李文蓮

（山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253072）

0 引言

機(jī)床零件在長(zhǎng)時(shí)間的使用中，會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損和腐蝕，其表面的磨損、腐蝕不但會(huì)影響到機(jī)床的正常使用，還會(huì)對(duì)零件的維修和維修產(chǎn)生不利的影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械部件主要有磨損、斷裂和腐蝕三種類型，其中磨損失效占60%～80%，磨損是一個(gè)非常重要的問題，為了防止磨損和腐蝕，現(xiàn)在通常采取表面保護(hù)措施來延緩和控制磨損。因此，研究摩擦機(jī)理及改善摩擦磨損的方法，可以有效地改善設(shè)備的使用性能、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，從而達(dá)到降低設(shè)備損耗的目的[1]。

復(fù)合材料是由一種材料作為基質(zhì)，再選擇一種或多種強(qiáng)化材料作為潤滑劑添加到其中而形成的一種復(fù)合型材料。其基質(zhì)材料和潤滑劑材料之間在性能上能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提高整個(gè)復(fù)合材料的綜合性能。復(fù)合材料的基質(zhì)材料主要有兩種：一種是金屬，另一種是非金屬。常用的金屬基質(zhì)有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基材有：合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能，尤其是其可設(shè)計(jì)性，在航天、國防、交通、體育等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

鐵基復(fù)合材料具有較高的剛度、高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)異性能[2]。鐵基粉末冶金零件在1050～1200℃燒結(jié)溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生液相，從而促進(jìn)燒結(jié)。在鐵基粉末冶金材料中加入合金元素可以大大提高材料的性能，常用合金元素為Mo，Ni，Cu，C等[3]。Mo是一種碳化物形成元素，常用于金屬石墨基體中添加元素，Mo能穩(wěn)定α-Fe，縮小γ-Fe相區(qū)，有利于鐵的擴(kuò)散，并易于與碳反應(yīng)生成碳化物，起到細(xì)化珠光體組織、提高珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的作用。Mo碳化物具有較高的強(qiáng)度和硬度，可強(qiáng)化基體，提高耐磨性[4]。有文獻(xiàn)資料顯示，在Fe-石墨材料中加入5%～20%的Mo，對(duì)其機(jī)械性能和摩擦磨損性能有明顯的影響，可以改善其減摩性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。而鐵基材料中添加石墨可以增加其減磨性能，同時(shí)使材料的減震性、耐蝕性和抗氧化性都得到一定程度的提高。由于其是形成鐵基合金材料的基本元素，所以材料中石墨含量的微小改變都會(huì)影響到鐵基材料的組織和性能。

以鐵為基體，以鉬為強(qiáng)化元素，以石墨為潤滑相，制備了Fe-5Mo-1.0Gr、Fe-5Mo-2.2Gr和Fe-5Mo-3.5Gr三種Fe-Mo-石墨自潤滑材料，并探討了Mo和石墨對(duì)材料金相組織、磨損率及摩擦性能的影響。

1 測(cè)試

1.1 試驗(yàn)原料

原料選用粒徑100目、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.01%的還原鐵粉，粒度250目、純度大于99.5%的鉬粉，325目石墨、99%以上的純度。

1.2 樣品準(zhǔn)備

采用精度為0.1 mg的精密電子天平秤稱取各原材料并置于三維混料器中混合均勻，取出后放置于60 t液壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓強(qiáng)大小保持450 MPa～500 MPa。壓制時(shí)間為10 min。脫模后放置在氫氣保護(hù)的管式電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度保持在1050℃～1100℃，保溫30 min～50 min后隨爐冷卻，然后將燒結(jié)完成的樣品在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下進(jìn)行淬火處理，保持溫度870℃，持續(xù)半小時(shí)后抽冷，隨后進(jìn)行回火處理，保持溫度180℃，持續(xù)0.5 h后自然冷卻。制備材料成分表見表1。燒結(jié)曲線如圖1所示。

表1 試驗(yàn)材料成分（%）

圖1 樣品燒結(jié)溫度曲線圖

1.3 性能測(cè)試

將燒結(jié)并冷卻后的試驗(yàn)樣品切割為Φ5 mm×18 mm大小，將其斷面進(jìn)行拋光后放在栓盤式摩擦機(jī)上測(cè)定其摩擦系數(shù)和磨損性能，對(duì)偶盤采用40Cr鋼盤，材料組成成分0.37%～0.44%的碳，0.17%～0.37%的硅，0.5%～0.8%的錳，0.8%～1.1%的鉻，并保持硫元素成分不大于0.035%，磷元素不大于0.0.5%，鎳元素成分不大于0.03%，銅元素含量不大于0.03%，其余為鐵。對(duì)偶盤尺寸為Φ45 mm×5 mm，表面粗糙度約為0.8μm，表面硬度為30洛氏硬度。

