工业免维护滑板铁基自润滑材料在不同速度下的摩擦学行为

李炎粉，陶金仓，朱文武，黑中垒

（1.黄河交通学院汽车工程学院，河南郑州 454950；2.长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

工业免维护滑板铁基自润滑材料在不同速度下的摩擦学行为

李炎粉1，陶金仓1，朱文武2*，黑中垒1

（1.黄河交通学院汽车工程学院，河南郑州 454950；2.长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

采用粉末冶金工艺制备了四种不同成分含量的铁基自润滑材料，对材料的微观组织和不同速度下的摩擦学性能进行分析和考察，采用金相显微镜和扫描电子显微镜（SEM）以及X射线衍射仪（XRD）对材料金相、磨痕表面形貌和成分进行表征。结果表明，随着摩擦速度的提高，铁基自润滑材料与40Cr钢盘的摩擦系数呈现降低的趋势，材料中石墨含量越高，速度对其磨损率的影响就越大，在摩擦速度为0.1～0.5m/s的条件下，磨损率达到了10-8cm3/N·m量级，属于轻微磨损，在1m/s的条件下，Fe-Ni-Mo-C自润滑材料的干摩擦摩擦系数达到了0.27，虽然磨损趋势随速度升高而升高，但与较低石墨含量和不添加石墨的材料相比摩擦磨损性能较优。总体来讲，本文所研制的铁基自润滑材料在不同速度工况下具有较好的摩擦学性能。

摩擦速度;粉末冶金;自润滑;磨损

1 引 言

铁基粉末冶金材料是发展迅速和具有巨大应用潜力的工程材料之一［1］，铁基粉末冶金零件具有良好的力学强度、耐磨性能，被广泛应用于汽车、航天、机械等领域［2-3］。粉末冶金法制成的铁基润滑材料因其来源广、价格低廉等特点得到了越来越广泛的应用，并逐渐取代了部分传统的锻铸材料，用来制造像汽车齿轮、齿类零件和凸轮轴等加工困难或加工成本高的部件［4］。目前，国内对于铁基含油自润滑材料室温～150℃条件下摩擦学的研究较多［5-8］，且铁基材料的制备、表征方法和研究重点不尽相同。刘志科等［9］利用反应铸造法制备了原位VCp增强铁基复合材料，研究了该复合材料的微结构及界面反应机理。张丽娜等［10］利用等离子熔覆技术制备出铁基非晶和纳米晶涂层，并对涂层的热力学及电化学性能等进行了分析研究。李杰等［11］用热压烧结法制备了陶瓷颗粒增强铁基材料并测定了其力学性能。目前研制的铁基合金已经应用于各种滑动部件如汽车发动机的导向件中［12，14］。铁基材料具有较高的力学性能得到了越来越多的关注，以往的文献报道中将铁基材料作为固体润滑材料的应用以及摩擦学的研究较少，在自润滑零部件中，廉价的铁基材料的研究更具有工程意义。

一般来讲，铁基材料比铜基、镍基材料的硬度和力学强度更高，但对轴的磨合性较差，易受腐蚀。基于铁基材料以上特点，本文在铁基材料中添加镍、钼合金元素，以增强材料的防腐蚀性能，使材料性能达到实际工况的使用要求。将石墨作为润滑元素添加到自润滑材料中，既要考虑其对润滑的影响，也要考虑碳和铁、钼元素的化合，相似的研究报道较少。本文在铁基材料中添加了不同含量的石墨，对不同石墨含量材料的微观组织、力学性能进行了分析，并在不同摩擦速度下考察了材料的摩擦磨损性能，对磨损机理进行了分析，在具有良好应用背景的前提下，为后续的研究提供了参考依据。

2 实验方法

2.1 实验原料及试样制备

试验用到的原料包括铜包铁粉、钼粉、镍粉、铜粉、石墨粉。各种粉末的性质参数见表1。本文所用的主要粉末都是国内外机械摩擦学行业广泛应用的原料。

表1 试验用粉原料及规格Table 1 Raw material powders and specifications

采用精度为0.1mg的电子天平称取各原料，在三维混料器中混均匀后取出，在40 T压机上压制成型，压制压力为600～650 MPa，保压2min后脱模取出，在烧结炉中烧结，烧结温度为1100～1150℃，保温时间为90min，烧结完成后随炉冷却，烧结及冷却过程全程通氮气保护，材料的组成成分及质量分数见表2。

