不同工況下鎳基自潤滑材料的摩擦磨損性能

王玉飛，張延彬，于琦，馬越，湯亞婷

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039)

金屬基固體自潤滑材料在高溫、真空、輻射和特殊介質等苛刻條件下可以取代潤滑油脂，廣泛應用于航空、航天、核工業等領域[1-2]，其中鎳基自潤滑材料具有優異的高溫力學性能、抗氧化和抗腐蝕性能[3-5]。Ni的化學穩定性好，常溫時不受水和空氣的影響，500 ℃時才發生輕微氧化，是高溫自潤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2%，電化學性質相似，可以形成無限溶解的二元固溶體；該固溶體具有高強度、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度，其余碳以固體形式存在可保證潤滑效果。因此，以Ni-Cu為基體、石墨為固體潤滑劑的自潤滑材料常用于耐高溫、耐腐蝕、抗輻照以及特殊介質軸承保持架[6-7]。

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

通過上述分析可以發現，鎳基自潤滑復合材料的摩擦學性能研究已經取得了一定的進展，但相關摩擦學性能研究很少涉及不同工況下Ni-Cu-石墨復合自潤滑材料，對于特殊工況條件下材料磨損率的計算幾乎沒有。因此，為準確分析保持架的摩擦磨損特性，針對常用作軸承保持架的Ni-Cu-石墨復合自潤滑材料的摩擦磨損性能進行研究；以摩擦磨損試驗機為平臺，開展不同工況球-盤摩擦磨損試驗，并利用三維形貌儀獲取磨損后試樣的磨損形貌特征；在此基礎上研究載荷、溫度和介質對Ni-Cu-石墨復合自潤滑材料摩擦特性的影響，計算不同條件下對磨試樣的磨損體積和Archard磨損模型中的磨損率。

1 試驗方案

1.1 材料制備

選用電解鎳粉作為基體，還原銅粉作為黏結相，并添加質量分數6%～12%的固體潤滑劑改性石墨粉作為分散相，進行充分、均勻混料。采用冷等靜壓方式壓制成型，壓力為200～300 MPa，保壓時間為180 s。成型后進行真空燒結，燒結溫度為1 100～1 300 ℃，保溫時間為1～3 h。然后進行補壓以提高材料力學性能和耐磨性，壓力為500～600 MPa。最后采用真空退火以消除應力和提高韌性，溫度為800～900 ℃。按照試驗機要求將制備的高性能自潤滑材料坯體制成2種圓盤試樣，常溫和水介質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

采用Rtec摩擦磨損試驗機開展球-盤摩擦磨損試驗，通過徑向加載裝置向球和圓盤試樣施加徑向載荷，電動機帶動轉臺運動實現球與圓盤之間的相對運動，利用摩擦力測試模塊傳感器測量球與圓盤之間的摩擦力，試驗機結構如圖1所示。對磨球直徑為9 mm，材料為GH05鎳基無磁高溫合金，硬度不小于57 HRC。試驗載荷為5，10，15 N，相對滑動速度為0.12 m/s，溫度為25，100，200，300 ℃，環境為空氣和水介質，時間為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、溫度和環境之間的關系，并進一步求解Ni-Cu-石墨復合自潤滑材料在不同工況下的磨損率。

圖1 Rtec摩擦磨損試驗機

2 試驗分析

2.1 載荷對摩擦磨損特性的影響

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

圖2 不同載荷時試樣的摩擦因數

1)試樣在不同載荷下的摩擦因數隨時間在一定范圍內波動，摩擦因數波動值隨著載荷增大呈減小趨勢；載荷為5 N時，摩擦因數穩定性差，波動范圍為0.120～0.272，試驗后期摩擦因數增大；載荷為15 N時，摩擦因數穩定性好，波動范圍為0.145～0.220，比5 N時下降約50%。

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

上述分析表明，載荷對摩擦因數波動值的影響較大，對摩擦因數平均值的影響較小。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，經過不斷堆積輾壓形成一定厚度的潤滑膜，附著在對磨球和圓盤試樣上，避免金屬微凸起之間直接接觸，摩擦因數較低且變化平穩。摩擦因數的變化趨勢與赫茲接觸理論模型所得結果一致[18]。

在25 ℃和干摩擦條件下，不同載荷時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， 圓盤試樣的磨損痕跡越來越明顯，磨痕寬度和深度均呈增大趨勢；載荷為5 N時，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，磨損程度較重，磨痕深度為12.7 μm，寬度為665 μm，比5 N時分別增大約53%和19%。這是由于圓盤試樣硬度明顯低于對磨球硬度，隨著試驗載荷增大，摩擦副表面的微凸體與粗糙峰之間產生塑性變形，接觸面積和深度增大，加重對磨球硬表面對圓盤試樣軟表面的滑動犁溝作用，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 不同載荷時試樣的磨痕輪廓

