關于滑板Fe-Mo-石墨自潤滑材料摩擦性能的機械模具研究

李文蓮

（山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253072）

0 引言

機床零件在長時間的使用中，會產生不同程度的磨損和腐蝕，其表面的磨損、腐蝕不但會影響到機床的正常使用，還會對零件的維修和維修產生不利的影響。根據統計，機械部件主要有磨損、斷裂和腐蝕三種類型，其中磨損失效占60%～80%，磨損是一個非常重要的問題，為了防止磨損和腐蝕，現在通常采取表面保護措施來延緩和控制磨損。因此，研究摩擦機理及改善摩擦磨損的方法，可以有效地改善設備的使用性能、延長設備的使用壽命，從而達到降低設備損耗的目的[1]。

復合材料是由一種材料作為基質，再選擇一種或多種強化材料作為潤滑劑添加到其中而形成的一種復合型材料。其基質材料和潤滑劑材料之間在性能上能夠優勢互補，從而提高整個復合材料的綜合性能。復合材料的基質材料主要有兩種：一種是金屬，另一種是非金屬。常用的金屬基質有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基材有：合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。復合材料因其優異的綜合性能，尤其是其可設計性，在航天、國防、交通、體育等領域得到了廣泛的應用。

鐵基復合材料具有較高的剛度、高強度、輕質、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優異性能[2]。鐵基粉末冶金零件在1050～1200℃燒結溫度時，會產生液相，從而促進燒結。在鐵基粉末冶金材料中加入合金元素可以大大提高材料的性能，常用合金元素為Mo，Ni，Cu，C等[3]。Mo是一種碳化物形成元素，常用于金屬石墨基體中添加元素，Mo能穩定α-Fe，縮小γ-Fe相區，有利于鐵的擴散，并易于與碳反應生成碳化物，起到細化珠光體組織、提高珠光體質量分數的作用。Mo碳化物具有較高的強度和硬度，可強化基體，提高耐磨性[4]。有文獻資料顯示，在Fe-石墨材料中加入5%～20%的Mo，對其機械性能和摩擦磨損性能有明顯的影響，可以改善其減摩性能，擴大應用范圍。而鐵基材料中添加石墨可以增加其減磨性能，同時使材料的減震性、耐蝕性和抗氧化性都得到一定程度的提高。由于其是形成鐵基合金材料的基本元素，所以材料中石墨含量的微小改變都會影響到鐵基材料的組織和性能。

以鐵為基體，以鉬為強化元素，以石墨為潤滑相，制備了Fe-5Mo-1.0Gr、Fe-5Mo-2.2Gr和Fe-5Mo-3.5Gr三種Fe-Mo-石墨自潤滑材料，并探討了Mo和石墨對材料金相組織、磨損率及摩擦性能的影響。

1 測試

1.1 試驗原料

原料選用粒徑100目、碳質量分數小于0.01%的還原鐵粉，粒度250目、純度大于99.5%的鉬粉，325目石墨、99%以上的純度。

1.2 樣品準備

采用精度為0.1 mg的精密電子天平秤稱取各原材料并置于三維混料器中混合均勻，取出后放置于60 t液壓機上進行壓制，壓強大小保持450 MPa～500 MPa。壓制時間為10 min。脫模后放置在氫氣保護的管式電阻爐中進行燒結，燒結溫度保持在1050℃～1100℃，保溫30 min～50 min后隨爐冷卻，然后將燒結完成的樣品在氮氣的保護下進行淬火處理，保持溫度870℃，持續半小時后抽冷，隨后進行回火處理，保持溫度180℃，持續0.5 h后自然冷卻。制備材料成分表見表1。燒結曲線如圖1所示。

表1 試驗材料成分（%）

圖1 樣品燒結溫度曲線圖

1.3 性能測試

將燒結并冷卻后的試驗樣品切割為Φ5 mm×18 mm大小，將其斷面進行拋光后放在栓盤式摩擦機上測定其摩擦系數和磨損性能，對偶盤采用40Cr鋼盤，材料組成成分0.37%～0.44%的碳，0.17%～0.37%的硅，0.5%～0.8%的錳，0.8%～1.1%的鉻，并保持硫元素成分不大于0.035%，磷元素不大于0.0.5%，鎳元素成分不大于0.03%，銅元素含量不大于0.03%，其余為鐵。對偶盤尺寸為Φ45 mm×5 mm，表面粗糙度約為0.8μm，表面硬度為30洛氏硬度。

