石墨对几种自润滑材料性能的影响

石墨对几种自润滑材料性能的影响

摘要：石墨作为润滑剂，因为具有优良的性能，在不同的基质中加入石墨，在一定程度上改变了材料的耐高温性能、耐冲击性能、耐磨擦性能等。Ni-石墨合金具有良好的塑性变形，可以轧制成薄板材料；碳纤维增强Cu/Ti3SiC2中，随着复合材料内碳纤维的体积含量增加，磨损系数减小，磨损率也下降；石墨颗粒在铜基自润滑材料中，石墨颗粒分布越均匀，越有利于降低摩擦系数；石墨在热喷涂耐磨材料中含量越高，提高了材料的耐磨性。在介绍石墨与几种材料作用的机理的同时，说明了石墨的具体应用，使材料能在更广泛的范围内使用。

关键词：石墨自润滑摩擦耐磨性性能

前言

由于机器零件磨损所造成的直接与间接损失十分惊人，磨损使零件的配合间隙增大，导致机器的精度下降、效率降低，最后使机器丧失工作能力。机器的早期失效或突然事故，常常会引起工厂全部或局部停产，造成巨大的经济损失,这样就必须在机器服役期间进行设备维修和制造大量的备件，因此浪费了许多人力、物力和时间由此可见，机器零件的摩擦与磨损，实是构成能源与材料大量损耗的主要因素。因此，防止活动接头的摩擦和磨损损失，是现代机械制造业的重要任务，引起了世界各国科学工作者的兴趣。

根据所有这些情况，对减摩材料提出了在不同的具体条件下使用的要求。为保证减摩材料在预定条件下的使用寿命，材料应具有确定的性能。另外，减摩材料还应具备一般减摩材料都应具备的其它性能。这些性能是:摩擦系数低，耐磨性高;最佳的体积强度和表面强度，从而把表面层的高强度与摩擦偶件的易磨合性结合起来;有足够的韧性，没有脆性断裂的可能性;疲劳强度高;有构成二次组织层的能力，以便提高摩擦材料表面的抗咬合性;有足够的导热率和最佳的热胀系数;材料中贮存着固体或其它润滑剂;制造中的经济效果和工艺性好。

1 自润滑材料的滑动摩擦特性和自润滑机理

1）滑动摩擦特性：滑动摩擦特性的曲线图分为三个阶段，du/dn<0,表明随滑动摩擦的进行，摩擦系数降低，其实质是自润滑材料向摩擦表面供油的能力逐步提高，是自润滑开始工作阶段。Du/d n→+0,表明随摩擦的进行，摩擦系数变化很小，自润滑进入稳态，是自润滑稳态工作阶段。Du/dn→∞,表明随摩擦的进行，摩擦系数急剧升高，自润滑稳态工作状态被破坏，而材料丧失自润滑能力后，摩擦将变成干摩擦，是自润滑失稳向干摩擦过渡阶段。

2）固体滑动摩擦自润滑机理：指利用固体材料来减少构件之间接触表面的摩擦与磨损的润滑方式。而自润滑材料是具有固体润滑的性能。

2 石墨的性能

石墨具有以下优良的性能：

1）柔软而容易滑动，也就是具有良好的润滑性。因为不同碳层之间仅存在范德华力结合，所以石墨容易沿着与层平行的方向滑动开裂，具有良好的润滑性；

2）是化学上非常稳定的物质，几乎不受所有有机溶剂、腐蚀性化学品的侵蚀，还具有不受很多熔融金属或玻璃浸润的特点。在固体材料的形式下，也只有石墨及其混合物能适用于各种用途；

3）无毒廉价。石墨是非常稳定的物质，对生物细胞没有毒性，石墨不妨碍健康，因而便于在工业上使用；

4）耐高温。石墨的耐热性，在氧化环境气氛下于550℃左右开始旺盛。然而，在还原气氛和真空中则被熔化，并具有到3400℃的耐热性，因而适用于作高温润滑、脱模剂以及耐火材料等；

5）热和电的良导体；

6）热膨胀系数非常小。

3 Ni-石墨固体自润滑材料

1) 熔炼法制备的Ni-3.5%C合金具有较好的塑性变形能力,室温三点弯曲实验中均可压成近V字型而不发生脆性断裂,延伸率达到了工业用结构材料的要求。经球化处理的合金塑性有所改善；

