石墨和MoS2对AerMet100基复合材料摩擦学性能的影响

苟 州， 李长生， 张 号， 季琳琳

(江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江 212000)

0 前 言

AerMet100钢是一种综合性能优异的新型超高强度钢，具有高强度硬度、高断裂韧性、优异的抗应力腐蚀开裂性能和抗疲劳性能，在工业生产中有着广泛的应用[1-3]。但是作为齿轮、轮轴和曲轴等传动件使用时，则需要改善其摩擦学性能。近年来，许多研究者在金属基体材料中添加固体润滑剂，采用粉末冶金工艺制取摩擦学性能优异的复合材料。研究发现，在摩擦副的作用下固体润滑剂会在材料表面形成润滑薄膜[4-6]，可以有效降低材料在使用过程中的摩擦损耗，延长零件服役寿命。石墨和MoS2的晶体结构相似，润滑机理相近，摩擦系数低，具有优异的摩擦学性能，常作为固体润滑剂用于制备金属基自润滑复合材料[7-10]。Skarvelis等[11]使用MoS2制备了具有优良摩擦学性能的自润滑涂层。朱和明等[12]通过在TA7钛合金涂层中加入石墨，显著改善了合金的耐磨性能; 当石墨浓度为3 g/L时，涂层摩擦系数保持在0.15以下，表现出良好的减摩特性。Ren等[13]在酚醛复合材料中添加石墨，显著降低了材料的摩擦系数和磨损率。

综上可知，国内外学者对于石墨和MoS2的摩擦学性能进行了广泛研究，但多数是以涂层为研究对象，将石墨和MoS2作为固体润滑剂方面的研究需要加深。此外，关于提高AerMet100钢基复合材料摩擦学性能的研究匮乏，研究石墨和MoS2在常温下对AerMet100基复合材料的摩擦磨损机理十分必要。本工作以AerMet100钢粉末为基体，以石墨和MoS2为固体润滑剂，并同时添加一定的Cu粉，发挥合金元素的复合强化效果，提高材料的综合力学性能，采用粉末冶金工艺制备石墨/MoS2/AerMet100复合材料，分析比较不同含量的石墨和MoS2对AerMet100基复合材料密度、孔隙率、硬度和摩擦学性能的影响，研究石墨和MoS2的协同润滑作用和相应减摩耐磨机理，为进一步改善AerMet100基复合材料的摩擦学性能和扩大其工业应用范围提供参考。

1 试 验

1.1 复合材料制备

AerMet100钢化学成分(质量分数，%)如下：C 0.210～0.250，Co 13.000～14.000，Ni 11.000～12.000，Cr 2.900～3.300，Mo 1.100～1.300，S+P≤0.005，Fe余量。AerMet100钢粉末的纯度>99%，粒度为200目；MoS2的纯度>99%，粒度为200目；鳞片石墨的纯度>99%，粒度为200目；Cu粉的纯度>99%，粒度为200目。总共设计5组配方如表1所示。

表1 石墨/MoS2/AerMet100复合材料成分配比(质量分数) %

按表1的成分配料，将称量好的原料放入球磨罐中，球料比为10∶1，罐内加入适量无水乙醇，抽真空并充入氩气，防止原料在球磨过程中被氧化，在行星式球磨机上以400 r/min的频率间隙球磨12 h。球磨后的粉末在75 ℃下真空干燥7 h，将干燥后的粉末充分研磨。将研磨均匀的粉末放入模具中，在小型液压机下以500 MPa压力压制，保压时间为3 min，压制成圆盘(φ25 mm)。将圆盘置于管式炉中烧结，在烧结过程中，不断通入氩气以防止试样氧化，烧结温度为1 150 ℃，保温时间为1.5 h，随炉缓冷至室温。将烧结后的试样经砂纸打磨、抛光和超声清洗后即得到所需待测试样。

