粉末冶金金屬基固體自潤(rùn)滑材料摩擦學(xué)行為
2012-06-07作者：李溪濱 劉如鐵 程時(shí)和 李美英
（中南工業(yè)大學(xué)粉末冶金研究所、粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
摘 要：本文在分析粉末冶金金屬固體自潤(rùn)滑材料減摩機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究了孔隙度和固體潤(rùn)滑劑對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響。研究表明：在材料結(jié)構(gòu)組成、原始粉末粒度組成及其分布，固體潤(rùn)滑劑純度及其結(jié)構(gòu)等基本一定的情況下，隨著孔隙度的增加，材料的摩擦系數(shù)和磨損速率提高；固體潤(rùn)滑劑的增加，在一定范圍內(nèi)，其減摩性能得到改善，導(dǎo)致材料摩擦系數(shù)和磨損速率降低，從而顯示出粉末冶金金屬基固體自潤(rùn)滑材料摩擦學(xué)的某些規(guī)律性行為。（中南工業(yè)大學(xué)粉末冶金研究所、粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
關(guān)鍵詞：粉末冶金；孔隙度；固體潤(rùn)滑；摩擦學(xué)
粉末冶金技術(shù)制造現(xiàn)代固體自潤(rùn)滑復(fù)合減摩材料具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，特別是在耐磨性方面大大優(yōu)于鑄造材料。多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的鐵基和銅基燒結(jié)軸承材料，其使用壽命一般是青銅、黃銅、巴氏合金、鑄鐵、鋼制滑動(dòng)軸承以及滾動(dòng)軸承等的1.5～3倍［1］。然而，粉末冶金材料由於存在孔隙，并且添加了不同種類和數(shù)量的固體潤(rùn)滑劑，導(dǎo)致其在物理機(jī)械性能的某些方面不及鑄造材料。因此，本文結(jié)合作者和前期研究工作的資料，著重探討了孔隙度和固體潤(rùn)滑劑對(duì)材料摩擦、磨損和潤(rùn)滑性能的影響，以期揭示該類材料的某些內(nèi)在規(guī)律性，制備出物理機(jī)械性能和摩擦磨損特性優(yōu)化組合的金屬基固體自潤(rùn)滑材料。
1 孔隙度對(duì)材料摩擦磨損的影響
在經(jīng)典的固體磨損理論中，涉及到孔隙度和固體潤(rùn)滑劑的理論計(jì)算公式不多見(jiàn)，這是因?yàn)樗鼈冄芯康膶?duì)象大多數(shù)是致密材料。以阿查德(Archard J.F.)建立的粘著磨損理論和概括微觀切削機(jī)理建立的目前較為公認(rèn)的磨粒磨損理論為例，其推算出理論計(jì)算公式，即單位滑動(dòng)距離的總磨損率為：
然而在該計(jì)算公式中，并未涉及到孔隙度的影響因素。應(yīng)該指出，孔隙度(應(yīng)還考慮到孔的數(shù)量、孔徑大小、孔的形狀及其分布等因素)，對(duì)材料的物理機(jī)械性能可產(chǎn)生本質(zhì)的影響，進(jìn)而對(duì)材料的摩擦磨損特性必將建立內(nèi)在的聯(lián)系。從(1)式中可以知道，磨損率是與較軟材料的硬度成反比，而在彈塑性材質(zhì)范圍內(nèi)，其硬度與強(qiáng)度有著密切的相關(guān)性。因此，早期研究工作者在這方面作了許多工作，并且得到多個(gè)適應(yīng)范圍不同的關(guān)系式。F.P.克努德森(Knudsen)報(bào)導(dǎo)了材料強(qiáng)度與原始粉末粒度直徑D和孔隙度ε（％）有如下的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式［2］：
從(2)式可以得到：當(dāng)粉末粒徑一定時(shí)，材料強(qiáng)度隨著孔隙度的增加而下降；當(dāng)孔隙度一定時(shí)，強(qiáng)度隨著粒徑的增大而降低。
為了建立粉末冶金多孔材料與其致密材料之關(guān)系，許多研究工作者作了大量的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究工作，并且得到適應(yīng)不同孔隙度范圍的相關(guān)計(jì)算公式。E.賴斯凱維茨(Ryshkawitsh)報(bào)導(dǎo)在孔隙度為(0～30％)范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)公式［3］：
從(3)式中，可以得出同樣一個(gè)結(jié)論：即孔隙度的增加，材料的強(qiáng)度值降低。
