符宏山, 楊 敏,任慕蘇, 李 紅,張家寶, 韋習(xí)成, 孫晉良

(1.上海大學(xué)復(fù)合材料研究中心,上海200072;2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200444)

C/C復(fù)合材料具有導(dǎo)熱性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)低、耐腐蝕、摩擦性能好等優(yōu)點[1-3],與軸配合工作時能自潤滑,是一種優(yōu)良的自潤滑減磨材料,在汽車軸承、航空發(fā)動機密封環(huán)、密封圈等精密零部件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4-6].

C/C復(fù)合材料的摩擦磨損性能不僅受材料本身結(jié)構(gòu)組成、纖維取向的影響,還與材料所受載荷、轉(zhuǎn)速、介質(zhì)等工況條件密切相關(guān)[7-8].葛毅成等[9]研究了C/C復(fù)合材料在干態(tài)、水和油浸潤條件下的摩擦磨損性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)基體碳為樹脂浸漬碳的試樣摩擦系數(shù)最大,水潤滑時試樣的摩擦系數(shù)最小,但磨損率最大.李克智等[10]對利用化學(xué)液相沉積工藝制備的C/C復(fù)合材料濕態(tài)摩擦磨損性能進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有粗糙層結(jié)構(gòu)的C/C復(fù)合材料在高速、高制動壓力下具有較高的穩(wěn)定性.目前,對C/C復(fù)合材料的研究主要針對剎車片在干態(tài)條件下的摩擦磨損性能[11-12],而少數(shù)濕態(tài)條件下的研究也是將試樣置于液態(tài)介質(zhì)中進行摩擦磨損試驗,與實際應(yīng)用中密封環(huán)只受到泄露的潤滑油以及水分影響的使用環(huán)境不符.因此,研究C/C復(fù)合材料在貧油汽、貧水汽氣氛條件下的摩擦磨損性能,并探討其摩擦磨損機理,對于完善C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的研究十分重要[13-15].

本工作對比研究了C/C復(fù)合材料在不同載荷及不同潤滑條件下的摩擦磨損行為,并探討了其摩擦磨損機理.

1 試驗

1.1 試樣的制備

以聚丙烯腈預(yù)氧化纖維針刺整體氈為預(yù)制體,以丙烯為碳源,通過化學(xué)氣相滲透(chemical vapor infiltration,CVI)、樹脂浸漬相結(jié)合的工藝制得C/C復(fù)合材料摩擦試樣.試樣經(jīng)2 300°C石墨化處理,其中碳纖維體積分?jǐn)?shù)約為11.00%,熱解碳約為57.50%,樹脂碳約為31.25%.試樣為Φ外35 mm×Φ內(nèi)8 mm×6 mm的圓環(huán),摩擦面與針刺方向垂直.采用排水法測量試樣的密度及氣孔率,試樣密度及開孔率如表1所示,S1,S2,S3為干態(tài)條件下摩擦試樣,S4為水潤滑條件下摩擦試樣,S5為油潤滑條件下摩擦試樣.

表1 試樣的密度及開孔率Table 1 Density and porosity of the samples

1.2 測試與分析

借助德國卡爾蔡司偏光顯微鏡觀察C/C試樣的金相結(jié)構(gòu).在MM-W1型立式萬能摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗(見圖1).C/C試樣的對磨銷為40Gr鋼,硬度HRC45,規(guī)格為Φ5.5 mm×10 mm,表面粗糙度Ra0.8μm.

試驗條件如下:主軸轉(zhuǎn)速200 r/min,摩擦?xí)r間30 min,在正壓力為0.5,1.0,1.5 MPa下進行摩擦試驗,并在1.5 MPa下以干態(tài)、水潤滑和油潤滑為摩擦介質(zhì)分別進行測試.

