張俊喜，陳百明，龔成功，郭小汝，張振宇，李寶東

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MoS2對鋁基材料摩擦磨損性能的影響

張俊喜1，陳百明1，龔成功1，郭小汝1，張振宇2，李寶東2

(1. 蘭州工業(yè)學(xué)院材料工程學(xué)院，蘭州 730050；2. 甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及其應(yīng)用省級重點實驗室，蘭州 730050)

以Al，F(xiàn)e，Zn等金屬粉末和Si粉為原料，采用熱壓法制備MoS2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0和3%的鋁基復(fù)合材料，在滑動速度為0.377~1.131 m/s以及載荷為4~10 N的條件下進行摩擦試驗，研究MoS2對鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：在0.377 m/s的滑動速度下，3% MoS2/鋁基復(fù)合材料在10 N載荷下具有較低的平均摩擦因數(shù)0.4，比不含MoS2材料的摩擦因數(shù)降低近一半；在0.755 m/s的滑動速度下，2種材料的摩擦因數(shù)和磨損率接近；在1.131 m/s的滑動速度下，載荷7~10 N時2種材料都嚴(yán)重磨損，3% MoS2/鋁基材料具有相對較低的磨損率，磨損機理為熔化磨損，未添加MoS2材料的磨損機理為嚴(yán)重塑性變形磨損。添加3% MoS2可顯著改善鋁基材料的摩擦磨損性能。

鋁基材料；MoS2；摩擦磨損性能；摩擦因數(shù)；磨損率；磨損機理

鋁基材料因具有高的屈強比和剛度，廣泛應(yīng)用于一些要求強度高而質(zhì)量輕的場合，如汽車、航空等行業(yè)。鋁基材料的摩擦磨損性能已有較深入的研究[1?2]。文獻[1]報道了在鋁基體中加入Al2O3和SiC顆粒，材料的磨損率隨顆粒含量增加和顆粒粒徑增大而降低，SiC顆粒強化的鋁基材料耐磨性能比Al2O3顆粒強化的更好，接近傳統(tǒng)的灰鑄鐵，而材料質(zhì)量只有灰鑄鐵的60%。LI等[2]在鋁基材料中加入20% SiC顆粒，并對材料進行熱處理，在一定溫度范圍內(nèi)，經(jīng)過熱處理的材料具有較好的耐磨性能，在超過再結(jié)晶溫度后，經(jīng)過熱處理與未經(jīng)熱處理的材料的抗磨性能基本一致。為了降低鋁基材料的磨損，通常加入潤滑劑，如石墨[3?5]等。潤滑劑的硬度較小，在摩擦副之間形成潤滑薄膜，減少摩擦表面之間的直接接觸，從而提高材料的抗磨損性能。MoS2具有與石墨相似的晶體結(jié)構(gòu)和硬度，也用作摩擦材料的潤滑劑[6?9]，但MoS2的硬度較小，如果添加過多會使材料的強度降低，含量過低則難以起到有效的潤滑作用。目前對MoS2作為鋁基材料的潤滑劑的研究還很少。本研究在鋁基材料中加入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MoS2，采用熱壓法制備3% MoS2/Al基復(fù)合材料，采用不同的滑動速度和載荷，測試和分析該復(fù)合材料從輕微磨損到嚴(yán)重磨損階段的摩擦磨損性能，研究其磨損機理，并與未添加MoS2的Al基材料進行對比，研究MoS2對鋁基材料磨損性能的影響，為提高鋁基材料抗磨損性能提供可借鑒的研究結(jié)論。

1 實驗

1.1 Al基復(fù)合材料的制備

采用熱壓法制備鋁基復(fù)合材料。鋁粉從國藥集團化學(xué)試劑有限公司購買，MoS2從上海膠體化工廠購買，表1所列為原料粉末的平均粒度與純度。首先按照表2所列原料配比稱量原料粉末，置于罐式行星球磨混料機中混料8 h，球料質(zhì)量比為6:1，磨球為直徑3~10 mm的不銹鋼球。將混合料放入石墨模具中，在真空燒結(jié)爐內(nèi)進行熱壓，加熱速率為10 ℃/min，加熱到400 ℃時加壓5 MPa，加熱到500 ℃時加壓10 MPa，600 ℃時加壓20 MPa，保溫1 h，然后隨爐冷卻到室溫，得到MoS2含量為0和3%的鋁基復(fù)合材料，分 別命名為0#和3#試樣，試樣尺寸為直徑52 mm，高 12 mm。