本文作者研究了銅合金基的固體自潤(rùn)滑材料孔隙度與摩擦磨損性能之間的關(guān)系，該材料由基材Cu-Sn-Zn-Pb，微量強(qiáng)化元素Ni,Mo，以及固體潤(rùn)滑劑石墨和二硫化鉬等組合而成。圖1表示出材料孔隙度與摩擦系數(shù)和磨損率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)條件為載荷：76N，速度：2.0m/s，對(duì)偶材料：GCr15合金銅，環(huán)境：干摩擦。從圖中的實(shí)驗(yàn)曲線可見(jiàn)，隨著孔隙的增加，材料的摩擦系數(shù)和磨損速率是提高的。
圖1 銅合金基固體自潤(rùn)滑材料中孔隙度對(duì)摩擦磨損性能的影響
中南工業(yè)大學(xué)方寧家、徐潤(rùn)澤等研究了Fe-3Cr-2Ni-2Cu-0.8C-3WC材料的相對(duì)密度對(duì)磨損性能的影響，圖2表示實(shí)驗(yàn)相關(guān)曲線［4］，實(shí)驗(yàn)條件：載荷：2MPa，滑動(dòng)速度：0.79m/s，對(duì)偶材料：3Cr2W8V(HRC∶35～40)。從實(shí)驗(yàn)曲線可知，在室溫或500℃的磨損試驗(yàn)中，隨著材料密度的增加，亦即孔隙度的減少，磨損率是下降的，不過(guò)在室溫中曲線下降的斜率更大一些。
圖2 Fe-2Cr-Ni-2Cu-0.8C-3WC材料的相對(duì)密度對(duì)磨損的影響
圖3列出了銅粉燒結(jié)材料孔隙度與硬度的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［5］，從中可見(jiàn)，隨著孔隙度的增加，材料的硬度值降低。
圖3 銅粉燒結(jié)材料孔隙度與硬度的關(guān)系
從經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算公式(2)、(3)以及上述實(shí)驗(yàn)研究工作結(jié)果表明：孔隙是產(chǎn)生磨屑的基源，它以邊緣碎裂和撕裂的兩種形式產(chǎn)生磨屑，其磨損機(jī)理是以磨粒磨損為主；同時(shí)，孔隙亦是材料微裂紋產(chǎn)生和破壞的應(yīng)力集中區(qū)，是導(dǎo)致材料機(jī)械性能降低的主要因素(如強(qiáng)度、硬度等)。隨著孔隙度的減少，孔隙的作用將由強(qiáng)變?nèi)?，材料的?qiáng)度和硬度提高，磨損機(jī)理可能轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏p機(jī)理為主；材料密度愈高，粘著磨損的程度增加。在不考慮材料本身含油的狀態(tài)下，在設(shè)計(jì)和制造粉末金金屬基固體自潤(rùn)滑材料時(shí)，希望孔隙度較小為宜。顯然，在不同的使用工況下(如載荷、速度、溫度、潤(rùn)滑方法等)，孔隙度的影響和作用也不完全一樣。
2 固體潤(rùn)滑劑對(duì)摩擦磨損性能的影響
粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料的固體潤(rùn)滑劑是以一種結(jié)構(gòu)組元加入到復(fù)合材料之中。固體潤(rùn)滑劑的加入主要產(chǎn)生兩種影響，一是可以改善兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦表面的摩擦、磨損和潤(rùn)滑性能，一是影響材料的物理和機(jī)械性能。粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料的潤(rùn)滑薄膜的成膜機(jī)理與常規(guī)采用的表面成膜方法不完全相同，以現(xiàn)今Z普遍使用石墨和二硫化鉬為例，常規(guī)使用主要有三種方法：即把固體潤(rùn)滑劑滲入適當(dāng)?shù)臉?shù)脂和粘結(jié)劑中，并膠涂在摩擦表面；或把固體潤(rùn)滑劑細(xì)粉噴涂和滲入到摩擦表面中；或通過(guò)摩擦表面的化學(xué)反應(yīng)來(lái)形成固體潤(rùn)滑膜。然而，粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料本身含有固體潤(rùn)滑劑，在磨合過(guò)程中，利用自身的固體潤(rùn)滑劑在摩擦表面間形成一層薄的連續(xù)潤(rùn)滑膜，并且靠本身“自耗”來(lái)不斷補(bǔ)充和提供固體潤(rùn)滑劑，使其修復(fù)被撕裂或破傷的潤(rùn)滑膜，從而達(dá)到自潤(rùn)滑和減摩作用。
不少摩擦學(xué)研究工作者對(duì)薄膜潤(rùn)滑理論進(jìn)行了大量的理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作，并且得到了一些被公認(rèn)的結(jié)論。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)物理學(xué)家布立基曼(Bridgeman)考慮到薄膜的塑性變形對(duì)接觸區(qū)的影響，提出由壓力下薄膜的剪切強(qiáng)度Sp來(lái)代替滑動(dòng)表面上薄膜的低剪切強(qiáng)度Sf［5］：
當(dāng)固體潤(rùn)滑膜展開(kāi)在摩擦表面時(shí)，則復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與表面間薄膜形成的程度有關(guān)，其混合規(guī)則為：