在水潤滑和油潤滑條件下,試驗前先將試樣置于水或油(殼牌喜力HX5 10W-40)中浸漬24 h,使試樣孔隙被潤滑介質(zhì)填充.采用德國DSA100型視頻光學(xué)接觸測量儀測定試樣與蒸餾水、油的接觸角.采用BS210S型電子天平(精度為0.1 mg)測量試樣摩擦磨損前后的質(zhì)量,計算質(zhì)量磨損率.借助JSM-6700F掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)觀察試樣磨損后表面及磨屑的形貌特征.

圖1 試樣形狀和接觸形式Fig.1 Samples shape and contact form

2 結(jié)果與討論

2.1 C/C試樣的熱解碳結(jié)構(gòu)

圖2為C/C試樣熱解碳的偏光顯微圖.由圖可知,C/C試樣中CVI制備的熱解碳具有規(guī)整的“十”字架消光輪廓及環(huán)向裂紋,為光滑層結(jié)構(gòu),因此C/C試樣的摩擦系數(shù)相對較低,具有耐磨的特性.在摩擦過程中,熱解碳形成的磨屑膜隔離材料與對磨銷的直接接觸,起到了減小摩擦系數(shù)、降低磨損率的作用;熱解碳消耗后,樹脂碳支撐碳纖維,與碳纖維共同保持材料的結(jié)構(gòu),承受應(yīng)力作用;樹脂碳被犁削后,碳纖維因失去支撐而斷裂或脫出,形成硬質(zhì)磨屑.

圖2 C/C試樣熱解碳的偏光顯微圖Fig.2 Polarized light micrograph of pyrocarbon in C/C samples

2.2 摩擦系數(shù)隨時間的變化

圖3 為0.5 MPa干態(tài)條件下的摩擦系數(shù)曲線.由圖可見,隨著摩擦?xí)r間的增加,摩擦系數(shù)先增大后在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)在0.130～0.142之間.當(dāng)摩擦開始時,C/C試樣表面較高的微凸體與對磨銷發(fā)生點接觸或線接觸,并迅速被剪切、斷裂或磨平產(chǎn)生磨屑,使得摩擦表面粗糙度增大,摩擦系數(shù)增大.隨著摩擦的進行,微凸體在壓力的作用下不斷發(fā)生變形和斷裂,點接觸和線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|,實際摩擦面積增大,磨屑也不斷增多.當(dāng)磨屑積累到一定程度后,因受擠壓形成一層具有減摩作用的磨屑膜,摩擦系數(shù)不再繼續(xù)增大.在摩擦后期,隨著摩擦?xí)r間的增加,磨屑膜不斷被破壞形成新的磨屑,新的磨屑在擠壓作用下形成新的磨屑膜,磨屑膜的形成和消耗達到一個動態(tài)的平衡,因此摩擦系數(shù)呈現(xiàn)波動性平穩(wěn).

圖3 0.5 MPa干態(tài)條件下的摩擦系數(shù)Fig.3 Friction coefficients at 0.5 MPa under dry condition

2.3 載荷對摩擦磨損性能的影響

圖4 為干態(tài)條件,0.5,1.0,1.5 MPa下的摩擦系數(shù)曲線(見圖4(a))及質(zhì)量磨損率(見圖4(b)).由圖4(a)可見,3種不同載荷下摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化趨勢相似,均先增大后逐漸趨于穩(wěn)定;隨著載荷的增加,達到穩(wěn)定的時間越來越短,波動幅度越來越小;穩(wěn)定后,0.5,1.0,1.5 MPa下的摩擦系數(shù)分別為0.136,0.133和0.128.當(dāng)施加載荷時,C/C試樣表面的微凸體被剪切,并在壓力作用下被碾碎成細小的磨屑;載荷增加時摩擦表面的微凸體更容易被剪切,在增大的壓力作用下碾碎成的細小磨屑更容易在摩擦表面積聚,填充于摩擦表面孔隙,并形成光滑、完整的磨屑膜.因此,載荷越大,剝落的磨屑越容易形成磨屑膜,達到穩(wěn)定所需的時間越短,摩擦系數(shù)及其波動幅度也越小.

