石墨潤滑下人字閘門底樞摩擦副摩擦學性能*

趙新澤 王興華 徐 翔,3 張祖悅

(1.三峽大學機械與動力學院 湖北宜昌 443002;2.三峽大學水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室湖北宜昌 443002；3.河南科技大學高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯(lián)合工程實驗室 河南洛陽 471023)

石墨是工業(yè)領域中較為常用的固體潤滑劑，具有良好的自潤滑、抗腐蝕、耐高溫等特性，以各種形式應用于機械設備以及加工工藝的潤滑，對機械設備的性能維護，提高生產效率與節(jié)能減耗起到了重要作用[1-3]。WANG等[4]采用石墨、二硫化鉬等作為潤滑材料，利用端面摩擦磨損試驗機研究其平板接觸的潤滑特性，發(fā)現(xiàn)層狀結構的石墨、二硫化鉬粉末顆粒隨載荷的增加體現(xiàn)出很好的潤滑效果；粒徑大的石墨粉末在潤滑中表現(xiàn)出更好的減摩特性。

由于石墨具有無化學污染、成本低廉等特性，也有許多學者探討了以油基、醇基乳劑的石墨潤滑性能[5-6]。馬國光[7]的研究表明，在潤滑油中添加3%～5%(質量分數(shù))的石墨粉可以顯著提高其摩擦學性能。張培良[8]使用四球試驗機對添加不同石墨粒徑與含量的鈦基脂進行摩擦試驗，研究其摩擦特性，發(fā)現(xiàn)微米石墨與納米石墨都有較好的減摩抗磨性能，且在添加量為3%(質量分數(shù))時減摩抗磨性能最好。程嘉興等[9]使用四球機進行長磨試驗，研究不同粒徑的納米石墨在鋰基脂中的抗磨減摩性能，結果表明：高負載下35 nm的石墨抗磨性能最佳；隨著負荷的增加，較大粒徑和較大添加量的石墨能夠有效減小摩擦因數(shù)提升減摩性能。喬小平等[10]試驗研究了高載荷條件下石墨的潤滑特性，發(fā)現(xiàn)在高載荷下石墨與潤滑油共同使用，可取得良好的潤滑減摩效果。此外，學者們還研究了以各種復合材料形式出現(xiàn)的石墨性能，如通過粉末冶金制備的金屬石墨復合材料[11-12]。陳亞軍等[13]采用粒徑20、30、60、90 μm的石墨粉作為固體潤滑相，通過粉末冶金制備銅基石墨復合材料，研究石墨粒徑大小對材料力學性能、組織以及摩擦學性能的影響，試驗結果表明石墨粒徑為30 μm時，磨損量最小。陳如詩等[14]使用銷盤試驗考察銅-石墨復合材料的摩擦磨損性能，研究石墨形狀與銅-石墨復合材料性能的相關性，研究表明，相比鱗片狀石墨粉，采用相同粒徑的近球形石墨粉有利于提高復合材料的致密度，獲得更優(yōu)異的力學性能。

閘門底樞處于低速重載工況，摩擦磨損嚴重，本文作者嘗試采用石墨固體潤滑劑來改善其摩擦性能，而目前鮮見這方面的研究報道。文中通過銷盤試驗模擬閘門底樞的低速重載工況，研究不同粒徑石墨潤滑下不同摩擦副表面粗糙度時的摩擦磨損性，探究石墨粒徑大小與摩擦副表面粗糙度的相關性及對摩擦副摩擦磨損性的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置與試驗參數(shù)

試驗采用UMT-2萬能摩擦磨損試驗機，采用銷-盤為摩擦形式。根據(jù)試驗機夾具尺寸，確定盤試樣尺寸為φ60 mm×8 mm，銷試樣尺寸為φ3.54 mm。基于閘門底樞低速重載的工況，根據(jù)相關研究中閘門底樞受力分析[11]，選取試驗載荷為16.5 MPa；根據(jù)閘門的運行速度，選取試驗速度為0.02與0.03 m/s[15]。

1.2 試驗材料

銷試樣材料為45鋼，進行熱處理，盤試樣采用錫青銅材料。石墨粉為球形石墨，顆粒直徑分別為21與10 μm。

將顆粒直徑為21和10 μm的石墨粉分別與酚醛樹脂粉末以17∶3的比例進行混合，利用加壓加熱的方式將粉末填充至盤試樣孔內；使用砂紙打磨填充石墨粉后的盤試樣表面，并采用ST-400三維形貌儀分析盤試樣表面形貌采用上述方式制備表面粗糙度分別為Ra=0.8 μm、Ra=1.6 μm、Ra=2.0 μm的3種盤試樣(分別簡稱為Ra0.8、Ra1.6、Ra2.0盤試樣)。

