銅合金鑲嵌石墨材料的摩擦磨損性能

史 科，王文東，司明明，王 飛，張 超

(1.國核工程有限公司，上海 200233；2.上海材料研究所，上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海 200437)

0 引 言

在核電、航空、航天、軍工等領域的苛刻服役工況下，當無法采用傳統方式對運動機械零部件進行潤滑，但仍需滿足特別長的服役壽命要求(如核電領域的蒸汽發生器支撐用關節軸承服役壽命為60 a[1])時，需采用合理的固體潤滑方式滿足此類特殊零部件的技術要求。目前常用的一種固體潤滑劑為石墨。將石墨鑲嵌在銅合金中所得的材料既具備銅合金的高強度和良好的導熱與導電性能[2-4]，又具備石墨的自潤滑性能。Cu-15Ni-8Sn合金是一種調幅分解強化型銅合金，經固溶時效熱處理以及后續的變形加工后其抗拉強度可達到1 000 MPa以上，且具有優異的摩擦學特性，該合金在重載軸承領域得到廣泛的應用[5]。Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料能滿足核電蒸汽發生器支撐用關節軸承的服役要求；石墨的成分、微觀結構、覆蓋面積比例以及接觸應力時變形和溫度梯度分布等因素共同影響著銅合金鑲嵌石墨材料的摩擦磨損性能[6-16]。但是，目前有關Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料摩擦學性能的研究還鮮有報道。為此，作者將具有不同硬度和強度的石墨鑲嵌在Cu-15Ni-8Sn合金中，并分別在干、濕摩擦條件下對Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料與05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼組成的摩擦副進行摩擦磨損試驗，研究不同載荷和潤滑條件下該鑲嵌材料的摩擦磨損性能，并對其磨損機制進行分析。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料包括：Cu-15Ni-8Sn合金(以下簡稱銅合金)，化學成分見表1，由上海材料研究所提供；石墨粉，粒徑為30 μm，由成都中超碳素科技有限公司生產。將石墨粉經磨粉、混合、軋制、成型、焙燒、浸漬、再焙燒、石墨化、提純等工序處理后，采用等靜壓成型方法制成。肖氏硬度分別為66，45 HS的塊狀石墨(以下簡稱石墨G1和G2)，石墨G1和石墨G2的抗彎強度分別為75，58 MPa，抗壓強度分別為132，92 MPa。將塊狀石墨加工成尺寸為φ3 mm×4 mm的石墨柱，采用過盈配合方式鑲嵌于尺寸為φ31.8 mm×φ22 mm×7 mm銅合金圓環基體上，鑲嵌石墨柱的數量為19顆，得到Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料。該材料的表面粗糙度為0.4 μm，外觀如圖1所示。為方便描述，將鑲嵌石墨G1和石墨G2的試樣分別記作試樣1和試樣2。

圖1 銅合金鑲嵌石墨材料的外觀

表1 Cu-15Ni-8Sn合金的化學成分(質量分數)

按照ASTM D3702-94，在MPX-2000型盤銷式摩擦磨損試驗機上進行干摩擦磨損試驗和濕摩擦磨損試驗，對磨試樣為經固溶時效處理的尺寸φ32 mm×φ20 mm×13.68 mm的05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼圓環，對磨圓環的表面粗糙度為0.4 μm，試驗載荷分別為490，980，1 470 N，轉速為50 r·min-1，試驗溫度為25 ℃。摩擦磨損試驗機的工作原理見圖2，圖中F為施加載荷。濕摩擦磨損試驗時，將摩擦副浸泡于質量分數為0.27%的硼酸水溶液中。摩擦磨損試驗結束后，采用TESA-μ HITE型測高儀測量試樣磨損前后的高度，計算磨損高度。采用FEI400L型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦副磨損后的表面形貌，采用附帶的EDAX型能譜儀(EDS)對不銹鋼表面的微區成分進行分析。