1.2 测试分析

2 结果与讨论

2.1 复合材料微观组织和物相

图1是试样A1,A3,A5在1 150 ℃下烧结1.5 h所得复合材料的XRD谱。从图中可以看出，在氩气气氛下，经高温热烧结后的复合材料，未被氧化。其主峰均为铁基固溶体(Fe - Ni - Cr - Cu)且峰形尖锐，说明高温烧结促进了晶粒的增长。其中铜的加入起到沉淀硬化的作用，提高复合材料强度；在烧结过程中Cu与Ni形成Ni - Cu固溶体，近似于蒙乃尔铜结构，能进一步提高复合材料的强度和冲击韧性[14]。在烧结过程中部分石墨会与Fe，Mo，Mn等合金元素反应生成碳化物(MxCy)硬质相，碳化物的弥散分布有利于提高复合材料的强度和承载能力。在高温烧结过程中，一部分MoS2稳定存在于复合材料中，另一部分发生分解，与材料中的Cr，Fe，Co等合金元素反应生成FeS和CrxSx+1等硫化物。这些硫化物易于变形，是良好的润滑剂，在载荷的作用下，可以在摩擦副和材料的接触面形成均匀致密的润滑膜，有效降低复合材料的磨损率和摩擦系数，提升材料的摩擦学性能。

图2是烧结后试样的组织结构分布图，白色物质为合金基体，黑色物质主要是未反应的固体润滑剂、碳化物、硫化物和气孔。可以看出随着石墨含量的增加，复合材料孔隙率增大，致密度减小，当石墨含量为8.0%时，材料组织疏松，结构不规则，且黑色物质团聚严重，割裂了复合材料的基体连续性，导致复合材料力学性能下降。随着MoS2的添加，复合材料组织结构变得均匀且呈网状分布，如试样A4。但是当MoS2的含量达到8.0%时，也会产生黑色物质团聚的现象，这是因为尽管MoS2与金属对偶表面的亲和力要强于石墨[15]，但是当过量加入MoS2时，其在复合材料中的体积分数增大，阻隔了合金元素之间的扩散反应，破坏了合金基体的连续性，降低了复合材料的力学性能。

2.2 复合材料物理与力学性能

表2为复合材料的物理和力学性能。从表2可以看出随着石墨含量的增加，复合材料的孔隙率先下降后上升，其密度和硬度均先上升后下降，这是因为石墨与金属基体的融合性差，其中一部分以不连续的游离态存在，阻碍了强化相在金属基体中的弥散分布，影响了金属原子的扩散，削弱了金属键的结合作用，使得复合材料的结合性和连续性变差。随着MoS2的逐量添加，复合材料的孔隙率先下降后上升，硬度和密度先上升后下降。这是因为MoS2与金属对偶表面的亲和力比石墨高，在烧结过程中MoS2中的硫元素会与金属元素反应，生成CrxSx+1和FeS等硫化物润滑相。特别是在高温烧结时，原子间的扩散剧烈，晶界结合强度提高，进一步促进元素之间的扩散，使得生成的强化相和润滑相能均匀分布在金属基体中，复合材料的致密性提高，密度增大，力学性能提高[16]。

表2 石墨/MoS2/AerMet100复合材料的物理和力学性能

2.3 复合材料摩擦学性能

图3是石墨/MoS2/AerMet100复合材料摩擦系数和磨损率。可以看出在一开始时，摩擦系数都较大且不稳定，这是因为在最初的磨合期，试样直接与摩擦副碳化钨钢球相接触，接触面润滑剂少，摩擦学性能差。随着碳化钨钢球与试样对磨时间加长，摩擦系数开始降低且趋于稳定，进入了稳定摩擦磨损期。这一阶段，在摩擦副的碾压下，钢球和试样接触面的润滑剂向外挤出而形成连续光滑的润滑膜，减少了碳化钨钢球和复合材料的直接接触，降低了材料的摩擦系数和磨损率，提高了复合材料的摩擦学性能。当石墨的含量为8.0%，MoS2的含量为0时，复合材料的摩擦系数和磨损率最高，分别为0.34和 4.28×10-5mm-3/(N·m)，摩擦学性能较差。随着石墨含量降低、MoS2含量相应增加时，复合材料的摩擦系数和磨损率都呈降低的趋势，这也反映在实际摩擦试验过程中，磨痕变浅变窄，磨屑减少。特别是当添加6.0%MoS2和2.0%石墨时，复合材料的摩擦系数和磨损率均达到最小值分别为0.17和1.21×10-5mm3/(N·m)。但是当石墨的含量为0，MoS2的含量为8.0%时，复合材料的摩擦系数和磨损率又开始变大，这表明当协同使用石墨和MoS2作为固体润滑剂时，复合材料的摩擦学性能较好。

