自潤滑Cu-10Mn-10Al/石墨復合材料的摩擦磨損性能研究

熊赳赳，彭成章，胡忠舉，楊佳霖

（1.湖南科技大學 機電工程學院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學機械設備健康維護重點實驗室，湖南 湘潭411201）

0 前言

現代工業裝備已向高速、重載、精密和節能環保方向發展[1]，對減摩耐磨材料提出了更高的要求，發展適應不同工況條件的減摩和耐磨材料已成為人們研究的目標。在前期工作中，我們已制備了不同鋁含量的錳鋁青銅，對其組織結構和摩擦學性能進行了測試分析。結果表明：α+κ相組織的硬度低，摩擦磨損性能差，而單相β固溶體組織的硬度較高，同時表現出優異的減摩耐磨性能[2-3]。

為使材料具有更加優良的綜合性能，人們常在金屬基體中加入固體自潤滑組分以提高材料的摩擦磨損性能[4-6]。由于石墨本身化學性質穩定、不易與銅基體或銅基體中常見的錫和鉛等元素反應，同時具有良好的自潤滑作用、能提高摩擦材料的工作穩定性、抗擦傷性和耐磨性等特性，特別有利于降低對偶件的磨損，并使摩擦副工作平穩，因此石墨在銅基自潤滑材料中應用廣泛[7-12]。

本文選用石墨作為固體潤滑組分，對單相β固溶體組織Cu-10Mn-10Al錳鋁青銅材料進行合金優化設計，采用粉末冶金方法制備Cu-10Mn-10Al/石墨復合材料，研究石墨含量對材料顯微組織、孔隙度和摩擦磨損性能的影響。

1 實驗

1.1 復合材料制備

試驗材料選用75μm的銅粉、鋁粉和錳粉，以及加入部分75μm的鎳粉和鐵粉，粉末純度（wt%）≥99.90%，固體潤滑組元石墨的顆粒尺寸為300μm.當石墨含量≥10%時，材料的強度、硬度急劇下降，故本文設計成分配比如表1所示。用精度0.1mg電子天平稱取粉末，在攪拌轉速20 r/min的V型混料器中均勻混合600min后，置于60℃真空干燥箱烘干。取適量混合粉料裝入模具中，用單向壓制法在300～350 MPa壓力下壓制成形，保壓15 s，制成Φ20 mm×8mm試樣坯。用ZM系列真空鉬絲爐在真空度為2.0×10-2以下按一定升溫曲線燒結成型，之后隨爐冷卻，燒結溫度曲線如圖1所示。

表1 試驗材料的成分（質量分數%）

圖1 燒結溫度曲線

1.2 結構表征及性能檢測

采用阿基米德排水法測定試樣的密度；用超景深顯微鏡觀察復合材料的顯微組織。采用HRS-2M型高速往復摩擦試驗機進行摩擦磨損試驗，試驗條件為：干摩擦、載荷分別為10 N和20 N、摩擦速度為600 r/min，試驗時間30 min，對偶材料為淬火45#鋼球，硬度值為HRC（53±3），摩擦因數由試驗機智能測控系統測定。采用NanoMap500DLS雙模式三維表面輪廓儀測量磨損劃痕橫截面面積。體積磨損率的計算公式為W=V/（S·F），式中：W為體積磨損率，mm3/（N·m）；V為試樣的磨損體積；F為加載壓力；S為滑動距離。以上每個實驗結果為3次平行試驗結果的平均值。

2 結果與討論

2.1 復合材料的微觀組織結構

圖2所示為不同石墨含量的錳鋁青銅粉末燒結材料的顯微組織照片。可以看出，不含石墨的試樣（圖2a）中光亮部分為β相，β相是以Cu3Al為基的固溶體，屬體心立方結構；黑色點狀或絲狀部分為富鐵含錳的κ相，且析出量較多。當石墨含量為2%時（圖2b），復合材料仍以β+κ相組織為主，基本上相互連結構成材料基體，在其上灰色部分為石墨相，石墨部分摻雜到κ相中成斷續網狀分布，部分則完全孤立分布。隨著石墨含量的增加，可以看出Cu-10Mn-10Al/石墨復合材料中石墨相所占面積逐步增大，并且石墨相逐步構成連續網狀，同時石墨之間相互聚集形成片狀整體，這種均勻分布的組織結構有助于發揮材料的減摩耐磨性能。當石墨含量達到10%時（圖2f），石墨聚集形成片狀整體的現象逐步明顯，破壞了基體的完整性，因此石墨含量不宜過高。

