作者：李溪濱 劉如鐵 程時和 李（lǐ）美（měi）英（yīng）
（中南工業大學粉末冶金研究所（suǒ）、粉末（mò）冶金國家重點實驗室）
摘 要：本文在分析粉末冶金金（jīn）屬固體自潤滑材料減摩機理的基礎上，研究（jiū）了孔隙度和固體（tǐ）潤滑劑對材料摩擦學性能的影響。研究（jiū）表明：在材料結構組（zǔ）成、原始粉末粒度組成及（jí）其分布，固（gù）體潤滑劑純度及其結構等基（jī）本一定的情況下（xià），隨著孔隙（xì）度的增加，材料的摩擦（cā）係數和磨損速率提高；固體（tǐ）潤滑劑的增加，在一定範圍內，其（qí）減摩性能得（dé）到改善，導致材料摩擦（cā）係數（shù）和（hé）磨損速率降低，從而顯示出粉末冶金金屬（shǔ）基固體自潤滑材料摩擦學的某些規律性行為。
關鍵詞：粉末冶金；孔隙度；固體潤滑；摩擦學
粉末冶金技術製造現代固體（tǐ）自潤滑複合減摩材料（liào）具有許（xǔ）多獨特的優點（diǎn），特（tè）別是在耐磨性（xìng）方麵大大優於鑄造材（cái）料。多年的實踐經驗表明：采用粉末冶金技術生產的鐵基和銅基燒結（jié）軸承材料（liào），其使用壽命一般是青銅、黃銅、巴氏合金、鑄（zhù）鐵、鋼製滑動軸承以及滾動軸（zhóu）承等的1.5～3倍［1］。然而，粉末冶金材料由於存在孔隙，並（bìng）且添加了不同種類和數（shù）量的固體潤滑劑，導致其在物理機械性能的某些（xiē）方（fāng）麵不及鑄造材料。因此，本文結合（hé）作者（zhě）和前期研究工作的資料，著重探討了孔隙度和固體（tǐ）潤滑（huá）劑對材（cái）料摩（mó）擦、磨損（sǔn）和潤滑（huá）性能的影響，以期揭示該類材料的某些內在規律性，製備出物理機（jī）械性能和摩（mó）擦磨損特性優（yōu）化組合的金屬基固體自潤滑（huá）材（cái）料。
1 孔隙度對材料摩擦磨損（sǔn）的影響
在經典的固體磨損（sǔn）理論中，涉及到（dào）孔隙度和固體潤滑劑（jì）的理論計算公式不多見，這（zhè）是因為它（tā）們研究的（de）對象大多數是致密材料。以阿查德（dé）(Archard J.F.)建立的粘著磨損理論和概（gài）括微觀切削機理建立的目前較為公認的（de）磨粒磨損理論為例，其推算出理論計算公式，即單位滑動距離的（de）總磨損率為：
式中，K為磨損係（xì）數，P為（wéi）接觸麵間總載荷，H為較軟材料的表（biǎo）麵硬度。
然而在該計算公式中（zhōng），並未（wèi）涉及到孔隙度的影響因（yīn）素。應該指出，孔隙度(應還考慮到孔（kǒng）的數量、孔徑大小、孔的形狀及其分布（bù）等因素)，對（duì）材料的物理機械性能可產生本質的影響，進而對材料的（de）摩擦磨損特性必將建立內在的聯係。從(1)式中可以知道，磨損率（lǜ）是與較軟材料的硬度成反比，而在彈塑性材質範圍內，其硬度與強度有著密切的相關性。因此，早期研究工（gōng）作者（zhě）在這方麵作了許多工作，並且得到多個適應範圍不同（tóng）的關係（xì）式。F.P.克努德森(Knudsen)報導了材料強度與原始粉末粒度（dù）直徑D和孔隙（xì）度ε（％）有如下的實驗關係式［2］：
式中（zhōng）：K、a、b、為經驗常數。
