石墨含量對銅基滑動軸承材料摩擦特性影響的數值模擬

馬劉洋，解挺，陳亞軍，陳堃

(合肥工業大學 摩擦學研究所，合肥 230009)

滑動軸承用銅基石墨復合材料是以純銅或銅合金為基體，石墨顆粒為潤滑組元而制備的金屬基復合材料，具有優良的力學性能及抗氧化、耐腐蝕和耐磨損等特性[1-3]。自潤滑性能一直是銅基石墨復合材料關注的焦點，相關學者探討了石墨含量、粒徑、種類及石墨表面鍍層等因素對銅基石墨復合材料摩擦學性能的影響[4-7]。文獻[8]研究發現銅基石墨復合材料與45#鋼摩擦初始主要為黏著磨損，石墨潤滑膜的形成使原始金屬/金屬界面接觸變為金屬/潤滑膜/金屬界面接觸，使磨損量減少。文獻[9]研究表明銅基石墨復合材料的摩擦因數隨石墨填充含量的增加而降低，摩擦因數的降低是由于石墨顆粒作為固體潤滑劑減少了金屬/金屬接觸點。文獻[10]分析結果表明基體的石墨顆粒在摩擦過程中被擠壓到表面，摩擦界面中的潤滑劑石墨不斷在45#鋼表面與銅基石墨復合材料之間轉移和反轉移，保證了銅基石墨復合材料表面始終有較多的石墨存在，有利于石墨潤滑減摩效果的發揮。而復合材料的磨損也隨石墨含量的增加而減小，這與磨損機制由黏著磨損向分層磨損的轉變及摩擦因數的降低有關[11]。

摩擦接觸界面潤滑層的性質決定了銅基石墨復合材料的實際摩擦學性能[12]。目前，對銅基石墨復合材料摩擦學性能的研究多采用摩擦磨損試驗法，主要研究銅基石墨復合材料的摩擦學行為。普遍認為，摩擦過程中石墨可在摩擦界面形成潤滑膜，從而起到潤滑、減摩作用[13]。但石墨填料在銅基復合材料摩擦過程中的動態變化規律以及潤滑膜形成機制難以用試驗方法進行觀察和記錄，這對深入研究銅基石墨復合材料中石墨填料的作用機理及磨損機制十分重要，而這些研究可通過數值模擬方法進行系統探討[14]。

在宏觀尺度上，銅基復合材料磨損過程被認為是連續的；在細觀尺度上，由于實際參與摩擦的對象為相互接觸的微米級粗糙峰，磨損過程可視為組成粗糙峰的顆粒及顆粒團體從基體脫離的過程，該過程特別適于用離散元法進行分析。離散元法不受變形量限制，可模擬介質開裂和分離等非連續行為。已成功用于模擬復雜的磨損過程[15]，如用于分析三體磨損行為[16]，切削中刀具裂紋產生和磨損預測[17]以及摩擦界面的動態演變[18]等。本文使用PFC2D離散元軟件模擬給定載荷下不同石墨含量銅基復合材料的摩擦過程，特別是摩擦界面中石墨的動態演變以及石墨在界面的成膜規律。

1 數值模型的建立

1.1 復合材料模型的建立

根據銅基石墨復合材料和45#鋼的特點，做出以下假設：

1)在摩擦過程中，磨損以黏結磨損為主，多發生在銅基體中，45#鋼也會有少量磨損。為突出關注銅基石墨復合材料的磨損，在摩擦過程中不考慮45#鋼的磨損，將其設定為剛體。

2)金屬摩擦副滑動過程中會發生氧化和摩擦界面溫度的劇烈變化，為簡化模型，認為摩擦副為純凈表面，不考慮氧化和溫度的影響。

3)銅基石墨粉末燒結材料具有顆粒分布均勻和結構致密的優點，為與實際相一致，使石墨隨機均勻分布在銅基體中，生成低孔隙度的數值模型。45#鋼則使用密集排布方式，生成具有規則表面粗糙度的接觸面。

4)摩擦副滑動過程中金屬間會出現牢固的黏結點，假設金屬的黏結生成只發生在摩擦界面的范圍內。

分別選擇石墨含量(體積分數，下同)為2%，6%，10%，14%和18%的燒結銅基復合材料為研究對象，在模型建立時，將石墨隨機均勻分布在銅基體中(其中黃色顆粒為銅，黑色顆粒為石墨)。石墨含量為2%，10%和18%的銅基復合材料如圖1所示,隨石墨含量的增加，黑色石墨顆粒在模型中分布的更加密集。

圖1 不同石墨含量的銅基復合材料模型Fig.1 Model of Cu-based composites containing different graphite content

