李佳欣 包 宇 馮 晗 陳鵬起,2 王士平 程繼貴,2
MoS2含量對Fe-15Cu-0.8C減摩材料組織和性能的影響
李佳欣1包 宇1馮 晗1陳鵬起1,2王士平3程繼貴1,2
(1.合肥工業大學 材料科學與工程學院,合肥 230009;2.安徽省粉末冶金工程與技術研究中心,合肥 230009;3.馬鞍山市華東粉末冶金廠,馬鞍山 243012)
以Fe、Cu、石墨粉為主要原料,MoS2粉末為固體潤滑劑,硬脂酸鋅為成形潤滑劑,制備成形混合料,經壓制、燒結制得Fe-15Cu-0.8C鐵基減摩材料。對燒結體試樣的密度、顯微組織、硬度和摩擦磨損性能等進行測試分析。結果表明:燒結體試樣的密度隨MoS2含量的增加有所降低,硬度先增加后趨于穩定,成分為Fe-15Cu-0.8C-3MoS2燒結體試樣的硬度可達70HRB。試樣的微觀組織主要由珠光體、Cu和MoS2組成。MoS2在燒結時會部分分解,但隨著MoS2加入量增加,燒結體試樣中殘留MoS2含量增加。在一定范圍內,浸油處理后試樣的摩擦系數也隨MoS2添加量呈降低趨勢,含3.0wt.%MoS2的Fe-15Cu-0.8浸油試樣具有最低的摩擦系數值0.071。試樣的磨損機制主要為粘著磨損、磨料磨損和氧化磨損。
粉末冶金;鐵基減摩材料;MoS2含量;顯微組織;摩擦磨損
粉末冶金鐵基減摩材料具有良好的自潤滑性能和抗疲勞、高強度等性能,且成本較低,是應用最廣的粉末冶金減摩材料之一[1~4]。隨著現代工業的發展,在重載等苛刻服役環境下,對鐵基減摩材料的綜合性能提出了更高的要求[5~7]。為了滿足使用要求,需進一步優化鐵基減摩材料的組成,如改變石墨添加量以提高材料的耐磨性[8];添加合金元素Cu起到固溶強化作用,并改善減摩性能等[9,10]。MoS2由于具有類似于石墨的層狀結構,具有良好的減摩性能,是鐵基減摩材料常用的固體潤滑劑之一[11]。
國內外學者研究了MoS2對鐵基粉末冶金減摩材料組織性能的影響。發現在燒結過程中,MoS2可能與鐵基體發生反應,生成FeS和鐵鉬混合硫化物(FeMo2S4和Fe1.25Mo6S7.70)[12];MoS2的加入對合金的密度、硬度、強度和摩擦性能均有影響[13],如MoS2的加入可提高試樣的壓縮性和壓坯的密度,也可提高燒結體的硬度和強度[14],添加MoS2能使得低Cu含量(少于5wt.%)的Fe-Cu系復合材料的摩擦系數明顯降低[15,16]。然而,MoS2與基體材料的結合性較差,隨著MoS2含量的增加,材料的磨損加劇[17]。盡管適量的MoS2對材料的力學性能及摩擦磨損性能有促進作用,但過多的MoS2含量會導致材料的性能下降[14],且MoS2在高溫下可能會發生分解[18],這些都在一定程度上限制了材料的性能。
在研究報道的MoS2作為固體潤滑劑的鐵基粉末冶金減摩材料中,合金元素Cu的添加量一般都較低(少于5wt.%)[19~22],而對高Cu含量(10~20 wt.%)的鐵基材料體系研究較少。此外,有關MoS2對高銅含量鐵基減摩材料的協同減摩作用研究也較少,相關磨損機理等也尚不明確。因此,本文以MoS2作為固體潤滑組元,采用粉末冶金法制備了Fe-15Cu-0.8C基減摩材料,考察MoS2添加量對高Cu含量Fe-15Cu-0.8C-MoS2減摩材料的顯微組織、力學性能和摩擦磨損性能的影響,查明材料的磨損機理,以探索制備高性能鐵基減摩材料的新途徑。
以還原鐵粉(粒度≤150μm,純度≥98%)、電解銅粉(粒度≤50μm,純度≥99.7%)、鱗片石墨(粒度≤10μm,分析純)、二硫化鉬(MoS2,50=4.5μm,純度≥98.5%)等為主要原料,外加0.7wt.%的硬脂酸鋅作為成形潤滑劑,通過球磨混合制備了不同MoS2含量(0~4wt.%)的Fe-15Cu-0.8C基粉末混合料。成形混合料在鋼模中以200MPa的壓力壓制成形,在H2氣氛中于1100°C燒結90min,得到燒結體試樣。
根據阿基米德原理測定了不同MoS2含量的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的密度和致密度;采用HR-150DT型洛氏硬度計測定試樣的硬度(HRB);采用掃描電鏡和能譜儀(Zeiss SIGM型,SEM+EDS)對燒結體試樣的顯微組織和元素分布進行表征。燒結體試樣浸油處理后在HDM-20型端面摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損性能測試,摩擦副為環-塊接觸滑動摩擦,對偶件是熱處理硬度為52HRC的40Cr,試驗載荷為300~600N,對偶件轉速367r/min(0.5m/s),實驗時間20min。試驗機自動記錄摩擦系數曲線和平均摩擦系數,實驗過程中不外加潤滑油,依靠浸油試樣自身所含固體潤滑劑和孔隙中儲存的潤滑油進行潤滑。每組試樣重復實驗3次。用SEM觀察摩擦試驗后試樣磨損面的形貌,用EDS對磨損表面進行成分分析。
圖1為不同MoS2含量的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的密度及致密度的測試結果。從圖中可以看出,含0wt.%、2wt.%和4wt.% MoS2的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的密度分別為6.13g?cm-3、6.10g?cm-3和6.03g?cm-3,致密度分別為81.3%、81.6%和81.9%。隨著MoS2含量增加,Fe-15Cu-0.8C基燒結體試樣的密度有所減小,致密度略微上升,但幅度很小。在燒結過程中,部分MoS2分解出的S可能與基體發生反應,生成FeS液相[23],促進燒結致密化過程,提高燒結體的致密度。