圖4 干態(tài)條件,0.5,1.0,1.5 MPa下的摩擦系數(shù)及質(zhì)量磨損率Fig.4 Friction coefficients and the mass wear loss at 0.5,1.0,1.5 MPa under dry condition

圖4(b)中,0.5,1.0,1.5 MPa條件下的質(zhì)量磨損率分別為0.020,0.030,0.092 mg/轉(zhuǎn).隨著載荷的增加,硬質(zhì)顆粒的犁削作用增強,磨損加劇;同時,摩擦過程中動能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,積累到一定程度時,磨屑膜在內(nèi)應(yīng)力的作用下開裂并產(chǎn)生磨屑,隨著載荷的增加,磨屑膜更容易開裂,導(dǎo)致磨損率更大.

2.4 潤滑介質(zhì)對摩擦磨損性能的影響

C/C試樣與蒸餾水、潤滑油的接觸角測試結(jié)果如圖5所示,由圖可見,C/C試樣與水的接觸角最終穩(wěn)定在130°左右,與潤滑油的接觸角最終穩(wěn)定在1.8°左右,說明C/C復(fù)合材料為疏水親油性材料.試樣浸漬潤滑介質(zhì)后,潤滑油在材料內(nèi)部的體積分?jǐn)?shù)大于水,且油膜在C/C試樣表面呈鋪展?fàn)顟B(tài).將浸漬潤滑介質(zhì)后的試樣在相同載荷(1.5 MPa)下進行測試,得到C/C試樣在干態(tài)、水潤滑及油潤滑3種條件下的測試結(jié)果如圖6所示.

圖5 試樣與蒸餾水、潤滑油的接觸角Fig.5 Contact angles of samples with distilled water and oil

圖6 1.5 MPa不同潤滑條件下的摩擦系數(shù)和質(zhì)量磨損率Fig.6 Friction coefficients and mass wear loss at 1.5 MPa under different conditions

由圖6(a)可見,在3種條件下,C/C試樣的摩擦系數(shù)隨時間的變化趨勢相似,均先增大而后呈現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定.在濕態(tài)條件下的C/C試樣因為有潤滑介質(zhì)的存在,摩擦系數(shù)較干態(tài)條件下要小.在摩擦穩(wěn)定階段,干態(tài)條件下的摩擦系數(shù)最大(0.128),波動幅度最小;水潤滑條件次之(0.125);油潤滑條件下的摩擦系數(shù)最小(0.120),波動幅度最大.在濕態(tài)條件下,摩擦開始時,除因微凸體斷裂產(chǎn)生碎屑粒子使得摩擦系數(shù)增大外,摩擦表面的升溫使得C/C試樣摩擦表面的水膜或油膜解吸附,也會導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大.隨著摩擦?xí)r間的增加,C/C試樣表面溫度升高,液態(tài)介質(zhì)蒸發(fā),表面溫度因熱傳導(dǎo)到內(nèi)部,使得內(nèi)部的液態(tài)介質(zhì)受熱膨脹向表面滲出,同時帶走部分熱量,將摩擦?xí)r的動能轉(zhuǎn)化為熱能消耗,因此摩擦系數(shù)較干態(tài)條件下要小.油的潤滑性能較水要好,C/C復(fù)合材料又屬疏水親油材料,滲入材料內(nèi)部油的體積分?jǐn)?shù)也大,因此油潤滑條件下的摩擦系數(shù)最小.