表2 材料的组成Table 2 Mass fraction of each components

2.2 材料分析与测试

在HB-62.5Kg型布氏硬度计上测量烧结试样的硬度;在WJ-10型万能材料试验机上测量材料常温下的机械性能;在电子天平上测量烧结试样的密度;采用JSM-5600型扫描电镜（SEM）对摩擦层的形貌进行观察，并用EDS能谱仪对摩擦层组成进行分析。在高温栓-盘式摩擦磨损试验机上考察材料的摩擦磨损性能;试块为所研制的材料，经过机加工后的尺寸为φ5× 15mm的栓，试盘为45#钢盘，尺寸为φ45 mm× 10mm。试验条件为室温大气环境，试验时间30min，摩擦系数的计算取3次试验数值的平均值。

3 结果与讨论

3.1 自润滑材料的物相分析

如图1，a、b、c、d四图分别为四种铁基自润滑复合材料经腐蚀液侵蚀处理后的金相组织图片，腐蚀液成分为2vol％HNO3+98vol％无水乙醇。Fe-Ni-Mo-C（a）材料的金相组织由铁素体组成连续相，少量珠光体、黑色区域的石墨和孔洞夹杂于其中［见图1（a）］; Fe-Ni-5Mo-C（b）材料的金相组织由铁素体形成连续相，而少量珠光体分散于基体中［见图1（b）］;Fe-Ni-5Mo-2C（c）材料由珠光体和铁素体共同构成材料的基体，珠光体中的渗碳体呈片状，且渗碳体的厚度较小，晶粒较细、黑色的区域呈现轻度球化，珠光体的晶粒较粗并团聚成球状［见图1（c）］;Fe-Ni-5Mo-3C（d）材料中的珠光体的数量占整个组织的90％以上［见图1（d）］。钼和铁都属于反石墨化元素，且钼的石墨化能力要高于铁，故铁基材料中钼的添加和珠光体的出现不利于单质石墨的生成，从而阻碍了铁基自润滑材料的石墨化［8］;从图1可以看出，添加一定量的石墨可以促使珠光体的出现，而珠光体可以增强材料的力学强度，进而改善材料的耐磨性能，这一点将在以下的摩擦试验中得到验证。

图1 四种不同成分铁基自润滑材料的微观组织 （a）Fe-Ni-Mo-C;（b）Fe-Ni-5Mo-C;（c）Fe-Ni-5Mo-2C;（d）Fe-Ni-5Mo-3CFig.1 Microstructure of four kinds of iron-based self-lubricating composites

从表3材料的力学性能可以看出，随着Mo的添加，材料的密度增加，而添加石墨后，材料的密度减小，在石墨含量为2％时材料的硬度和抗压强度达到最大值。由此可以看出，在Mo含量为5％的条件下，材料的力学性能随着石墨含量的增高而降低，此时虽然珠光体的量在四种材料中最大，但石墨含量过高时，过量的石墨可能会影响材料的力学强度，进而影响耐磨性。由于珠光体是由铁素体和渗碳体一层一层地叠加而成，相当于硬度不同的叠层材料，图1（d）中珠光体的形态和图1（c）中不同，图1（c）中的珠光体呈球状，渗碳体片的厚度比图1（d）的厚度大，其厚度增加将会增强材料的耐磨性，这也与后面的磨损率的数据相一致。

表3 铁基自润滑材料的力学性能Table 3 Mechanical performance of iron-based self-lubricating composites

图2 四种材料不同摩擦速度时的平均摩擦系数变化Fig.2 Average coefficient of friction at different friction velocity