圖2 摩擦磨損試驗機的工作原理示意

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數

由圖3(a)可知：在摩擦磨損初期，試樣1在干摩擦條件下的啟動摩擦因數較大，這是由于摩擦副間的摩擦由靜摩擦轉為動摩擦導致的；隨著試驗轉數的增加，摩擦因數先降低后呈波動上升趨勢；當載荷為490，980 N時，試樣1的摩擦因數較小，而載荷為1 470 N時，摩擦因數較大，可知摩擦因數隨載荷的增大呈上升趨勢。石墨的微觀結構為層狀結構，同一層內的碳原子以化學鍵結合，層與層之間的結合力較弱，受剪切力作用時相互平行的層間容易滑移[11];在一定載荷的作用下，石墨可在不銹鋼表面形成較為穩定、連續的固體轉移膜，因此摩擦因數較小。隨著載荷的增大，石墨受到的壓應力增大，不銹鋼表面的微凸峰壓入石墨內，而微凸峰的瞬間應力具有時變性，導致固體轉移膜破壞并處于成膜與破裂的動態變化過程中[11-15]，因此摩擦因數增大并呈波動性變化。由圖3(b)可知：在摩擦磨損初期，試樣2在干摩擦條件下的啟動摩擦因數較小，隨著試驗轉數的增加，摩擦因數呈波動上升趨勢；摩擦因數隨載荷的增大呈上升趨勢。石墨G2的硬度、抗壓強度和抗折強度均較低，在較低的壓應力作用下即可在不銹鋼表面有效地形成石墨固體轉移膜，因此摩擦因數較小[14]，但所形成的固體轉移膜較薄。而較高的壓應力容易導致低強度石墨形成的固體轉移膜的破裂，使得固體轉移膜處于較為劇烈的成膜與破裂交變過程中[11-15]，在摩擦磨損過程中，石墨與銅合金同時與不銹鋼表面接觸，因此摩擦因數較大，且最大值超過了0.50。對比圖3(a)和圖3(b)可知，試樣2的摩擦因數大于試樣1的，這是因為石墨G2的硬度、抗壓強度和抗折強度均較低，在相同壓應力作用下形成的固體轉移膜更易破裂，使得銅合金與不銹鋼直接摩擦，因此摩擦因數較大。

圖3 不同載荷下干摩擦時不同試樣的摩擦因數-轉數曲線

由圖4結合圖3可知：試樣1在濕摩擦條件下的摩擦因數與干摩擦條件下的相當；當載荷為490 N時，試樣1的摩擦因數較小但波動較大，隨著載荷的增加，摩擦因數增大。在適當壓應力下，石墨在不銹鋼表面形成固體轉移膜，因此摩擦因數較小；進一步增大壓應力時，金屬表面的微凸峰壓入石墨內，再加上硼酸水溶液的沖刷作用，固體轉移膜破碎并快速脫落，硼酸水溶液潤滑作用趨于弱化，因此摩擦因數增大。

圖4 不同載荷下濕摩擦時試樣1的摩擦因數-轉數曲線

2.2 磨損量

由表2可知：在干磨擦條件下，隨著載荷的增加，試樣1與試樣2的磨損高度整體呈增大趨勢，但相同載荷下試樣2的磨損高度較大；在濕摩擦條件下，試樣1的磨損高度隨著載荷的增加而增大，且載荷越大，磨損高度增加的程度越劇烈。

表2 不同潤滑條件不同載荷下不同試樣的磨損高度

2.3 磨損形貌與磨損機制

由于干摩擦、不同載荷下摩擦副的表面磨損形貌相似，因此僅對490 N條件下的表面形貌進行觀察。由圖5可知：干摩擦條件下，不銹鋼表面附有較均勻的石墨固體轉移膜并可見一些細微片狀石墨磨屑，同時表面還存在微細犁溝[15]；試樣1石墨邊界處表面凹凸不平，可見石墨剝落痕跡與微小凹坑，石墨表面存在微裂紋、微孔[14-15]以及片狀與粒狀石墨。石墨均采用等靜壓成型工藝制成，為多相石墨結構，因此石墨G1中既有石墨化結構碳,又有亂層結構碳與特異亂層結構碳[16]。可知，在干摩擦條件下石墨G1的磨損機制以磨粒磨損為主，并伴有疲勞磨損。

