简介概要

自润滑材料滑动摩擦磨损性能与机理

来源期刊：中国有色金属学报2001年第4期

论文作者：丁华东傅苏黎朱有利王永兰金志浩

文章页码：616 - 620

关键词：粉末冶金材料；滑动摩擦；自润滑材料；磨损

Key words：powder metallurgy material； sliding friction； self-lubrication material； wear

摘要：研究了低、中、高3种含油量的铜石墨自润滑材料的滑动摩擦磨损过程，发现其磨损量很微小，处于稳态工作时的磨损量最低。依据摩擦系数的变化，利用SEM分析磨损表面形貌和剖面结构，得知自润滑材料滑动摩擦第Ⅰ阶段对应的磨损机理是磨粒磨损，第Ⅱ和第Ⅲ阶段对应的是疲劳磨损，疲劳裂纹的扩展方向接近试样表层拉应力区域的最大剪切圆轨迹，疲劳磨屑最终脱落是法向力的作用结果，依此，确立形成疲劳磨屑的判据。

Abstract: The wear experiment was taken in Amsler friction experiment device， and the wear property was judged by the volume loss of the sample. It was found that the sample volume loss during self-lubrication friction process is very small and the least wear is taken place in the stable self-lubrication friction stage. The wear mechanisms were studied by analyzing the wear surface and wear section plane through SEM. It was found that in dμ/dn <0 friction stage， the wear mechanism is plowing; in dμ/dn →0 and dμ/dn →∞ stages， the mechanism is fatigue wear. At last， the criterion of forming fatigue wear bit was given.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.04.017

自润滑材料滑动摩擦磨损性能与机理

丁华东傅苏黎朱有利王永兰金志浩

装甲兵工程学院材料科学与工程系

装甲兵工程学院训练部!北京100072

西安交通大学材料科学与工程学院!西安710049

摘要：

研究了低、中、高 3种含油量的铜石墨自润滑材料的滑动摩擦磨损过程 , 发现其磨损量很微小 , 处于稳态工作时的磨损量最低。依据摩擦系数的变化 , 利用SEM分析磨损表面形貌和剖面结构 , 得知自润滑材料滑动摩擦第Ⅰ阶段对应的磨损机理是磨粒磨损 , 第Ⅱ和第Ⅲ阶段对应的是疲劳磨损 , 疲劳裂纹的扩展方向接近试样表层拉应力区域的最大剪切圆轨迹 , 疲劳磨屑最终脱落是法向力的作用结果 , 依此 , 确立形成疲劳磨屑的判据

关键词：

粉末冶金材料;滑动摩擦;自润滑材料;磨损;

中图分类号： TB34

收稿日期：2000-10-20

基金：坦克传动国防科技重点实验室资助项目 ( 00JS37.3.1.JB35 0 1);国家自然科学基金资助项目 ( 5 970 5 0 0 9);

Wear investigation of self-lubrication material slid friction

Abstract：

The wear experiment was taken in Amsler friction experiment device, and the wear property was judged by the volume loss of the sample. It was found that the sample volume loss during self lubrication friction process is very small and the least wear is taken place in the stable self lubrication friction stage. The wear mechanisms were studied by analyzing the wear surface and wear section plane through SEM. It was found that in d μ /d n <0 friction stage, the wear mechanism is plowing; in d μ /d n →0 and d μ /d n →∞ stages, the mechanism is fatigue wear. At last, the criterion of forming fatigue wear bit was given.

Keyword：

powder metallurgy material; sliding friction; self lubrication material; wear;

Received： 2000-10-20

文献 [ 1] 研究了自润滑材料滑动摩擦特性与自润滑机理, 文献 [ 2] 通过实验验证了自润滑机理, 但自润滑材料的滑动摩擦磨损机理尚未见报道, 无疑, 开展此研究工作, 可丰富、发展摩擦学的内容, 同时也为提高这类材料的性能提供依据。作者通过低、中、高3种含油量的铜石墨自润滑材料的滑动摩擦磨损实验, 研究其摩擦磨损性能与机理。

1 实验

材料制备见文献 [ 3, 4, 5, 6] , 经模压成型, 烧结, 真空浸 (20^#) 油后得12 mm×6 mm×6 mm试样, 材质分别为HDV6, HDV12, HDV20, 含油率见表1。在MM-200型磨损试验机上进行纯滑动摩擦 (图1) , 法向载荷F分别为150, 350和500 N, 对偶件为淬火45^#钢环 (硬度HRC50±3) , 转速为400 r/min。测量摩擦系数μ和对应的转数n。