3.2 不同速度的摩擦磨损性能分析

从图2中可以看出，四种材料的摩擦系数均随摩擦速度的提高而减小，但a、b两种材料降低的幅度较小，c、d材料摩擦系数降低的幅度要比a、b材料的大，这可能与材料烧结后材料表面形成珠光体的量有关，这与文献［12］报道的Fe-C材料摩擦系数和磨损率随组织中珠光体的数量的变化趋势基本符合。材料与40Cr钢盘对摩的摩擦系数随石墨添加量的增多而明显降低，虽然b材料在速度为0.5m/s的条件下，摩擦系数比a材料略高，但从总体上来看，石墨的添加降低了摩擦系数，改善了摩擦性能。图3为四种材料在不同速度下的磨损率，由图中可以看出a、b、c、d四种材料的磨损率均随摩擦速度的提高而升高。但a、b两种材料的磨损率的升高趋势要快于c、d材料，且d材料的磨损率在高速条件下增长的趋势又较快。在摩擦速度不高于0.5m/s的条件下，微观组织以珠光体为主相的c、d材料的磨损率达到了10-8cm3/N·m量级，属于轻微磨损。速度为1m/s，石墨含量在3％左右时摩擦系数达到最低，约为0.27，但石墨含量为3％时，材料在低速条件下耐磨性较好。结合摩擦系数和磨损率可以看出，石墨含量在2％和3％时，摩擦速度在≤0.5m/s的条件下，材料的摩擦磨损性能较好，虽然d材料的摩擦系数在速度达到1m/s的条件较小，但其磨损率比低速状态高了一个量级，随着速度的提高，其磨损量会增大。

图3 四种材料不同摩擦速度时的磨损率的变化Fig.3 Wear rate of iron-based self-lubricating composites at different friction velocity

结合图1中材料的金相组织，a、b材料的微观组织以铁素体为主相（如图1（a）、（b）），铁素体的强度、硬度不高，但具有较好的韧性和塑性，而c、d材料的微观组织是以珠光体为主相（如图1（c）、（d）），珠光体力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，可以提高Fe-C组织的耐磨性能，这也与摩擦磨损试验的数据相一致。d材料在速度低于0.5m/s时，摩擦磨损性能较好，但速度升高到1m/s后，磨损加剧，这可能是因为石墨的添加量过高影响了材料的力学强度，在速度较高的情况下，润滑剂在高速离心力的作用下被甩出，加剧了材料的磨损。

3.3 摩擦盘和材料表面磨损形貌与成分分析

从图4中可以看出，Fe-Ni-5Mo-2C（c）材料在摩擦中出现了一层红褐色的转移膜。低速条件下对偶盘的表面相对光滑，随着速度的升高，磨痕宽度逐渐变大，在速度达到1m/s时，犁沟较为明显，磨损机制为疲劳磨损和轻微的磨料磨损。由于该材料的基体以珠光体为主，其综合力学性能较好，硬度较高，随着速度的提高，材料对于对偶钢盘的剪切加剧，同时也增大了材料本身的磨损（见图3c）。

图4 Fe-Ni-5Mo-2C材料与40Cr对偶钢盘在不同转速下摩擦30min后的钢盘表面宏观图片（a-0.1m/s，b-0.5m/s，c为1m/s）Fig.4 Macroscopic view of 40Cr steel plates against Fe-Ni-5 Mo-2C composites at different friction velocity after 30min

从图5的SEM扫描电子显微镜图像可以看出，两种不同材料在相同速度下表现出不同的磨损机制。b材料的摩擦表面出现了疲劳剥落现象（如图5a），主要是由于材料主相以铁素体为主，材料的力学强度较低，40Cr对偶钢盘的硬度为29 HRc，硬-软的对摩条件导致了材料产生了磨屑和塑性变形。而c材料的微观组织以珠光体为主，材料的力学强度较高，磨损率较低，且加入的石墨的量较高，在材料和对偶盘之间形成了一层较好的润滑转换膜，阻止了材料和对偶盘之间的直接接触，材料表面形貌较为光滑，仅有小部分的疲劳剥落（见图5b）。从图6的XRD图谱中可以看出，40Cr对偶钢盘与铁基自润滑材料对摩后的主要的产物为Fe和Fe2O3，由于石墨的量较少，摩擦后主要以三体摩擦的形式存在，因此石墨的XRD谱峰很弱，但仍起到了一定的润滑作用。对于材料摩擦后产生的磨屑，本文没有做进一步的分析，在随后的工作中将会做进一步的研究。