從(2)式可以得到：當粉末（mò）粒徑一定時，材料強度隨著孔隙（xì）度的增（zēng）加而下降；當孔（kǒng）隙度一定時，強（qiáng）度隨著粒徑的（de）增大而降低。
為了建立粉（fěn）末（mò）冶金多（duō）孔材料與其致密材料之關係，許多研究工作者作了大量的理論計算和實驗研究工作，並且得到適應不同孔隙度範圍（wéi）的相關計算公式。E.賴斯凱維茨(Ryshkawitsh)報導在孔隙度為(0～30％)範（fàn）圍內（nèi）的經驗公式（shì）［3］：
式中（zhōng）：σ0表示致密材料的抗拉強度（dù），σ為粉末冶金材料抗拉強度，ε表示孔（kǒng）隙度(％)，B為取（qǔ）決於材料的製造和實驗條件的係數，一般為4～7。
從(3)式中，可以得出同樣一個結論：即孔隙度的增（zēng）加，材料的強度值降（jiàng）低。
本文作者研究了銅合金基的固體自潤滑材料（liào）孔隙度與摩（mó）擦（cā）磨（mó）損性能（néng）之間（jiān）的關係，該材料由基材Cu-Sn-Zn-Pb，微量強化元素Ni,Mo，以及固體潤滑劑石墨（mò）和二硫化鉬等組合而成。圖1表示（shì）出材料孔隙度與摩擦（cā）係數和磨損率（lǜ）之間（jiān）的關係。實驗條件為載荷：76N，速度：2.0m/s，對偶材（cái）料：GCr15合金銅，環境：幹摩擦。從圖中的實驗曲線可見，隨著孔隙的增加，材（cái）料的摩擦係（xì）數和磨（mó）損（sǔn）速率是提（tí）高的。
圖1 銅合金基固體自潤滑材料中孔隙度對摩擦磨損性能的影響
中南工業大學方寧家、徐潤（rùn）澤等（děng）研究了（le）Fe-3Cr-2Ni-2Cu-0.8C-3WC材料的相對密（mì）度對磨損性能的影響，圖（tú）2表示（shì）實驗相關曲線［4］，實驗條件：載荷：2MPa，滑動速度：0.79m/s，對偶材料：3Cr2W8V(HRC∶35～40)。從實驗曲線可知，在室溫或500℃的磨損試驗中，隨著材料密度的（de）增加，亦即孔隙度的減少，磨損率是（shì）下降的，不過在室溫中曲線下降的斜率更大一些。
圖2 Fe-2Cr-Ni-2Cu-0.8C-3WC材料（liào）的相（xiàng）對密度對（duì）磨損的影響
圖3列出了銅粉燒結材料孔隙度與硬度的相關實驗數據［5］，從中可見，隨著孔（kǒng）隙度的增（zēng）加，材料的硬度值降低。
圖3 銅粉燒結材料孔隙（xì）度與（yǔ）硬度的（de）關（guān）係
從經驗和（hé）計算公式(2)、(3)以及上（shàng）述實驗研究工作結果表明：孔隙是產生磨屑的基源，它以邊緣碎裂和撕裂的兩種形式產生磨屑，其磨損機理是以磨粒（lì）磨損為主；同時，孔（kǒng）隙亦是材料微裂紋產生和破壞的應力集中區，是導致材料機械性能降（jiàng）低的主要（yào）因素(如強度、硬（yìng）度（dù）等)。
隨著孔隙度的減（jiǎn）少，孔隙的作用將由強變弱，材料的強度和硬度提高，磨（mó）損機理可能（néng）轉變為混合磨損機理為主；材料密度愈高，粘著磨損的程度增加。在不考慮材料本身（shēn）含油的狀態下，在（zài）設（shè）計和製造（zào）粉末（mò）金金屬基固體自潤滑材料時，希望孔隙（xì）度較小為宜。顯然，在不同的使用工況下(如（rú）載荷、速（sù）度、溫度（dù）、潤滑方法等)，孔隙度的影響（xiǎng）和作用（yòng）也不完全一樣。
