王玉飛，張延彬，于琦，馬越，湯亞婷

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

金屬基固體自潤(rùn)滑材料在高溫、真空、輻射和特殊介質(zhì)等苛刻條件下可以取代潤(rùn)滑油脂，廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]，其中鎳基自潤(rùn)滑材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、抗氧化和抗腐蝕性能[3-5]。Ni的化學(xué)穩(wěn)定性好，常溫時(shí)不受水和空氣的影響，500 ℃時(shí)才發(fā)生輕微氧化，是高溫自潤(rùn)滑合金中最常用的基材。Cu和Ni均為面心立方晶格，在元素周期表的位置接近，原子半徑差不超過(guò)2%，電化學(xué)性質(zhì)相似，可以形成無(wú)限溶解的二元固溶體；該固溶體具有高強(qiáng)度、抗腐蝕、抗冷熱變形和耐熱性，因此Cu常用于鎳基合金的強(qiáng)化。石墨在Cu和Ni中的溶解度很小，Ni和少量碳形成固溶體可提高材料的硬度和強(qiáng)度，其余碳以固體形式存在可保證潤(rùn)滑效果。因此，以Ni-Cu為基體、石墨為固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑材料常用于耐高溫、耐腐蝕、抗輻照以及特殊介質(zhì)軸承保持架[6-7]。

隨著科技發(fā)展，鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料開(kāi)始進(jìn)入人們的視野并被廣泛研究。文獻(xiàn)[8-11]研究了不同溫度及MoS2含量時(shí)Ni-20Cr基自潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能，結(jié)果表明其摩擦表面形成了具有潤(rùn)滑作用的CrxSx+1復(fù)合膜；文獻(xiàn)[12]研究了MoS2添加方式對(duì)Ni-Cr基自潤(rùn)滑材料性能的影響，添加鎳包MoS2的材料具有更好的力學(xué)性能和寬溫域自潤(rùn)滑性能；文獻(xiàn)[13]研究了添加石墨的Ni-20Cr基自潤(rùn)滑材料的高溫摩擦學(xué)性能，摩擦因數(shù)隨溫度升高先上升再下降,磨損率隨溫度升高而升高；文獻(xiàn)[14]研究了石墨含量對(duì)Ni-20Cr基自潤(rùn)滑材料摩擦磨損性能的影響，含5%石墨的材料具有最優(yōu)的摩擦磨損性能和壓縮強(qiáng)度；文獻(xiàn)[15]研究了石墨類(lèi)型對(duì)Ni-Cu基自潤(rùn)滑材料性能的影響，添加鱗片石墨的材料綜合性能最優(yōu)；文獻(xiàn)[16]研究了Ni-SiC-石墨復(fù)合自潤(rùn)滑材料在水環(huán)境下的摩擦磨損性能，該材料在水環(huán)境下的摩擦因數(shù)及磨損率均小于干摩擦；文獻(xiàn)[17]研究了Cu-15Ni-8Sn-石墨復(fù)合自潤(rùn)滑材料在干摩擦、海水和去離子水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能，干摩擦?xí)r摩擦因數(shù)最小，海水環(huán)境時(shí)磨損率最小，去離子水環(huán)境時(shí)摩擦因數(shù)及磨損率最大，表明環(huán)境顯著影響材料摩擦磨損性能。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但相關(guān)摩擦學(xué)性能研究很少涉及不同工況下Ni-Cu-石墨復(fù)合自潤(rùn)滑材料，對(duì)于特殊工況條件下材料磨損率的計(jì)算幾乎沒(méi)有。因此，為準(zhǔn)確分析保持架的摩擦磨損特性，針對(duì)常用作軸承保持架的Ni-Cu-石墨復(fù)合自潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能進(jìn)行研究；以摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為平臺(tái)，開(kāi)展不同工況球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)，并利用三維形貌儀獲取磨損后試樣的磨損形貌特征；在此基礎(chǔ)上研究載荷、溫度和介質(zhì)對(duì)Ni-Cu-石墨復(fù)合自潤(rùn)滑材料摩擦特性的影響，計(jì)算不同條件下對(duì)磨試樣的磨損體積和Archard磨損模型中的磨損率。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料制備