表1 原料粉末的平均粒度與純度

表2 鋁基復(fù)合材料的原料配比

1.2 摩擦實驗

用線切割機從鋁基復(fù)合材料上截取切割直徑為4 mm、高度為9 mm的圓柱體試樣，在多功能摩擦實驗機上進行摩擦試驗，摩擦副結(jié)構(gòu)如圖1所示。對偶環(huán)的外徑為44 mm，內(nèi)徑為28 mm，厚度為10 mm。對偶環(huán)的材料為45鋼，硬度HRC為35~40。鋁基材料試樣在對偶盤上的旋轉(zhuǎn)直徑為36 mm。每次實驗前用丙酮清洗試樣和對偶環(huán)，并用1000#砂紙打磨對偶環(huán)。試驗壓力為4~10 N，滑動速度為0.377~1.131 m/s (200~600 r/min)，試驗時間均為10 min。

圖1 摩擦副結(jié)構(gòu)示意圖

在摩擦試驗前后分別用精度為±0.1 mg 的電子秤稱量試樣的質(zhì)量，計算質(zhì)量磨損量，再用下式計算質(zhì)量磨損率：

=D/(·)

式中：Δ為質(zhì)量磨損量，g；為滑動距離，m；為載荷，N。

采用HV-1000維氏硬度儀測量材料的顯微硬度，試驗壓力為0.98 N，加壓時間為10 s，取5個點的平均值。用JSM-5600LV掃描電鏡觀察材料的磨損表面形貌，分析磨損機理。所有的實驗數(shù)據(jù)均為3次實驗數(shù)據(jù)的平均值，2次實驗的數(shù)據(jù)誤差不超過5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

經(jīng)過測定，0#試樣(不含MoS2)的硬度HV為61，3#試樣(含3% MoS2)的硬度HV為24。因為MoS2的硬度較低，所以3#試樣的硬度比0#試樣降低50%以上。圖2所示為3#試樣的SEM形貌以及S與Mo元素的面分布圖，從圖中可看出MoS2分布較均勻。

圖2 3%MoS2/Al基復(fù)合材料的SEM形貌以及Mo元素與S元素的面分布

圖3所示為0#和3#試樣在滑動速度為0.377 m/s，載荷分別為4，7和10N條件下的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線。從圖3(a)可看到，0#試樣的摩擦因數(shù)隨載荷增大而增大。從圖3(b)可看到，3#試樣在10 N載荷下的摩擦因數(shù)最小，摩擦因數(shù)最穩(wěn)定，基本保持在0.4左右；在4 N和7 N載荷下，摩擦因數(shù)的變化幅度和平均值都遠高于10 N載荷下的摩擦因素，4 N載荷下的摩擦因數(shù)稍高于7 N載荷下的摩擦因數(shù)。從2種材料的摩擦因數(shù)隨時間的變化可看出，添加3% MoS2后鋁基材料具有穩(wěn)定的、最小的摩擦因數(shù)。

圖3 0#試樣和3#試樣在不同載荷下的摩擦因數(shù)隨時間的變化

圖4所示為0#和3#試樣在滑動速度為0.755 m/s，載荷分別為4，7和10 N條件下的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線。由圖可知，0#試樣在4 N載荷下的摩擦因數(shù)具有最大值和最大的變化幅度，7 N與10 N載荷下的摩擦因數(shù)很接近。對比圖3(b)和圖4(b)可知，滑動速度從0.377 m/s提高到0.755 m/s，3#試樣的摩擦因數(shù)和變化幅度均大幅度提高，在10 N載荷下的摩擦因數(shù)仍然最小，4 N載荷下的摩擦因數(shù)最大。

在滑動速度為1.131 m/s時，所有材料的摩擦因數(shù)變動幅度都較大，因此本文沒有提供其摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線。