1.2 滑動摩擦副模型的建立

銅基石墨復合材料和45#鋼的滑動模型如圖2所示，模型厚度為2 mm。上試樣為Gr/Cu(Gr為石墨，Cu為銅)復合材料，尺寸為2.5 mm×1.2 mm，由半徑15 μm的3 818個顆粒隨機分布構成；下試樣為45#鋼，尺寸為7.8 mm×0.8 mm，由半徑為100 μm的藍色顆粒緊密排列形成。上試樣在水平方向的運動受到限制，受到一個豎直向下50 N的外載荷，載荷通過50個粉紅色剛性顆粒組成的顆粒體邊界施加，下試樣45#鋼進行1 m/s的往復運動，從而構成本文的摩擦系統：上試樣在豎直壓力下相對于下試樣進行水平勻速往復式摩擦運動。

圖2 Gr/Cu復合材料與45#鋼滑動的數值模型Fig.2 Numerical model of Gr/Cu composites sliding against 45# steel

1.3 模型細觀參數的選擇

PFC2D離散元軟件是對組成模型的顆粒直接賦予細觀參數，設置顆粒與顆粒間的黏結強度，將獨立的顆?！梆ぁ背梢粋€整體，通過顆粒間的綜合作用來體現宏觀材料的性質。若顆粒受到的外力大于設置的顆粒間黏結強度時，黏結鍵斷裂，反映在材料上就產生磨損。模型的細觀參數與材料的宏觀力學性能沒有明顯的對應關系，為獲得與實際材料相一致的力學性能，需要運行細觀參數標定程序進行模擬[19]。銅，石墨和45#鋼顆粒的細觀參數見表1,銅與石墨顆粒間黏結鍵的法向和切向黏結強度經細觀參數標定程序測得分別為180，141 MPa。

表1 銅，石墨顆粒和45#鋼的細觀參數Tab.1 Microparameters of Cu particles,Gr particles and 45# steel

1.4 轉移顆粒和磨損顆粒

摩擦過程中，Gr/Cu復合材料靠近摩擦界面的顆粒在水平方向摩擦力和法向壓力的共同作用下從材料中脫落，成為磨損顆粒。一定條件下，部分磨損顆粒與45#鋼黏合在一起，生成新的黏結鍵，這部分顆粒定義為轉移顆粒。參照已有的研究結果[20-21],銅顆粒與45#鋼間的黏結鍵強度為400.0 MPa，石墨顆粒與45#鋼間的黏結鍵強度為16.1 MPa。從銅基體上脫落但未與45#鋼生成黏結的顆粒將作為磨屑從摩擦界面中排出。因此，磨損顆粒包括轉移顆粒和磨損顆粒。

2 模擬結果及分析

2.1 石墨含量對銅基復合材料抗壓強度的影響

由PFC2D離散元軟件針對上述銅基石墨復合材料模型模擬壓縮試驗所得銅基石墨復合材料中石墨含量與材料抗壓強度關系如圖3所示，隨著石墨含量的增加，材料的抗壓強度逐漸減小，與文獻[22]的趨勢相同。這是因為銅與石墨的性質差異大，導致結合性差，與銅相比，石墨相對較軟，易發生變形和滑動；在復合材料中軟質相石墨起割裂基體的作用，阻止銅基體形成完整的網絡骨架，造成復合材料強度降低。隨著石墨含量的增加，石墨顆粒在銅基體中分布的更加密集，其割裂基體的作用也就更強，導致材料的抗壓強度持續下降。

圖3 銅基復合材料抗壓強度隨石墨含量的變化Fig.3 Variation of compressive strength of Cu-based composites with graphite content

2.2 摩擦界面的動態演變過程

不同時步下Gr/Cu復合材料與45#鋼滑動摩擦的模擬如圖4所示，圖4c中黃色顆粒為銅，紅色顆粒為轉移銅顆粒，黑色顆粒為轉移石墨顆粒，藍色顆粒為45#鋼，細直線表示黏結鍵。

圖4 石墨含量為18%時Gr/Cu復合材料與45#鋼摩擦的模擬過程(圖中箭頭為運動方向)Fig.4 Simulation process of friction between Gr/Cu composites containing 18% of graphite content and 45# steel (arrow indicated motion direction)

由圖4a和4b可知:隨著時步的增加，上試樣Gr/Cu復合材料靠近摩擦界面的部分顆粒會發生彈塑性變形，隨著摩擦的進行，向對偶件45#鋼表面轉移的顆粒數不斷增加，磨損顆粒也會隨著增加。這主要由于摩擦過程中Gr/Cu復合材料與45#鋼表面凸出部分相接觸，實際接觸面積小，造成應力集中，與45#鋼直接接觸的部分顆粒發生彈塑性變形。上試樣中顆粒受到水平方向剪切力和豎直方向壓力的共同作用，當顆粒所受切向力和法向力超過顆粒間的切向和法向黏結強度時，黏結的顆粒間會發生相對運動，導致黏結鍵被破壞，顆粒從復合材料本體上脫落，成為磨損顆粒。部分磨損顆粒與45#鋼黏合在一起，成為轉移顆粒，逐漸形成轉移顆粒層，另一部分作為磨屑被排出摩擦界面。轉移顆粒層的存在減小了復合材料與45#鋼的直接接觸面積，提高了復合材料的耐磨性。隨著轉移顆粒層的形成，磨損逐漸由高磨損向穩定低磨損過渡，轉移顆粒層中起潤滑作用的主要為轉移石墨顆粒。