摩擦試驗條件為：材料負荷20 N并保持室溫條件下摩擦20 min，摩擦速率從0.2 m/s遞增到0.8 m/s。進行數據采集的計算機保持每隔6 s采集一個摩擦系數并將所有摩擦系數取算術平均值，以此作為一次摩擦試驗的平均摩擦系數。隨后用精度為0.1 mg的精密電子天平秤稱取樣品摩擦完后的質量損失，再根據單位載荷和單位距離下的磨損體積計算獲得其磨損率。材料抗壓程度根據國際GB/T10424-2002標準采用萬能材料試驗機進行測定。試樣浸泡在4%硝酸和96%的無水乙醇混合溶液當中，其微觀組織樣貌采用金相電子顯微鏡（ZesisImagerA2m）進行觀察，摩擦表面形貌采用光學三維掃描儀（REVSCAN）進行三維分析，制備材料和對偶面磨痕通過JSM-5600型掃描電子顯微鏡進行觀察，摩擦層組成成分采用X射線衍射儀（XRD，D/MAX-2400）進行分析。

2 結果及分析

2.1 微觀組織結果與分析

Fe-5Mo-1.0Gr材料的金相組織為鐵素體連續相，其中夾雜少量珠光體、石墨及孔隙（黑色區域）;Fe-5Mo-2.2Gr材料的金相組織為針葉狀珠光體形成連續相，鐵素體、孔隙及少量石墨分散于基體中，珠光體呈片狀，滲碳體厚度較小，晶粒較細；Fe-5Mo-3.5Gr材料中主要觀察到三種組織成分：淺色區域的鐵素體、深灰區的珠光體和少量黑色石墨顆粒，各相分布均勻。Mo是形成強碳化物的元素，它與碳的結合能力比鐵強，含量高時容易形成某些特殊的碳化物，如果仍然存在多余的碳，則形成珠光體。同時添加Mo以及珠光體的出現不利于游離石墨的生成，是該材料摩擦系數高的主要原因。通過對Fe-5Mo-3.5Gr的XRD分析，發現Fe-5Mo-3.5Gr主要生成Fe3Mo金屬間化合物、Mo2C、Fe2MoC、Fe2MoC以及少量游離石墨見圖2。表2列出了不同石墨含量的鐵基自潤滑材料密度及力學性能。隨著石墨加入量的增加，材料的硬度、抗壓強度也隨之提高。主要原因是石墨含量越高，Fe2MoC沉淀強化相及珠光體越多，基體強度越高，硬度越高。圖3為三種鐵基自潤滑復合材料的金相組織圖。

圖2 Fe-5Mo-3.5Gr的XRD圖譜

圖3 三種材料金相組織

表2 Fe-Mo-石墨自潤滑材料的密度和力學性能

2.2 摩擦磨損特性的分析

圖4是三種材料與摩擦率的關系曲線。結果表明，隨著摩擦速率的增加，三種材料的摩擦系數都增加，但是Fe-5Mo-2.2Gr材料和Fe-5Mo-3.5Gr材料的摩擦系數增加幅度，大于Fe-5Mo-1.0Gr材料，這可能是由于珠光體在燒結后表面形成的數量不同導致的。

圖4 摩擦速率對3種鐵基材料平均摩擦系數的影響

另外，當石墨含量為1.0%時，其摩擦系數比其他兩種材料穩定。隨著石墨用量的增加，材料和40Cr鋼盤的摩擦系數沒有明顯降低，說明石墨不能降低摩擦系數。圖5是不同摩擦率下3種材料的磨損率。結果表明，隨著摩擦速率的增加，Fe-5Mo-1.0Gr材料的磨損率隨摩擦速度的增加而增加，而其他2種材料的磨損率總體趨勢是隨著摩擦速率的增加而降低。當摩擦速度大于0.5 m/s時，磨損率達到10～8 cm3/N·m，磨損率隨燒結材料中石墨添加量的增加而降低。結果表明，珠光體與金屬碳化物的協同作用使其具有較好的耐磨性。結合圖2，Fe-5Mo-1.0Gr材料的微觀組織為鐵素體為主，鐵素體的強度和硬度較低，但韌性和塑性較好，耐磨性較差。而Fe-5Mo-2.2Gr、Fe-5Mo-3.5Gr材料組織以珠光體為主，其力學性能介于鐵素體與滲碳體之間，具有較高的強度和較高的硬度，可改善組織的耐磨性。當摩擦率為0.8 m/s時，Fe-5Mo-2.2Gr材料的磨損率比Fe-5Mo-3.5Gr材料的磨損率低（見圖5），這可能與FM-2.2Gr材料中的珠光體層間距小有關，珠光體越細，耐磨性越好。

