FeS/铜基复合材料摩擦磨损性能研究

李吉宁，尹延国，张国涛，唐红跃

(合肥工业大学 摩擦学研究所，合肥 230009)

在铜基轴承材料中添加固体润滑剂，可以提高铜基复合材料的减摩耐磨性能。常见的固体润滑剂有石墨,碳纤维,碳纳米管,MoS2,BN,Pb等，但其应用都存在着一定的局限性[1-6]。为发挥硫化物的固体润滑特性，改善无铅铜基复合材料的减摩耐磨性能，可通过雾化制粉方法制备含原位合成硫化物相(FeS，Cu2S，Cu5FeS4)的铜合金粉末，再制备铜基双金属轴承材料。含硫化物相铜基双金属轴承材料在较高载荷下具有良好的减摩、抗粘着特性，其摩擦性能优于铜铅材料[7-8]。FeS耐高温，不受高温烧结过程影响。在原位合成硫化物相中，FeS是一种典型固体润滑剂，具有层状六方结构，易于沿层间滑移发生塑性变形，因而具有良好的减摩性，疏松多孔的鳞片状结构有利于储存润滑油，进而改善边界润滑特性，在齿轮、轴承、缸套等典型摩擦副零件的表面改性方面得到广泛应用[9-12]。目前，有关FeS/铜基复合材料摩擦磨损特性的系统研究较少。下文采用粉末冶金方法制备了含有FeS的铜基复合材料，研究了其在不同工况条件下的摩擦特性及磨损机理，为发展新型无铅铜基轴承材料提供参考。

1 材料制备

FeS/铜基复合材料配方见表1，基体主要为铜锡合金，在此基础上添加不同含量的FeS。试样尺寸为18 mm×6 mm×5 mm。按照配方精确称重配比，并加入0.5%的硬脂酸锌，保证压制过程中粉末的均匀流动，同时在脱模时起到润滑作用。将粉末充分混合后倒入模具中，利用100 t四柱万能液压机进行压制，压力为600～700 MPa，保压3 s。

表1 试样材料配方

将试样置于高温网带烧结炉中进行烧结，采用氨气分解气氛(N2，H2)保护，以防止合金粉氧化，烧结温度为860～890 ℃,保温时间为40～60 min。

2 试验方法

利用HB-2000布氏硬度计分别对0#～7#试样的硬度进行检测，利用金相显微镜观察金相组织，采用X射线衍射仪检测成分。

在M-200摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，摩擦副为环块接触方式，对偶件为45#淬火钢，硬度(50±3)HRC，外径40 mm，内径15 mm，厚度10 mm。试验条件为：摩擦速度200 r/min，干摩擦载荷50 N，试验时间30 min；浸油干摩擦载荷75 N，试验时间60 min；润滑油为32#机械润滑油。摩擦磨损试验过程中记录摩擦因数随时间的变化情况。具体试验步骤如下：

1) 为减少试样的表面状态对试验结果的影响，试验前用细砂纸打磨试样和对偶件表面，并用丙酮清洗对偶件表面，浸油干摩擦试验中将打磨和清洗后的试样浸入润滑油中浸泡24 h，取出后将其表面擦干，以保证试样在试验前状态相同。

2) 试验后用0.001 mm读数显微镜测量试样的磨痕宽度，其体积磨损量为

V磨损量=d[r2(π/180)arcsin(b/2r)-

式中：d为磨痕的长度，mm;r为对偶件外半径，即r=20 mm；b为磨痕宽度，mm。

3) 利用金相显微镜观察磨痕的表面形貌，分析FeS/铜基复合材料在干摩擦和浸油干摩擦条件下的减摩机理。

3 结果与讨论

3.1 微观组织结构

材料的X射线衍射图如图1所示。由图可知，FeS粉末中含有Fe杂质(图1a)， 6#试样烧结过后，其中的FeS并没有发生转变(图1b)。

a—FeS;b—Fe;c—Cu-Sn

4#试样的金相照片如图2所示，其中白色部分为铜锡合金基体，黑色部分为孔隙，灰色部分为FeS。由图可知，烧结过程中，FeS不与基体发生反应，组织结构无变化，分布较为均匀。在摩擦过程中，铜锡合金起支承作用，保证铜基材料具有一定的承载能力，其与FeS颗粒间结合比较紧密，界面轮廓清晰，机械互锁作用较强。

图2 4#试样的金相照片

3.2 力学性能

FeS含量对铜基材料硬度的影响如图3所示。由图可知，当FeS的质量分数在10%以下(0#～4#试样)时，材料的硬度随着FeS含量的增多而增大，这是因为FeS在铜基材料中起弥散强化的作用，实质是细小的FeS颗粒阻碍了材料的位错运动，从而提高了材料的硬度;当FeS的质量分数超过10%(5#～7#试样)时，随着FeS含量的增多，团聚现象越来越明显，弥散效果减弱，其软质易滑移特征逐渐起主导作用，所以硬度减小。

