FeS/銅基復合材料摩擦磨損性能研究

李吉寧，尹延國，張國濤，唐紅躍

(合肥工業大學 摩擦學研究所，合肥 230009)

在銅基軸承材料中添加固體潤滑劑，可以提高銅基復合材料的減摩耐磨性能。常見的固體潤滑劑有石墨,碳纖維,碳納米管,MoS2,BN,Pb等，但其應用都存在著一定的局限性[1-6]。為發揮硫化物的固體潤滑特性，改善無鉛銅基復合材料的減摩耐磨性能，可通過霧化制粉方法制備含原位合成硫化物相(FeS，Cu2S，Cu5FeS4)的銅合金粉末，再制備銅基雙金屬軸承材料。含硫化物相銅基雙金屬軸承材料在較高載荷下具有良好的減摩、抗粘著特性，其摩擦性能優于銅鉛材料[7-8]。FeS耐高溫，不受高溫燒結過程影響。在原位合成硫化物相中，FeS是一種典型固體潤滑劑，具有層狀六方結構，易于沿層間滑移發生塑性變形，因而具有良好的減摩性，疏松多孔的鱗片狀結構有利于儲存潤滑油，進而改善邊界潤滑特性，在齒輪、軸承、缸套等典型摩擦副零件的表面改性方面得到廣泛應用[9-12]。目前，有關FeS/銅基復合材料摩擦磨損特性的系統研究較少。下文采用粉末冶金方法制備了含有FeS的銅基復合材料，研究了其在不同工況條件下的摩擦特性及磨損機理，為發展新型無鉛銅基軸承材料提供參考。

1 材料制備

FeS/銅基復合材料配方見表1，基體主要為銅錫合金，在此基礎上添加不同含量的FeS。試樣尺寸為18 mm×6 mm×5 mm。按照配方精確稱重配比，并加入0.5%的硬脂酸鋅，保證壓制過程中粉末的均勻流動，同時在脫模時起到潤滑作用。將粉末充分混合后倒入模具中，利用100 t四柱萬能液壓機進行壓制，壓力為600～700 MPa，保壓3 s。

表1 試樣材料配方

將試樣置于高溫網帶燒結爐中進行燒結，采用氨氣分解氣氛(N2，H2)保護，以防止合金粉氧化，燒結溫度為860～890 ℃,保溫時間為40～60 min。

2 試驗方法

利用HB-2000布氏硬度計分別對0#～7#試樣的硬度進行檢測，利用金相顯微鏡觀察金相組織，采用X射線衍射儀檢測成分。

在M-200摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，摩擦副為環塊接觸方式，對偶件為45#淬火鋼，硬度(50±3)HRC，外徑40 mm，內徑15 mm，厚度10 mm。試驗條件為：摩擦速度200 r/min，干摩擦載荷50 N，試驗時間30 min；浸油干摩擦載荷75 N，試驗時間60 min；潤滑油為32#機械潤滑油。摩擦磨損試驗過程中記錄摩擦因數隨時間的變化情況。具體試驗步驟如下：

1) 為減少試樣的表面狀態對試驗結果的影響，試驗前用細砂紙打磨試樣和對偶件表面，并用丙酮清洗對偶件表面，浸油干摩擦試驗中將打磨和清洗后的試樣浸入潤滑油中浸泡24 h，取出后將其表面擦干，以保證試樣在試驗前狀態相同。

2) 試驗后用0.001 mm讀數顯微鏡測量試樣的磨痕寬度，其體積磨損量為

V磨損量=d[r2(π/180)arcsin(b/2r)-

式中：d為磨痕的長度，mm;r為對偶件外半徑，即r=20 mm；b為磨痕寬度，mm。

3) 利用金相顯微鏡觀察磨痕的表面形貌，分析FeS/銅基復合材料在干摩擦和浸油干摩擦條件下的減摩機理。

3 結果與討論

3.1 微觀組織結構

材料的X射線衍射圖如圖1所示。由圖可知，FeS粉末中含有Fe雜質(圖1a)， 6#試樣燒結過后，其中的FeS并沒有發生轉變(圖1b)。

a—FeS;b—Fe;c—Cu-Sn

4#試樣的金相照片如圖2所示，其中白色部分為銅錫合金基體，黑色部分為孔隙，灰色部分為FeS。由圖可知，燒結過程中，FeS不與基體發生反應，組織結構無變化，分布較為均勻。在摩擦過程中，銅錫合金起支承作用，保證銅基材料具有一定的承載能力，其與FeS顆粒間結合比較緊密，界面輪廓清晰，機械互鎖作用較強。

圖2 4#試樣的金相照片

3.2 力學性能

FeS含量對銅基材料硬度的影響如圖3所示。由圖可知，當FeS的質量分數在10%以下(0#～4#試樣)時，材料的硬度隨著FeS含量的增多而增大，這是因為FeS在銅基材料中起彌散強化的作用，實質是細小的FeS顆粒阻礙了材料的位錯運動，從而提高了材料的硬度;當FeS的質量分數超過10%(5#～7#試樣)時，隨著FeS含量的增多，團聚現象越來越明顯，彌散效果減弱，其軟質易滑移特征逐漸起主導作用，所以硬度減小。

