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        石墨含量對銅基石墨自潤滑復(fù)合材料摩擦過程中石墨潤滑膜的影響

        2022-06-08 05:06:34張俊龍陳亞軍李晨尹延國解挺
        軸承 2022年2期
        關(guān)鍵詞:銅基摩擦石墨

        張俊龍,陳亞軍,李晨,尹延國,2,解挺,2

        (1.合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所,合肥 230009;2.高性能銅合金材料及成形加工教育部工程研究中心,合肥 230009)

        0 引 言

        銅基石墨自潤滑復(fù)合材料擁有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗氧化性、耐腐蝕性和耐磨性等特性,常用來制作滑動軸承(軸套)、電觸頭等零部件,在機械、化工、電氣和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的運用[1]。

        長期以來,銅基石墨自潤滑復(fù)合材料中石墨的含量、尺寸[2]、形態(tài)[3]以及表面狀態(tài)[4]等對材料摩擦磨損的影響受到廣泛關(guān)注。關(guān)于石墨含量對銅基石墨復(fù)合材料的影響已有很多學(xué)者做了相關(guān)研究。文獻[5]研究了體積分?jǐn)?shù)為0~4%的石墨對銅基材料摩擦磨損性能的影響,結(jié)果表明隨著石墨體積分?jǐn)?shù)的增加,摩擦因數(shù)減小,當(dāng)石墨體積分?jǐn)?shù)小于3.5%時,磨損率逐漸降低。文獻[6]研究了體積分?jǐn)?shù)為1%~10%的石墨對銅基石墨材料摩擦性能的影響,發(fā)現(xiàn)石墨體積分?jǐn)?shù)在1%增至5%的過程中,磨損率不斷升高,摩擦因數(shù)有明顯減小;石墨體積分?jǐn)?shù)在5%增至10%的過程中,磨損率下降明顯,但摩擦因數(shù)在石墨體積分?jǐn)?shù)增至7%前有少許的增大后再次減小。文獻[7]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~8%的石墨填充銅基復(fù)合材料(機械合金化法制備)的摩擦磨損性能,結(jié)果表明隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,摩擦因數(shù)減小,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時,材料的磨損率最低。文獻[8]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~10%的石墨填充銅基材料的摩擦磨損性能,結(jié)果表明隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,摩擦因數(shù)和磨損率減?。划?dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過8%時,磨損率升高。這些研究表明石墨含量有一個最佳值,石墨含量過高會導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低而使磨損增大。

        還有學(xué)者研究了表面鍍層的石墨含量對材料摩擦性能的影響。石墨表面鍍層(鍍銅、鍍鎳)能夠改善銅與石墨之間的潤濕性,提高混粉的均勻程度和壓制過程中兩界面的結(jié)合能力,進而使材料的力學(xué)性能和摩擦性能更好[9]。文獻[10]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~10%的鍍鎳石墨對銅基自潤滑材料摩擦性能的影響,在一定載荷范圍(20~40 N)內(nèi),石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%~8%的材料的耐磨性和自潤滑效果最好。文獻[4]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~20%石墨表面鍍銅的銅基石墨復(fù)合材料的摩擦性能,在恒定載荷下石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,材料摩擦因數(shù)和磨損率均越小。

        一些學(xué)者還研究了銅基石墨復(fù)合材料的磨損機制和潤滑機制。文獻[11]研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%~5%石墨的銅基復(fù)合材料的摩擦性能,發(fā)現(xiàn)隨著石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,材料的磨損形式從黏著磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠趧儗幽p;當(dāng)石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到5%時,材料的磨損機制以疲勞剝層磨損為主。文獻[12]發(fā)現(xiàn)摩擦剛開始,銅基摩擦副直接接觸,磨損劇烈,接著在材料內(nèi)部擠壓變形力的作用下,石墨向材料表面遷移,表面的石墨增多,又在剪切力的作用下在摩擦表面形成潤滑膜。