選用電解鎳粉作為基體，還原銅粉作為黏結(jié)相，并添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%～12%的固體潤(rùn)滑劑改性石墨粉作為分散相，進(jìn)行充分、均勻混料。采用冷等靜壓方式壓制成型，壓力為200～300 MPa，保壓時(shí)間為180 s。成型后進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 100～1 300 ℃，保溫時(shí)間為1～3 h。然后進(jìn)行補(bǔ)壓以提高材料力學(xué)性能和耐磨性，壓力為500～600 MPa。最后采用真空退火以消除應(yīng)力和提高韌性，溫度為800～900 ℃。按照試驗(yàn)機(jī)要求將制備的高性能自潤(rùn)滑材料坯體制成2種圓盤(pán)試樣，常溫和水介質(zhì)摩擦磨損試樣的外形尺寸為φ50.8 mm×6.35 mm，高溫摩擦磨損試樣外形尺寸為φ50.8 mm×6 mm，試樣硬度均為55～56 HB。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

采用Rtec摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)，通過(guò)徑向加載裝置向球和圓盤(pán)試樣施加徑向載荷，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)球與圓盤(pán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用摩擦力測(cè)試模塊傳感器測(cè)量球與圓盤(pán)之間的摩擦力，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)磨球直徑為9 mm，材料為GH05鎳基無(wú)磁高溫合金，硬度不小于57 HRC。試驗(yàn)載荷為5，10，15 N，相對(duì)滑動(dòng)速度為0.12 m/s，溫度為25，100，200，300 ℃，環(huán)境為空氣和水介質(zhì)，時(shí)間為120 min。采用三維形貌掃描儀觀察磨損后試樣的表面形貌，分析不同工況下試樣的摩擦磨損性能，探討磨損率與載荷、溫度和環(huán)境之間的關(guān)系，并進(jìn)一步求解Ni-Cu-石墨復(fù)合自潤(rùn)滑材料在不同工況下的磨損率。

圖1 Rtec摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)分析

2.1 載荷對(duì)摩擦磨損特性的影響

在常溫(25 ℃)和干摩擦條件下，不同載荷時(shí)試樣摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化如圖2所示，由圖可知：

圖2 不同載荷時(shí)試樣的摩擦因數(shù)

1)試樣在不同載荷下的摩擦因數(shù)隨時(shí)間在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，摩擦因數(shù)波動(dòng)值隨著載荷增大呈減小趨勢(shì)；載荷為5 N時(shí)，摩擦因數(shù)穩(wěn)定性差，波動(dòng)范圍為0.120～0.272，試驗(yàn)后期摩擦因數(shù)增大；載荷為15 N時(shí)，摩擦因數(shù)穩(wěn)定性好，波動(dòng)范圍為0.145～0.220，比5 N時(shí)下降約50%。

2)摩擦因數(shù)平均值隨載荷增大略有減小；載荷為5 N時(shí)，摩擦因數(shù)平均值為0.188；載荷為15 N時(shí)，摩擦因數(shù)平均值為0.179，比5 N時(shí)下降約5%。

上述分析表明，載荷對(duì)摩擦因數(shù)波動(dòng)值的影響較大，對(duì)摩擦因數(shù)平均值的影響較小。這是由于隨著載荷增大，填充在基體間隙的石墨更容易被擠壓出來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷堆積輾壓形成一定厚度的潤(rùn)滑膜，附著在對(duì)磨球和圓盤(pán)試樣上，避免金屬微凸起之間直接接觸，摩擦因數(shù)較低且變化平穩(wěn)。摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)與赫茲接觸理論模型所得結(jié)果一致[18]。

在25 ℃和干摩擦條件下，不同載荷時(shí)試樣的磨損形貌和磨痕輪廓分別如圖3、圖4所示： 試樣表面存在明顯犁溝和磨粒磨損，隨著載荷增大， 圓盤(pán)試樣的磨損痕跡越來(lái)越明顯，磨痕寬度和深度均呈增大趨勢(shì)；載荷為5 N時(shí)，磨損程度較輕，磨痕深度為8.3 μm，寬度為560 μm；載荷為15 N時(shí)，磨損程度較重，磨痕深度為12.7 μm，寬度為665 μm，比5 N時(shí)分別增大約53%和19%。這是由于圓盤(pán)試樣硬度明顯低于對(duì)磨球硬度，隨著試驗(yàn)載荷增大，摩擦副表面的微凸體與粗糙峰之間產(chǎn)生塑性變形，接觸面積和深度增大，加重對(duì)磨球硬表面對(duì)圓盤(pán)試樣軟表面的滑動(dòng)犁溝作用，除生成石墨顆粒外還有大量金屬顆粒磨屑，磨損也隨之加劇。