1.3 試驗方法

圖1所示為摩擦副接觸形式示意圖。由于夾具會對盤試樣最外圈石墨孔產生遮擋，試驗中只對內兩圈石墨孔進行摩擦磨損試驗。試驗模擬閘門底樞低速重載工況，選取銷試樣施加壓力為150 N，摩擦線速度為0.02與0.03 m/s。由摩擦磨損試驗機自動記錄實時摩擦因數(shù)，每試驗30 min使用精密天平測量盤試樣質量，對比試驗前盤試樣質量得到其磨損量。使用ST-400三維形貌儀對試樣盤摩擦磨損試驗前后的表面進行掃描，得到其表面特征參數(shù)。

圖1 摩擦副接觸形式示意

2 試驗結果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

在0.02、0.03 m/s線速度下，測量Ra0.8、Ra1.6、Ra2.0盤試樣在直徑為21 μm的球形石墨潤滑下摩擦因數(shù)隨時間變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同粗糙度盤試樣在直徑21 μm

由圖2(a)可知，以21 μm的球形石墨為潤滑材料，在線速度為0.02 m/s的工況條件下，采用Ra0.8盤試樣時平均摩擦因數(shù)為0.172 9，明顯大于采用Ra1.6、Ra2.0盤試樣時的平均摩擦因數(shù)，且摩擦因數(shù)穩(wěn)定性也較差，潤滑效果明顯低于后兩者；采用Ra1.6、Ra2.0盤試樣時摩擦因數(shù)曲線較為接近，其平均摩擦因數(shù)分別為0.133 5與0.128 8。可見，在該工況下采用Ra2.0盤試樣時具有最低的摩擦因數(shù)。

由圖2(b)可知，在線速度為0.03 m/s的工況條件下，采用Ra0.8盤試樣時平均摩擦因數(shù)為0.185 7，明顯大于采用Ra1.6、Ra2.0盤試樣時的0.134 4和0.131 3；而采用Ra1.6、Ra2.0盤試樣時摩擦因數(shù)曲線較為接近。

結合圖2(a)與圖2(b)可知，在相同工況下，隨著線速度增加摩擦因數(shù)也增加；在21 μm的球形石墨潤滑下，采用Ra2.0盤試樣時潤滑效果最好，采用Ra1.6盤試樣時次之，Ra0.8盤試樣時潤滑效果最差。推測原因是，在摩擦過程中由于石墨粒徑較大，石墨顆粒可以更好地填充較高粗糙度表面的微凸體之間的間隙，使微凸體的真實接觸面積減小，摩擦因數(shù)也因此降低。

改變球形石墨顆粒直徑，在相同條件下，以直徑為10 μm球形石墨為潤滑材料，測量得到不同線速度下摩擦因數(shù)隨時間變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同粗糙度盤試樣在直徑10 μm

從圖3(a)可知，采用Ra0.8盤試樣時平均摩擦因數(shù)最低，為0.127 4；采用Ra1.6與Ra2.0盤試樣時平均摩擦因數(shù)較高，分別為0.165 5和0.212 5，且摩擦因數(shù)穩(wěn)定性也較差。可見，在該工況下，采用Ra0.8盤試樣時有更低的摩擦因數(shù)，摩擦性能更好。

由圖3(b)可知，采用Ra1.6與Ra2.0盤試樣時摩擦因數(shù)曲線較接近，分別為0.193 4和0.190 9，采用Ra0.8盤試樣時摩擦因數(shù)最低，為0.169 6。

結合圖3(a)與圖3(b)可知，在相同工況下，隨著線速度增加摩擦因數(shù)也增加；在10 μm的球形石墨潤滑下，采用Ra0.8盤試樣時有最低的摩擦因數(shù)，說明顆粒直徑為10 μm的球形石墨潤滑材料對粗糙度為0.8 μm的盤試樣具有較好的潤滑效果。

對比圖2與圖3中不同石墨粒徑的試驗結果可知，在相同的線速度與粗糙度工況下，石墨粒徑為21 μm相比于10 μm的摩擦因數(shù)更低，并且變化幅度更小，更加穩(wěn)定。