摩擦試驗(yàn)條件為：材料負(fù)荷20 N并保持室溫條件下摩擦20 min，摩擦速率從0.2 m/s遞增到0.8 m/s。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)保持每隔6 s采集一個(gè)摩擦系數(shù)并將所有摩擦系數(shù)取算術(shù)平均值，以此作為一次摩擦試驗(yàn)的平均摩擦系數(shù)。隨后用精度為0.1 mg的精密電子天平秤稱取樣品摩擦完后的質(zhì)量損失，再根據(jù)單位載荷和單位距離下的磨損體積計(jì)算獲得其磨損率。材料抗壓程度根據(jù)國際GB/T10424-2002標(biāo)準(zhǔn)采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。試樣浸泡在4%硝酸和96%的無水乙醇混合溶液當(dāng)中，其微觀組織樣貌采用金相電子顯微鏡（ZesisImagerA2m）進(jìn)行觀察，摩擦表面形貌采用光學(xué)三維掃描儀（REVSCAN）進(jìn)行三維分析，制備材料和對(duì)偶面磨痕通過JSM-5600型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，摩擦層組成成分采用X射線衍射儀（XRD，D/MAX-2400）進(jìn)行分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 微觀組織結(jié)果與分析

Fe-5Mo-1.0Gr材料的金相組織為鐵素體連續(xù)相，其中夾雜少量珠光體、石墨及孔隙（黑色區(qū)域）;Fe-5Mo-2.2Gr材料的金相組織為針葉狀珠光體形成連續(xù)相，鐵素體、孔隙及少量石墨分散于基體中，珠光體呈片狀，滲碳體厚度較小，晶粒較細(xì)；Fe-5Mo-3.5Gr材料中主要觀察到三種組織成分：淺色區(qū)域的鐵素體、深灰區(qū)的珠光體和少量黑色石墨顆粒，各相分布均勻。Mo是形成強(qiáng)碳化物的元素，它與碳的結(jié)合能力比鐵強(qiáng)，含量高時(shí)容易形成某些特殊的碳化物，如果仍然存在多余的碳，則形成珠光體。同時(shí)添加Mo以及珠光體的出現(xiàn)不利于游離石墨的生成，是該材料摩擦系數(shù)高的主要原因。通過對(duì)Fe-5Mo-3.5Gr的XRD分析，發(fā)現(xiàn)Fe-5Mo-3.5Gr主要生成Fe3Mo金屬間化合物、Mo2C、Fe2MoC、Fe2MoC以及少量游離石墨見圖2。表2列出了不同石墨含量的鐵基自潤滑材料密度及力學(xué)性能。隨著石墨加入量的增加，材料的硬度、抗壓強(qiáng)度也隨之提高。主要原因是石墨含量越高，F(xiàn)e2MoC沉淀強(qiáng)化相及珠光體越多，基體強(qiáng)度越高，硬度越高。圖3為三種鐵基自潤滑復(fù)合材料的金相組織圖。

圖2 Fe-5Mo-3.5Gr的XRD圖譜

圖3 三種材料金相組織

表2 Fe-Mo-石墨自潤滑材料的密度和力學(xué)性能

2.2 摩擦磨損特性的分析

圖4是三種材料與摩擦率的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，隨著摩擦速率的增加，三種材料的摩擦系數(shù)都增加，但是Fe-5Mo-2.2Gr材料和Fe-5Mo-3.5Gr材料的摩擦系數(shù)增加幅度，大于Fe-5Mo-1.0Gr材料，這可能是由于珠光體在燒結(jié)后表面形成的數(shù)量不同導(dǎo)致的。

圖4 摩擦速率對(duì)3種鐵基材料平均摩擦系數(shù)的影響

另外，當(dāng)石墨含量為1.0%時(shí)，其摩擦系數(shù)比其他兩種材料穩(wěn)定。隨著石墨用量的增加，材料和40Cr鋼盤的摩擦系數(shù)沒有明顯降低，說明石墨不能降低摩擦系數(shù)。圖5是不同摩擦率下3種材料的磨損率。結(jié)果表明，隨著摩擦速率的增加，F(xiàn)e-5Mo-1.0Gr材料的磨損率隨摩擦速度的增加而增加，而其他2種材料的磨損率總體趨勢(shì)是隨著摩擦速率的增加而降低。當(dāng)摩擦速度大于0.5 m/s時(shí)，磨損率達(dá)到10～8 cm3/N·m，磨損率隨燒結(jié)材料中石墨添加量的增加而降低。結(jié)果表明，珠光體與金屬碳化物的協(xié)同作用使其具有較好的耐磨性。結(jié)合圖2，F(xiàn)e-5Mo-1.0Gr材料的微觀組織為鐵素體為主，鐵素體的強(qiáng)度和硬度較低，但韌性和塑性較好，耐磨性較差。而Fe-5Mo-2.2Gr、Fe-5Mo-3.5Gr材料組織以珠光體為主，其力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，具有較高的強(qiáng)度和較高的硬度，可改善組織的耐磨性。當(dāng)摩擦率為0.8 m/s時(shí)，F(xiàn)e-5Mo-2.2Gr材料的磨損率比Fe-5Mo-3.5Gr材料的磨損率低（見圖5），這可能與FM-2.2Gr材料中的珠光體層間距小有關(guān)，珠光體越細(xì)，耐磨性越好。