(a)5 N

圖4 不同載荷時(shí)試樣的磨痕輪廓

2.2 溫度對(duì)摩擦磨損特性的影響

在15 N和干摩擦條件下，不同溫度時(shí)試樣摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化如圖5所示：

圖5 不同溫度時(shí)試樣的摩擦因數(shù)

1)試樣在不同溫度下的摩擦因數(shù)隨時(shí)間在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)值隨溫度升高呈增大趨勢(shì)；溫度為25 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)穩(wěn)定性好，波動(dòng)范圍為0.145～0.220；溫度為300 ℃(高溫)時(shí)，摩擦因數(shù)增大，穩(wěn)定性最差，波動(dòng)范圍為0.269～0.875，約為25 ℃時(shí)的8.08倍。

2)摩擦因數(shù)平均值隨溫度升高先減小再增大，溫度為100 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)平均值最小，為0.156；溫度為300 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)平均值為0.492，約為100 ℃時(shí)的3.15倍。

由于隨著溫度升高，材料表面軟化，滑動(dòng)過(guò)程中石墨更容易從基材中轉(zhuǎn)移出來(lái)，受到的摩擦阻力變小，摩擦因數(shù)先減小；當(dāng)溫度升高到150～180 ℃時(shí)，石墨表面的氣體發(fā)生解吸，氣體潤(rùn)滑作用逐步消失，繼續(xù)升高至200 ℃時(shí)大約50%的水分子發(fā)生解吸；隨著溫度進(jìn)一步升高，石墨表面的吸附膜發(fā)生破壞，潤(rùn)滑作用消失，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大[19-22]。另一方面，由于高溫時(shí)磨損嚴(yán)重，對(duì)磨球與圓盤(pán)試樣由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，摩擦阻力增大也可能是摩擦因數(shù)增大的原因。

在15 N和干摩擦條件下，不同溫度時(shí)試樣的磨損形貌和磨痕輪廓分別如圖6、圖7所示：隨著溫度升高，圓盤(pán)試樣磨損痕跡越來(lái)越明顯，磨痕寬度和深度均呈明顯增大趨勢(shì)，300 ℃高溫時(shí)試樣表面出現(xiàn)具有典型黏著特征的凸起和凹坑，磨損程度嚴(yán)重，磨痕深度為165.6 μm，寬度為2 453 μm，分別為25 ℃時(shí)的13.04倍和3.69倍，表明材料的高溫磨損性能明顯不如室溫磨損性能。

(a)100 ℃

圖7 不同溫度時(shí)試樣的磨痕輪廓

由于隨著溫度升高，石墨轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑作用逐漸減弱，難以在摩擦副表面形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑層，同時(shí)材料的力學(xué)性能和硬度下降，在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形，摩擦副表面微凸起大量斷裂脫落，從而使試樣的磨損越來(lái)越嚴(yán)重。

2.3 介質(zhì)環(huán)境對(duì)摩擦磨損特性的影響

在25 ℃和15 N條件下，不同介質(zhì)環(huán)境中試樣摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化如圖8所示：不同介質(zhì)環(huán)境中試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，摩擦因數(shù)波動(dòng)值和平均值受介質(zhì)影響均較大。在水介質(zhì)環(huán)境中，摩擦因數(shù)經(jīng)約15 min跑合后趨于穩(wěn)定，在0.255～0.469范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為0.346，約為空氣介質(zhì)中摩擦因數(shù)平均值的2.85倍。

圖8 不同介質(zhì)環(huán)境時(shí)試樣的摩擦因數(shù)