摩擦磨损实验后, 用工具显微镜和游标卡尺测定磨痕尺寸2a₁和2a₂, 用扫描电镜 (SEM) 分析

表1 试样含油率

Table 1 Oiliness ratio of sample

Sample	Oiliness ratio/%
HDV6	12
HDV12	17
HDV20	20

图1 滑动摩擦示意图

Fig.1 Sketch map of friction

磨损表面 (xoy平面) 和磨损剖面 (yoz平面) 。试样的体积磨损量ΔV由式 (1) 确定 ^[7] , 即

ΔV=L₀[R²? $\arcsin \frac{a}{R} - a (R^{2} - a^{2})^{1 / 2}] ? ? ? (1)$

式中 L₀=10 mm, 为磨损面长度; R=20 mm, 对偶件外半径; a= (a₁+a₂) 为磨损面平均宽度。

为评定不同自润滑材料的磨损性能, 把滑动路程均定为50 000转, 比较其对应的体积磨损量来评价材料的耐磨性能。研究同一材料磨损性能的具体方法是, 考查其不同摩擦阶段的磨损量, 取滑程转数n₁<n₂, 测其对应的磨损量ΔV₁和ΔV₂, 则在区间n₁～n₂的磨损量为ΔV_{1, 2}, 有

ΔV_{1, 2}=ΔV₂-ΔV₁ (2)

记此区间的磨损性能为η_{1, 2}, 有

$η_{1 ? 2} = \frac{Δ V_{2} - Δ V_{1}}{n_{2} - n_{1}} ? ? ? (3)$

2 摩擦磨损结果

自润滑材料的滑动摩擦磨损结果分别如表2和表3所示, 自润滑滑动摩擦特性见图3, 由文献 [ 1, 2] 的μ～n曲线, 可确定图3中Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ阶段的n值范围。由于材料HDV6的含油量低, 其滑动摩擦μ～n曲线中各阶段的界限极为模糊, 表3中没有列出它摩擦磨损结果。

图2 试样磨痕形状

Fig.2 Wear figure of sample

表2 摩擦磨损结果

Table 2 Wear results for different normal pressures

F/N	Rotations, n	ΔV/mm³
F/N	Rotations, n	HDV6	HDV12	HDV20
150	50?000	0.023	0.037	0.040
350	50?000	0.032	0.040	0.071
500	50?000	0.048	0.054	0.131

表3 滑动摩擦不同阶段的摩擦磨损性能

Table 3 Sliding wear properties for different friction stages (F=500 N)

Material	η_{1, 2}/ (mm³·r^-1)
Material	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
HDV12	4.2×10^-6	2.8×10^-7	1.1×10^-6
HDV20	4.2×10^-6	1.1×10^-6	2.1×10^-6

Rotation ranges for different friction stages: (1) HDV12: Ⅰ 0～5 000, Ⅱ 5 000～200 000, Ⅲ 200 000～287 000, (2) HDV20: Ⅰ 0～10 000, Ⅱ 10 000～100 000, Ⅲ 100 000～140 000

由文献 [ 1, 2] 和图3可知, 自润滑材料滑动摩擦的不同阶段, 其摩擦系数是不同的。在第Ⅱ阶段μ值最低且稳定, 第Ⅰ阶段的和第Ⅲ阶段的μ值变化均较大, 且后者高于前者。对于同一材料, 在摩擦条件基本相同时, 磨损量随着摩擦系数的升高而升高。但表3的实验结果却显示第Ⅰ阶段的η_{1, 2}值高于第Ⅲ阶段的, 其实质是对偶件的硬度远远高于试样的 ^[5] 。当偶件与试样接触时, 由于试样内部孔隙的可压缩性和油的流动性, 在F的作用下, 试样表层和亚表层受压变形使其体积减小, 所测的a₁和a₂实际为摩擦磨损与塑性变形的叠加。这种非摩擦磨损因素叠加在第Ⅰ阶段的ΔV上, 从而使此阶段中的η_{1, 2}较Ⅱ, Ⅲ阶段的高。 Ⅲ阶段的μ值逐渐升高, 其对应的磨损量也会逐渐升高, 而Ⅲ阶段的起始μ值与Ⅱ阶段的相近, 故Ⅲ阶段的磨损性能高于Ⅱ阶段的。第Ⅲ阶段是向干摩擦过渡的阶段, 由摩擦学的基本原理, 也可知其磨损量最大。

图3 自润滑滑动摩擦特性 (μ～n曲线) 全图 [1,2]

Fig.3 Sliding friction characteristic (μ～n) curve of self-lubrication material ^{[1, 2]}

