海洋裝備是實現海洋強國戰略的重要基礎和支撐,在“十四五”規劃和2035年遠景目標中被列為重點發展領域。隨著海洋資源的開發和利用,海洋裝備面臨著比陸地環境更為苛刻的服役條件,海洋裝備中的一些關鍵摩擦副零部件如軸承、襯套、閥、齒輪和螺旋槳,必須直接在海水中工作[1]。在海水中,摩擦運動對材料腐蝕具有不可忽視的加速作用,而腐蝕的加劇又會增加材料磨損,最終形成磨損與腐蝕交互作用,這是海洋裝備運動部件面臨的一個重大的難題[2-4]。海洋裝備的使用壽命和安全性很大程度上取決于體系各部件在海水環境中的腐蝕磨損情況,因此,研究海水環境中材料的摩擦行為具有重要意義。 

腐蝕磨損一般是指發生在腐蝕介質中的磨損現象,是力學因素、化學因素、電化學因素以及它們交互作用的結果,腐蝕的存在使得摩擦學的研究變得復雜。海水中的Cl－會腐蝕材料并加劇其磨損[5]。國內外學者對腐蝕介質中金屬材料的摩擦行為進行了大量的研究[6-9]。但是,關于自潤滑材料在腐蝕介質中腐蝕磨損的研究較少。為此,作者采用放電等離子燒結技術制備了銅基自潤滑復合材料（以下稱C13W）,研究了海水浸潤條件下該自潤滑材料的摩擦磨損性能,并與AlCu合金（以下稱AlCu）進行了對比,期望為此材料在海洋環境中的應用提供理論基礎。 

1.   試驗

1.1   試驗材料

將銅粉（48 μm、純度≥99%）,WS2粉（0.58 μm、純度≥99%）,鎳粉（48 μm、純度≥99%）和鋁粉（48 μm、純度≥99.5%）按表1所示C13W的配比稱量后,放入行星球磨機進行混合,球磨機轉速為300 r/min,混料時間為8 h。將混合好的粉末裝入HPD-250-C型系統石墨模具中進行燒結。燒結條件如下：系統真空度為10 Pa,燒結壓力為30 MPa,升溫速率為50 ℃/min,燒結溫度為900 ℃,保溫時間為20 min。隨爐冷卻至150 ℃得到直徑40 mm、高度30 mm的圓柱狀C13W試樣。通過質量分數計算得到C13W的理論密度為7.863 g/cm3,而通過阿基米德方法測試得到其實際密度為7.744 g/cm3,C13W試樣的致密性可達到約98.5%。AlCu為市購商用鑄造合金,其化學成分見表1。 

1.2   摩擦磨損試驗

采用HSR-2M型高速往復摩擦試驗機在空氣（干摩擦）和海水（浸潤）中進行摩擦磨損試驗。用人工海水模擬海水環境,其化學成分為25 g/L NaCl、11 g/L MgCl2·6H2O、8 g/L MgSO4·7H2O、1.2 g/L CaCl2,pH為7~8,呈弱堿性。通過注射滴管滴加方式添加海水,滴加速率為50滴/min。將C13W和AlCu制成20 mm×15 mm×3 mm的測試試樣,用SiC砂紙逐級（至1200號）打磨并拋光試樣表面。摩擦副為?6 mm的SiN球。摩擦磨損試驗前,對摩擦副和試驗件進行超聲波清洗。試驗條件如下：載荷10 N,往復速率300次/min,劃痕長度5 mm,試驗時間20 min。試驗所得摩擦因數、磨損量為三次重復試驗的平均值。 

1.3   表征

利用X射線衍射儀（XRD）對制備的C13W進行物相分析,掃描速率為0.5（°）/s。利用場發射掃描電鏡（SEM）觀察C13W和AlCu在海水浸潤前后的微觀形貌,明確金屬基體和固體潤滑相的結合情況和反應情況；同時采用掃描電鏡觀察試樣摩擦磨損后表面形貌,測量磨痕寬度,計算磨損速率。 

2.   結果與討論

2.1   物相結構

圖1為C13W的XRD譜。從圖1中可以看出,C13W中主相是Cu,同時檢測到W、Cu2S、WS2和NiAl的衍射峰,這說明在燒結過程中Cu和WS2發生了界面反應,反應方程式如（1）所示。 

圖  1  C13W的XRD譜

Figure  1.  XRD patterns of C13W

2.2   表面形貌

由圖2可以看出,在海水浸潤前后,C13W表面形貌變化不大,均為網狀結構。結合XRD分析結果可確定,亮色區域為W/WS2,灰色區域為Cu,黑色部分為Cu2S。這說明在C13W燒結過程中,WS2發生了分解反應,生成了單質W和Cu2S,Cu2S和未分解的WS2都具有潤滑作用,可以提高潤滑效果,緩解材料磨損。Cu2S的形成能在一定程度上減少樣品燒結過程中孔洞的形成,而且能夠提高樣品的硬度和強度[10-11]。而AlCu表面經過海水浸潤后變化較大,原始表面灰色區域為Cu,黑色區域為富Al相；經過海水浸潤后富Al相發生了腐蝕,表面出現不規則片狀結構,表面變得粗糙,無明顯小孔。 

