锡青铜基自润滑材料的摩擦学特性研究

万方数据
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第 ?0 卷
复合固体润滑剂含量对复合材料材料力学性能的影响
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铜及其合金基自润滑复合材料是金属基自润滑 复合材料的重要组成部分， 是解决 7’’ G 8’’ 9 下工 ［"］ 业摩擦学问题的首选材料 : 其中的锡青铜具有优良 的机械性能、 抗氧化、 耐腐蚀与耐磨损等特性， 得到了 广泛的关注和应用 : 特别是以粉末冶金含油锡青铜E 石墨自润滑复合材料制作的轴承和轴瓦， 在室温贫油 润滑或无油润滑的条件下具有与偶件的磨合性好、 摩 擦系数低、 温升小及无污染等优点， 已广泛应用于纺
［!， (］ 织机械、 制药机械、 食品机械及汽车工业中 : 从材
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性能测试
采用 DE!’’ 型布洛维硬度计和 NOE"’ 型万能材 料试验机评价锡青铜E石墨E氧化物系自润滑材料的 机械性能， 高温机械性能测试均在给定温度下保温 "’ KP@ 后进行 : 摩擦磨损试验在栓E盘式高温试验机上进行， 其 中栓试样为所研制材料， 尺寸为!8 KK L "8 KK， 盘试 Q 样由硬度大于 (! !"# 的 78 钢制成， 其几何尺寸为! 速度 " K R S； 试验 78 KK L H KK: 试验负荷为 (F : ! &， 时间 " 5， 每间隔 8 KP@ 测量 " 次摩擦系数， 采用所测 摩擦系数的算术平均值作为本文摩擦系数值 : 磨损率 由下式计算得出： & （"） $% T " ) ・ ・ ’ ( # 式中： $% 为磨损率， "& 为试样试验前后的磨损质量 损失， 为试样密度， ’ 为滑动距离， ( 为负荷 : 对发 # 生增重的试样直接给出增重量 : 利用配有能量色散谱 （ U<?） 的 O?1E8H’’.# 型扫 描电子显微镜 （ ?U1） 分析观察复合材料的金相组织； 采用 ?U1 和 ; 射线衍射仪 （ ;*<） 对锡青铜E石墨E氧 化物系自润滑材料和 78 Q 钢盘的磨损表面进行形貌 和物相分析 :
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石墨相相对 或分散 F 当受到外力作用时，
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提高了润滑膜的耐磨性能 ’ 图 " 给出了 !"# $ 下 !" % 钢的磨损表面 +,- 图
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+,- ./012345 67 8639 .437:10 67 !" % .200; :2 !"# $ 图" 偶件 !" % 钢高温磨损表面 +,- 图谱
谱 ’ 可见， 转移膜的组成与室温时的不尽相同， 除基体 组元 E4、 还 含 有 CD=、 E4" F9G 和 石 墨 以 外， CD=> 和 但无 <9=> ’ E4= 在大约 >&# $ 以 E4= 等氧化物成分，
第 !" 卷 第 ! 期 !’’" 年 ( 月
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收稿日期： 修回日期： !’’’E’HE!F； !’’"E’"E"! R 联系人王静波 :
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结果与讨论
复合固体润滑剂含量对材料性能的影响 表 （" 和 !） 分别列出了几种锡青铜基自润滑材料
的物理机械性能和摩擦磨损性能 : 由表 " 可见： 随着
作者简介： 王静波， 男， 学士， 副研究员， 目前主要从事金属基自润滑复合材料的研究 : "FH7 年生，
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M(#$()*+& ") S=,M+*(,) (S +&#$&7"+=7& 试样 A C 的摩擦系数与磨损率随温度变化的关系曲线
化关系曲线 F 可以看出： 在给定的试验温度范围内， 随 着温度的升高， A C 试样的摩擦系数在室温到 211 @ 范围内呈Hale Waihona Puke Baidu慢升高趋势； 当温度高于 211 @ 时则呈下
2 52
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第>期
王静波等： 锡青铜基自润滑材料的摩擦学特性研究
II
降趋势； 在 !"# $ 下的摩擦系数比室温下的低； !% 试 样的磨损率随温度的提高呈上升趋势， 但在 &## $ 以 下时的增长速率较为缓慢； 与摩擦系数相对应， 当温 度高于 &## $ 时， 磨损率急剧增大， 出现明显的转折 % 点 ’ 因此可以认为， ! 试样除在 !"# $ 时的磨损率较 高外， 在室温至 !"# $ 之间表现出了良好的摩擦磨损 性能 ’ !’" 润滑机理 图 & 示 出 了 在 室 温 下 偶 件 !" % 钢 磨 损 表 面 的
固体润滑剂 （ ’!K） 含量的增加， 材料的硬度、 压缩强 度和压溃强度均呈下降趋势； 其中， 当固体润滑剂含 量最高 （对应 B C 试样） 时， 材料的压缩强度和压溃强 度与无固体润滑剂时相比均明显降低 F 结合表 ? 可以
