石墨干膜潤滑劑在碳鋼表面摩擦磨損性能試驗研究*

劉靜香 孟凡凈

(河南工學院機械工程學院 河南新鄉(xiāng) 453003)

在普通工況條件下，減小摩擦的方法主要有在摩擦表面添加潤滑油和潤滑脂等。但是，當摩擦學應用中的工況條件變得極端惡劣時，在摩擦表面涂一薄層固體潤滑劑可能是減小摩擦的一種最有效的方法。比如，在工程表面上噴涂一層二硫化鎢、二硫化鉬、聚四氟乙烯或石墨等干膜潤滑劑來實現(xiàn)潤滑[1-3]。

固體干膜潤滑劑主要用于減小極端惡劣工況條件下的摩擦和磨損問題，比如：高真空、高溫、航空航天、低溫、高速或高負荷等，而傳統(tǒng)的油或脂潤滑劑在上述工況條件下無法提供所需的潤滑耐久性和潤滑性能[4]。此外，考慮到環(huán)境保護的重要性，現(xiàn)代摩擦學的發(fā)展趨勢也是逐漸減少和限制液體潤滑油的使用，而增加具有自潤滑功能的涂層和固體潤滑材料的應用。迄今為止，固體潤滑劑涂層在開發(fā)、設計和應用方面已經取得了較大的成就和顯著進展[5-11]。LIU等[5]通過電泳沉積的方法在碳鋼基體上制備了氟化石墨烯涂層，研究結果表明，該氟化石墨烯涂層具有優(yōu)良的潤滑性能，并可以適應高濕度的特殊工況環(huán)境，是機械工業(yè)應用中有前途的干膜潤滑劑。TEER[6]提出石墨和二硫化鉬相結合的新固體潤滑涂層，具有較低的摩擦與較高的硬度，較低的磨損和較強的承載能力。IGARTUA等[7]通過物理氣相沉積法制備了一種硅摻雜無定形的氫化非晶碳涂層，發(fā)現(xiàn)其在真空環(huán)境下可使得碳鋼表面獲得良好的超低摩擦性能，且該干膜潤滑劑在大氣環(huán)境下也同樣表現(xiàn)出優(yōu)良的減摩性能，摩擦因數(shù)在0.1～0.15之間。以石墨和二硫化鉬深度開發(fā)的干膜潤滑劑涂層，具有非常廣闊的工業(yè)應用前景。文獻[12-15]的研究也表明，以石墨或二硫化鉬為基體制備的干膜潤滑劑涂層，可以解決許多極端工況環(huán)境下碳鋼表面的潤滑問題。為了提高干膜潤滑劑的穩(wěn)健性能和提升其適應多種工況環(huán)境的能力，AYYAGARI等[16]將溶液處理的二維二硫化鉬和氧化石墨烯組合，噴涂在碳鋼基體上制備了一種新型干膜潤滑劑涂層，并通過球-盤滑動試驗評價了其摩擦學性能。試驗結果表明，該涂層可以適應多種環(huán)境并且在線性滑動44 km后仍然性能良好。

石墨具有優(yōu)異的導熱性能、機械強度和極高的遷移率等[17]，被廣泛應用于許多工業(yè)領域。此外，石墨固體潤滑劑可以在有效保護涂層表面的同時，降低接觸表面間的摩擦力和黏附力。碳鋼是現(xiàn)代機械工業(yè)中應用最為廣泛的鋼材類型，固體潤滑劑在碳鋼基體表面上的應用開發(fā)也一直受到廣泛關注。但是，這些固體潤滑劑仍然存在壽命有限和難以補充等問題[7]。在開式空間內，摩擦副表面可以很容易地補充固體潤滑劑，但是在密閉空間內，摩擦副表面的固體潤滑劑補充問題相對來講就變得非常困難[18]。在密閉空間中，需要經常拆卸機械結構來補充固體潤滑劑，這就需要研究人員設計出在密閉空間中能夠方便噴涂固體潤滑劑的機械結構。本文作者以石墨粉末為基體，采用超聲波分散的方法制備了石墨干膜潤滑劑，并采用空氣噴槍將石墨固體潤滑劑噴涂在碳鋼表面形成潤滑涂層；同時系統(tǒng)開展了固體潤滑劑的摩擦和磨損性能測試，總結了固體潤滑劑的減摩機制，并提出了延長固體潤滑劑工作壽命的有效方法。