圖1 不同MoS2含量Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣密度及致密度
圖2為壓制成形坯體在氫氣氣氛中于1100℃燒結90min后所得不同MoS2含量的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的SEM照片。從圖中可以看出,燒結體主要由基體、第二相、孔隙等組成。隨著MoS2加入量的增加,第二相含量增加。

圖2 不同MoS2含量的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣SEM照片
為了進一步確定顯微組織中第二相的成分,對不同MoS2含量的燒結體試樣進行了EDS面掃描。圖3為不含MoS2的Fe-15Cu-0.8C燒結體的SEM照片和EDS面掃描圖。從能譜結果可知,試樣中存在Cu相,還有一定量的孔隙。由Fe-Cu二元相圖可知[24],Cu在Fe中的固溶度有限,本試驗材料中添加了15wt.%的Cu,未固溶的Cu以第二相的形式存在中燒結體中。根據燒結體的碳含量及燒結溫度,基體主要由珠光體和鐵素體組成,而少量的游離石墨可能是原料中石墨在燒結時未合金化或冷卻時析出而形成[25]。

圖3 不含MoS2的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣SEM照片及EDS面掃描能譜圖

圖4 含1wt.%MoS2的Fe-15Cu-0.8C燒結體SEM照片及EDS面掃描能譜圖
圖4為含1wt.%的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的SEM照片和EDS面掃描圖。從圖中可以看出,含1wt.% MoS2的Fe-15Cu-0.8C燒結體中Mo與S的原子百分比為1.08%與0.44%;且有少量的Mo與S元素分布高度重合,表明有少量MoS2的存在。
圖5為含4wt.%的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的SEM照片和EDS面掃描圖。由圖可知,含4wt.% MoS2的Fe-15Cu-0.8C燒結體中Mo與S的原子百分比為2.03at.%與2.22at.%。燒結體顯微組織中除基體外,還有部分MoS2殘留,顯微組織中也有少量石墨和孔隙。由EDS測試結果還可推斷,燒結時MoS2出現部分分解,分解的S與Fe發生反應生成FeS[26],而Mo與Fe形成Fe(Mo)固溶體[27]。結合圖2~圖5還可以看出,隨著MoS2含量升高,試樣中殘留的MoS2增加,且由于MoS2/基體與MoS2/Fe界面缺乏有效的冶金結合[17, 18],使得MoS2與基體的結合界面增多。