圖3 FeS含量對材料硬度的影響

3.3 摩擦磨損性能

3.3.1 干摩擦條件下

干摩擦、定載荷(50 N)條件下摩擦因數隨時間的變化情況如圖4a所示。由圖可知，0#～3#試樣摩擦因數較大，0#試樣的摩擦因數波動劇烈，而1#～3#試樣摩擦因數的穩定性明顯提高；4#試樣在10 min之內其摩擦因數較低，之后則迅速升高；5#～7#試樣的摩擦因數明顯低于0#試樣。在試驗過程中，隨著FeS含量增多，摩擦因數越來越小，說明FeS在銅基材料中的減摩效果越來越明顯，這與FeS自身的晶格結構相關，其具有層狀結構，層間剪切變形抗力小，易沿密排面滑移。

試驗30 min后試樣的體積磨損量如圖4b所示。由圖可知，1#～5#試樣的磨損量低于0#試樣；6#和7#試樣的磨損量高于0#試樣，這是由于當FeS含量過多時，材料的強度、硬度開始降低，FeS顆粒易于脫落，使磨損量變大。

圖4 干摩擦條件下試樣的摩擦因數及磨損量

干摩擦條件下試樣的表面磨痕形貌如圖5所示。由圖5a可知，0#試樣的磨痕較深，犁溝較寬，粘著撕裂痕跡明顯，磨損比較嚴重，在摩擦過程中，由于摩擦界面無潤滑劑，試樣與對偶件直接接觸，易造成接觸點的粘著與撕裂，同時由于對偶件相對較硬，表面硬質微凸體對試樣產生明顯的輾壓與切削作用，犁溝現象嚴重。與0#試樣相比，3#試樣磨痕表面犁溝明顯變窄、變淺(圖5b)，粘著、撕裂現象大大減少，體現了FeS顆粒的減摩作用；6#試樣的犁溝進一步變窄，粘著痕跡明顯減輕，這是因為FeS含量高，摩擦過程中，銅基材料中的FeS受到擠壓、變形作用而產生脫落與轉移，粘附在磨痕表面或對偶件表面，在試樣和對偶件的接觸表面形成了一層FeS固體潤滑膜，從而減少了試樣表面粘著。

圖5 試樣表面磨痕形貌

由此可知，隨著銅基材料中FeS含量的增多，潤滑膜越來越完整，體現更好的減摩效果。

3.3.2 浸油干摩擦條件下

浸油后干摩擦、定載荷(75 N)條件下摩擦因數隨時間的變化情況如圖6a所示。對比圖4a可知，各組摩擦副摩擦因數普遍減小，表明浸油后干摩擦的潤滑效果有了明顯的改善。由圖6a可知，與0#試樣相比，1#～3#試樣的減摩效果并不明顯，摩擦因數在0.7左右；4#試樣具有了一定的減摩效果，摩擦因數在0.5左右；5#～7#試樣的減摩效果最好，5#試樣的摩擦因數在0.2左右，6#和7#試樣的摩擦因數在0.15左右，其穩定性明顯優于其他試樣。

圖6 浸油干摩擦條件下試樣的摩擦因數及磨損量

各組摩擦副摩擦因數的平均值隨FeS含量的變化情況如圖6b所示。由圖可知，隨著銅基材料中FeS含量的增多，摩擦副摩擦因數越來越小，減摩性能越來越好。除了FeS本身具有一定的減摩效果，同時與其疏松多孔的鱗片結構有關，浸油過程中銅基材料中的FeS可以儲存潤滑油，試驗過程中受到擠壓及摩擦熱的作用，潤滑油溢出，與FeS轉移膜共同形成液-固潤滑膜，體現良好的邊界潤滑效果。FeS含量越高，儲存的潤滑油越多，液-固潤滑效果越好，減摩性能也越好。試驗結束后，5#～7#試樣的對偶件表面有明顯的油膜。

浸油干摩擦條件下，試驗60 min后試樣的磨損量如圖6c所示。由圖可知，1#～4#試樣的磨損量低于0#試樣；5#～7#試樣由于含有充分的潤滑油，處于邊界潤滑狀態，磨損量明顯減小。

在浸油干摩擦條件下試樣的表面磨痕形貌如圖7所示。與圖5相比，試樣表面的犁溝和粘著撕裂現象明顯減少。0#試樣的犁溝較寬，仍有明顯粘著現象(圖7a)，雖然經過浸油處理，但其只儲存了少量的潤滑油，摩擦過程中試樣與對偶件之間沒有形成足夠的潤滑油膜，故其磨損嚴重;3#試樣磨痕表面犁溝明顯變窄、變淺，粘著撕裂現象也明顯減少(圖7b);6#試樣的磨痕表面犁溝最少(圖7c)，其表面有一層FeS固體潤滑膜，固體潤滑膜與潤滑油膜共同作用，避免了試樣與對偶件的直接接觸，使磨損大大減少。

圖7 試樣表面磨痕形貌

4 結論

1)隨著FeS含量的增多，銅基材料的硬度呈先增大后減小的趨勢，當FeS的質量分數為10%時，彌散效果較好，強化作用大。

2)干摩擦條件下，FeS對銅基軸承材料的減摩性有一定的改善作用，FeS含量越高，材料的減摩效果越好，但當FeS的質量分數超過15%后，材料的耐磨性下降。

3)浸油干摩擦條件下，材料中的FeS含量越高，儲存的潤滑油越多，潤滑油與FeS轉移膜共同作用形成液-固潤滑膜，邊界潤滑效果良好。