        以前的研究普遍認(rèn)為石墨在摩擦表面形成石墨潤滑膜,石墨含量相對應(yīng)有個最佳值,這是銅基自潤滑復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損體積減小的關(guān)鍵所在,但對于復(fù)合材料石墨潤滑膜的評價并沒有更深層次的分析。本文擬通過粉末冶金壓燒工藝制備5種不同石墨含量填充的銅基復(fù)合材料,重點研究石墨含量(體積分?jǐn)?shù),下同)與潤滑膜成膜特性的關(guān)聯(lián)性。

        1 試驗

        1.1 復(fù)合材料的制備

        復(fù)合材料由粒度43 μm的銅粉、粒度30 μm的石墨和少量的硬脂酸鋅(改善試樣脫模性能)組成,石墨含量分別為2%,6%,10%,14%和20%。

        試樣采用粉末冶金方法制備,具體工藝為:將銅粉、石墨和硬脂酸鋅根據(jù)試驗方案準(zhǔn)確稱重并在軸式輥磨機中充分混合8 h;在剛性壓制模具中裝入混均的粉,使用We-600型液壓式材料試驗機在室溫壓制成坯,壓力為400 MPa,保壓時間為1 min;最后將試樣置于JHN-1燒結(jié)爐中,在氫氣保護氣氛(氫氣流速200 mL/min)下燒結(jié),燒結(jié)溫度為960 ℃,保溫時間為2 h,加工完成試樣的最終尺寸為5 mm×5 mm×30 mm。

        1.2 試驗方法

        摩擦磨損試驗選用自制的原位觀察摩擦試驗機,如圖1所示,摩擦試驗條件為:對磨試樣為直徑30 mm的45#鋼,摩擦條件為干摩擦,摩擦方式為環(huán)-塊接觸,線速度為0.1 m/s,載荷為50 N,摩擦試驗時間為20 min。

        圖1 小型摩擦試驗機簡圖

        用光學(xué)顯微鏡(OM)對試樣組織進行觀察;用阿基米德排水法測量密度;用HV-1000A型維氏硬度計測量硬度,壓頭為136°正菱形金剛石,載荷為0.98 N;磨損量為試樣磨損前后的質(zhì)量差ΔW;用掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-6701F)分析試樣磨損表面形貌;用能譜儀(EDS)對磨損表面進行成分及分布分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 石墨含量對材料金相組織的影響

        不同石墨含量銅基復(fù)合材料的金相組織如圖2所示。經(jīng)壓制燒結(jié)后石墨不與基體發(fā)生反應(yīng),石墨的組織結(jié)構(gòu)沒有變化,石墨均勻分散在銅基體中。組織中石墨的團聚現(xiàn)象隨著石墨含量的增加而加劇[9],材料的銅基體連續(xù)性降低,進而影響其耐磨性。

        圖2 不同石墨含量銅基復(fù)合材料的金相組織

        2.2 石墨含量對材料力學(xué)性能的影響

        石墨屬于軟質(zhì)相,在銅基復(fù)合材料的基體中均勻分布,在銅基體中可視為孔隙,割裂了銅基體。隨著基體中石墨含量的增加,銅基體的割裂程度增大,導(dǎo)致材料力學(xué)性能變差[8]。不同石墨含量銅基復(fù)合材料的密度、硬度如圖3所示,隨著石墨含量的增加,材料的密度和硬度均逐漸下降,故其力學(xué)性能逐漸變差。

        圖3 不同石墨含量銅基復(fù)合材料的密度、硬度

        2.3 石墨含量對材料耐磨性能的影響

        經(jīng)20 min摩擦試驗后,不同石墨含量銅基復(fù)合材料的平均磨損量如圖4所示:當(dāng)石墨含量小于14%時,隨著石墨含量的增加,磨損量減小;當(dāng)石墨含量達到20%,由于其力學(xué)性能過低,與前4種相比,磨損量明顯增大,所以材料的耐磨性受石墨含量的影響較大。

