形貌

2.3 石墨粒徑對(duì)潤滑膜的影響

2 μm石墨銅基復(fù)合材料試樣表面SEM分布圖如圖7所示,以觀察不同粒徑石墨銅基復(fù)合材料試樣表面石墨覆蓋情況。本試驗(yàn)中,在石墨分布圖中以相同的面積均勻選取5處區(qū)域,通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域石墨的數(shù)量,算出不同粒徑石墨時(shí)銅基試樣表面石墨覆蓋率,不同粒徑石墨銅基復(fù)合材料試樣表面20 min時(shí)石墨覆蓋率曲線如圖8所示。從圖8可以看出,隨著石墨粒徑的增大,試樣表面石墨覆蓋率呈下降趨勢(shì),且表面石墨覆蓋的均勻度降低。這主要是由于石墨含量相同時(shí),片狀石墨粒徑越大,石墨數(shù)量越少,從而導(dǎo)致參與摩擦的石墨接觸點(diǎn)減少;而當(dāng)石墨粒徑減小時(shí),參與摩擦過程的石墨接觸點(diǎn)增加,使得試樣表面石墨覆蓋率呈上升趨勢(shì)。

圖7 2 μm石墨銅基復(fù)合材料試樣表面磨痕及選區(qū)石墨分布

圖8 不同粒徑石墨銅基復(fù)合材料試樣表面20 min時(shí)石墨覆蓋率

3 結(jié) 論

(1) 采用粉末冶金法制得以不同粒徑石墨作為固體潤滑相的銅基石墨復(fù)合材料,研究表明石墨粒徑對(duì)銅基石墨自潤滑復(fù)合材料的力學(xué)性能有明顯影響,石墨粒徑為30 μm時(shí),密度與硬度均達(dá)到最大值,使得銅基石墨復(fù)合材料的力學(xué)性能最好。

(2) 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明:以30 μm石墨為固體潤滑相時(shí),復(fù)合材料磨損量最低,且不同時(shí)段變化穩(wěn)定,說明力學(xué)性能與磨損量之間存在顯著的正向相關(guān)。

(3) 本研究條件下,隨著潤滑相片狀石墨粒徑的增大,試樣表面石墨覆蓋率有所降低。綜合石墨在試樣表面形成潤滑膜的情況以及材料的力學(xué)性能,當(dāng)石墨粒徑為30 μm時(shí),銅基石墨復(fù)合材料摩擦學(xué)性能最優(yōu)。