圖5 摩擦速率對3種鐵基材料磨損率的影響

2.3 摩擦片磨損表面形貌及成分分析

圖6為以0.8 m/s摩擦率的40Cr盤與3種鐵基材料進行研磨后的三維形貌。研究結果表明，Fe-5Mo-1.0Gr材料在摩擦過程中出現粘著和轉移現象，這與材料的硬度低有關，由于基體是鐵素體為主相，使材料具有較好的塑性和韌性，但硬度較低，從而導致摩擦施壓時產生粘附作用。如圖6b、c所示，隨著碳含量的增加，珠光體數量增加，強化相增多，材料強度提高。

圖6 三種材料與40Cr對磨后三維圖

圖7為不同速率下40Cr鋼圓盤和Fe-5Mo-3.5Gr.材料的典型SEM形貌。結果表明，在不同摩擦速率條件下，Fe-5Mo-3.5Gr.材料的磨損機理不同。當摩擦速度為0.2 m/s時，由于摩擦速率較低，材料中Mo與石墨形成Fe2MoC，使材料硬度提高，形成硬質點，摩擦時摩擦對偶鋼片，產生輕微犁溝。當摩擦速度為0.5 m/s時，磨損機制主要是粘著磨損，當材料與對偶接觸面積達到足以承受外載荷時，鋼片與材料相對滑動時，界面膜破裂在接觸處形成“冷焊”接點，持續滑動會使接觸點斷裂，形成新的接觸點，轉移氧化物以層狀附著于圓盤表面，形成轉移氧化層，阻止栓塞直接接觸，減少磨損，符合圖5所示材料的磨損。當摩擦速度達到0.8 m/s后，硬點與對偶盤相互作用，產生摩擦磨損，磨損機制主要為磨粒磨損，磨粒磨損是多種磨損機制共同作用的結果。

圖8為用Fe-5Mo-3.5Gr.材料制作的40Cr鋼盤表面XRD圖譜。結果表明，Fe-5Mo-3.5Gr.材料與40Cr對偶鋼盤進行研磨，得到的主要產物為Fe，Fe2O3，Fe3O4。起主要潤滑作用的是Fe2O3，Fe3O4，它不具有潤滑作用，但是與Fe2O3混合后，它能增強粘著基體的能力，防止磨損加劇[5]。

圖7 不同摩擦速率下形貌

圖8 Fe-5Mo-3.5Gr.與40Cr對磨后XRD圖譜

3 結語

根據觀察分析發現Fe-5Mo-2.2Gr.和Fe-5Mo-3.5Gr.這兩種材料的耐磨性比Fe-5Mo-1.0Gr.耐磨性更加優良，其原因是隨著石墨含量的增多，材料中自身生成的珠光體和Fe2MoC也更多，這兩種物質能夠強化復合材料基體，從而提高材料的耐磨性。

通過觀察發現在三種不石墨含量的鐵基自潤滑復合材料當中，Fe-5Mo-1.0Gr.材料的組織是以鐵素體為主的連續相，它的摩擦系數經過測定較為穩定但磨損量大，而Fe-5Mo-2.2Gr.和Fe-5Mo-3.5Gr.材料的組織是以珠光體為主的連續相，它的摩擦系數隨著摩擦速率的增大而增大，但整體磨損量小且無視摩擦速率的變化，其磨損率均保持在10-7cm3/N·m～10-8cm3/N·m之間，均屬于輕微級磨損。

在整個摩擦過程當中，隨著石墨含量的增加，材料摩擦系數的增大，磨損率反而逐漸降低。