圖5 含4wt.%MoS2的Fe-15Cu-0.8C燒結體SEM照片及EDS面掃描能譜圖

圖6 含不同MoS2含量的Fe-15Cu-0.8C基燒結體試樣硬度圖
圖6為不同MoS2含量的Fe-15Cu-0.8C基燒結體試樣的硬度測試結果。由圖可知,隨著MoS2含量的增加,燒結體試樣的洛氏硬度先增大后趨于穩定,其中含3wt.%MoS2的燒結體試樣的硬度值最高達70.1HRB。這是由于燒結過程中,一方面,部分MoS2分解形成的Mo固溶于Fe中,對材料起到固溶強化的作用[28];另一方面,MoS2分解出現的S與Fe發生共晶反應,形成液相,促進燒結致密化,提升了燒結體的致密度,因而材料的力學性能提高。但是,當MoS2含量繼續增加時(3wt.%),燒結后試樣中殘存的MoS2增多,由于MoS2與基體結合較差,且其自身強度較低,因此試樣的硬度有輕微降低。
在鐵基粉末冶金材料中,添加Cu能降低鐵基體的燒結脆性。同時,Cu對Fe中有很好的固溶強化效應,使得材料的力學性能和耐磨性能提高。但Cu與Fe為有限固溶,當Cu含量超過其在Fe中的固溶度時,未固溶的Cu獨立存在,由于Cu自身的強度較低,使得Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的硬度較低[29]。
由上述實驗結果,為保證試樣具有較高的力學性能,較為適宜的MoS2加入量為3wt.%。根據“美國MPIF標準35粉末冶金結構零件材料標準”[30],密度為5.8~6.3g·cm-3的傳統牌號FC-0208 (Fe-1.5~3.9,Cu-0.6~0.9C)燒結鐵銅合金的宏觀硬度為50~61HRB;密度為6.0g·cm-3的牌號為FC-0808 (Fe-7~9Cu-0.6~0.9C)和FC-1000(Fe-9.5~10.5Cu-0~0.3C)的燒結鐵銅的宏觀硬度分別為65HRB、60HRB。與之相比,添加MoS2后Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的硬度達到了常規低Cu含量鐵基材料對硬度的要求。

圖7 不同MoS2含量的Fe-15Cu-0.8C燒結體含油試樣的平均摩擦系數
為了考察MoS2含量對試樣摩擦磨損性能的影響,對不同MoS2含量的Fe-15Cu-0.8C試樣浸油處理后進行摩擦磨損試驗。圖7所示為浸油Fe-15Cu-0.8C-MoS2燒結體試樣經不同載荷摩擦磨損試驗后的平均摩擦系數測試結果。由圖可知,隨著MoS2含量增加,Fe-15Cu-0.8C-MoS2含油試樣的平均摩擦系數先減小后增大,其中未添加MoS2的Fe-15Cu-0.8C試樣的摩擦系數最大,而Fe-15Cu-0.8C- 3MoS2試樣的摩擦系數最小。這是因為隨著MoS2含量的增加,燒結試樣中殘留的MoS2增加,由于其固體潤滑作用,導致試樣的摩擦系數降低。但是較高含量(4wt.%)的MoS2會導致材料的力學性能降低,從而使得摩擦系數升高。
從圖7還可知,相同組成試樣的平均摩擦系數隨著試驗載荷的升高逐漸增加。這是因為載荷升高,可能導致摩擦表面剪切應力的增大,材料發生塑性變形。
為進一步考察Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的磨損機理,對摩擦磨損試驗后的試樣表面進行了SEM及EDS能譜分析。圖8為300N載荷下磨損20min后試樣磨損表面的SEM照片。可見,在MoS2加入量為1~3wt.%時,隨著MoS2加入量增加,磨損表面犁溝、凹坑和剝落粒子逐漸減少。但MoS2加入量達4wt.%時,磨損表面出現明顯的犁溝,以及剝落粒子。這是因為一定范圍內增加MoS2添加量,提高了材料的減摩性能,而添加過多的MoS2使試樣力學性能降低,磨損增加。根據Griffith微裂紋理論[31],材料受到外力作用時,內部形成裂紋,并在裂紋附近出現應力集中。當應力集中到一定程度時,裂紋會發生擴展從而導致斷裂,在孔隙附近易引起崩塌和剝落現象,由于剝落粒子難以排出,因此在摩擦磨損試驗過程中,該粒子在表面引起磨損加劇,形成明顯的犁溝。結合摩擦系數的測試結果,添加3wt.%MoS2的Fe-15Cu-0.8C試樣具有最佳的摩擦學特性。