由圖6(b)可見,干態(tài)、水潤滑及油潤滑條件下的質(zhì)量磨損率分別為0.092,0.232,0.109 mg/轉(zhuǎn),水潤滑條件下磨損率最大,油態(tài)次之,干態(tài)最小.這是由于在干態(tài)條件下,摩擦面之間容易形成比較完整的磨屑膜,有效隔離了C/C試樣與對磨銷的直接接觸,因此質(zhì)量磨損率最小.而滲透在材料孔隙內(nèi)部的水和油會加劇材料的裂紋擴展,因熱膨脹向表面滲出的液態(tài)介質(zhì)將磨屑分散于摩擦表面,磨屑不易積聚形膜,導(dǎo)致水潤滑和油潤滑條件下的磨損率更大.由于C/C復(fù)合材料的疏水親油性質(zhì),樣品浸漬水后,C/C試樣表面吸附的水量較少,與對磨銷的接觸面積較大;而浸漬油后,材料表面形成一層油膜,油膜可隔離C/C試樣與對磨銷的接觸,減少C/C試樣的犁削磨損,因此質(zhì)量磨損率比水潤滑條件下要小.

3 摩擦磨損形貌與機理分析

C/C試樣的摩擦磨損過程可分為4個階段:①在載荷及剪切力的作用下,C/C試樣表面的硬質(zhì)微凸體與對磨銷發(fā)生點接觸或線接觸,微凸體相互作用變形、剪切并斷裂,產(chǎn)生硬質(zhì)顆粒,摩擦系數(shù)增大,形成磨損;②硬質(zhì)顆粒對C/C試樣表面產(chǎn)生犁削作用,試樣表面發(fā)生裂紋擴展,熱解碳剝落形成硬度較低的磨屑,樹脂碳被犁削成硬質(zhì)磨屑,碳纖維失去樹脂碳的支撐后斷裂或脫出,產(chǎn)生硬質(zhì)顆粒.在離心力的作用下,部分磨屑脫出摩擦表面,加劇試樣的磨損;③細小的磨屑填充試樣表面的孔隙及裂紋,在壓力作用下被碾壓成磨屑膜,隔離了試樣與對磨銷的直接接觸,摩擦系數(shù)減小;④在載荷的持續(xù)作用下,磨屑膜開裂,產(chǎn)生磨屑,磨屑中的硬質(zhì)顆粒對摩擦面繼續(xù)產(chǎn)生犁削作用,同時磨屑又不斷被碾壓形成磨屑膜,整個摩擦面處于“犁削—形膜”的動態(tài)平衡.

圖7為干態(tài)條件、不同載荷下C/C試樣摩擦磨損后表面的SEM形貌圖.由圖可見,在0.5 MPa下,摩擦后樣品表面存在大小不一的磨屑粒子堆積,磨屑膜不完整;在1.0 MPa下,摩擦后的樣品表面磨屑較少,形成鱗片狀堆積的磨屑膜層;在1.5 MPa下,摩擦后的樣品表面形成了完整的磨屑膜.隨著載荷的增加,微凸體與對磨銷的接觸面積增大,在摩擦過程中,更多微凸體被剪切、斷裂而產(chǎn)生磨屑,熱解碳剝落程度更高,一部分細小的磨屑填充于摩擦表面的裂紋,一部分磨屑在更大載荷作用下被碾壓形成磨屑膜.因此,隨著載荷的增加,C/C試樣中剝落的熱解碳增多,摩擦表面形成的磨屑膜更為完整.

圖7 干態(tài)條件,不同載荷下摩擦磨損后的SEM圖Fig.7 Wear surface SEM images at different loads under dry condition