图3 FeS含量对材料硬度的影响

3.3 摩擦磨损性能

3.3.1 干摩擦条件下

干摩擦、定载荷(50 N)条件下摩擦因数随时间的变化情况如图4a所示。由图可知，0#～3#试样摩擦因数较大，0#试样的摩擦因数波动剧烈，而1#～3#试样摩擦因数的稳定性明显提高；4#试样在10 min之内其摩擦因数较低，之后则迅速升高；5#～7#试样的摩擦因数明显低于0#试样。在试验过程中，随着FeS含量增多，摩擦因数越来越小，说明FeS在铜基材料中的减摩效果越来越明显，这与FeS自身的晶格结构相关，其具有层状结构，层间剪切变形抗力小，易沿密排面滑移。

试验30 min后试样的体积磨损量如图4b所示。由图可知，1#～5#试样的磨损量低于0#试样；6#和7#试样的磨损量高于0#试样，这是由于当FeS含量过多时，材料的强度、硬度开始降低，FeS颗粒易于脱落，使磨损量变大。

图4 干摩擦条件下试样的摩擦因数及磨损量

干摩擦条件下试样的表面磨痕形貌如图5所示。由图5a可知，0#试样的磨痕较深，犁沟较宽，粘着撕裂痕迹明显，磨损比较严重，在摩擦过程中，由于摩擦界面无润滑剂，试样与对偶件直接接触，易造成接触点的粘着与撕裂，同时由于对偶件相对较硬，表面硬质微凸体对试样产生明显的辗压与切削作用，犁沟现象严重。与0#试样相比，3#试样磨痕表面犁沟明显变窄、变浅(图5b)，粘着、撕裂现象大大减少，体现了FeS颗粒的减摩作用；6#试样的犁沟进一步变窄，粘着痕迹明显减轻，这是因为FeS含量高，摩擦过程中，铜基材料中的FeS受到挤压、变形作用而产生脱落与转移，粘附在磨痕表面或对偶件表面，在试样和对偶件的接触表面形成了一层FeS固体润滑膜，从而减少了试样表面粘着。

图5 试样表面磨痕形貌

由此可知，随着铜基材料中FeS含量的增多，润滑膜越来越完整，体现更好的减摩效果。

3.3.2 浸油干摩擦条件下

浸油后干摩擦、定载荷(75 N)条件下摩擦因数随时间的变化情况如图6a所示。对比图4a可知，各组摩擦副摩擦因数普遍减小，表明浸油后干摩擦的润滑效果有了明显的改善。由图6a可知，与0#试样相比，1#～3#试样的减摩效果并不明显，摩擦因数在0.7左右；4#试样具有了一定的减摩效果，摩擦因数在0.5左右；5#～7#试样的减摩效果最好，5#试样的摩擦因数在0.2左右，6#和7#试样的摩擦因数在0.15左右，其稳定性明显优于其他试样。

图6 浸油干摩擦条件下试样的摩擦因数及磨损量

各组摩擦副摩擦因数的平均值随FeS含量的变化情况如图6b所示。由图可知，随着铜基材料中FeS含量的增多，摩擦副摩擦因数越来越小，减摩性能越来越好。除了FeS本身具有一定的减摩效果，同时与其疏松多孔的鳞片结构有关，浸油过程中铜基材料中的FeS可以储存润滑油，试验过程中受到挤压及摩擦热的作用，润滑油溢出，与FeS转移膜共同形成液-固润滑膜，体现良好的边界润滑效果。FeS含量越高，储存的润滑油越多，液-固润滑效果越好，减摩性能也越好。试验结束后，5#～7#试样的对偶件表面有明显的油膜。

浸油干摩擦条件下，试验60 min后试样的磨损量如图6c所示。由图可知，1#～4#试样的磨损量低于0#试样；5#～7#试样由于含有充分的润滑油，处于边界润滑状态，磨损量明显减小。

在浸油干摩擦条件下试样的表面磨痕形貌如图7所示。与图5相比，试样表面的犁沟和粘着撕裂现象明显减少。0#试样的犁沟较宽，仍有明显粘着现象(图7a)，虽然经过浸油处理，但其只储存了少量的润滑油，摩擦过程中试样与对偶件之间没有形成足够的润滑油膜，故其磨损严重;3#试样磨痕表面犁沟明显变窄、变浅，粘着撕裂现象也明显减少(图7b);6#试样的磨痕表面犁沟最少(图7c)，其表面有一层FeS固体润滑膜，固体润滑膜与润滑油膜共同作用，避免了试样与对偶件的直接接触，使磨损大大减少。

图7 试样表面磨痕形貌

4 结论

1)随着FeS含量的增多，铜基材料的硬度呈先增大后减小的趋势，当FeS的质量分数为10%时，弥散效果较好，强化作用大。

2)干摩擦条件下，FeS对铜基轴承材料的减摩性有一定的改善作用，FeS含量越高，材料的减摩效果越好，但当FeS的质量分数超过15%后，材料的耐磨性下降。

3)浸油干摩擦条件下，材料中的FeS含量越高，储存的润滑油越多，润滑油与FeS转移膜共同作用形成液-固润滑膜，边界润滑效果良好。