圖8 含油Fe-15Cu-0.8C基燒結體試樣在300N載荷下摩擦磨損20min后的磨痕SEM照片
圖9為含油Fe-15Cu-0.8C-MoS2燒結體試樣磨損表面的EDS能譜選區示意圖,表1為圖9中相應選區的EDS能譜分析結果。結合圖9和表1可知,Fe-15Cu-0.8C試樣磨損表面有細小剝落粒子為Fe與Cu的氧化物和碳化物;在磨損表面凹坑發現有少量的Cr元素,說明磨損過程中對偶件與磨損件有物質轉移,表明粘著磨損的發生。在磨損表面和犁溝等位置均有O元素,表明試樣發生氧化。因此,Fe-15Cu-0.8C試樣的磨損機制主要為粘著磨損、磨料磨損和氧化。
從表1結果可知,當添加MoS2后,試樣磨損表面有O元素,表明試樣在磨損過程中發生氧化;但表面Cr元素含量逐漸減少(如表1中譜圖10和譜圖13),說明隨著MoS2的增加,試樣的粘著磨損減弱。這可能是因為在摩擦過程中,試樣中殘留的固體潤滑劑MoS2,使得材料的減摩性升高;游離的石墨和孔隙中的潤滑油在壓力和摩擦過程中產生的熱作用下滲出,在摩擦表面形成一層潤滑膜,提高試樣的耐磨性[32];燒結體試樣的高硬度使得燒結體試樣的耐磨性提高,減少粘著磨損的發生。添加MoS2后試樣的磨損機制主要為磨料磨損和氧化。

