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1、石墨在热喷涂耐磨材料中的自润滑机理许德强,杨宏伟金属热处理http://www.sunspraying.com/摘要:通过对铜基热喷涂耐磨材料铜镍铝-石墨(CuNiAl-C)进行摩擦磨损试验研究以及表面形貌观察,发现在热喷涂料中加入石墨可以有效减小铜镍铝材料的摩擦系数,增加材料的耐磨性以及减小对偶件的磨损。本试验中石墨含量为6%时,该材料的综合摩擦性能最好。关键词:石墨;热喷涂;摩擦磨损;自润滑1 引言目前,自润滑减摩材料常用热喷涂粉末冶金、铸造和镶嵌的方法来制取。另外,还有利用粘接办法在表面形成起减摩作用的固
2、体润滑膜,以及利用挤压、擦入、溅射和离子镀膜的方法来赋予材料表面自润滑性能[1]。而利用热喷涂方法来制造金属基自润滑材料的研究开展得还比较少。随着热喷涂技术的推广与应用,热喷涂自润滑材料的研究会越来越重要。对于铜基摩擦构件而言,虽然在润滑条件比较好的情况下,具有高的承载能力和抗磨损性能,但在许多润滑条件不良,甚至是干摩擦的情况下,由于材料本身的性能差,往往造成严重的粘着,甚至咬死现象,这在一定程度上限制了铜基摩擦构件的使用。可见,在铜基材料中加入固体润滑剂,提高材料的自润滑性能,防止材料在不良的润滑条件下咬合的
3、发生,可以明显拓宽铜基材料的应用范围。因此,本文着重以CuNiAl-C铜基热喷涂耐磨材料作为研究对象,探讨在室温干摩擦条件下石墨自润滑作用的机理。2 试验材料与方法2·1 试验材料(1)GCr15轴承钢环 其主要成分质量分数(%)为:0·95~1·05C、1·30~1·65Cr、0·15~0·35Si、0·20~0·40Mn、0·027P、<0·002S、余量Fe。GCr15轴承钢环外径40mm,内径16mm,表面粗糙度Ra=0·03μm。(2)CuNiAl试样 其主要成分质量分数(%)为:4~6Ni、8~
4、10Al、余量Cu。试样制作方法是在45号钢试块上热喷涂CuNiAl材料,厚度约1mm,然后进行平磨、线切割等机械加工。试验尺寸为10mm×15mm×20mm。(3)CuNiAl-C试样 在CuNiAl材料内按质量百分比加入石墨,然后进行热喷涂。试样制作方法及尺寸同上。2·2 摩擦磨损试验条件摩擦磨损试验设备采用宣化材料试验机厂生产的M-200型磨损试验机,最大压力2000N,摩擦类型为滑动摩擦,试验在室温空气中、干摩擦条件下完成。摩擦磨损试验机转速分200r/min、400r/min两档,试样和钢环对磨时间1
5、0min。每组3个试样,磨损试样及对偶钢环试验前后的质量变化用精度为10-4g的分析天平来测定,磨损量为3个数值的平均值。本文试验中采用磨损率Wr作为评价材料磨损性能的指标。Wr=Wgl (1)其中:Wr为磨损率,Wg为磨损质量损失(g),l为滑行距离(m)用扫描电子显微镜对材料磨损表面进行了形貌观察。用布洛维硬度计进行材料表面硬度测试,每个试样测试3点,取平均值。3 试验结果与分析3·1 不同石墨含量的CuNiAl-C/GCr15钢环摩擦副在室温干摩擦条件下的磨损行为与机制石墨的引入可提高CuNiAl材
6、料的耐磨性能,所以有必要探讨石墨含量对材料耐磨性能的影响,以便确定石墨加入量的最佳范围。在试样制备过程中,分别配制了含石墨(质量分数,%)3、6、9、12、15的试样。根据摩擦磨损试验结果并运用表面分析技术,建立不同石墨含量的CuNiAl-C材料在上述条件下的磨损规律图。分析石墨含量对CuNiAl-C材料摩擦磨损性能的影响。图1为CuNiAl-C/GCr15钢环摩擦副在载荷100N,滑动速度0·4m/s条件下摩擦系数随石墨含量的变化规律曲线。由图1可知,CuNiAl-C/GCr15钢环在此干摩擦条件下,摩擦系数
7、随石墨含量的增多而呈减小的趋势。但当石墨含量>9%时,减小的趋势变得不明显。CuNiAl-C/GCr15钢环干摩擦时,CuNiAl-C的磨损质量损失随载荷及石墨含量的变化规律(滑动速度V=0·4m/s)如图2所示。从图2可以看出,当石墨含量从0变化到6%时,CuNiAl-C的磨损质量损失呈递减的趋势,当石墨含量>6%时,Cu-NiAl-C的磨损质量损失随石墨含量的增加而增大。图3为对磨偶件GCr15钢环的磨损质量损失随载荷及石墨含量的变化规律(滑动速度V=0·4m/s)。从图3可以看出,当CuNiAl-C材料中
8、石墨含量从0变化到6%时,GCr15钢环的磨损失重逐渐减小,石墨含量为9%的CuNiAl-C材料与含量为6%的CuNiAl-C材料对GCr15钢环的磨损都比较小。但当石墨含量继续增加时,GCr15钢环的失重迅速增大,这是因为石墨含量过高时,对CuNiAl-C材料的强度产生不利的影响。CuNiAl-C材料摩擦时生成的磨屑增多,导致摩擦副界面处发生较为严重的三体磨粒磨损。图4是对磨偶件GC