圖  2  C13W和AlCu在海水浸潤前后的表面微觀形貌

Figure  2.  Micro morphology of original surfaces (a, b) and seawater infiltrated surfaces (c, d) of C13W and AlCu

圖3是兩種材料在空氣和海水環境中摩擦磨損后的表面形貌。由圖3可見,在空氣中摩擦磨損后,C13W和AlCu表面遭受了嚴重的擠壓,發生了明顯的塑性變形,表面分布著許多擦傷痕跡和犁溝。這表明二者在空氣中干摩擦的情況下主要發生黏著磨損和磨粒磨損。但AlCu表面的磨痕寬度大于C13W表面,且存在擦傷撕裂的痕跡。在海水中摩擦磨損后,C13W和AlCu表面磨痕較為光滑,出現了不同大小的犁溝,這表明二者在海水浸潤條件下的磨損機理主要為磨粒磨損。其中,C13W磨痕內部表面較為平整,AlCu磨痕內部表面犁溝清晰,與C13W相比,AlCu表面犁溝的深度和寬度都有所增加。富鋁區域存在腐蝕產物膜,使硬質磨屑顆粒的尺寸增大,從而導致AlCu表面犁溝加深、變寬。 

圖  3  在空氣和海水中摩擦磨損后C13W和AlCu的表面微觀形貌

Figure  3.  Micro morphology of C13W and AlCu surfaces after friction and wear in air and seawater: (a) C13W (air); (b) C13W (seawater), low magnification; (c) C13W (seawater), high magnification; (d) AlCu (air); (e) AlCu (seawater), low magnification; (f) AlCu (seawater), high magnification

2.3   摩擦磨損性能

圖4顯示了兩種材料的摩擦磨損性能。由圖4（a）可見,在空氣中干摩擦條件下,兩種材料起始的摩擦因數相當,均為0.35左右；隨著時間的延長,AlCu的摩擦因數逐漸升高,平均摩擦因數為0.458,而C13W的摩擦曲線較為平緩,平均摩擦因數為0.404。由圖4（b）可見,在海水浸潤條件下,兩種材料的摩擦因數差異較大。二者在起始階段的摩擦因數均小于干摩擦條件下的摩擦因素,但隨著時間的延長,AlCu的摩擦因數迅速增大,最終穩定在0.472左右,大于其在干摩擦條件下的摩擦因素,而C13W的摩擦因數隨時間的變化較小,一直穩定在0.220左右。在海水浸潤條件下,摩擦副之間會形成一層潤滑水膜,使得C13W的摩擦因數由干摩擦條件下的0.404減小到海水浸潤條件下的0.220。由于AlCu表面存在海水,富鋁區域發生腐蝕,表面粗糙度大幅增大,海水的潤滑作用急劇下降,因此與干摩擦條件相比其摩擦因數反而增大。 

圖  4  C13W和AlCu在空氣和海水中的摩擦因數

Figure  4.  Friction coefficient of C13W and AlCu in air (a) and seawater (b)

表2為C13W和AlCu在空氣和海水中的磨痕寬度,根據磨痕寬度計算[12]得到磨損率,計算公式見式（2）,結果見圖5。 

式中：W為磨損率；d為對磨副球直徑,6 mm；t為摩擦時間,20 min；h和L分別為磨痕的長度（劃痕長度5 mm）和寬度；F為載荷,10 N；v為往復速度,300次/min。 

圖  5  C13W和AlCu在空氣和海水中的磨損率

Figure  5.  Wear rate of C13W and AlCu in air and seawater

從圖5中可以看出,兩種材料在海水浸潤條件下的磨損率比在干摩擦條件下的磨損率均大幅度降低,C13W的磨損率由干摩擦條件下的3.22×10－5 mm3/(N·m)降到海水浸潤條件下的1.71×10－5 mm3/(N·m),AlCu的磨損率由干摩擦條件下的29.63×10－5 mm3/(N·m)降到海水浸潤條件下的5.70×10－5 mm3/(N·m)。這歸因于具有一定黏度的海水,海水作為一種天然的潤滑劑,在磨損過程中起到一定潤滑作用[13],減小了摩擦副間的剪切作用,避免了黏著磨損的發生；同時摩擦過程中產生的熱量被海水帶走,使材料冷卻,抑制了材料表面黏著磨損的發生,從而緩和了材料的磨損。從兩種材料表面的摩擦磨損形貌也可看出,在海水浸潤條件下,試樣表面均無磨粒存在,并且磨損表面的犁溝數量和深度均有所減小,材料磨損率減小。 

3.   結論

（1）經過海水腐蝕,銅基復合材料C13W表面形貌變化不大,AlCu表面富鋁區域發生腐蝕,表面變粗糙。 

（2）與干摩擦條件比,在海水浸潤條件下C13W的摩擦因數明顯下降,由0.404下降至0.220,而AlCu的摩擦因數在兩種條件下的變化不明顯,由0.458升高到0.472。 

（3）在海水浸潤條件下,兩種材料的磨損率比在干摩擦條件下均大幅度降低,C13W的磨損率由干摩擦條件下的3.22×10－5 mm3/（N·m）降到海水浸潤條件下的1.71×10－5 mm3/（N·m）,AlCu的磨損率由干摩擦條件下的29.63×10－5 mm3/（N·m）降到海水浸潤條件下的5.70×10－5 mm3/（N·m）。 

文章來源——材料與測試網