2 固（gù）體潤滑劑對摩擦磨損性能的影響
粉末冶金固體自潤滑材料的固體潤滑劑是以一種結構組元加入到複合材料之中。固體（tǐ）潤（rùn）滑（huá）劑的加（jiā）入主要產生兩種影響，一是可以改善兩個相對運動摩（mó）擦表麵的摩擦、磨損和潤滑性（xìng）能，一是影（yǐng）響材（cái）料的（de）物（wù）理和機械性能。粉末冶（yě）金（jīn）固體自潤滑材料的潤（rùn）滑薄膜的成膜（mó）機理與常規采用的表麵成膜方法不完全相同，以現今（jīn）Z普遍使用石墨和二硫化鉬為例，常規使用（yòng）主要有三種方法：即把固體（tǐ）潤滑劑滲入適當（dāng）的樹脂和粘結劑中，並膠塗在摩擦表麵；或把固（gù）體潤滑劑細粉噴塗和滲入到（dào）摩擦表麵中；或通過摩擦表麵的化學反應來形成固體潤滑膜。然而，粉末冶金固體自（zì）潤滑材料本身含有固體潤滑劑，在磨合過程中，利用自身的固體潤滑劑在（zài）摩（mó）擦表麵間形成一層薄的連（lián）續潤滑膜，並且靠本身“自耗”來不斷（duàn）補充和提供固體潤滑劑，使其修複被撕裂或破傷（shāng）的潤滑膜，從而達（dá）到自潤滑和減摩作用。
不少摩擦學研究工作者對薄膜潤（rùn）滑（huá）理（lǐ）論（lùn）進行了（le）大量的理論研究和科學實驗工作，並且得到（dào）了一些被公認的結論。諾貝爾獎獲得者、美國物理學家布立基曼(Bridgeman)考慮（lǜ）到薄膜的塑性變形（xíng）對接觸區（qū）的影響，提出由壓力下薄膜（mó）的剪切（qiē）強度Sp來代替滑動表麵上薄膜的低剪切強（qiáng）度Sf［5］：
式中，α表示薄膜材料常數，P為施加的正壓力，當低壓力P時，配合表麵凹凸痕被封閉在薄膜層中，此時壓力等於薄膜（mó）的硬度P＝Hs。
當固（gù）體潤滑膜展開在摩擦表麵時，則複合材料的摩擦（cā）係數與表麵間薄（báo）膜形成的程（chéng）度有關，其混合規則為：
式中：fm表示基體的摩擦係數，fs表示被固（gù）體潤（rùn）滑膜覆蓋的（de）摩擦係數，As表示被固體潤滑膜覆蓋的表麵的分數。
將(4)式（shì）兩邊同除P，則可以得（dé）到固體潤滑（huá）膜的摩擦（cā）係數fs：
式中：Ss表（biǎo）示固體潤（rùn）滑劑的剪切強度，α表示薄膜材料常數，P＝Hm(Hm為基體的硬度)。
從(5)、(6)式中可知，複合材料的摩擦（cā）係數與（yǔ）基體材料的摩擦係數，材料硬度和固體潤滑劑（jì）的（de）剪切強度有關。
粉末（mò）冶金（jīn）固體自潤滑材料的磨損主要（yào）由粘著磨損，磨料磨損和疲勞磨損（sǔn）等機理產生。其（qí）中粘著磨損的體積磨損（sǔn）量與施壓（yā）的正壓力P、滑動距離S成正比，與磨損基體的硬（yìng）度成反比，這是粘著磨損的宏觀規律。一般磨損（sǔn）方程為：
式中，W表示體積磨損量，K為磨損常數（shù），C表示幾何因素，對磨料磨損C＝1，對粘（zhān）著磨損C＝3。
