MoS2对铝基材料摩擦磨损性能的影响

张俊喜，陈百明，龚成功，郭小汝，张振宇，李宝东



MoS2对铝基材料摩擦磨损性能的影响

张俊喜1，陈百明1，龚成功1，郭小汝1，张振宇2，李宝东2

(1. 兰州工业学院材料工程学院，兰州 730050；2. 甘肃省高校绿色切削加工技术及其应用省级重点实验室，兰州 730050)

以Al，Fe，Zn等金属粉末和Si粉为原料，采用热压法制备MoS2含量(质量分数)分别为0和3%的铝基复合材料，在滑动速度为0.377~1.131 m/s以及载荷为4~10 N的条件下进行摩擦试验，研究MoS2对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：在0.377 m/s的滑动速度下，3% MoS2/铝基复合材料在10 N载荷下具有较低的平均摩擦因数0.4，比不含MoS2材料的摩擦因数降低近一半；在0.755 m/s的滑动速度下，2种材料的摩擦因数和磨损率接近；在1.131 m/s的滑动速度下，载荷7~10 N时2种材料都严重磨损，3% MoS2/铝基材料具有相对较低的磨损率，磨损机理为熔化磨损，未添加MoS2材料的磨损机理为严重塑性变形磨损。添加3% MoS2可显著改善铝基材料的摩擦磨损性能。

铝基材料；MoS2；摩擦磨损性能；摩擦因数；磨损率；磨损机理

铝基材料因具有高的屈强比和刚度，广泛应用于一些要求强度高而质量轻的场合，如汽车、航空等行业。铝基材料的摩擦磨损性能已有较深入的研究[1−2]。文献[1]报道了在铝基体中加入Al2O3和SiC颗粒，材料的磨损率随颗粒含量增加和颗粒粒径增大而降低，SiC颗粒强化的铝基材料耐磨性能比Al2O3颗粒强化的更好，接近传统的灰铸铁，而材料质量只有灰铸铁的60%。LI等[2]在铝基材料中加入20% SiC颗粒，并对材料进行热处理，在一定温度范围内，经过热处理的材料具有较好的耐磨性能，在超过再结晶温度后，经过热处理与未经热处理的材料的抗磨性能基本一致。为了降低铝基材料的磨损，通常加入润滑剂，如石墨[3−5]等。润滑剂的硬度较小，在摩擦副之间形成润滑薄膜，减少摩擦表面之间的直接接触，从而提高材料的抗磨损性能。MoS2具有与石墨相似的晶体结构和硬度，也用作摩擦材料的润滑剂[6−9]，但MoS2的硬度较小，如果添加过多会使材料的强度降低，含量过低则难以起到有效的润滑作用。目前对MoS2作为铝基材料的润滑剂的研究还很少。本研究在铝基材料中加入3%(质量分数)的MoS2，采用热压法制备3% MoS2/Al基复合材料，采用不同的滑动速度和载荷，测试和分析该复合材料从轻微磨损到严重磨损阶段的摩擦磨损性能，研究其磨损机理，并与未添加MoS2的Al基材料进行对比，研究MoS2对铝基材料磨损性能的影响，为提高铝基材料抗磨损性能提供可借鉴的研究结论。

1 实验

1.1 Al基复合材料的制备

采用热压法制备铝基复合材料。铝粉从国药集团化学试剂有限公司购买，MoS2从上海胶体化工厂购买，表1所列为原料粉末的平均粒度与纯度。首先按照表2所列原料配比称量原料粉末，置于罐式行星球磨混料机中混料8 h，球料质量比为6:1，磨球为直径3~10 mm的不锈钢球。将混合料放入石墨模具中，在真空烧结炉内进行热压，加热速率为10 ℃/min，加热到400 ℃时加压5 MPa，加热到500 ℃时加压10 MPa，600 ℃时加压20 MPa，保温1 h，然后随炉冷却到室温，得到MoS2含量为0和3%的铝基复合材料，分 别命名为0#和3#试样，试样尺寸为直径52 mm，高 12 mm。