圖5 摩擦速率對(duì)3種鐵基材料磨損率的影響

2.3 摩擦片磨損表面形貌及成分分析

圖6為以0.8 m/s摩擦率的40Cr盤與3種鐵基材料進(jìn)行研磨后的三維形貌。研究結(jié)果表明，F(xiàn)e-5Mo-1.0Gr材料在摩擦過程中出現(xiàn)粘著和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，這與材料的硬度低有關(guān)，由于基體是鐵素體為主相，使材料具有較好的塑性和韌性，但硬度較低，從而導(dǎo)致摩擦施壓時(shí)產(chǎn)生粘附作用。如圖6b、c所示，隨著碳含量的增加，珠光體數(shù)量增加，強(qiáng)化相增多，材料強(qiáng)度提高。

圖6 三種材料與40Cr對(duì)磨后三維圖

圖7為不同速率下40Cr鋼圓盤和Fe-5Mo-3.5Gr.材料的典型SEM形貌。結(jié)果表明，在不同摩擦速率條件下，F(xiàn)e-5Mo-3.5Gr.材料的磨損機(jī)理不同。當(dāng)摩擦速度為0.2 m/s時(shí)，由于摩擦速率較低，材料中Mo與石墨形成Fe2MoC，使材料硬度提高，形成硬質(zhì)點(diǎn)，摩擦?xí)r摩擦對(duì)偶鋼片，產(chǎn)生輕微犁溝。當(dāng)摩擦速度為0.5 m/s時(shí)，磨損機(jī)制主要是粘著磨損，當(dāng)材料與對(duì)偶接觸面積達(dá)到足以承受外載荷時(shí)，鋼片與材料相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，界面膜破裂在接觸處形成“冷焊”接點(diǎn)，持續(xù)滑動(dòng)會(huì)使接觸點(diǎn)斷裂，形成新的接觸點(diǎn)，轉(zhuǎn)移氧化物以層狀附著于圓盤表面，形成轉(zhuǎn)移氧化層，阻止栓塞直接接觸，減少磨損，符合圖5所示材料的磨損。當(dāng)摩擦速度達(dá)到0.8 m/s后，硬點(diǎn)與對(duì)偶盤相互作用，產(chǎn)生摩擦磨損，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損，磨粒磨損是多種磨損機(jī)制共同作用的結(jié)果。

圖8為用Fe-5Mo-3.5Gr.材料制作的40Cr鋼盤表面XRD圖譜。結(jié)果表明，F(xiàn)e-5Mo-3.5Gr.材料與40Cr對(duì)偶鋼盤進(jìn)行研磨，得到的主要產(chǎn)物為Fe，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e3O4。起主要潤滑作用的是Fe2O3，F(xiàn)e3O4，它不具有潤滑作用，但是與Fe2O3混合后，它能增強(qiáng)粘著基體的能力，防止磨損加劇[5]。

圖7 不同摩擦速率下形貌

圖8 Fe-5Mo-3.5Gr.與40Cr對(duì)磨后XRD圖譜

3 結(jié)語

根據(jù)觀察分析發(fā)現(xiàn)Fe-5Mo-2.2Gr.和Fe-5Mo-3.5Gr.這兩種材料的耐磨性比Fe-5Mo-1.0Gr.耐磨性更加優(yōu)良，其原因是隨著石墨含量的增多，材料中自身生成的珠光體和Fe2MoC也更多，這兩種物質(zhì)能夠強(qiáng)化復(fù)合材料基體，從而提高材料的耐磨性。

通過觀察發(fā)現(xiàn)在三種不石墨含量的鐵基自潤滑復(fù)合材料當(dāng)中，F(xiàn)e-5Mo-1.0Gr.材料的組織是以鐵素體為主的連續(xù)相，它的摩擦系數(shù)經(jīng)過測(cè)定較為穩(wěn)定但磨損量大，而Fe-5Mo-2.2Gr.和Fe-5Mo-3.5Gr.材料的組織是以珠光體為主的連續(xù)相，它的摩擦系數(shù)隨著摩擦速率的增大而增大，但整體磨損量小且無視摩擦速率的變化，其磨損率均保持在10-7cm3/N·m～10-8cm3/N·m之間，均屬于輕微級(jí)磨損。

在整個(gè)摩擦過程當(dāng)中，隨著石墨含量的增加，材料摩擦系數(shù)的增大，磨損率反而逐漸降低。