將(4)式兩邊同除P，則可以得到固體潤(rùn)滑膜的摩擦系數(shù)fs：
從(5)、(6)式中可知，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與基體材料的摩擦系數(shù)，材料硬度和固體潤(rùn)滑劑的剪切強(qiáng)度有關(guān)。
粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料的磨損主要由粘著磨損，磨料磨損和疲勞磨損等機(jī)理產(chǎn)生。其中粘著磨損的體積磨損量與施壓的正壓力P、滑動(dòng)距離S成正比，與磨損基體的硬度成反比，這是粘著磨損的宏觀規(guī)律。一般磨損方程為：
本文作者研究Cu-Sn-Zn-Pb-Ni-W-C復(fù)合材料中，石墨含量對(duì)材料摩擦系數(shù)和磨損性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，隨著石墨含量的增加，材料的摩擦系數(shù)和磨損率降低。圖5是本文作者研究不同材料中二硫化鉬含量與摩擦系數(shù)和磨損率的關(guān)系。曲線1為二硫化鉬含量與銀基材料的磨損率關(guān)系；曲線2和曲線3是二硫化鉬含量與高溫鎳合金基材料磨損率和摩擦系數(shù)之間關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明：隨著固體潤(rùn)滑劑含量的增加，材料的摩擦系數(shù)和磨損率都呈下降規(guī)律，從而可以說(shuō)明，該類材料在既定的試驗(yàn)條件下，二硫化鉬已在摩擦表面間形成了一層連續(xù)的潤(rùn)滑膜，改善了摩擦表面間摩擦學(xué)特性。由於fs《fm，當(dāng)摩擦表面固體潤(rùn)滑劑的覆蓋愈大，fs的主導(dǎo)地位愈顯著，那么復(fù)合材料的f值就會(huì)變小，這與本文作者研究工作的結(jié)果是一致的。
圖4 銅合金基材料中石墨含量對(duì)摩擦磨損性能的影響
圖5 不同基材中，二硫化鉬含量對(duì)摩擦磨損性能的影響
應(yīng)該指出：由於現(xiàn)代減磨材料的使用工況存在巨大的差異，例如滑動(dòng)速度由幾個(gè)mm/s到100m/s以上，載荷由0.1MPa到10～20MPa以上，溫度從負(fù)幾十度到1000℃以上等，因此，不可能制造出一種能在各種工況下都能使用的減摩材料。然而，粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料由于在制備工藝和結(jié)構(gòu)組成等方面都有很大的優(yōu)越性，所以，該類材料在高溫（＞400℃）、低溫、惰性介質(zhì)、腐蝕性介質(zhì)、真空、輻射、污染、一次性潤(rùn)滑以及頻繁逆轉(zhuǎn)的裝置中等工況下，得到了特別青睞。同時(shí)，本文研究的孔隙度和固體潤(rùn)滑劑等影響因素，也必須根據(jù)材料的使用工況和對(duì)材料的綜合性能要求來(lái)確定孔隙度的大小和固體潤(rùn)滑劑的種類和含量，才能得到滿意的摩擦學(xué)特性。3 結(jié)論
本文就粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料的孔隙度和固體潤(rùn)滑劑對(duì)其摩擦磨損性能的影響進(jìn)行了研究和分析，可以得到如下相關(guān)結(jié)論：
(1)粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料孔隙度的存在，與材料的機(jī)械強(qiáng)度和硬度有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，并且已建立了相應(yīng)的理論和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，從而直接影響到材料的摩擦磨損性能。研究工作表明，隨著孔隙度的提高，材料的摩擦系數(shù)和磨損率都相應(yīng)增加。
(2)粉末冶金固體自潤(rùn)滑材料的結(jié)構(gòu)組元固體潤(rùn)滑劑的存在，有利于摩擦表面間摩擦學(xué)特性的改善，其以“自耗”機(jī)理來(lái)提供和補(bǔ)充潤(rùn)滑源，以期形成連續(xù)的固體潤(rùn)滑膜。在一定范圍內(nèi)，隨著固體潤(rùn)滑劑含量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率降低。
(3)粉末冶金固體潤(rùn)滑材料在干摩擦狀態(tài)下，其孔隙度必須得到有效的控制；而固體潤(rùn)滑劑的含量，在既定使用工況下，必須兼顧材料的物理機(jī)械性能和摩擦學(xué)特性的綜合作用，只有這樣才能取得滿意的效果。
參考文獻(xiàn)
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來(lái)源：《潤(rùn)滑與密封》