石墨在热喷涂耐磨材料中的自润滑机理
许德强,杨宏伟
金属热处理
摘要:通过对铜基热喷涂耐磨材料铜镍铝-石墨(CuNiAl-C)进行摩擦磨损试验研究以及表面形貌观察,发现在热喷涂料中加入石墨可以有效减小铜镍铝材料的摩擦系数,增加材料的耐磨性以及减小对偶件的磨损。本试验中石墨含量为6%时,该材料的综合摩擦性能最好。
关键词:石墨;热喷涂;摩擦磨损;自润滑
1 引言
目前,自润滑减摩材料常用热喷涂粉末冶金、铸造和镶嵌的方法来制取。另外,还有利用粘接办法在表面形成起减摩作用的固体润滑膜,以及利用挤压、擦入、溅射和离子镀膜的方法来赋予材料表面自润滑性能[1]。而利用热喷涂方法来制造金属基自润滑材料的研究开展得还比较少。随着热喷涂技术的推广与应用,热喷涂自润滑材料的研究会越来越重要。对于铜基摩擦构件而言,虽然在润滑条件比较好的情况下,具有高的承载能力和抗磨损性能,但在许多润滑条件不良,甚至是干摩擦的情况下,由于材料本身的性能差,往往造成严重的粘着,甚至咬死现象,这在一定程度上限制了铜基摩擦构件的使用。
可见,在铜基材料中加入固体润滑剂,提高材料的自润滑性能,防止材料在不良的润滑条件下咬合的发生,可以明显拓宽铜基材料的应用范围。因此,本文着重以CuNiAl-C铜基热喷涂耐磨材料作为研究对象,探讨在室温干摩擦条件下石墨自润滑作用的机理。
2 试验材料与方法
2·1 试验材料
(1) GCr15轴承钢环 其主要成分质量分数(%)为:0·95~1·05C、1·30~1·65Cr、0·15~0·35Si、0·20~0·40Mn、0·027P、<0·002S、余量Fe。GCr15轴承钢环外径40mm,内径16mm,表面粗糙度Ra=0·03μm。
(2) CuNiAl试样 其主要成分质量分数(%)为:4~6Ni、8~10Al、余量Cu。试样制作方法是在45号钢试块上热喷涂CuNiAl材料,厚度约1mm,然后进行平磨、线切割等机械加工。试验尺寸为10mm×15mm×20mm。
(3) CuNiAl-C试样 在CuNiAl材料内按质量百分比加入石墨,然后进行热喷涂。试样制作方法及尺寸同上。
2·2 摩擦磨损试验条件
摩擦磨损试验设备采用宣化材料试验机厂生产的M-200型磨损试验机,最大压力2000N,摩擦类型为滑动摩擦,试验在室温空气中、干摩擦条件下完成。摩擦磨损试验机转速分200r/min、400r/min两档,试样和钢环对磨时间10min。每组3个试样,磨损试样及对偶钢环试验前后的质量变化用精度为10-4g的分析天平来测定,磨损量为3个数值的平均值。
本文试验中采用磨损率Wr作为评价材料磨损性能的指标。
Wr =Wgl (1)
其中:Wr为磨损率,Wg为磨损质量损失(g),l为滑行距离(m)用扫描电子显微镜对材料磨损表面进行了形貌观察。用布洛维硬度计进行材料表面硬度测试,每个试样测试3点,取平均值。
3 试验结果与分析
3·1 不同石墨含量的CuNiAl-C/GCr15钢环摩擦副
在室温干摩擦条件下的磨损行为与机制石墨的引入可提高CuNiAl材料的耐磨性能,所以有必要探讨石墨含量对材料耐磨性能的影响,以便确定石墨加入量的最佳范围。在试样制备过程中,分别配制了含石墨(质量分数,%)3、6、9、12、15的试样。根据摩擦磨损试验结果并运用表面分析技术,建立不同石墨含量的CuNiAl-C材料在上述条件下的磨损规律图。分析石墨含量对CuNiAl-C材料摩擦磨损性能的影响。
图1为CuNiAl-C/GCr15钢环摩擦副在载荷100N,滑动速度0·4m/s条件下摩擦系数随石墨含量的变化规律曲线。由图1可知,CuNiAl-C/GCr15钢环在此干摩擦条件下,摩擦系数随石墨含量的增多而呈减小的趋势。但当石墨含量>9%时,减小的趋势变得不明显。CuNiAl-C/GCr15钢环干摩擦时,CuNiAl-C的磨损质量损失随载荷及石墨含量的变化规律(滑动速度V=0·4m/s)如图2所示。
从图2可以看出,当石墨含量从0变化到6%时,CuNiAl-C的磨损质量损失呈递减的趋势,当石墨含量>6%时,Cu-NiAl-C的磨损质量损失随石墨含量的增加而增大。
