真空条件下铜-石墨- NbSe2自润滑复合材料的摩擦学性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏大学机械工程学院 作者:孙建荣

  采用粉末冶金的方法制备出含纳米NbSe2(1% ~ 9%( 质量比) ) 的铜-石墨复合材料。在UMT-2 及超低温摩擦磨损试验机上进行材料摩擦实验,通过X 射线衍射仪、扫描电子显微镜分析其物相及磨痕形貌,并探论了复合材料在大气、真空试验条件下的磨损机理。结果表明: 加入NbSe2可显著提高铜基复合材料的摩擦学性能; 真空干摩擦条件下添加NbSe2(5.5%) 自润滑材料的摩擦因数更小(μ = 0.185) ,承载能力更高。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为其磨损机理是粘着磨损、接触疲劳磨损共同作用的结果。

  纳米材料因独特的尺寸和微结构,产生了如小尺寸效应、表面与界面效应、量子效应和宏观量子隧道效应等四大纳米材料效应,表现出光、电、热、磁、催化及生物活性等独特性。纳米摩擦学作为纳米材料学与摩擦学交叉领域最前沿的课题之一,开始得到广泛的研究。具有片层状结构的MoS2、WS2、MoSe2、NbSe2等过渡族金属硫硒化物因化学键能高,但分子键能为范德华力,与石墨性能相似,表现出摩擦因数极低、润滑性能好等特点,是优异的固体润滑材料而被广泛应用。电刷、滑动的电触点、真空中的导电滑环等电接触材料通常分为强电用和弱电用两大类。

  常用弱电触头材料如银,银-铜合金,银-氧化镉合金等,具有电导率高、接触电阻低,易加工、耐磨性及抗熔焊性能好等特点,但银作为贵金属,产量有限,价格昂贵,且硬度不高,易受硫化氢侵蚀而生成硫化物薄膜,使接触电阻增高而影响使用,有必要去研究银的替代品。铜在性质上与银最相近,具有较高的电、热传导性能,上世纪兴起铜基电接触材料的研究。如以纯铜/663 青铜为基体材料,添加固体润滑组元,如石墨、Ag-石墨、Ag-MoS2、Ag-MoS2-C等,具有在大气条件下导电性好,接触电阻低,耐机械磨损,不易熔焊,电性能和摩擦学特性的综合值比较优良。但文献中却鲜有关于铜基润滑材料在真空中的摩擦磨损情况研究报道。本文采用粉末冶金工艺,在纯铜粉中添加纳米NbSe2-石墨复合润滑组元,对比研究其在大气与真空条件下的摩擦磨损情况,进行了一些分析,实验和表征,以拓展其在工业领域中的应用。

1、试验部分

  1.1、纳米NbSe2的制备

  用固相反应法制备出纳米NbSe2,取铌粉( 纯度99.99%,-300 目) ,硒粉( 纯度99.99%,- 300目) ,按化学计量配比( 硒过量4%) ,将混合均匀后的原料真空密封于石英玻璃管中并置于不锈钢反应釜里,在真空高温管式炉中烧结反应,以15℃ /min的速率加热到650℃,保温1 h 后,炉冷至室温,得到纳米硒化物。其反应过程用以下反应式表示:

3Se + Nb→NbSe3Nb Se3→NbSe2 + Se

  1.2、复合材料的制备

  将纳米NbSe2与纯铜粉( 纯度99.995%,- 300目) 、石墨粉( 纯度99.85%,- 200 目) 按表1 配比混料,经行星球磨机机械混合,柱销状试样300 MPa冷压成型,Ar 气氛保护,经7℃烧结后,制备出70%( 质量比) Cu-Graphite-NbSe2复合材料试样,砂纸打磨至镜面效果,清理表面后待测。

表1 添加纳米NbSe2的铜-石墨复合材料配比

添加纳米NbSe2的铜-石墨复合材料配比

  1.3、性能测试与表征

  大气室温条件下用UMT-2 微摩擦磨损试验机( CETR,USA) 的球-盘试验模式,将复合材料试样与Φ3 mm 的GCr15 钢球( 60HRC) 组成摩擦副,干摩擦状态。转速r = 200 r/min,载荷F 为0.49 ~ 2.45 N。用SFT-4000 高真空超低温摩擦磨损试验仪( 兰州化学物理研究所) 测试其常温真空状态下摩擦性能。销-盘实验模式,载荷F = 12 N,转速r = 50 r /min,真空度为10-3 Pa。

  用扫描电镜(SEM) 、X 射线衍射(XRD) 和能量色散谱(EDS) 等表征纳米NbSe2成分、形貌及复合材料的表面微观形貌、磨痕,并测量其抗弯强度及密度。

3、结论

  用粉末冶金工艺制备出铜-石墨里添加自制的不同含量的纳米NbSe2复合材料,对其力学及摩擦学性能进行了研究,重点研究了其真空状态下的摩擦学性能,结果表明:

  (1) 650℃ 温度条件下,固相反应制备的纳米NbSe2材料,呈纳米纤维结构,具有良好的结晶性和纯度。

  (2) 常温室内条件下,复合材料有较好的摩擦磨损性能,及机械力学强度,特别是当添加合适量的纳米NbSe2后。

  (3) 真空高载荷条件下,复合材料的摩擦系数普遍高于其常温常压下的测试结果。但添加纤维状NbSe2的复合材料的摩擦系数远低于纯铜-石墨复合材料( f = 0.252) ,且当NbSe2添加质量百分比5.5%时达到最小( f = 0.185) 。

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