1 試驗部分

1.1 試樣準備

試驗采用的上試樣材料為軸承鋼，下試樣材料為45碳鋼。上試樣厚度為5 mm，直徑為51 mm。下試樣厚度為3 mm，直徑為100 mm。上試樣硬度為65HRC，下試樣硬度為52HRC。考慮到干膜潤滑劑的表面噴涂效果以及干膜潤滑劑的摩擦磨損性能，與試樣的表面形貌特征特別是表面粗糙度的大小密切相關，采用商用三維形貌輪廓儀(RTEC-UP)測量上、下試樣的表面粗糙度，如圖1所示。上、下試樣的表面粗糙度(Ra)分別為115.7和486.7 nm。圖中，x和y分別表示三維表面形貌區(qū)域的長度和寬度，L表示測量線的長度，Y表示試樣表面粗糙度的高度。

圖1 上、下試樣表面形貌和表面粗糙度變化曲線

試驗采用的微觀尺度石墨粉末(99.5%純度，粒度為61 μm)，購買自上海一帆石墨股份有限公司；采用的超聲納米材料分散器(SM-1000C)，由南京瞬瑪儀器設備有限公司生產。石墨潤滑涂層制備流程：在石墨粉末(質量分數(shù)2%)中加入分散劑(分別為質量分數(shù)1%甲苯、20%異丙醇、20%正丁烷、37%正庚烷、20%丙烷)，通過超聲波分散的方法，制備了石墨干膜潤滑劑(GL)；使用空氣噴槍將潤滑劑噴涂在碳鋼試樣表面，制備了潤滑涂層。

為對比石墨干膜潤滑劑的潤滑性能，用同樣的方法制備了硫化鉬干膜潤滑劑(簡稱為MDL)和聚四氟乙烯(PTFE)干膜潤滑劑。MDL干膜潤滑劑以二硫化鉬粉末(質量分數(shù)3%)和分散劑(分別為質量分數(shù)32%丙酮、22%異丙醇、20%正丁烷、10% 正庚烷、10%丙烷、3%石油)為原料制備形成。PTFEL干膜潤滑劑以聚四氟乙烯粉末(質量分數(shù)3%)和分散劑(分別為質量分數(shù)40%液化石油氣、30%異丙醇、13%石油、10%2-甲基戊烷、3%正己烷、1%四丁酸鈦)為原料制備形成。

采用掃描電子顯微鏡(Quanta 200,FEI Company,USA)分析了碳鋼基體上涂層表面形貌，利用配套的X射線能譜儀(OXFOBRD INCA250,Oxford Corporation,Britain)分析了涂層表面的EDS元素分布，如圖2所示。如圖2(a)(b)所示，GL固體潤滑劑在碳鋼表面的沉積效果較好；如圖2(c)所示，從噴涂GL樣品中獲得的EDS能譜中具有C的特征元素信號。

圖2 噴涂GL的碳鋼試樣表面形貌(a)，涂層表面SEM形貌(b)和涂層表面EDS分析結果(c)

1.2 摩擦學性能測試

試驗采用如圖3所示的端面摩擦試驗儀(MFT-5000-2776)。該端面摩擦試驗儀配備有一個壓力傳感器(FZVHA-10KN)來測量正壓力FZ，配備有一個扭矩傳感器(TVHA-24Nm)來測量扭轉力矩T。假設試驗過程中的扭轉力臂為R，則摩擦因數(shù)為μ=T/(RFZ)。試驗前，將上試樣通過夾具固定在可繞中心旋轉的主軸上。試驗過程中，下試樣固定不動，上試樣以設定的轉速運動。通過與主軸連接的旋轉步進電機來控制上試樣工作轉速。圖3(c)所示的右下方步進電機的兩側連接有滾珠絲杠，滾珠絲杠在步進電機的驅動作用下，可以帶動上試樣做上下運動。試驗溫度為室溫，20 ℃左右，相對濕度約為40%。

圖3 摩擦學試驗裝置及試件表面形貌參數(shù)

為了保證試驗結果的準確性，每種潤滑方式下的摩擦學試驗重復測量5次，測量得到的摩擦因數(shù)數(shù)值為5次測量結果的平均值。磨損量取下試樣試驗前后的質量損失，質量損失的計算公式為：Δm=m0-m1，其中Δm為質量損失，m0為噴涂干膜潤滑劑后的下試樣質量，m1為試驗后的下試樣質量。試樣計量設備購買自上海香恒數(shù)據(jù)測量技術有限公司，該設備的測量精度為0.1 mg。圖3(b)中的參數(shù)Rp、Rv、Rt、Rq和Ra分別表示取樣表面輪廓的最大峰值、取樣表面輪廓的峰谷總高度、取樣表面輪廓的最大谷值、相對于輪廓平均線偏差的均方根值和取樣表面輪廓的算術平均偏差。