由表2和表3可知, 自润滑滑动摩擦的磨损量是很微小的, 自润滑摩擦处于稳态工作时的磨损量最低, 同一材料在不同的滑动摩擦阶段其磨损量也只差一个数量级。

3 摩擦磨损机理

HDV6, HDV20和HDV20 3种材料的自润滑滑动摩擦磨损具有相同的磨损机理, 以HDV20的磨损机理为例, 其不同摩擦阶段的磨损形貌见图4。

在摩擦的第Ⅰ阶段, 磨损表面有少量犁沟, 没有粘着磨损的痕迹, 属于磨粒磨损。试样表面微凸体在偶件的作用下断裂脱落而构成摩擦面间的第三体, 图中白色小粒子 (μm数量级) 即为试样磨损面残留的第三体。在摩擦力作用下, 第三体沿着滑动方向滑过试样表面, 在试样表面留下其滑动轨迹 (犁沟) ; 偶件表面微凸体在滑过试样表面时也会形成犁沟。磨损面未见到粘着磨损的痕迹, 说明在摩擦前, 试样内部贮油已流向摩擦面而阻止试样与磨轮间的粘着, 这与自润滑工作机理 ^[1] 是一致的。

在摩擦的第Ⅱ阶段, n取50 000时, 磨损面以蚀坑为主, 伴有犁沟, 并有少量垂直于犁沟方向 (即滑动方向) 的裂纹。蚀坑是疲劳磨损的标志, 与滑动方向垂直的裂纹则是疲劳裂纹。此时的磨损以疲劳磨损为主, 辅以磨粒磨损。 n取100 000时, 疲劳裂纹增多, 出现疲劳剥落坑, 仍有蚀坑和犁沟。比较图 (b) 和 (d) 可发现n=100 000的蚀坑面积远大于n=50 000时的, 说明在第Ⅱ段后期的疲劳磨损程度比初期的要严重些, 这与疲劳磨损的特性是一致的。

图4 自润滑3个阶段的滑动摩擦磨损微观形貌

Fig.4 Wear micro-structure of self-lubrication sliding friction (HDV20, F=500 N, surface xoy)

在摩擦的第Ⅲ阶段, 磨损面由大量鳞片状疲劳磨屑和疲劳裂纹构成, 疲劳磨屑在偶件碾压作用下发生明显的塑性变形, 这种变形会掩盖疲劳坑的原生面积, 难以见到图 (d) 中的那种疲劳剥落坑的原始形貌。在第Ⅲ阶段滑动中, 随转数n的增加, μ值急骤升高, 摩擦面所受的切向力越来越大, 这将引起越来越严重的疲劳磨损, 使疲劳磨屑增多。磨屑在摩擦力的作用下, 沿滑移方向移动, 移动中磨屑相互接触, 因受力不均, 有的磨屑会发生转动, 于是出现图 (f) 下部磨屑表面犁沟与基体犁沟不连续的情况。磨损表面未见到粘着磨损的痕迹, 说明摩擦未过渡到干摩擦。

两滑动表面的接触模型见图5, 微凸体滑过试样表面时, 在应力p和q的作用下, 试样的表层将发生弹、塑性变形。压应力为p时, 由文献 [ 8] 可估算出微凸体直接与试样表面接触时, q=0.35p; 若微凸体通过油膜与试样接触, 则由文献 [ 1, 2, 9] 中μ～n曲线第Ⅱ阶段的μ值 (μ=0.04～0.06) 可知q= (0.04～0.06) p。微凸体的间距比微凸体的尺寸大, 在接触点附近的应力状态不受其它微凸体的影响, 试样的尺度远大于微凸体的, 故可把试样当作半无限大物体。由线弹性断裂力学方法, 获试样表层在微凸体作用下的应力状态 (图6) , 图中直线z代表零应力线, 在微凸体滑移后方, 试样表层处于拉应力区域, 而滑移前方的试样则处于压应力区域。当一个微凸体在试样表面滑过一次后, 试样上各点都经历了从压应力到拉应力的变换过程, 在此交变应力的作用下, 试样的表面或亚表面可萌生裂纹或扩展; 而试样的多孔性决定了无需裂纹形核, 裸露在表面的孔隙便为裂纹源, 在拉应力作用下, 裂纹扩展, 开始了疲劳摩擦磨损过程。比较图6和图7, 可以认为疲劳裂纹基本上是与最大剪应力圆的轨迹形状一致。对于多孔材料, 裂纹扩展在各处的阻力是不同的, 这便是裂纹扩展方向与最大剪应力圆不完全一致的原因。