圖9 含油Fe-15Cu-0.8C基燒結體試樣在300N載荷下摩擦磨損20min后的磨痕EDS能譜結果

表1 EDS能譜分析結果 at.%
以Fe、Cu、石墨粉、MoS2和硬脂酸鋅為主要原料制備了成形混合料,經200MPa壓制后在H2氣氛下于1100℃燒結90min,得到Fe-15Cu-0.8C基燒結體試樣,對試樣的密度、顯微組織、力學性能及摩擦磨損性能進行測試與表征,結果如下:
a. 隨著MoS2含量的增加,Fe-15Cu-0.8C基燒結體試樣的密度輕微降低,致密度有一定的升高,燒結體中殘留MoS2含量增加。
b. 隨著MoS2含量的增加,Fe-15Cu-0.8C基燒結體試樣的硬度逐漸增加后趨于平緩,MoS2含量為3wt.%的Fe-15Cu-0.8C燒結體試樣的硬度值為70.1HRB。
c. 隨著MoS2含量的增加,含油Fe-15Cu-0.8C基試樣的摩擦系數先降低后升高。隨著施加載荷的升高,含油試樣的摩擦系數逐漸增加。Fe-15Cu-0.8C-3MoS2試樣的摩擦系數為0.071。當添加MoS2后,試樣的主要磨損機制為磨料磨損和氧化。
1 Singh B, Grewal J S. Study of dry wear behavior of Novel ferrous samples prepared by powder metallurgy method[J]. Surface Topography: Metrology and Properties, 2022, 10(2): 025003
2 Günen A, Keddam M, Alkan S, et al. Microstructural characterization, boriding kinetics and tribo-wear behavior of borided Fe-based A286 superalloy[J]. Materials Characterization, 2022, 186, 111778
3 Morakotjinda M, Krataitong R, Wila P, et al. Sintered Fe-Cu-C materials[J]. Chiang Mai Journal of Science, 2008, 35(2): 258~265
4 Yang Fang, Qin Qian, Sun Haixia, et al. Sulfide transformation from self-lubricating to free-cutting in powder metallurgy iron-based alloys[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2020, 29(2): 34~42
5 丁少鵬,徐嘉,史正良,等. 密度及成分變化對粉末冶金摩擦行為的影響 [J]. 潤滑與密封,2022,46(9):105~112
6 Hojati M, Danninger H, Gierl-Mayer C. Mechanical and physical properties of differently alloyed sintered steels as a function of the sintering temperature[J]. Metals, 2021, 12(1):13
7 Rapoport L, Feldman Y, Homyonfer M, et al. Inorganic fullerene-like material as additives to lubricants: structure–function relationship[J]. Wear, 1999, 225: 975~982
8 Zhang Xiaoxun, Ma Fang, Ma Kai, et al. Effects of graphite content and temperature on microstructure and mechanical properties of iron-based powder metallurgy parts[J]. Journal of Materials Science Research, 2012, 1(4): 48~56
9 Wong-ángel W D, Téllez-Jurado L, F. Chávez-Alcalá J, et al. Effect of copper on the mechanical properties of alloys formed by powder metallurgy[J]. Materials & Design, 2014, 58: 12~18
10 Shi Lei, Zhao Qi, Luo Cheng, et al. Effect of copper content and sintering temperature on friction and wear properties of powder-metallurgical fe-cu based composites[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2020, 43(2): 137~150
11 Furlan K P, de Mello J D B, Klein A N. Self-lubricating composites containing MoS2: A review[J]. Tribology International, 2018, 120: 280~298
12 Furlan K P, Prates P B, dos Santos T A, et al. Influence of alloying elements on the sintering thermodynamics, microstructure and properties of Fe-MoS2composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 652: 450
13 Dhanasekaran S, Gnanamoorthy R. Abrasive wear behavior of sintered steels prepared with MoS2 addition[J]. Wear, 2007, 262(5-6): 617~623
14 Dhanasekaran S, Gnanamoorthy R. Microstructure, strength and tribological behavior of Fe-C-Cu-Ni sintered steels prepared with MoS2addition[J]. Journal of materials science, 2007, 42: 4659~4666
15 Dhanasekaran S, Gnanamoorthy R. Dry sliding friction and wear characteristics of Fe-C-Cu alloy containing molybdenum di sulphide[J]. Materials & design, 2007, 28(4): 1135~1141
16 Mushtaq S, Wani M, Nadeem M, et al. A study on friction and wear characteristics of Fe–Cu–Sn alloy with MoS2as solid lubricant under dry conditions[J]. Sādhanā, 2019, 44(12): 240
17 Wang Qiang, Li Xu, Niu Wenjuan, et al. Effect of MoS2content on microstructure and properties of supersonic plasma sprayed Fe-based composite coatings [J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 391: 125699
18 Qiu Tianxu, Pan Shiyan, Cang Fan, et al. Effect of Ni-coated MoS2on microstructure and tribological properties of (Cu-10Sn)-based composites [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2020, 30(9): 2480~2490
