銅基石墨自潤滑材料及其摩擦學(xué)研究

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1、摘要在無油或少油潤滑狀態(tài)下，自捐滑材料顯示了獨(dú)特的優(yōu)越性。銅基石墨自潤滑復(fù)合材料是金屬基自潤滑復(fù)合材料的重要組成部分，具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，以及具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗氧化、耐腐蝕等性能而得到了廣泛的應(yīng)用。然而，銅與石墨之間互不相溶、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，銅與石墨結(jié)合是一種假合金，材料內(nèi)部孔隙多，嚴(yán)重制約了其強(qiáng)度和潤滑性能的提高，同時(shí)使用溫度低也是其主要缺點(diǎn)。高性能銅基石墨自潤滑復(fù)合材料研究與開發(fā)，是解決特殊工況條件下潤滑問題的需要，系統(tǒng)地研究銅基石墨自潤滑復(fù)合材料不同工況條件下的摩擦磨損行為及機(jī)理，探索復(fù)合材料減摩耐磨的理論規(guī)律，為研發(fā)新型高性能銅

2、基石墨自潤滑復(fù)合材料提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐．具有重要意義。本文選用錫青銅合金基體，并添加鎳、鐵等合金元素強(qiáng)化，選用合適含量和大小的石墨顆粒充當(dāng)固體潤滑組元。采用化學(xué)鍍方法，在石墨顆粒表面上鍍上一層鎳、銅鍍層，研究了鍍層對界面結(jié)合的影響，結(jié)果表明，高溫?zé)Y(jié)工藝對鍍層改善界面結(jié)合的效果有一定影響，合適的燒結(jié)溫度條件下，石墨鍍層改善了石墨與銅合金基體的界面結(jié)合，石墨與銅臺金基體有機(jī)地連成了一體，復(fù)合材料的強(qiáng)度與韌性有了明顯的提高。復(fù)壓復(fù)燒工藝更有利于發(fā)揮石墨表面處理的優(yōu)越性，其中石墨表面鍍鎳比鍍銅有更好的作用。通過不同條件下的摩擦磨損試驗(yàn)，以及

3、運(yùn)用掃描電鏡、X-射線衍射儀、光電子能譜儀、鐵譜顯微鏡等微觀分析手段，對復(fù)合材料金相顯微組織、斷口形貌、磨痕表面形貌、磨損顆粒的成分組成及形貌進(jìn)行分析，系統(tǒng)地探討了室溫~5000C條件下銅基石墨自潤滑復(fù)合材料的摩擦磨損行為及機(jī)理。摩擦磨損過程中，石墨不斷向表面擠出，逐漸伸展并被壓平成為連續(xù)完整的固體潤滑膜，起自潤滑減摩作用。石墨顆粒鍍銅、鍍鎳后，摩擦磨損過程中所形成的轉(zhuǎn)移層與摩擦面粘附性好，結(jié)合更緊密，因此，顯示出更好的潤滑減摩效果，摩擦副摩擦系數(shù)低，磨損率小。本文試驗(yàn)條件下，6％普通石墨銅基復(fù)合材料經(jīng)歷了三個(gè)典型的磨損過程，即輕微磨損階

4、段、中等磨損階段、嚴(yán)重磨損階段；而鍍銅、鍍鎳石墨銅基復(fù)合材料只經(jīng)歷了輕微磨損階段、中等磨損階段兩個(gè)典型磨損過程。一定載荷條件下，隨著試驗(yàn)溫度的升高，銅基石墨復(fù)合材料減摩性能變差，磨損率逐漸增大。研究表明，輕微磨損階段，固體潤滑薄膜的破裂、脫落與修復(fù)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。進(jìn)入中等磨損階段，固體潤滑薄膜的破裂、脫落與修復(fù)難以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，磨粒磨損與粘著磨損逐漸成為主要磨損形式。嚴(yán)重磨損階段，表面已不存在連續(xù)的潤滑膜。對偶件金屬之間大部分直接接觸，亞表層發(fā)生較大的塑性變形，裂紋在亞表層石墨處形核、擴(kuò)展并引起磨損顆粒脫落以及粘著磨損是嚴(yán)重磨損階段的主

5、要失效形式，并伴隨有氧化磨損的發(fā)生。提高復(fù)合材料固體潤滑膜的完整性以及增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度，有希J于改善減摩耐磨性能，尤其是高溫條件下，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度更為重要。選用鍍鎳石墨銅基復(fù)合材料。并添加1％微細(xì)Si02顆粒，使復(fù)合材料表面固體潤滑膜的完整性以及強(qiáng)度得到提高，進(jìn)而提高了復(fù)合材料的減摩耐磨性能以及耐高溫性能，4000c高溫時(shí)仍具有較好的減摩耐磨作用。本文采用化學(xué)鍍技術(shù)，在石墨顆粒表面鍍上一層厚度均勻、致密的鎳、銅鍍層，是改善銅基石墨自潤滑復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵，其中將化學(xué)鍍鎳石墨粉用于銅基自潤滑復(fù)合材料的制備，以及系統(tǒng)地對其進(jìn)行摩擦學(xué)

6、特性及機(jī)理研究還未見報(bào)道，屬于本論文創(chuàng)新之一：室溫至5000C條件下，開展銅基石墨自潤滑復(fù)合材料摩擦學(xué)特性及機(jī)理研究還鮮有報(bào)道，也是本論文主要?jiǎng)?chuàng)新之處。本論文的研究結(jié)果對研制開發(fā)新型銅基石墨自潤滑復(fù)合材料和豐富材料摩擦學(xué)性能研究有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：銅，石墨改性，界面，自潤滑，復(fù)合材料，高溫摩擦學(xué)。ABSTRACTSelf-lubricating(SL)materialsexhibitsuperiorperformancesespeciallyinmanycaseswithalittleoilorwithoutoil．Copp

7、er(Cu)matrixandgraphite(G0SLcomposite，asoneofthemostimportantmetalmatrixSLcomposites，iswidelyusedowingtoitsexcellenttribologicalproperties．oxidizafionresistanceandcorrOsiOnresistanceete．Howevef,Cu砌Grdonotdissolveandreacteachother．InCu．Grcomposite．thecombinationofCuandGris

8、afalsealloy,therearemanyporesinthematerial，whichgreatlylimitthestrength,lubricatingperformancean