由于水介質(zhì)隨圓盤(pán)試樣一起旋轉(zhuǎn)會(huì)帶走摩擦過(guò)程產(chǎn)生的石墨磨屑，影響潤(rùn)滑膜形成，因此試驗(yàn)開(kāi)始階段摩擦因數(shù)不斷增加；當(dāng)水介質(zhì)中石墨濃度達(dá)到一定數(shù)值，能夠及時(shí)補(bǔ)充摩擦副表面缺失的石墨時(shí)，摩擦因數(shù)開(kāi)始趨于穩(wěn)定波動(dòng)：雖然水介質(zhì)對(duì)摩擦副表面具有一定的潤(rùn)滑作用，但不足以彌補(bǔ)石墨損失的潤(rùn)滑性能，因此得到的摩擦因數(shù)平均值高且穩(wěn)定性較差。

25 ℃和15 N條件下，水介質(zhì)環(huán)境中試樣的磨損形貌和磨痕輪廓如圖9所示：水介質(zhì)環(huán)境中的圓盤(pán)試樣表面也出現(xiàn)明顯犁溝和磨粒磨損，相比于常溫干摩擦?xí)r的磨損痕跡更加明顯，磨痕深度為213.6 μm，寬度為2 815 μm，約為干摩擦?xí)r磨痕寬度和深度的16.82倍和4.23倍，表明水介質(zhì)環(huán)境會(huì)降低材料的耐磨損性能。

(a)磨損形貌

由于水介質(zhì)的滲透和沖刷作用，填充在摩擦副表面孔隙以及周?chē)奂氖珳p少，影響了石墨在球與圓盤(pán)試樣之間的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑；摩擦副表面的部分潤(rùn)滑膜未能將對(duì)磨面完全隔開(kāi)，球與圓盤(pán)試樣之間出現(xiàn)金屬微凸起直接接觸，進(jìn)一步加劇圓盤(pán)試樣的摩擦磨損，磨痕寬度和深度明顯增大。

2.4 磨損率計(jì)算

根據(jù)Archard磨損理論，磨損率為

K=V/Qvt，

式中：V為磨損體積；Q為試驗(yàn)載荷；v為對(duì)磨兩物體之間的相對(duì)滑動(dòng)線速度；t為對(duì)磨時(shí)間。

不同載荷、溫度和介質(zhì)環(huán)境條件下，試樣的磨損率如圖10所示：圓盤(pán)試樣的磨損率受載荷、溫度和介質(zhì)環(huán)境的影響程度依次增大；常溫干摩擦條件下，試樣的摩擦磨損較輕，磨損率最小，約為0.037～0.066 μm2/N；常溫水介質(zhì)環(huán)境條件下，材料的磨損最嚴(yán)重，磨損率最大，約為4.16～4.56 μm2/N，是常溫干摩擦?xí)r的80.59倍。高溫干摩擦條件下，材料的磨損較嚴(yán)重，磨損率約為1.73～2.21 μm2/N，是常溫干摩擦?xí)r磨損率的36.72倍。

圖10 不同工況時(shí)試樣的磨損率

由于保持架的磨損壽命很大程度受到材料磨損率的直接影響，通過(guò)材料的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果可知，工作溫度和介質(zhì)環(huán)境因素對(duì)保持架磨損壽命的影響更為嚴(yán)重。

3 結(jié)論

1)載荷對(duì)Ni-Cu-石墨自潤(rùn)滑材料摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍、磨痕寬度和深度的影響較大，對(duì)摩擦因數(shù)平均值的影響較??；載荷越大，摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍越小，磨痕寬度和深度增大，摩擦因數(shù)平均值略有減小。

2)隨溫度升高，Ni-Cu-石墨自潤(rùn)滑材料摩擦因數(shù)平均值先降低再升高，摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍、磨痕寬度和深度增大，綜合摩擦磨損性能不斷下降。

3)水介質(zhì)會(huì)使Ni-Cu-石墨自潤(rùn)滑材料的摩擦磨損性能降低，摩擦因數(shù)平均值、波動(dòng)范圍、磨痕寬度和深度相比于空氣介質(zhì)均出現(xiàn)明顯增大。

4)介質(zhì)環(huán)境和溫度對(duì)Ni-Cu-石墨自潤(rùn)滑材料磨損率的影響遠(yuǎn)大于載荷的影響，對(duì)于特殊工況保持架，除通過(guò)設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)參數(shù)減小保持架受力外，提高其材料在高溫及介質(zhì)環(huán)境下摩擦磨損性能，能得到更高的磨損壽命。