        圖4 不同石墨含量銅基復(fù)合材料的平均磨損量

        2.4 不同石墨含量時材料摩擦表面分析

        2.4.1 摩擦表面形貌

        不同石墨含量銅基復(fù)合材料的摩擦表面形貌(SEM)如圖5所示:1)當(dāng)石墨含量為2%時,犁溝較多,局部區(qū)域有撕裂,存在黏著磨損,石墨潤滑膜產(chǎn)生,部分摩擦表面平整光滑,存在磨粒磨損[10];2)當(dāng)石墨含量為10%時,摩擦表面平整光滑,石墨潤滑膜存在,主要磨損形式為磨粒磨損,犁溝很少;3)當(dāng)石墨含量為20%時,摩擦表面基本平整, 雖存在石墨潤滑膜,但其低力學(xué)性能導(dǎo)致表面局部有破損且伴隨著小尺寸的裂紋,有不同程度的剝落成凹坑現(xiàn)象[11]。因此,石墨含量的增加使摩擦表面更加平整且更容易形成潤滑膜,材料的耐磨性更好,但過高含量的石墨使銅基體與石墨結(jié)合的牢靠程度下降,導(dǎo)致其力學(xué)性能過差,出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,進而使材料的耐磨性變差。

        圖5 不同石墨含量銅基復(fù)合材料的摩擦表面形貌

        2.4.2 石墨的成膜特性

        由于石墨由碳元素組成,所測試的磨損表面碳元素分布即是石墨的分布。對銅基復(fù)合材料試樣摩擦20 min后的表面隨機選擇5個區(qū)域,通過掃描電鏡和能譜儀(EDS)掃描分析碳元素和銅元素在各區(qū)域的占比(圖6a右圖白色區(qū)域為碳,表示覆蓋在磨損表面的石墨潤滑膜),統(tǒng)計各個區(qū)域的碳含量并對5個區(qū)域的碳含量取平均值,算出不同的石墨含量。不同石墨含量下銅基復(fù)合材料表面的石墨潤滑膜覆蓋率如圖6b所示,發(fā)現(xiàn)摩擦表面石墨潤滑膜覆蓋情況與石墨含量之間存在顯著聯(lián)系:當(dāng)石墨含量小于14%時,隨著石墨含量的增加,石墨潤滑膜覆蓋率上升,減摩效果變好,試樣磨損量降低;而當(dāng)石墨含量達到20%,一方面過高含量的石墨會使材料力學(xué)性能過低,另一方面石墨含量增加并沒有提高石墨潤滑膜覆蓋率,還容易導(dǎo)致石墨潤滑膜在后續(xù)摩擦過程中破損、掉落,使石墨潤滑膜覆蓋率下降,磨損加大。

        圖6 摩擦表面石墨覆蓋率的分析過程和結(jié)果

        2.4.3 石墨潤滑膜的形成機制

        摩擦過程中石墨會從銅基復(fù)合材料內(nèi)部擠至摩擦表面并覆蓋成膜,石墨潤滑膜產(chǎn)生的原理[12]如圖7所示,在摩擦過程中近接觸區(qū)的材料逐漸損耗,由于石墨具有黏附性,其會附著在材料的摩擦表面,當(dāng)?shù)侥Σ梁笃跁r,材料的摩擦表面附著一層石墨潤滑膜,起到潤滑且降低磨損的作用。

        圖7 摩擦過程石墨潤滑膜形成示意圖

        3 結(jié)論

        通過對不同石墨含量銅基復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性以及石墨潤滑膜覆蓋率的研究,得到以下結(jié)論:

        1)隨著石墨含量的增加,由于石墨割裂了銅基體使材料的密度和硬度均有所下降,材料的力學(xué)性能降低。

        2)隨著石墨含量的增加,試樣表面的石墨潤滑膜的覆蓋率先升高后降低,磨損量先減小后增大。

        3)綜合材料的力學(xué)性能和石墨潤滑膜兩方面的影響可知,石墨含量為14%時,石墨潤滑膜的覆蓋率最大,耐磨性最好。

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