圖5 490 N載荷下干摩擦后不銹鋼和試樣1的表面形貌

由圖6可知：490 N載荷下濕摩擦后，不銹鋼表面局部存在細微片狀的亞穩定石墨固體轉移膜，硼酸溶液沖刷導致石墨固體轉移膜碎片化，在高倍形貌下可見微觀脫落的片狀石墨和微細犁溝[14]；試樣1中石墨G1表面存在片狀和粒狀石墨，且可見隨機分布的微孔[15]，同時轉移膜碎片之間存在明顯的溝痕，這是硼酸溶液沖刷的痕跡。由此可知，濕摩擦條件下，載荷為490 N時試樣1中石墨G1的磨損機制為磨粒磨損和沖刷磨損。

圖6 490 N載荷下濕摩擦后不銹鋼和試樣1中石墨的表面形貌

由圖7可知：載荷為1 470 N時，不銹鋼濕摩擦表面存在聚集的微粒狀石墨和少量片狀石墨磨屑，固體轉移膜分布不均勻，同時還存在微細犁溝；石墨邊界處表面凹凸不平，在石墨即將剝落處存在微裂紋，以及硼酸溶液沖刷下形成的石墨微片與石墨微粒；石墨表面存在不均勻分布的大量片狀石墨和微粒狀石墨，并伴有較多的犁溝、孔洞、凹坑，同時轉移膜碎片之間存在明顯的硼酸溶液沖刷的溝痕。由此可知，在濕摩擦條件下，載荷為1 470 N時，試樣1中石墨G1的磨損機制以磨粒磨損和沖刷磨損為主。

圖7 1 470 N載荷下濕摩擦后不銹鋼和試樣1的表面形貌

由圖8可知，載荷為1 470 N時，不銹鋼濕摩擦表面存在銅和錫元素。對磨時，試樣中石墨與銅合金在同一幾何平面上，二者同時與不銹鋼表面接觸，在較高的接觸應力下，硬度較低的銅和錫轉移至不銹鋼摩擦表面；銅和錫微細片狀顆粒的存在會增大銅合金鑲嵌石墨材料的磨損程度，同時銅合金與不銹鋼表面直接接觸和磨粒的存在導致其摩擦因數較大。

圖8 1 470 N載荷下濕摩擦后試樣1/不銹鋼摩擦副中不銹鋼表面的EDS譜

3 結 論

(1)Cu-15Ni-8Sn合金鑲嵌石墨材料在干摩擦條件下與05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼對磨時，其摩擦因數隨載荷的增大基本呈增大趨勢，鑲嵌較高硬度和強度石墨的材料的摩擦因數小于鑲嵌較低硬度和強度石墨的。濕摩擦條件下對磨時，鑲嵌較高硬度和強度石墨時材料的摩擦因數隨載荷的增大而增大，且與干摩擦條件下的相當；隨著載荷的增大，在干摩擦和濕摩擦條件下的磨損量均呈增大趨勢。

(2)在干摩擦條件下，不銹鋼對磨環表面附有均勻分布的石墨固體轉移膜，石墨表面存在片狀與粒狀石墨以及微裂紋和微孔，此時石墨的表面磨損機制以磨粒磨損為主，并伴有疲勞磨損；在濕摩擦條件下，不銹鋼對磨環表面石墨固體轉移膜分布不均勻，石墨表面存在不均勻分布的大量片狀石墨和微粒狀石墨，以及硼酸溶液沖刷形成的溝痕，此時石墨的磨損機制以磨粒磨損和沖刷磨損為主。