表1 原料粉末的平均粒度与纯度

表2 铝基复合材料的原料配比

1.2 摩擦实验

用线切割机从铝基复合材料上截取切割直径为4 mm、高度为9 mm的圆柱体试样，在多功能摩擦实验机上进行摩擦试验，摩擦副结构如图1所示。对偶环的外径为44 mm，内径为28 mm，厚度为10 mm。对偶环的材料为45钢，硬度HRC为35~40。铝基材料试样在对偶盘上的旋转直径为36 mm。每次实验前用丙酮清洗试样和对偶环，并用1000#砂纸打磨对偶环。试验压力为4~10 N，滑动速度为0.377~1.131 m/s (200~600 r/min)，试验时间均为10 min。

图1 摩擦副结构示意图

在摩擦试验前后分别用精度为±0.1 mg 的电子秤称量试样的质量，计算质量磨损量，再用下式计算质量磨损率：

=D/(·)

式中：Δ为质量磨损量，g；为滑动距离，m；为载荷，N。

采用HV-1000维氏硬度仪测量材料的显微硬度，试验压力为0.98 N，加压时间为10 s，取5个点的平均值。用JSM-5600LV扫描电镜观察材料的磨损表面形貌，分析磨损机理。所有的实验数据均为3次实验数据的平均值，2次实验的数据误差不超过5%。

2 结果与分析

2.1 实验结果

经过测定，0#试样(不含MoS2)的硬度HV为61，3#试样(含3% MoS2)的硬度HV为24。因为MoS2的硬度较低，所以3#试样的硬度比0#试样降低50%以上。图2所示为3#试样的SEM形貌以及S与Mo元素的面分布图，从图中可看出MoS2分布较均匀。

图2 3%MoS2/Al基复合材料的SEM形貌以及Mo元素与S元素的面分布

图3所示为0#和3#试样在滑动速度为0.377 m/s，载荷分别为4，7和10N条件下的摩擦因数随时间的变化曲线。从图3(a)可看到，0#试样的摩擦因数随载荷增大而增大。从图3(b)可看到，3#试样在10 N载荷下的摩擦因数最小，摩擦因数最稳定，基本保持在0.4左右；在4 N和7 N载荷下，摩擦因数的变化幅度和平均值都远高于10 N载荷下的摩擦因素，4 N载荷下的摩擦因数稍高于7 N载荷下的摩擦因数。从2种材料的摩擦因数随时间的变化可看出，添加3% MoS2后铝基材料具有稳定的、最小的摩擦因数。

图3 0#试样和3#试样在不同载荷下的摩擦因数随时间的变化

图4所示为0#和3#试样在滑动速度为0.755 m/s，载荷分别为4，7和10 N条件下的摩擦因数随时间的变化曲线。由图可知，0#试样在4 N载荷下的摩擦因数具有最大值和最大的变化幅度，7 N与10 N载荷下的摩擦因数很接近。对比图3(b)和图4(b)可知，滑动速度从0.377 m/s提高到0.755 m/s，3#试样的摩擦因数和变化幅度均大幅度提高，在10 N载荷下的摩擦因数仍然最小，4 N载荷下的摩擦因数最大。