图3为对磨偶件GCr15钢环的磨损质量损失随载荷及石墨含量的变化规律(滑动速度V=0·4m/s)。从图3可以看出,当CuNiAl-C材料中石墨含量从0变化到6%时,GCr15钢环的磨损失重逐渐减小,石墨含量为9%的CuNiAl-C材料与含量为6%的CuNiAl-C材料对GCr15钢环的磨损都比较小。但当石墨含量继续增加时,GCr15钢环的失重迅速增大,这是因为石墨含量过高时,对CuNiAl-C材料的强度产生不利的影响。CuNiAl-C材料摩擦时生成的磨屑增多,导致摩擦副界面处发生较为严重的三体磨粒磨损。图4是对磨偶件GCr15钢环的磨损质量损失在载荷为250N时随石墨含量的变化规律(滑动速度V=0·4m/s)。
与图4比较可以发现,当载荷为250N时,除了石墨含量为0、3%的材料比载荷200N时质量损失小外,其余的材料都呈递增的趋势。这是由于石墨在摩擦副界面处形成致密的润滑膜,有效地防止了CuNiAl-C材料与GCr15钢环的粘着磨损以及Al、Cu等元素向GCr15钢环表面的扩散转移。
3·2 CuNiAl-C材料的磨损图分析
(1) CuNiAl-C材料磨损表面的观察与分析 为了考察
不同石墨含量CuNiAl-C/GCr15钢环摩擦副的磨损机制,根据CuNiAl-C材料在不同磨损条件下的磨损质量损失变化规律,分别选择下面3个典型磨损状态观察磨损表面的形貌:①含石墨6%的CuNiAl-C在载荷50N、速度0·4m/s条件下;②含石墨6%的CuNiAl-C在载荷250N、速度0·4m/s条件下;③含石墨12%的CuNiAl-C在载荷250N、速度0·8m/s条件下。图分别为上述3种试验条件下的表面形貌。
从图5a可以看出,在低速低载荷条件下,CuNiAl-C材料磨损表面出现浅的犁沟和少量断裂的痕迹,说明材料主要磨损机制为塑性变形和微观断裂。从图5b可以看出,在低速高载条件下,CuNiAl-C材料磨损表面有犁沟和少量粘着磨损的痕迹,表明材料的主要磨损失效形式为磨料磨损和少许粘着磨损。材料在此试验条件下处于正常磨损阶段,表明含6%的CuNiAl-C材料可以应用于低速高载、干摩擦工况。
通过对石墨含量较高(含12%石墨)的CuNiAl-C材料在高速高载条件下的磨损表面观察(图5c),发现了深的犁沟和许多断裂的痕迹,表明材料磨损比较严重。这是由于当石墨含量比较高时,加入的石墨使基材CuNiAl材料晶粒之间的结合强度下降,在较恶劣的工况下导致晶粒与基体脱落,产生大量的磨屑,并引起了严重的三体磨料磨损。摩擦副界面未发生粘着磨损是由于石墨含量高,形成了致密的润滑保护膜,有效防止了摩擦副之间金属原子直接接触的结果。
(2) CuNiAl-C材料表面组织观察 为了进一步研究石墨含量对CuNiAl-C铜基热喷涂耐磨材料摩擦学性能的影响机理,作者对不同石墨含量的CuNiAl-C材料表面进行了扫描电镜观察和X射线能谱分析。图6为含石墨6%的CuNiAl-C材料表面形貌,图7为含石墨12%的CuNiAl-C材料表面形貌。
两幅图中,黑色斑点经X射线能谱分析为独立石墨颗粒。由图6、7可知,含石墨12%的CuNiAl-C材料,石墨分布面积明显大于含6%石墨的CuNiAl-C材料。而且,石墨颗粒呈聚集状态。虽然石墨有减摩抗磨的作用,但它同时对基体材料的强度会产生不利的影响,过多的石墨使基体材料晶粒之间结合强度下降,摩擦时产生大量磨屑,造成摩擦副之间非常严重的三体磨料磨损,反而使材料耐磨性能下降。
4 结论
(1)在铜基热喷涂材料中引入石墨可以明显提高耐磨性能。
(2)当石墨含量为6%时,CuNiAl-C的磨损质量损失最小。在此试验条件下,石墨含量为6%的CuNiAl-C材料综合摩擦学性能最佳,可以用于修复铜基摩擦构件。
(3)石墨的自润滑机理是由于石墨的加入,降低了CuNiAl材料的摩擦系数,并有效地防止了CuNiAl材料的粘着磨损。
参考文献略
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