2.2 溫度對摩擦磨損特性的影響

在15 N和干摩擦條件下，不同溫度時試樣摩擦因數隨時間的變化如圖5所示：

圖5 不同溫度時試樣的摩擦因數

1)試樣在不同溫度下的摩擦因數隨時間在一定范圍內波動，波動值隨溫度升高呈增大趨勢；溫度為25 ℃時，摩擦因數穩定性好，波動范圍為0.145～0.220；溫度為300 ℃(高溫)時，摩擦因數增大，穩定性最差，波動范圍為0.269～0.875，約為25 ℃時的8.08倍。

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

由于隨著溫度升高，材料表面軟化，滑動過程中石墨更容易從基材中轉移出來，受到的摩擦阻力變小，摩擦因數先減小；當溫度升高到150～180 ℃時，石墨表面的氣體發生解吸，氣體潤滑作用逐步消失，繼續升高至200 ℃時大約50%的水分子發生解吸；隨著溫度進一步升高，石墨表面的吸附膜發生破壞，潤滑作用消失，從而導致摩擦因數增大[19-22]。另一方面，由于高溫時磨損嚴重，對磨球與圓盤試樣由點接觸變為面接觸，摩擦阻力增大也可能是摩擦因數增大的原因。

在15 N和干摩擦條件下，不同溫度時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，圓盤試樣磨損痕跡越來越明顯，磨痕寬度和深度均呈明顯增大趨勢，300 ℃高溫時試樣表面出現具有典型黏著特征的凸起和凹坑，磨損程度嚴重，磨痕深度為165.6 μm，寬度為2 453 μm，分別為25 ℃時的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 不同溫度時試樣的磨痕輪廓

由于隨著溫度升高，石墨轉移潤滑作用逐漸減弱，難以在摩擦副表面形成穩定的潤滑層，同時材料的力學性能和硬度下降，在循環接觸應力作用下產生嚴重塑性變形，摩擦副表面微凸起大量斷裂脫落，從而使試樣的磨損越來越嚴重。

2.3 介質環境對摩擦磨損特性的影響

在25 ℃和15 N條件下，不同介質環境中試樣摩擦因數隨時間的變化如圖8所示：不同介質環境中試樣的摩擦因數隨時間在一定范圍內波動，摩擦因數波動值和平均值受介質影響均較大。在水介質環境中，摩擦因數經約15 min跑合后趨于穩定，在0.255～0.469范圍內波動，平均值為0.346，約為空氣介質中摩擦因數平均值的2.85倍。

圖8 不同介質環境時試樣的摩擦因數

由于水介質隨圓盤試樣一起旋轉會帶走摩擦過程產生的石墨磨屑，影響潤滑膜形成，因此試驗開始階段摩擦因數不斷增加；當水介質中石墨濃度達到一定數值，能夠及時補充摩擦副表面缺失的石墨時，摩擦因數開始趨于穩定波動：雖然水介質對摩擦副表面具有一定的潤滑作用，但不足以彌補石墨損失的潤滑性能，因此得到的摩擦因數平均值高且穩定性較差。

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

(a)磨損形貌

由于水介質的滲透和沖刷作用，填充在摩擦副表面孔隙以及周圍聚集的石墨減少，影響了石墨在球與圓盤試樣之間的轉移潤滑；摩擦副表面的部分潤滑膜未能將對磨面完全隔開，球與圓盤試樣之間出現金屬微凸起直接接觸，進一步加劇圓盤試樣的摩擦磨損，磨痕寬度和深度明顯增大。

2.4 磨損率計算

根據Archard磨損理論，磨損率為

K=V/Qvt，

式中：V為磨損體積；Q為試驗載荷；v為對磨兩物體之間的相對滑動線速度；t為對磨時間。

不同載荷、溫度和介質環境條件下，試樣的磨損率如圖10所示：圓盤試樣的磨損率受載荷、溫度和介質環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；常溫水介質環境條件下，材料的磨損最嚴重，磨損率最大，約為4.16～4.56 μm2/N，是常溫干摩擦時的80.59倍。高溫干摩擦條件下，材料的磨損較嚴重，磨損率約為1.73～2.21 μm2/N，是常溫干摩擦時磨損率的36.72倍。

圖10 不同工況時試樣的磨損率

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，通過材料的摩擦磨損試驗結果可知，工作溫度和介質環境因素對保持架磨損壽命的影響更為嚴重。

3 結論

1)載荷對Ni-Cu-石墨自潤滑材料摩擦因數波動范圍、磨痕寬度和深度的影響較大，對摩擦因數平均值的影響較小；載荷越大，摩擦因數波動范圍越小，磨痕寬度和深度增大，摩擦因數平均值略有減小。

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

3)水介質會使Ni-Cu-石墨自潤滑材料的摩擦磨損性能降低，摩擦因數平均值、波動范圍、磨痕寬度和深度相比于空氣介質均出現明顯增大。

4)介質環境和溫度對Ni-Cu-石墨自潤滑材料磨損率的影響遠大于載荷的影響，對于特殊工況保持架，除通過設計合理結構參數減小保持架受力外，提高其材料在高溫及介質環境下摩擦磨損性能，能得到更高的磨損壽命。