2) Ni-3.5%C合金在850℃经反复热锻打变形后,可以轧制成薄板材料,压缩变形量达到75.8%。变形后的薄板材料经退火处理后,沿纤维方向的抗拉强度有所提高,韧性则降低；

3) 片状石墨在挤压变形过程中通过沿应力取向的转动、石墨内部断面间的相对滑动以及石墨片之间的相互桥接形成纤维状组织;球状石墨在受到挤压变形时,沿枝晶间的晶界发生了破裂,并随着金属基体的塑性流变及破断晶面间的相对滑动逐渐伸长。

4 碳纤维（C）增强Cu/Ti

3SiC

2

自润滑复合材料

1）导电、导热性能：无论何种分布方式，导电性能都随碳纤维含量的增加而下降;同体积分数的炭纤维，不同的炭纤维分布方式其导电率的规律为:长碳纤维单向分布，沿纤维方向电导率最高，垂直纤维方向导电率最低，二者相差数倍，碳纤维网状分布，平行纤维方向不及单向分布纵向电导率高，而垂直方向二者相等。碳纤维涡卷状分布与单向复合材料横行排列类似，二者电导率相差不大，短碳纤维任意分布的复合材料，电导率较低，但各向同性性能在某些方面使其成为优选材料；

2）摩擦、磨损性能：在磨损初期脱落的主要是铜基体，随着滑动距离的增加，碳纤维逐渐失去基体的支撑而粘附于基体和试环上，形成具有润滑作用的炭膜，摩擦由金属一金属磨损向碳一碳和金属一碳磨损过渡，由于碳纤维的加人，使材料具有自润滑性，因此，随着复合材料内碳纤维的体积含量的增加，磨损系数减小，磨损率也下降。

5 石墨对铜基自润滑材料室温摩擦模塑性能的影响

1）石墨对室温力学和摩擦磨损性能的影响：复合材料的密度、硬度、强度及冲击韧性等物理机械性能均随着石墨含量的增加而降低。与此同时，石墨颗粒可以改善复合材料的减摩性能，石墨含量越高，复合材料的摩擦系数和磨损体积损失越小。但当石墨含量超过8%时，虽然摩擦系数进一步减小，但复合材料的磨损体积损失因强度过低反而增大。因此，应当根据具体的工况条件确定复合材料中石墨颗粒的含量，以达到强度与润滑性能的组合平衡；

2）石墨粒度对室温力学和摩擦磨损性能的影响：当石墨含量均为8%时，复合材料在室温下的密度、硬度、冲击韧性和压溃强度均随着石墨粒度的增大而提高，而磨损体积损失随着石墨颗粒度的增大而减小。铜基石墨自润滑复合材料的强度主要取决于铜合金基体，当石墨含量一定时，石墨粒径越小，其颗粒数量越多，表面积越大，材料中的孔隙就越多，承受外力的有效横截面积减少，故材料的强度降低。当石墨颗粒较大时，有利于铜合金基体形成连续的网络骨架，缺陷减少，故材料的整体强度、硬度和韧性得到提高。复合材料中的石墨受摩擦挤压及热的作用不断向表面提供润滑介质，在相对滑动界面形成较为稳定的润滑膜，并靠本身的“自耗”来不断补充和提供固体润滑剂、修复被撕裂或划伤的润滑膜，从而起到减摩作用。石墨颗粒越小，其在铜合金基体中的分布越均匀，越有利于向摩擦界面提供润滑介质并形成更完整的润滑膜，故减摩自润滑，效果更好、摩擦系数更低。

6 石墨对青铜基热喷涂自润滑涂层摩擦学性能的影响

1）石墨的加入使青铜一石墨热喷涂自润滑涂层的硬度有所降低，但减小了涂层的摩擦因数。适量的石墨使涂层的摩擦学性能有明显改善。石墨含量为6%的涂层综合摩擦学性能最优；

2)干摩擦条件下，涂层与GCr15钢对磨时的主要磨损机理为粘着磨损和犁削。石墨含量较高时由于对涂层强度削弱较大，还会发生磨粒磨损；