2.3 石墨含量對材料摩擦學性能的影響

不同石墨含量的銅基石墨復合材料在摩擦過程中轉移石墨顆粒數和磨損顆粒數的對比如圖5所示。由于模型中銅顆粒與石墨顆粒粒徑相同，使用磨損顆粒個數等效表征磨損體積變化趨勢。

圖5a和圖5b分別為不同時步下轉移石墨顆粒數和磨損顆粒數的變化曲線,由圖可知:0～1×106時步內轉移石墨顆粒數和磨損顆粒數急劇上升，相同時步內，填充較多石墨的Gr/Cu復合材料，轉移石墨顆粒數明顯增多；1×106時步后，轉移石墨顆粒數處于動態穩定狀態，磨損顆粒數較磨損初期增勢變緩。這是由于在磨損的初始階段(1×106時步前)，摩擦界面主要是銅顆粒與45#鋼直接接觸，磨損較嚴重。復合材料中潤滑相石墨在擠壓力下不斷向摩擦界面運動，并逐漸在相對滑動界面形成一層轉移石墨顆粒潤滑層[23]，1×106時步后，轉移顆粒層中轉移石墨顆粒數基本穩定，在滑動摩擦界面上起到了較好的潤滑減摩作用，使磨損量減少。摩擦過程中轉移石墨顆粒始終處于局部的脫落與再生成狀態，保證接觸界面處于潤滑狀態，反映在曲線上即為轉移石墨顆粒數小幅度的波動。Gr/Cu復合材料中石墨含量增多，加快了石墨顆粒向摩擦界面的轉移速度。

圖5c和5d分別為摩擦過程中平均轉移石墨顆粒和最終磨損顆粒數隨石墨含量的變化趨勢，由圖可知:隨著石墨顆粒含量的增加，轉移石墨顆粒數依次增加，14%石墨含量的Gr/Cu復合材料中轉移石墨顆粒增加幅度明顯減少；磨損顆粒數則先減少后增大，增加幅度較小，18%石墨含量的Gr/Cu復合材料磨損量仍低于6%，當石墨含量小于一定值時，石墨含量增加時磨損率減小，當石墨含量過高時磨損率增大，這與文獻[2]的趨勢一致。這是因為隨著石墨顆粒含量的增加，促使石墨顆粒向摩擦面轉移，使轉移石墨顆粒數增多，增強石墨潤滑效果，降低材料磨損量。14%石墨含量的Gr/Cu復合材料中轉移石墨顆粒數增幅較小與磨損量相對增加有關，磨損量增加，磨損較劇烈，使磨損界面粗糙度增加，不利于石墨潤滑層形成。

圖5 石墨含量對銅基復合材料磨損性能的影響Fig.5 Effect of Gr content on wear properties of Cu-based composites

Gr/Cu復合材料的摩擦學性能不僅取決于石墨的減摩性,還與材料的強度有關。如圖3所示，石墨含量的增加會造成材料強度的減弱，使材料在承受較大載荷時更易發生磨損。當石墨含量大于10%時，Gr/Cu復合材料強度過低反而導致磨損量增大。石墨的添加可起到減摩效果，但也會造成材料強度的減弱，不能承受較大載荷，因此，應當根據具體的工況條件綜合考慮材料強度與潤滑性能的平衡，確定復合材料中石墨顆粒的含量。在本文中，添加10%的石墨能起到較好的減摩效果。

3 結論

1)添加石墨會使銅基石墨復合材料的抗壓強度降低，石墨含量越多，銅基石墨復合材料的抗壓強度越低。

2)銅基石墨復合材料與45#鋼滑動摩擦過程中會在45#鋼表面附著轉移顆粒，其中轉移石墨顆粒起著潤滑減摩的作用。對于一定的石墨含量來說，在摩擦過程中轉移石墨顆粒會趨于一個穩定值并保持動態平衡。隨著轉移石墨顆粒層的穩定，磨損趨勢會變緩。石墨含量增加，向摩擦界面轉移石墨的速度會加快且轉移石墨顆粒數增多。

3)一方面，石墨的添加可以發揮潤滑減摩作用，降低銅基石墨復合材料的摩擦磨損；另一方面，石墨填料的增加降低了銅基石墨復合材料的抗壓強度，會導致磨損量增加。銅基石墨復合材料的綜合摩擦學性能是石墨的減摩和材料強度減弱綜合作用的結果，模擬結果表明石墨含量為10%的材料具有較好的摩擦磨損性能。