2.2 磨損量

在0.02、0.03 m/s線速度下，測量Ra0.8、Ra1.6、Ra2.0盤試樣在直徑為21 μm的球形石墨潤滑下磨損量隨時間的變化，如圖4所示。

圖4 不同粗糙度盤試樣在直徑21 μm球形石墨潤滑下磨損量

從圖4(a)可以看出，在速度0.02 m/s試驗條件下Ra1.6盤試樣磨損量較小。Ra2.0盤試樣在試驗時雖然摩擦因數(shù)穩(wěn)定且較小，但摩擦試驗前期磨損量較大，試驗后期與Ra1.6盤試樣磨損量基本相同。推測原因是經過磨合階段后，表面形成潤滑膜，所以磨損量降低。而Ra0.8盤試樣磨損量后期突然大幅提高，分析是運行時間過長潤滑層遭到破壞。

從圖3(b)和圖4(b)可以看出，在速度0.03 m/s的工況下，Ra2.0與Ra1.6盤試樣試驗時摩擦因數(shù)較小，磨損量也很少；Ra0.8盤試樣試驗前期磨損量較大，并且摩擦因數(shù)也較大且不穩(wěn)定，未形成石墨潤滑層，所以其磨損量相對較大。

結合圖4(a)與圖4(b)，隨著速度的增加Ra1.6與Ra2.0盤試樣總磨損量都變化不大，而Ra0.8盤試樣的磨損量隨著速度的增加大幅增加。

改變球形石墨顆粒直徑，在相同條件下，以直徑為10 μm球形石墨為潤滑材料，測量得到不同線速度下磨損量隨時間變化，如圖5所示。

由圖5(a)可知，在速度0.02 m/s的工況下，Ra0.8盤試樣磨損量較低。而Ra2.0與Ra1.6盤試樣在試驗過程中磨損量先降低后增大，推測原因是前期為磨合階段，磨損量較大，待石墨受剪切力作用被從盤試樣孔中擠出并在試件表面形成潤滑層后，磨損量明顯降低；試驗后期因為石墨供應量不足以彌補潤滑層磨損量，導致潤滑層遭到破壞，磨損量提高。由圖5(b)可知，在速度0.03 m/s的工況下，Ra1.6盤試樣磨合階段磨損量較大，后期形成潤滑膜厚后，磨損量明顯降低至0.02 g左右；而Ra2.0與Ra0.8盤試樣磨損量一直較大。

結合圖5(a)與圖5(b)可知，對于相同粗糙度的盤試樣，線速度增大，其磨損量也隨之增大。

圖5 不同粗糙度盤試樣在直徑10 μm球形石墨潤滑下磨損量

2.3 表面形貌

圖6所示為盤試樣在顆粒直徑21 μm的石墨潤滑劑潤滑下試驗前后的表面三維形貌。表1給出 了各工況條件下試驗后試樣表面參數(shù)。

圖6 直徑21 μm石墨顆粒潤滑下盤試樣試驗前后表面三維形貌

表1 直徑21 μm石墨顆粒潤滑下各試樣表面參數(shù)

由圖6與表1可知，Ra2.0與Ra1.6盤試樣由于潤滑效果較好，試驗后表面無嚴重磨損切削，磨痕比較平整，表面粗糙度相對于試驗前明顯降低，而Ra0.8盤試樣表面磨損嚴重。

圖7所示為盤試樣在顆粒直徑10 μm石墨粉潤滑潤滑下試驗前后的表面三維形貌。表2給出了10 μm石墨顆粒潤滑條件下各工況下試驗后表面參數(shù)。可以看出，Ra2.0與Ra1.6盤試樣摩擦試驗后表面粗糙度明顯增大，磨損也較大。Ra0.8盤試樣在速度0.02 m/s的工況下潤滑效果良好，表面無嚴重磨損，表面粗糙度明顯降低；而在速度0.03 m/s的工況條件下表面磨損嚴重，磨痕較深，結合摩擦因數(shù)曲線可知此時摩擦因數(shù)也較大。

圖7 直徑10 μm石墨顆粒潤滑下盤試樣試驗前后表面三維形貌

表2 直徑10 μm石墨顆粒潤滑下各試樣表面參數(shù)

3 結論

(1)采用銷盤試驗對10與21 μm粒徑石墨與不同粗糙度的試樣進行了摩擦磨損試驗。研究表明，石墨的潤滑性能與其粒徑及表面粗糙度具有明顯關系，表面粗糙度為Ra2.0 μm試樣在10 μm粒徑石墨潤滑下摩擦學性能最優(yōu)；表面粗糙度為Ra0.8 μm試樣在21 μm粒徑石墨潤滑下摩擦學性能最優(yōu)。

(2)通過對0.02 m/s與0.03 m/s不同線速度工況條件進行試驗，線速度0.03 m/s的工況下磨損量與摩擦因數(shù)都高于0.02 m/s的試驗結果。結果表明速度的增大會導致磨損量與摩擦因數(shù)隨之提高。