在滑动速度为1.131 m/s时，所有材料的摩擦因数变动幅度都较大，因此本文没有提供其摩擦因数随时间的变化曲线。

图5所示为0#和3#试样在不同载荷和滑动速度下的质量磨损率。由图5(a)可见，在4 N载荷的作用下，0#试样的磨损率随滑动速度增加而增大，只是在滑动速度从0.755 m/s增加到1.131 m/s时磨损率变化很小；在载荷为7 N和10 N条件下，滑动速度为1.131 m/s时，材料急剧磨损，在不到10 min的时间内便已磨损到极限，其磨损率未在图中画出。从图5(b)可看到，在0.377 m/s的滑动速度下，3#试样的磨损率随载荷提高而略有增大；在0.755 m/s的滑动速度下，4~7 N载荷范围内，磨损率随载荷增加而逐渐增大，磨损率大于0.377 m/s滑动速度下的磨损率，但在10 N载荷下磨损率降低，并且低于0.377 m/s下的磨损率；在1.131 m/s的滑动速度下，尽管在4 N载荷下磨损率较小，但在7 N和10 N载荷下的磨损率远高于其它滑动速度下的磨损率，是其它滑动速度下磨损率的10倍以上，显然是磨损机理发生了变化，材料从轻微磨损转变为严重磨损。

图4 铝基材料在不同载荷下的摩擦因数随时间的变化

2.2 分析与讨论

图6所示为0#和3#试样在滑动速度为0.377 m/s下的磨损表面形貌。图6(a)和(d)分别为0#和3#试样在4 N载荷作用下的磨损表面形貌。从图6(a)可看到局部区域较光滑，这是摩擦副之间微凸体接触变形的结果，由于0#试样的硬度较高，摩擦过程中只有微凸体的相互接触变形，因而具有较小的摩擦因数；从图6(d)可见沿摩擦方向的划痕和松散的脱落磨屑。由于3#试样的硬度较低，在摩擦过程中微凸体接触磨损脱落，摩擦副之间的接触面积较大，故其摩擦因数及变动幅度相应较大(如图3(b)所示)，其磨损率高于0#试样。图6(b)和(e)分别为0#和3#试样在7 N载荷作用下的磨损表面形貌。由图可见磨损表面都有明显的划痕，这是磨粒磨损的特征[10−11]，在图6(e)中可见有较连续的润滑层，使磨损减轻，所以3#试样的磨损率低于0#试样的磨损率(见图5)。对比图6(c)和(f)可见，0#和3#试样在10 N载荷作用下的磨损表面都具有明显的划痕，其磨损机理也是磨粒磨损，但在3#试样的磨损表面具有连续的润滑膜，而0#试样的磨损表面润滑膜较松散，尽管两者的磨损率基本接近，但3#试样的摩擦因数低于0#试样(见图3)。

图5 铝基材料在不同载荷和滑动速度下的磨损率

图6 铝基材料在滑动速度为0.377 m/s下的磨损表面形貌

从对图6的分析可知，在0.377 m/s的滑动速度下，在7 N和10 N的载荷下，添加MoS2润滑剂的材料由于形成了连续的润滑薄膜，有效降低了磨损，其摩擦磨损性能得到不同程度的改善。

图7所示为0#和3#试样在滑动速度为0.755 m/s下的磨损表面形貌。图7(a)和(d)分别为0#和3#试样在4 N载荷作用下的磨损表面，2个磨损表面都有摩擦划痕，而3#试样表面的划痕较多且细小，这主要是因为3#试样的硬度较低，更易被磨损，因而其磨损率高于0#试样。从图7(b)和(e)看出0#试样表面具有较深的划痕，而3#试样表面具有严重的塑性变形[12]，因而其磨损率高于0#试样(见图5)。图7(c)和(f)分别为0#和3#试样在10 N载荷作用下的磨损表面形貌，从图中可看出，这2个试样的磨损表面都具有较连续的润滑膜，所以其磨损率较低(如图(5)所示)。

