不同组成硅化石墨复合材料的摩擦磨损性能
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引用本文：
王梓璇，薛蓉，朱聪珍，等.不同组成硅化石墨复合材料的摩擦磨损性能[J].机械工程材料，2022，46（10）：21-26.
Wang Z X, Xue R, Zhu C Z, et al. Friction and Wear Properties of Different Constituent Siliconized Graphite Composites , 2022, 46（10）: 21-26.
DOI:10.11973/jxgccl202210004
以在不同等静压压力(40MPa和70MPa)下采用反应熔渗制备的2种组成硅化石墨复合 材料和市购俄罗斯产硅化石墨复合材料为研究对象，研究3种组成硅化石墨复合材料的物相组成和 微观结构，以及水润滑条件下摩擦磨损性能。结果表明：硅化石墨复合材料的物相均由碳相、碳化硅 相和硅相组成，三相呈三维网络嵌入式分布；当碳相含量较低，碳化硅含量较高时，硅化石墨复合材料 的摩擦因数随着载荷的增加而增大，而当碳相含量较高，碳化硅含量较低时，摩擦因数先增大后减小。 不同组成硅化石墨复合材料的磨损量均极低，耐磨性能良好，磨损机理主要为磨粒磨损。
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试样制备与试验方法
1.1 试样制备
试验原料包括中间相炭微球(MCMB) 、石油焦 、石墨粉 、酚醛 树脂、聚丙烯酸树脂 。按照 MCMB、石油焦和石墨粉的质量比为2∶1∶1，酚醛树 脂和聚苯烯酸树脂与总碳源质量比分别为1∶10，3∶10 称取原料，混合获得复合粉体。复合粉体经预压成型， 等静压成型，在高 温管式炉中进行炭化， 得到多孔碳坯 体； 然 后在多孔碳坯体中加入粒径3mm 的硅粉进行 反应熔渗处理，制 得硅化石墨复合材料。将40，70MPa等静压压力下 制备的硅化石墨复合材料分别标记为P 1 试样和P 2 试样；俄罗斯制备的硅化石墨复合材料CT-П0.5标记为P 3 试样。
1.2 试验方法
采用X射线衍射仪(XRD)测定 试样的物相组成， 使用自动磨 样机对试样进行打磨，然后使用金刚石抛光液在抛 光布上进行抛光，抛光好的试样采用 3D激光共聚焦显微镜观察显微组织。沿试样的边 缘到中心位置选取5个点，采用Image-Pro Plus图 像定量分析软件统计试样中各相含量。
按照如图1所示的方法进行水润滑环块摩擦 磨损试验。硅化石墨复合材料试样为块状，尺寸 为12.32mm×12.32mm×19.05mm，对磨材料为 硬度55~60HRC的W18Cr4V合金钢圆环，尺寸 为ϕ16mm×40mm×10mm。在转速250r· min -1 ，载荷40，60，80N下进行水润滑摩擦磨损试 验，试验时间均为30min。摩擦因数取摩擦稳定阶 段(摩擦曲线中15~30min)的平均值。采用精度为 0.1mg的电子分析天平测试样在摩擦磨 损试验前后的质量，并计算磨损量。采用 3D激光共聚焦显微镜和扫描电镜观察 磨痕形貌。
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试验结果与讨论
2.1 物相组成与微观结构
由图2可见，3种试样都由碳化硅相、碳相及硅 相组成。比较P 1 和P 2 试样，可以明显地观察到P 1 试样的碳峰强度较弱，硅峰较强，即等静压压力越 大，碳相含量越多，硅相含量越少。俄罗斯制备的硅 化石墨复合材料(P 3 试样)中碳相含量较多。