2 結果和討論

2.1 干膜潤滑劑潤滑性能對比性試驗

為了探究干膜潤滑劑的潤滑性能，在相同的工況條件下，開展了干摩擦和3種干膜潤滑劑潤滑下的對比試驗，結果如圖4所示。試驗時，壓力載荷設定為20 kPa，主軸旋轉速度為50 r/min，試驗時間設定為300 s。

圖4 不同潤滑方式下摩擦因數(shù)隨時間的變化規(guī)律及平均摩擦因數(shù)

圖4(a)所示為在4種不同的潤滑條件下摩擦因數(shù)隨時間的變化規(guī)律。可以看出，摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)出波動變化的趨勢。從摩擦因數(shù)波動變化的平穩(wěn)性來講，GL潤滑下最好，MDL潤滑下次之，PTFEL潤滑下最差。

圖4(b)示出了根據(jù)圖4(a)計算得到的平均摩擦因數(shù)。干摩擦下的平均摩擦因數(shù)分別為0.123，明顯大于GL、MDL和PTFEL潤滑下的平均摩擦因數(shù)(分別為0.037、0.062和0.068)，證實了GL、MDL和PTFEL 3種干膜潤滑劑具有較好的潤滑性能。而GL、MDL和PTFEL 3種干膜潤滑劑中，GL的潤滑性能最好，其次為MDL，PTFEL的潤滑性能較MDL略差。

2.2 干膜潤滑劑摩擦學性能分析

在主軸旋轉速度為50 r/min、載荷分別為8、12、20、28、36 kPa條件下進行了1 h試驗，探討了不同載荷下干摩擦和GL潤滑時的摩擦磨損性能，如圖5所示。

圖5 GL潤滑時的平均摩擦因數(shù)和干摩擦及GL潤滑時的磨損量隨載荷的變化規(guī)律

如圖5(a)所示，試驗的較廣載荷范圍內GL具有明顯的減摩能力，且隨著載荷的增加，平均摩擦因數(shù)呈下降趨勢。這是因為，摩擦因數(shù)為測量摩擦力與正壓力的比值，一方面載荷的增大會增加正壓力，另一方面測量摩擦力并沒有隨著載荷的增大而顯著增加，這兩方面的因素使得摩擦因數(shù)在載荷增加的情況下會呈下降趨勢。

如圖5(b)所示，在干摩擦和GL潤滑情況下，磨損量均隨著載荷的增大而增加。在載荷從8 kPa增加到36 kPa時，干摩擦下的磨損量從19.7 mg增加到30.3 mg，GL潤滑條件下的磨損量從4.7 mg增加8.7 mg?？梢?，隨著載荷的增大，2種潤滑條件下的磨損量相關越來越大，這進一步證明了GL具有良好的抗磨損性能。GL潤滑下與干摩擦相比磨損量顯著降低的主要原因為：GL涂層在摩擦副表面形成良好的潤滑膜，潤滑膜的存在使得在摩擦過程中上、下摩擦副的基體表面并不會直接接觸，這極大地保護了摩擦副表面并顯著降低了磨損量。

為了進一步探究GL潤滑的耐久性能和抗壓能力，在軸轉速為50 r/min條件下研究了12和28 kPa載荷下GL的潤滑耐久性，如圖6所示。在試驗過程中，當摩擦因數(shù)快速上升時表示干膜潤滑劑已經失效。如圖6所示，當壓力載荷為12 kPa時，GL潤滑劑的工作壽命為305 min左右；當壓力載荷增大到28 kPa時，GL潤滑劑的工作壽命則縮短到250 min左右?？梢?，GL潤滑劑的工作壽命隨著載荷的增大而變短。

圖6 不同載荷下固體潤滑劑潤滑耐久性

為探究GL干膜潤滑劑的速度適應能力，在主軸轉速分別為50和110 r/min時，分析了在GL潤滑狀況下摩擦因數(shù)隨試驗時間的變化規(guī)律，如圖7所示?？梢钥闯觯斨鬏S轉速為50 r/min時，GL潤滑劑的工作壽命為305 min左右；當主軸轉速增大到110 r/min時，GL潤滑劑的工作壽命則縮短到201 min左右?？梢姡珿L潤滑劑的工作壽命會隨著接觸表面相對速度的增加而顯著縮短，因此GL干膜潤滑劑在較低的相對速度工況下可獲得較為優(yōu)良的減摩潤滑性能，但是在較高的相對速度工況下減摩潤滑效果則會顯著下降。