图7 铝基材料在滑动速度为0.755 m/s下的磨损表面形貌

从图7可看出，在较高的滑动速度和载荷下，由于摩擦副之间温度升高使得材料强度降低，润滑剂的润滑作用不明显；在高载荷作用下，0#和3#试样具有相近的磨损性能。

图8所示为0#和3#试样在滑动速度为1.131 m/s，载荷分别为7 N和10 N下的磨损表面形貌。由图可见，在7 N载荷作用下，0#试样磨损表面为大量的变形层，材料磨损严重(磨损时间不到10 min)；3#试样的磨损表面具有沿滑动方向的划痕和塑性变形，从图5看出其磨损率较高。在7 N载荷作用下，0#试样磨损表面为被撕裂后形成的凹坑，这是摩擦力超过了材料的屈服强度导致材料严重塑性变形失效的特征[12]，这与CHEN等[13]研究AZ91镁合金的磨损得出的塑性变形形貌一致；3#试样的磨损表面具有严重的塑性流动，这是在高载荷和高滑动速度下产生的高温导致材料表面熔化所致，因此其磨损率非常高[14](见图5)。

图8 铝基材料在滑动速度为1.131 m/s下的磨损表面形貌

从图8的分析可知，在高的滑动速度1.131 m/s和7~10 N载荷条件下，由于摩擦产生的温升导致材料强度降低，因此0#和3#试样都具有高的磨损率，0#试样为塑性变形磨损，3#试样为熔化磨损。0#试样的磨损率高于3#试样的磨损率，这说明添加MoS2润滑剂可明显减轻高载荷和高滑动速度下铝基材料的磨损，这也与其他研究者在铝基材料中添加石墨得出的结论一致[4−5]。

3 结论

1) 在滑动速度为0.377 m/s时，在高载荷下(10 N)，添加MoS2的铝基材料，由于摩擦表面形成连续的润滑膜，因而具有较低的摩擦因数，为不含MoS2的铝基材料的一半左右。

2) 在滑动速度为0.755 m/s时，由于滑动速度提高导致摩擦副之间的温度升高，材料的强度降低，润滑剂的作用不明显。

3) 在滑动速度为1.131 m/s时，在7~10 N的载荷作用下，尽管2种材料都磨损严重，但添加了MoS2的材料具有相对较低的磨损率。

4) 在滑动速度为1.131 m/s、载荷为10 N的条件下，添加了MoS2材料的磨损机理为熔化磨损，未添加MoS2材料的磨损机理为塑性变形。

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(编辑 汤金芝)

Effect of MoS2on tribological properties of aluminum matrix composite materials

ZHANG Junxi1, CHEN Baiming1, GONG Chenggong1, GUO Xiaoru1, ZHANG Zhenyu2, LI Baodong2

(1. School of Materials Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China;2. Provincial Key Laboratory for Green Cutting Technology and Application of Gansu Province (University), Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China)

Aluminum matrix composite materials with MoS2mass fraction of 0% and 3% were fabricated by hot press method using Al, Fe, Zn and Si powders as raw materials. The tribological properties of aluminum matrix materials with MoS2content of 3% and 0% were studied comparatively at sliding speed of 0.377−1.131 m/s and load of 4−10 N. The results show that at the sliding speed of 0.377 m/s, the aluminum matrix material with 3% MoS2has lower average friction coefficient of 0.4 which is 1/2 lower than that of the material with 0% MoS2under load of 10 N; at the sliding speed of 0.755 m/s, the tribological properties of the two aluminum matrix materials are similar; at the sliding speed of 1.131 m/s and load of 7~10 N, although two materials wear severely, the materials with 3% MoS2has lower wear rate than that of material with 0% MoS2, and the wear mechanism of aluminum matrix materials with 3% and 0% MoS2is melting wear and plastic deformation, respectively. It can be seen from the results that addition of 3% MoS2can improve tribological properties of aluminum matrix materials obviously.

aluminum matrix materials; MoS2; tribological properties; friction coefficient; wear rate; wear mechanism

TF125.9

A

1673−0224(2016)05−746−08

兰州工业学院青年科技创新项目(14K-012)；甘肃省高等学校科研项目(2014A-122)；国家自然科学基金资助项目(51361020)

2015−10−22；

2016−02−26

陈百明，副教授，博士。电话：13008772885；E-mail: chenbm1120@163.com