本文作者研究Cu-Sn-Zn-Pb-Ni-W-C複合材（cái）料中，石（shí）墨含量對材料摩擦係數和磨損（sǔn）性能的影響，實驗結果如圖4所示（shì）。從實驗曲線可以看出，隨著石墨含量的增加，材料的摩擦係（xì）數和磨損率（lǜ）降低。圖5是本文作者研究不同材料中二（èr）硫化鉬（mù）含量與摩（mó）擦（cā）係數和磨損率（lǜ）的（de）關係。曲線1為二硫化鉬含量（liàng）與銀基材（cái）料的（de）磨（mó）損率關係；曲線2和（hé）曲線3是二硫化鉬含量與高溫鎳合金基材料磨（mó）損率和摩擦係數之間關係。實驗結果同樣表明：隨著固體潤滑劑含量（liàng）的增（zēng）加，材料的摩（mó）擦係數和（hé）磨損（sǔn）率都呈下降規律，從而可以說明，該類材料在既定的試驗條件下，二硫化鉬已在摩擦表麵間形（xíng）成了一層連續的潤滑膜，改善了摩擦表麵間摩擦學特性。由於fs《fm，當摩擦表麵固體潤滑劑（jì）的覆蓋（gài）愈大，fs的主導地（dì）位愈顯著，那麽複合材料的（de）f值就會變小，這與本文作者（zhě）研究工作的結果是一致的。
圖4 銅合金基材（cái）料中石墨含量對摩擦磨損性能的影響
圖5 不同基材中（zhōng），二硫化鉬含（hán）量對摩擦磨損性能的影（yǐng）響
應該指出：由於現代減磨材料的使用工況存在巨大的（de）差異，例如滑動速度由幾個（gè）mm/s到100m/s以上，載荷由0.1MPa到10～20MPa以上，溫度從負幾（jǐ）十度到1000℃以上等，因（yīn）此，不可能製造出一種（zhǒng）能在各種工況下都能使用的減（jiǎn）摩材料。然而，粉（fěn）末冶金固體自潤滑材料由於在製備工藝和結構（gòu）組成等方麵都有很大的優越性，所以，該類材料在高溫（＞400℃）、低溫、惰性介質、腐蝕性介質（zhì）、真空（kōng）、輻射、汙染、一次性潤滑以及（jí）頻繁逆轉的裝置中等工況下，得（dé）到了特別青睞。同時，本文研（yán）究的孔隙度和固體潤滑劑等影響因素（sù），也必須根（gēn）據材（cái）料的使用工況和對材料的綜合性能要求來確定孔隙度（dù）的大小和固體潤滑劑的種類和含量，才能得到滿意的摩（mó）擦學特性。
3 結論
本文（wén）就粉末（mò）冶金固體自（zì）潤滑材料的孔隙度和固體潤滑劑對其摩擦磨損性能的影（yǐng）響進行了（le）研究和（hé）分（fèn）析，可以得到如下相關結論：
(1)粉末冶金固（gù）體自潤滑材料孔（kǒng）隙（xì）度的存在，與材料的機械強（qiáng）度和（hé）硬度有著密切的內在聯係，並且已建立了相應的理論和經驗（yàn）計算方（fāng）法，從而直接影響到材（cái）料（liào）的摩（mó）擦磨損性能。研究工作表明，隨著孔隙度的提高，材料的（de）摩擦係（xì）數（shù）和磨損（sǔn）率都相應增加。
(2)粉末冶金（jīn）固體自潤滑材料的結（jié）構組元固體潤滑（huá）劑（jì）的存在，有利於摩擦（cā）表麵間摩擦學特性的改善，其以“自耗”機理來提供和補充潤滑源，以期形成連續的固體潤滑膜。在一定範圍內（nèi），隨著固體潤滑劑（jì）含量的增加，複合材料的摩擦係數和磨損率降低。
(3)粉末冶金固體潤滑材料在幹摩擦狀態下，其孔隙度必須得到有效的（de）控製（zhì）；而固體潤滑劑的含量，在既（jì）定使（shǐ）用工況下，必須兼顧材料的（de）物理機械性能（néng）和摩擦學特性的綜合作用，隻（zhī）有這（zhè）樣才能取（qǔ）得滿意的效果。
參考文獻
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來源（yuán）：《潤（rùn）滑與密封》