圖8為在1.5 MPa,干態(tài)、水潤滑、油潤滑3種狀態(tài)下摩擦磨損后C/C試樣表面的SEM形貌圖,由圖可見,在干態(tài)條件下,摩擦表面形成完整的磨屑膜;在水潤滑條件下,樣品表面有少量層狀堆積的磨屑,磨屑膜不完整,部分區(qū)域存在孔隙;在油潤滑條件下,碳纖維輪廓較為清晰,部分纖維間有狹長的縫隙,纖維表面存在少量磨屑,磨屑膜不完整.在水潤滑條件下,隨著摩擦的進行,材料內(nèi)部的水不斷減少,C/C試樣表面開始形成磨屑膜,因摩擦開始時試樣表面的水分對摩屑的分散作用使得磨屑需要更長時間才能形成磨屑膜,在摩擦?xí)r間相同的情況下,水潤滑條件下的磨屑膜不如干態(tài)條件下完整;在油潤滑條件下,摩擦開始時摩擦表面被油膜隔開,載荷一部分由油膜承擔(dān),一部分由微凸體承受.摩擦阻力一部分由油膜剪切引起,一部分由微凸體的相互作用變形和剪切引起.隨著摩擦的進行,油膜變薄,油膜對磨屑的分散作用減弱,磨屑在壓應(yīng)力作用下逐漸形成磨屑膜,由于試樣內(nèi)部滲入油的體積分?jǐn)?shù)較大,摩擦過程中裂紋擴展加速,因此油潤滑條件下摩擦表面的縫隙比水潤滑條件下要大.

圖8 1.5 MPa不同潤滑條件下摩擦磨損后的SEM圖Fig.8 Wear surface SEM images at 1.5 MPa under different conditions

圖9 為在摩擦磨損過程中,水和油潤滑條件下C/C試樣表面的示意圖.由于C/C復(fù)合材料是疏水親油材料,其內(nèi)部孔隙中水的體積分?jǐn)?shù)較小,摩擦面間形成的水膜稀薄,在摩擦過程中只能起到一定的潤滑作用,隨著摩擦的進行,摩擦表面的水減少,剝落的磨屑開始積聚,因此水潤滑條件下摩擦表面的磨屑呈堆積狀.在油潤滑條件下,C/C試樣內(nèi)部孔隙中滲入油的體積分?jǐn)?shù)較大,形成的油膜鋪展在試樣表面,有效隔離了試樣與對磨銷的直接接觸,降低了摩擦系數(shù)及磨損率;同時,油膜對磨屑起分散作用,因此C/C試樣表面未形成完整的磨屑膜,只能看到碳纖維清晰的輪廓.

圖9 水和油潤滑條件下C/C試樣表面示意圖Fig.9 Surfaces of C/C samples under water and oil conditions

4 結(jié)論

(1)在干態(tài)條件下,隨著摩擦?xí)r間的增加,C/C試樣的摩擦系數(shù)先增大后達到穩(wěn)定.摩擦系數(shù)增大是由于C/C試樣表面微凸體剪切斷裂,摩擦阻力增大引起.微凸體斷裂形成的磨屑在壓力作用下擠壓形成磨屑膜,磨屑膜的動態(tài)消耗及產(chǎn)生是摩擦系數(shù)產(chǎn)生波動的原因.

(2)在干態(tài)條件下,隨著載荷由0.5 MPa增大至1.5 MPa,磨屑被擠壓成完整的磨屑膜,有效隔離了試樣與對磨銷的直接接觸,使得摩擦系數(shù)逐漸減小;但由于磨屑膜在高載荷下更容易被破壞,使得質(zhì)量磨損率逐漸增大.

(3)在相同載荷(1.5 MPa)下,水和油潤滑條件下的摩擦系數(shù)較干態(tài)條件下要小,質(zhì)量磨損率較干態(tài)條件下要大.水和油潤滑條件下摩擦系數(shù)較小是由于潤滑介質(zhì)自身形成的液態(tài)膜起了減摩作用;磨損率較大是由于潤滑介質(zhì)對磨屑的分散作用,不利于形成磨屑膜.試樣表面的油膜可減少試樣的犁銷磨損,因此其質(zhì)量磨損率較水潤滑條件下要小.

(4)水潤滑條件下形成的水膜較薄,對C/C試樣與對磨銷接觸的隔離效果較油膜差,磨損率較油潤滑條件下要高,這是由C/C復(fù)合材料疏水親油的性質(zhì)引起的.