19 Mohan S, Anand A, Arvind Singh R, et al. Friction and wear study of fe-cu-c-caf2self-lubricating composite at high speed and high temperature[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 834(1), 012010
20 Arik H, Orhun D Z. Investigation of dry sliding wear behavior of powder metal (p-m) materials produced from mixture of Fe-Cu-C Powders[J]. Gazi University, Journal of Science,Part A: Engineering and Innovation, 2018, 5(1): 37~48
21 Sharma S M, Anand A. Friction and wear behaviour of Fe-Cu-C based self lubricating material with CaF2as solid lubricant[J]. Industrial Lubrication and Tribology, 2017, 69(5): 715~722
22 Liu Xiao, Xiao Zhiyu, Guan Hangjian, et al. Friction and wear behaviours of surface densified powder metallurgy Fe-2Cu-0.6C material[J]. Powder Metallurgy, 2016, 59(5): 329~334
23 Walder P, Pelton A D. Thermodynamic modeling of the Fe-S system[J]. Journal of phase equilibria and diffusion, 2005, 26: 23~38
24 Okamoto H. Supplemental Literature Review of Binary Phase Diagrams: Au-Dy, Au-Sc, Au-Yb, C-Hf, C-Ta, Cu-Fe, Dy-Mn, Er-Mn, Ho-Mn, Mn-Tb, Mn-Tm, and Sb-Sn[J]. Journal of Phase Equilibria and Diffusion, 2017, 38(2): 160~170
25 文鑫榮,覃俊華,韋長興,等. Fe-Cu-C含油軸承的摩擦性能研究[J]. 粉末冶金工業,2019,29(4):63~68
26 Liersch A, Danninger H, Ratzi R. The role of admixed solid lubricants in sintered steels[J]. Friction, Wear and Wear Protection, 2009: 696~702
27 熊翔,陳潔,姚屏萍,等. MoS2對鐵基摩擦材料燒結行為及力學性能的影響[J]. 粉末冶金技術,2006,24(3):182~186
28 Yavuz H ?, Eyri B, Yamano?lu R, et al. The influence of alloying elements on tribological properties of Fe-Cu-C based metal matrix composite bearing materials produced by powder metallurgy[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2022, 237(2): 288~299
29 石磊,趙齊,羅成,等. Cu 含量和燒結溫度對 Fe-Cu 基粉末冶金復合材料摩擦磨損性能的影響[J]. 材料研究學報,2020, 34(2):137~150
30 周作平,申小平. 粉末冶金機械零件實用技術[M]. 北京:化學工業出版社,2006
31 黃培云. 粉末冶金原理[M]. 第2版. 北京:冶金工業出版社,1997
32 周新聰,梁望,俸顥. 粉末冶金含油軸承潤滑技術[M]. 北京:科學出版社,2010
Effects of MoS2Addition on the Microstructure and Properties of Fe-15Cu-0.8C Antifriction Materials
Li Jiaxin1Bao Yu1Feng Han1Chen Pengqi1,2Wang Shiping3Cheng Jigui1,2
(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009;2. Research Centre for Powder Metallurgy Engineering and Technology of Anhui Province, Hefei 230009;3. Ma?anshan Powder Metallurgy Factory in East China, Ma?anshan 243012)
Fe-15Cu-0.8C-MoS2powder mixes were prepared using Fe, Cu, and graphite as the main raw materials, MoS2and zinc stearate as lubricants. Fe-15Cu-0.8C-MoS2antifriction materials were prepared by pressing and sintering the powder mixtures. Density, microstructures, hardness, and tribological properties of the sintered Fe-15Cu-0.8C-MoS2samples were investigated. The results show that the density of the sintered samples decreases slightly as MoS2content increases. The hardness gradually increases and then tends to be stable. The sintered Fe-15Cu-0.8C-3MoS2sample has the maximum hardness value of about 70HRB. Microstructure of the sintered samples are mainly composed of pearlite, Cu and MoS2. MoS2remains more as the addition amount of MoS2increases in the powder mixtures. Friction coefficient of the sintered Fe-15Cu-0.8C-MoS2samples impregnated with lubrication oil first decreases and then increases. The Fe-15Cu-0.8C-3 wt.% MoS2samples has a lowest friction coefficient of 0.071 under test load of 300N. The wear mechanisms are mainly adhesive wear, abrasive wear and oxidation wear.
powder metallurgy;ferrous antifiction materials;MoS2contents; microstructure;friction properties

TF125;V45
A
安徽省重點研究與開發計劃項目(202104a05020046)。
李佳欣(1994),博士生,能源與動力工程專業;研究方向:先進粉末冶金材料與技術。
2023-06-07