圖5所示為0#和3#試樣在不同載荷和滑動速度下的質(zhì)量磨損率。由圖5(a)可見，在4 N載荷的作用下，0#試樣的磨損率隨滑動速度增加而增大，只是在滑動速度從0.755 m/s增加到1.131 m/s時磨損率變化很??；在載荷為7 N和10 N條件下，滑動速度為1.131 m/s時，材料急劇磨損，在不到10 min的時間內(nèi)便已磨損到極限，其磨損率未在圖中畫出。從圖5(b)可看到，在0.377 m/s的滑動速度下，3#試樣的磨損率隨載荷提高而略有增大；在0.755 m/s的滑動速度下，4~7 N載荷范圍內(nèi)，磨損率隨載荷增加而逐漸增大，磨損率大于0.377 m/s滑動速度下的磨損率，但在10 N載荷下磨損率降低，并且低于0.377 m/s下的磨損率；在1.131 m/s的滑動速度下，盡管在4 N載荷下磨損率較小，但在7 N和10 N載荷下的磨損率遠高于其它滑動速度下的磨損率，是其它滑動速度下磨損率的10倍以上，顯然是磨損機理發(fā)生了變化，材料從輕微磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重磨損。

圖4 鋁基材料在不同載荷下的摩擦因數(shù)隨時間的變化

2.2 分析與討論

圖6所示為0#和3#試樣在滑動速度為0.377 m/s下的磨損表面形貌。圖6(a)和(d)分別為0#和3#試樣在4 N載荷作用下的磨損表面形貌。從圖6(a)可看到局部區(qū)域較光滑，這是摩擦副之間微凸體接觸變形的結(jié)果，由于0#試樣的硬度較高，摩擦過程中只有微凸體的相互接觸變形，因而具有較小的摩擦因數(shù)；從圖6(d)可見沿摩擦方向的劃痕和松散的脫落磨屑。由于3#試樣的硬度較低，在摩擦過程中微凸體接觸磨損脫落，摩擦副之間的接觸面積較大，故其摩擦因數(shù)及變動幅度相應(yīng)較大(如圖3(b)所示)，其磨損率高于0#試樣。圖6(b)和(e)分別為0#和3#試樣在7 N載荷作用下的磨損表面形貌。由圖可見磨損表面都有明顯的劃痕，這是磨粒磨損的特征[10?11]，在圖6(e)中可見有較連續(xù)的潤滑層，使磨損減輕，所以3#試樣的磨損率低于0#試樣的磨損率(見圖5)。對比圖6(c)和(f)可見，0#和3#試樣在10 N載荷作用下的磨損表面都具有明顯的劃痕，其磨損機理也是磨粒磨損，但在3#試樣的磨損表面具有連續(xù)的潤滑膜，而0#試樣的磨損表面潤滑膜較松散，盡管兩者的磨損率基本接近，但3#試樣的摩擦因數(shù)低于0#試樣(見圖3)。

圖5 鋁基材料在不同載荷和滑動速度下的磨損率

圖6 鋁基材料在滑動速度為0.377 m/s下的磨損表面形貌

從對圖6的分析可知，在0.377 m/s的滑動速度下，在7 N和10 N的載荷下，添加MoS2潤滑劑的材料由于形成了連續(xù)的潤滑薄膜，有效降低了磨損，其摩擦磨損性能得到不同程度的改善。

圖7所示為0#和3#試樣在滑動速度為0.755 m/s下的磨損表面形貌。圖7(a)和(d)分別為0#和3#試樣在4 N載荷作用下的磨損表面，2個磨損表面都有摩擦劃痕，而3#試樣表面的劃痕較多且細小，這主要是因為3#試樣的硬度較低，更易被磨損，因而其磨損率高于0#試樣。從圖7(b)和(e)看出0#試樣表面具有較深的劃痕，而3#試樣表面具有嚴(yán)重的塑性變形[12]，因而其磨損率高于0#試樣(見圖5)。圖7(c)和(f)分別為0#和3#試樣在10 N載荷作用下的磨損表面形貌，從圖中可看出，這2個試樣的磨損表面都具有較連續(xù)的潤滑膜，所以其磨損率較低(如圖(5)所示)。