3.4 磨损机理分析

Peterson［16-17］评价了许多氧化物的润滑行为，并指出氧化物的硬度和结构在很大程度上决定其润滑行为，氧化物的硬度如一些低溶点的金属如铅、铋和锑等由于严重地降低合金强度而不能被采用，但这些金属产生的氧化物能有效地润滑。摩擦过程中，除了所添加的石墨外，在摩擦过程中由于瞬间高温（可达到1000℃以上）生成的金属氧化物也具有一定的润滑作用［18］。从图6对材料表面的XRD分析结果可以看出，所生成少量金属氧化物主要是氧化铁，摩擦过程中可能还会有少量从材料中挤压出的石墨起到减摩作用。通过图7中的EDS元素分析可以看到，摩擦过程中，在对偶盘的表面有Mo、Ni元素的转移，这可能是摩擦过程中所生成润滑膜的主要成分，所生成的复合润滑膜附着在40Cr对偶钢盘表面，阻止了材料和对偶钢盘的直接接触，从而减小了磨损［19-20］。

图5 b和c材料在1m/s时的SEM典型磨损形貌 （a）b材料;（b）c材料Fig.5 SEM images of b and c showing the morphologies of the worn surfaces at 1m/s

图6 与Fe-Ni-5Mo-2C材料在0.5m/s下对摩后的对偶钢盘磨损表面XRD图谱Fig.6 XRD pattern of worn surface of 40Cr steel plate against Fe-Ni-5Mo-2C at 0.5m/s

图7 40Cr对偶钢盘表面元素的EDS分析Fig.7 EDS of worn surface on 40Cr steel plate

此外，随着速度增加，复合材料中的石墨受到挤压渗出，在一定程度上改善了材料的摩擦学性能，摩擦系数随速度的增加而减小;虽然材料的磨损量随速度增加而增大，但随着石墨添加量的增多，磨损量的增加幅度得到了控制（见图2、图3）。当石墨添加量达到3％时，虽然降低了摩擦系数和低速下的磨损率，但由于材料的力学强度降低了近9％，这也影响了材料在高速下的耐磨性。

4 结 论

1.通过粉末冶金模压烧结的方法，制备出了摩擦磨损性能较好的Fe-Ni-Mo-C自润滑材料，其中，在干摩擦，1m/s的条件下，自润滑材料的干摩擦摩擦系数达到了0.27，在摩擦速度为0.1～0.5m/s的条件下，磨损率达到了10-8cm3/N·m量级，属于轻微磨损。

2.随着摩擦速度的提高，铁基自润滑材料与40Cr钢盘对摩后的摩擦系数呈现降低的趋势，摩擦速度越高，摩擦系数降低的幅度就越大，而磨损率则随摩擦速度的增大呈升高的趋势。

3.石墨含量越高，材料的磨损率随速度变化的趋势就越小，磨损趋于稳定。

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Tribological Behavior of Iron-based Self-lubricating Composites Used in Industrial Maintenance-free Sliding plates

LI Yan-fen1，TAO Jin-cang1，ZHU Wen-wu2*，HEI Zhong-lei1
（1.Huanghe Jiaotong University，Automotive Engineering Institute，Zhengzhou 454950，China; 2.Chang’an University，Automobile School，Xi’an 710064，China）

Iron-based self-lubricating composites with varying element contents were fabricated by powder metallurgy technology.Tribological properties were investigated with a pin-on-disc tribometer at room temperature.The microstructure were analyzed by a metallography microscope.Scanning electron microscope（SEM）and X-ray diffraction（XRD）were utilized to characterize microstructure，morphologies and phase of the composites.The experimental results indicated that friction coefficient of Fe-based self-lubricating composites against 40Cr steel plate decreased after rubbed，and they belonged to the mild wear and the minimum reached the order of 10-8cm3/N·m at speed of 0.1m/s to 0.5m/s，the lowest friction coefficient of Fe-Ni-Mo-C self-lubricating composites against 40Cr steel was 0.27 at dry friction.Although the wear rised with speed，but it is very stable compared with the composite contained no graphite or lower graphite. Combined with friction coefficient，iron-based self-lubricating composites prepared by this technology showed excellent tribological performance at different friction speed.

fricton speed;powder metallurgy;self-lubrication;wear

TH117

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.031

1673-2812（2016）03-0486-06

2015-02-09;

2015-05-15

李炎粉（1981-），女，讲师，主要从事自润滑材料摩擦学及应用研究。E-mail：gjd0119@163.com。

朱文武（1987-），男，硕士，主要从事汽车零部件的应用研究。