表5 复合固体润滑剂含量对复合材料摩擦学性能的影响 "#$%& 5 ’((&)* +( ,+%-. %/$0-)#1* )+1*&1* +1 (0-)*-+1 #1. 6&#0 40+4&0*-&, +( )+24+,-*&,
偶件 !" % 钢室温下的磨损表面 +,- 图谱
在 !" % 钢磨损表面形成了一层 +,- 图谱 ’ 可以看出， 转移膜， 除此之外还出现了 <9=> 相 ’ 比较而言， <9=>
［!］ 在转移膜中较硬 ， 一方面可起到对转移膜的弥散强
化作用， 另一方面不能排除其可能的磨粒作用 ’ 图 ! 所示为与磨损表面相对应的 <?@ 二次电子像 ’ 可以
［"］ ， 但由于转移膜中不含硬质 上具有较好的润滑性
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相， 因此其耐磨性不佳 （见表 >） 由 !"# $ 磨损 ’ 另外， 表面的 <?@ 二次电子像 （图 H） 可见， 转移膜中不含
! 实验部分
!:! 材料制备 将锡青铜粉 （其组成的质量分数分别为 HI ?@， 余量为 AB） 、 石墨及氧化铅粉末按比 HIJ@， (I =>， 例 在 混 料 器 中 混 匀 后 在! ! ’ KK 的 钢 模 具 中 于 然 (’’ 1=2 的压力下压制成!!’ KK L !’ KK 的毛坯， 后在通氢气保护气氛的烧结炉中烧结制成样品， 烧结 温度 M(’ G MM’ 9 ， 保温时间 " 5 :
锡青铜基自润滑材料的摩擦学特性研究
王静波，吕晋军，宁莉萍，孟军虎
（中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 6(’’’’）
摘要：采用粉末冶金自由烧结工艺制备出锡青铜基自润滑复合材料， 对该类复合材料的力学性能与摩擦磨损特性进 行了研究， 从固体润滑剂角度就其室温与 78’ 9 自润滑机理进行了分析与探讨 : 研究结果表明， 该类材料在室温至 78’ 在室温下磨损表面形成的含石墨、 9 温度范围内具有良好的机械性能与摩擦磨损特性 : ;*< 分析结果显示： => 和 ?@-! 的复合膜是其具有润滑性能的主要原因； 在高温下则由石墨、 =>! -( 和 AB- 组成的复合膜起主要润滑作用 : 关键词：锡青铜；自润滑材料；摩擦学性能；固体润滑剂 中图分类号：)C (!8 : 7 文章标识码：D 文章编号："’’7E’8F8 （!’’"） ’!E’""’E’7
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<0169A:3B 0;012369 )5:*0 67 8639 .437:10 67 !" % .200; :2 !"# $ 偶件 !" % 钢高温磨损表面 <?@ 二次电子像
有磨粒状物质， 即在摩擦过程中的犁削作用很弱 ’ 从 粘着分量在摩擦过程中的 !"# $ 下的摩擦系数来看， 作用亦居于次要地位 ’ 事实上， 此时的主要磨损机制 是氧化磨损， 而 E4= 在转移膜中的出现是铜合金基
01H F 11 1 F B1 1 F 20 1 F A1 1 F ?1
2A F B1 G2 F ?1 GB F 21 E1 F 11 EA F B1
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!X; O"M3 )M"++&7&8 *#"4& (S A C M(#$()*+& 图0 试样 A C 的 !X; 背散射像
集中的区域可能成为优先发生变形的区域， 从而对强 度产生负面影响 F 根据以上分析不难理解， 复合固体润滑剂的加入 会导致复合材料的力学性能下降； 复合固体润滑剂的 加入量越高， 复合材料的强度损失越大 F 5F5 温度对材料摩擦磨损性能的影响 图 ? 示出了 A C 试样的摩擦磨损性能随温度的变
料设计角度对锡青铜进行力学与摩擦学性能的改性， 将有助于优化材料的性能并拓宽其应用范围 : 基于 此， 我们从固体润滑剂、 合金化元素和陶瓷颗粒强化 等 ( 个方面开展了相关的研究工作 : 本文报道以锡青铜为基体， 以具有协同减摩效应 的石墨与氧化铅复合物为固体润滑剂的锡青铜基自 润滑复合材料的摩擦学性能， 并分析与讨论复合固体 滑剂的含量对自润滑复合材料机械性能的影响机制 及其自润滑机理 :
L(+&： U,M7&#&,+ (S 8*)3 *) 0 V G #4F 注： 试盘增重为 0 V G #4F
发现， 固体润滑剂可以改善锡青铜基自润滑复合材料 的摩擦磨损性能尤其是室温下的磨损性能 F 比较可 见， 固体润滑剂可使锡青铜基自润滑复合材料在室温 下的磨损率降低 2 个数量级 F 例外的是锡青铜基自润 滑复合材料在 AB1 @ 下的磨损率并未因固体润滑剂 的加入而得到降低， 尽管相应的摩擦系数与不含固体 润滑剂的材料相比明显较低 F 总体而言， 以部分牺牲 复合材料的强度为前提可获得一定程度的自润滑性 图 0 示出了其经 01Q V 0BQ ’7W2 能 F 以 A C 试样为例， 水溶液 / 6’% 溶液 （0 V ? 滴） 腐蚀后的 !X; 背散射像 F 其中， 灰色的连续组织为 ’=J!, 合金基体， 黑色不连 续的片状组织为石墨相 F 由于片状的软质石墨相在与 基体的界面处存在尖角， 容易产生应力集中， 从而对 材料的力学性能产生不利影响 F 从图 0 可见， 白色组 织多分布于基体与石墨相的界面附近， 由此间接地证 明了基体与石墨相的界面附近存在高活性区 F 石墨相 对复合材料力学性能的另一个不利影响在于石墨相 万方数据 的尺寸不均匀， 结果使得某些区域内石墨相相对集中