圖7 不同速度下固體潤滑劑潤滑耐久性

2.3 減摩機制

AYYAGARI等[16]的研究結果表明，摩擦層形成的質量是獲得優(yōu)異摩擦/磨損性能的關鍵要素。為了解PTFEL、MDL和GL固體潤滑劑的減摩機制，以及摩擦因數(shù)隨載荷的增大而顯著降低的機制，文中探討了摩擦層隨載荷的演化機制。圖8示出了當不同的能量施加到潤滑界面時，摩擦層的變化特性。如圖8所示，載荷的增加會有利于干膜潤滑劑在滑動方向的包裹和摩擦誘導再取向，而這也是在GL潤滑情況下摩擦因數(shù)隨載荷增加而顯著降低的根本原因。MURATORE和VOEVODIN[19]為了控制二硫化鉬涂層相對于基底的方向，在選定的中頻雙極性脈沖直流電源條件下生長了二硫化鉬涂層，研究發(fā)現(xiàn)，該涂層隨著施加能量的增加表現(xiàn)出很強的穩(wěn)定性，這一結果與文中的研究結果一致。AYYAGARI等[16]的研究也得到了與上述結果相一致的結論，然而在他們的研究中，也觀察到負載和滑動速度的聯(lián)合作用會加速涂層向穩(wěn)定方向的過渡。

圖8 載荷對固體潤滑劑涂層的影響機制

圖9示出了試驗研究過程中固體潤滑涂層的磨損過程。圖中的顆粒表示潤滑介質，顆粒之間通過吸附分散劑等外來物質形成新的表面結構，并通過該表面結構互相之間形成連接鍵。因此，干膜潤滑劑的耐磨性能很大程度上決定于該連接鍵持續(xù)工作的時間。在磨損試驗開始前，顆粒之間的連接鍵是完整的，顆粒之間通過該連接鍵形成減摩層，如圖9(a)所示。隨著磨損試驗的進行，顆粒之間的連接鍵破裂，顆粒潤滑介質成為離散體，但是這部分離散顆粒仍然會留在摩擦副間隙間，如圖9(b)所示。隨著磨損試驗的繼續(xù)進行，最終顆粒之間的連接鍵被破壞得越來越多，直到全部破裂，同時一部分離散顆粒也會隨著磨損過程逐漸脫離摩擦副間隙，如圖9(c)和圖9(d)所示。

圖9 固體潤滑劑涂層的磨損過程

此外，保留在摩擦副間隙間的離散顆粒體仍然起到隔離摩擦副間隙和減小摩擦和磨損的作用，并會延長摩擦副的工作壽命。具體減摩原理是離散顆粒體在摩擦副間隙的運動會形成類似于流體動力學的壓力曲線，稱之為類-流體動力學潤滑壓力曲線，這也是石墨等離散顆粒體可以起到減摩效果的主要原因[4]。因此，在固體潤滑劑涂層表面添加適量的離散石墨固體粉末可能會提高涂層的工作壽命。

3 結論及展望

(1)石墨干膜潤滑劑在碳鋼表面的沉積效果較好，石墨干膜潤滑劑沉積在碳鋼表面可明顯改善其摩擦磨損性能，有效地保護碳鋼表面不被過度磨損。在碳鋼表面噴涂的石墨干膜潤滑劑的工作壽命隨著載荷和主軸轉速的增大而縮短，負載和滑動速度的聯(lián)合作用會加速涂層向穩(wěn)定方向的過渡。此外，磨損過程中形成的微觀潤滑劑顆粒會形成顆粒流潤滑，適當添加石墨顆粒粉末可能會延長潤滑劑正常發(fā)揮減摩作用的時間。

(2)針對極端工況環(huán)境下碳鋼表面的減摩需求，采用表面涂層的方法開展了相關試驗研究。未來為了滿足不同極端工況環(huán)境下的減摩要求，還需探索開發(fā)不同類型的固體潤滑類型，如二硫化鉬、聚四氟乙烯、干性固體顆粒潤滑等，以提升固體潤滑劑在多種極端工況中的適應性。