圖7 鋁基材料在滑動速度為0.755 m/s下的磨損表面形貌

從圖7可看出，在較高的滑動速度和載荷下，由于摩擦副之間溫度升高使得材料強度降低，潤滑劑的潤滑作用不明顯；在高載荷作用下，0#和3#試樣具有相近的磨損性能。

圖8所示為0#和3#試樣在滑動速度為1.131 m/s，載荷分別為7 N和10 N下的磨損表面形貌。由圖可見，在7 N載荷作用下，0#試樣磨損表面為大量的變形層，材料磨損嚴(yán)重(磨損時間不到10 min)；3#試樣的磨損表面具有沿滑動方向的劃痕和塑性變形，從圖5看出其磨損率較高。在7 N載荷作用下，0#試樣磨損表面為被撕裂后形成的凹坑，這是摩擦力超過了材料的屈服強度導(dǎo)致材料嚴(yán)重塑性變形失效的特征[12]，這與CHEN等[13]研究AZ91鎂合金的磨損得出的塑性變形形貌一致；3#試樣的磨損表面具有嚴(yán)重的塑性流動，這是在高載荷和高滑動速度下產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致材料表面熔化所致，因此其磨損率非常高[14](見圖5)。

圖8 鋁基材料在滑動速度為1.131 m/s下的磨損表面形貌

從圖8的分析可知，在高的滑動速度1.131 m/s和7~10 N載荷條件下，由于摩擦產(chǎn)生的溫升導(dǎo)致材料強度降低，因此0#和3#試樣都具有高的磨損率，0#試樣為塑性變形磨損，3#試樣為熔化磨損。0#試樣的磨損率高于3#試樣的磨損率，這說明添加MoS2潤滑劑可明顯減輕高載荷和高滑動速度下鋁基材料的磨損，這也與其他研究者在鋁基材料中添加石墨得出的結(jié)論一致[4?5]。

3 結(jié)論

1) 在滑動速度為0.377 m/s時，在高載荷下(10 N)，添加MoS2的鋁基材料，由于摩擦表面形成連續(xù)的潤滑膜，因而具有較低的摩擦因數(shù)，為不含MoS2的鋁基材料的一半左右。

2) 在滑動速度為0.755 m/s時，由于滑動速度提高導(dǎo)致摩擦副之間的溫度升高，材料的強度降低，潤滑劑的作用不明顯。

3) 在滑動速度為1.131 m/s時，在7~10 N的載荷作用下，盡管2種材料都磨損嚴(yán)重，但添加了MoS2的材料具有相對較低的磨損率。

4) 在滑動速度為1.131 m/s、載荷為10 N的條件下，添加了MoS2材料的磨損機理為熔化磨損，未添加MoS2材料的磨損機理為塑性變形。

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(編輯 湯金芝)

Effect of MoS2on tribological properties of aluminum matrix composite materials

ZHANG Junxi1, CHEN Baiming1, GONG Chenggong1, GUO Xiaoru1, ZHANG Zhenyu2, LI Baodong2

(1. School of Materials Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China;2. Provincial Key Laboratory for Green Cutting Technology and Application of Gansu Province (University), Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China)

Aluminum matrix composite materials with MoS2mass fraction of 0% and 3% were fabricated by hot press method using Al, Fe, Zn and Si powders as raw materials. The tribological properties of aluminum matrix materials with MoS2content of 3% and 0% were studied comparatively at sliding speed of 0.377?1.131 m/s and load of 4?10 N. The results show that at the sliding speed of 0.377 m/s, the aluminum matrix material with 3% MoS2has lower average friction coefficient of 0.4 which is 1/2 lower than that of the material with 0% MoS2under load of 10 N; at the sliding speed of 0.755 m/s, the tribological properties of the two aluminum matrix materials are similar; at the sliding speed of 1.131 m/s and load of 7~10 N, although two materials wear severely, the materials with 3% MoS2has lower wear rate than that of material with 0% MoS2, and the wear mechanism of aluminum matrix materials with 3% and 0% MoS2is melting wear and plastic deformation, respectively. It can be seen from the results that addition of 3% MoS2can improve tribological properties of aluminum matrix materials obviously.

aluminum matrix materials; MoS2; tribological properties; friction coefficient; wear rate; wear mechanism

TF125.9

A

1673?0224(2016)05?746?08

蘭州工業(yè)學(xué)院青年科技創(chuàng)新項目(14K-012)；甘肅省高等學(xué)?？蒲许椖?2014A-122)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51361020)

2015?10?22；

2016?02?26

陳百明，副教授，博士。電話：13008772885；E-mail: chenbm1120@163.com