（續下圖）

（接上圖）

圖2 石墨含量對材料顯微組織的影響

2.2 復合材料的密度與孔隙度

孔隙是粉末冶金材料的固有特征，孔隙度顯著地影響材料的力學、物理、化學和工藝性能。圖3所示為錳鋁青銅粉末燒結材料的密度和孔隙度隨石墨含量的變化趨勢。從圖中可以看出，燒結材料的密度隨著石墨含量的增加而降低。這是由于石墨的密度為2.25 g/cm3，而銅的密度為8.96 g/cm3，增加石墨含量必然會降低燒結材料的密度。另一方面，在不加入石墨的原粉末燒結基體中，試樣是有10%左右孔隙度的半致密材料。這是因為成分配比中有較高的Al含量，Al活性較高，會奪取材料中的氧形成氧化鋁，在燒結過程中會阻礙液相的流動和分子間的擴散，影響燒結致密化的進行，從而產生一些較大孔隙[13]。在加入石墨后，材料迅速上升至孔隙度大于15%的多孔材料，但其后隨著石墨含量的增加，孔隙度變化不大。石墨使材料中的孔隙度增加來自于兩方面，一是石墨自身就屬于多孔材料含有一定的孔隙；二是石墨與Cu間不互溶，均勻分布在金屬基體之間，燒結過程中石墨對金屬原子間的擴散起阻礙作用，阻礙燒結頸的形成，增大材料的孔隙度。但石墨質量分數超過2%后，材料試樣的制備過程中的壓制和燒結的工藝條件對過多的孔隙有一定的充填能力，從而使孔隙度并沒有隨石墨含量的增加而出現明顯增加[9]。由于孔隙的存在，粉末冶金材料可用于制造多孔含油軸承，其中孔隙就是儲油孔。一般多孔含油軸承的孔隙度在10%～30%，故本文所制備的Cu-10Mn-10Al/石墨復合材料可用適當的潤滑劑加以浸漬，使潤滑劑填充到材料孔隙中儲存起來，進一步提高材料自潤滑性能。

圖3 石墨含量與材料密度和孔隙度的關系

2.3 復合材料的摩擦磨損性能

圖4 所示為干摩擦實驗條件下錳鋁青銅粉末燒結材料摩擦因數隨石墨含量的變化情況。從圖中可以看出，在干摩擦條件下摩擦因數隨石墨含量增加均呈先迅速降低后緩慢增加的趨勢，不含石墨的原基體摩擦因數最大，約為0.379，當石墨含量為1%左右時，摩擦因數最小，約為0.144.

圖4 石墨含量對干摩擦條件下材料摩擦因數的影響

經計算得到如圖5所示錳鋁青銅粉末燒結材料摩擦率隨石墨含量的變化情況。可以看出，加入石墨后試樣材料的磨損率比原基體的磨損率低了兩個數量級，由最高的1.616×10-3mm3/（N·m）降低至最低的1.764×10-5mm3/（N·m），其余變化基本與圖4相似。

圖5 石墨含量對材料磨損率的影響

圖4 和圖5的結果表明：石墨的加入能極大地改善錳鋁青銅粉末燒結材料的摩擦磨損性能，這是因為作為固體潤滑劑加入基體的石墨在摩擦過程中受載荷擠壓和熱作用，脫落并填入相對滑動表面的微觀凹坑中形成一層較為穩定的潤滑膜，并靠本身的“自耗”來不斷補充和提供固體潤滑劑、修復被撕裂貨劃傷的潤滑膜，從而起到減摩作用[14]。但是隨著石墨含量的增加，在基體中屬于軟質相的石墨對基體的割裂作用越加明顯，破壞了基體的連續性，從而導致材料力學性能的下降。當石墨含量超過2%之后，這種割裂作用帶來的材料性能下降的影響超過由石墨形成潤滑膜的影響，從而使材料的摩擦磨損性能降低。

另一方面在20 N的載荷下，材料的的摩擦磨損性能優于10 N.根據修正粘著理論，由公式μ=（S·Ar）/P 可知[15]，當載荷 P 增大時，實際接觸面積Ar也增大。但由于此處的接觸表面處于彈性或粘彈性狀態，Ar的增加速率小于P的增加速率，因此，20 N載荷條件下的摩擦因數比10 N的小。另外較大的載荷也有助于材料中石墨的轉移，形成更穩定的自潤滑膜，起到顯著的減摩耐磨作用。

對于市面上廣泛使用的鋁青銅（Cu-9Al-4Fe-4Ni-2Mn），在同一摩擦實驗條件下，得到如圖6和圖7所示的實驗結果，其平均摩擦系數為0.392，磨損率為2.139×10-4mm3/（N·m）。選取選取Cu-10Mn-10Al+2%C復合材料作對比，其平均摩擦系數為0.17，磨損率為1.724×10-5mm3/（N·m）.由此可以說明Cu-10Mn-10Al/石墨復合材料作為新型無鉛銅基自潤滑減摩耐磨材料是可行的，能滿足在減摩耐磨的使用要求。

圖6 兩種摩擦材料在相同條件下的摩擦系數曲線圖

圖7 磨損輪廓曲線

3 結束語

（1）Cu-10Mn-10Al/石墨復合材料的基體合金主要為β相固溶體和少量第二相κ相；固體潤滑組分石墨在燒結過程中，主要以單質相的形式存在，且隨著石墨含量增加部分會形成連續網狀，部分則相互聚集形成片狀整體。均勻分布的組織結構有助于發揮材料的減摩耐磨性能。

（2）較高Al含量易形成氧化鋁，與石墨一起增大材料的孔隙度，并隨石墨含量增加，使孔隙度保持在16%左右不變。適當的孔隙可以作為儲油孔，有利于進一步提高Cu-10Mn-10Al/石墨復合材料的自潤滑性能。

（3）在Cu-10Mn-10Al/石墨復合材料中，石墨對材料摩擦磨損性能有顯著影響。在干摩擦條件下，材料的摩擦因數和磨損率隨石墨含量增加呈現先迅速降低后緩慢增加的趨勢，在石墨含量為1%時，材料的摩擦因數和磨損率最小。并且隨著載荷的提高，摩擦表面能形成更穩定的自潤滑膜。