图4是各试样的磨痕形貌，试样A2，A4磨痕所选区域的EDS谱见图5。从图4a可以看出，在摩擦过程中，接触面产生严重的塑性变形，形成了深且多的犁沟和凹坑，并伴有明显断裂的现象，表现为严重的氧化磨损、黏着磨损和疲劳磨损。这是因为当与金属对偶表面亲和力较差的石墨含量过高时，其所在复合材料中的体积分数增大，破坏了复合材料基体的连续性，使得复合材料的力学性能下降，不能对润滑膜起到有效的支撑作用，润滑膜在摩擦副挤压下断裂，复合材料的摩擦学性能不好[17]。从图4b可以看出，随着MoS2的添加，试样磨痕变浅，凹坑变少变浅，犁沟和堆积现象有明显的减弱，疲劳磨损和黏着磨损程度降低。从图5a可以看出，磨痕区氧元素含量高，说明在摩擦过程中有氧化磨损。图4d为添加6.0%MoS2和2.0%石墨试样的磨痕形貌，整个磨痕表面较为平整，没有明显的犁沟、凹坑和磨屑的堆积，此时仅表现为轻微的磨粒磨损。从图5b可以看出，S，Fe，Cr等元素的含量较高。这是因为在摩擦过程中，CrxSx+1和FeS等硫化物在碳化钨钢球的挤压下，逐渐向摩擦接触面聚集。随着时间的延长，这些硫化物和润滑剂的聚集量不断增多，最终形成连续稳定的润滑膜。石墨与Fe，Mo，Mn等合金元素反应生成碳化物硬质相，这些碳化物弥散分布在基体材料中，提高了材料的强度，对润滑膜起到良好的承载作用，使得润滑膜能稳定存在并持续发挥润滑作用。在硫化物润滑相和碳化物硬质相的共同作用下，复合材料具备最好的摩擦学性能。当仅含8.0%MoS2时，试样磨痕区的犁沟加深，部分润滑膜在不断的压磨过程中破损被拉出而留下凹坑，表现为磨粒磨损和黏着磨损，摩擦学性能下降。这主要是因为MoS2含量较高时，其所占体积分数增大，试样的组织变得疏松，硬度降低，基体对润滑膜的承载作用降低，润滑膜在反复压磨过程中，发生破裂，难以在试样与碳化钨钢球的接触面形成连续有效的润滑膜，其摩擦学性能降低[18]。

3 结 论

(1)采用粉末冶金法制备了石墨/MoS2/AerMet100复合材料。石墨的过量添加会损坏基体组织的连续性，降低复合材料的力学性能和摩擦学性能。

(2)协同使用MoS2和石墨作为固体润滑剂，能有效提高AerMet100基复合材料的摩擦学性能。当添加6.0%MoS2和2.0%石墨时，复合材料的摩擦系数为0.17，磨损率为1.21×10-5mm3/(N·m)，复合材料具有最佳摩擦学性能。

(3)石墨/MoS2/AerMet100复合材料在高温烧结过程中，会生成硫化物润滑相和碳化物硬质相。在摩擦过程中，硫化物协同润滑剂在接触面聚集并形成连续稳定的润滑膜，起到良好的润滑作用。硬质相碳化物的弥散分布不仅能提高材料的力学性能，加强基体对润滑膜的承载作用。