由图3可见，硅化石墨复合材料由黑色的碳相、 灰色的碳化硅相和白色的硅相组成，三相在空间呈 网络嵌入式分布。硬质相碳化硅作为基体骨架，保 证材料优异的力学性能；石油焦和MCMB的粒径 较小，极易与液硅反应生成碳化硅，因此硅化石墨复 合材料中保留下来的碳相基本是未反应完全的石 墨，石墨具有良好的自润滑作用。
由表1可知，3种 试样的碳相含量依次增多，碳化硅相含量依次减小， P 2 和P 3 试样的硅含量较多。这个结果与图2的 XRD谱所得结果相符。
2.2 摩擦磨损性能
由图4可见，硅化石墨复合材料的摩擦因数随 时间变化的曲线存在2个阶段：初始阶段和稳态阶 段。在初始阶段，合金圆环与试样处于磨合过程，摩 擦因数波动较大且较高，进入稳态阶段后，摩擦因数 逐渐减小并趋于稳定值。在低载荷40N下，不同硅 化石墨试样均表现出较低的摩擦因数(小于0.1)。随 着载荷的增大，不同试样的摩擦因数出现了波动。当 载荷达到80N时，P 1 和P 2 试样的摩擦因数随时间 延长呈现增大趋势，而P 3 试样则先增大后减小。
硅化石墨在水润滑条件下稳态磨损阶段中的摩 擦因数与其碳相含量、碳化硅相含量和外加载荷有 关。由图5可见：不同组成硅化石墨复合材料 在不同载荷下的摩擦因数和磨损量均很小；碳相含 量相对较低、碳化硅含量较高的试样(P 1 与P 2 )的摩
擦因数随载荷的增加而增大，高碳相含量、低碳化硅 含量P 3 试样的摩擦因数随载荷的增加先增大后减 小。较高载荷下P 1 和P 2 试样的摩擦因数高于P 3 试样，这是因为P 1 和P 2 试样中碳化硅硬质相含量 较高，表面凸起，粗糙度大，当载荷变大，实际摩擦接 触面积增大，导致摩擦因数增加，而P 3 试样的软质 相碳含量较大，硬质相碳化硅较少，摩擦面较光滑， 表面粗糙度较小，则摩擦因数较小。同时试样中碳 相含量越高，磨损量越大，这是由于软质相碳易损耗 所致。但当试样中碳相含量达到一定值时，在大的 载荷下，剥落的碳在摩擦表面与水会组成一定厚度 的润滑膜，减少与对磨面的直接接触，因而减少了硬 质相碳化硅微观凸起结构导致的犁沟效应，从而降 低了摩擦因数和磨损量。
2.3 磨损形貌
由图6可见，P 2 试样的磨损区和非磨损区的表 面形貌有显著差异。虽然在磨损之前试样表面已经 进行了精磨抛光，但从3D形貌上依然可以看到有尖 锐的凸起，而水润滑磨损后的表面较为平整，这是因 为水介质在圆环的带动下清除了磨损产生的碎屑，使 得磨损表面光滑，并且其冷却作用显著降低了磨屑的 黏着力。在40N载荷下试样表面的碳相剥落较少； 在60N和80N载荷下碳相大量剥落。同时，试样表 面出现了因摩擦应力导致的裂纹，同时随着载荷的增 大，试样表面出现了明显的磨痕。主要原因是随着载 荷增大，圆环与试样表面的硬质相凸起物接触数量增 多，使得实际磨损面积增大；另一方面，由于试样单位 面积上的接触应力增加，使得试样表面因剥落而产生 了磨粒磨损，因而试样的磨损程度加剧。
在环块摩擦试验过程中，水润滑条件也是影响 摩擦因数的重要因素之一。在水润滑条件下， 硅化石墨复合材料的划痕、裂纹和碳剥落现象大大 减少。由图7可见，P 1 试样和P 2 试样在高载荷 作用下出现了大量碳剥落，导致硬质相碳化硅凸起 结构出现，由于碳化硅相为主要基体，在磨损表面上 呈连续分布状态，所以磨痕数量较少。P 3 试样的磨 损表面上有大量明显的犁沟，试样的磨损机理主要 为磨粒磨损。这是因为P 3 试样在初始磨损阶段，软 质碳相从基体脱离，此阶段水不能形成边界润滑 膜，又因为P 3 试样中的碳化硅量较少，碳化硅颗 粒间彼此的结合强度较弱，当载荷增加到高于碳化 硅颗粒的断裂强度后，硬质颗粒脱落成为磨粒，加剧 了硅化石墨的磨损。随着载荷的进一步增加，磨屑 越来越多，而大量的脱落碳在磨损表面形成了较 为稳定的润滑薄膜。可知，在脱落碳相和水润滑 作用下，硅化石墨复合材料的摩擦因数保持在较 低水平，而硬质碳化硅相的存在使硅化石墨复合 材料具有极低的磨损量，硅化石墨复合材料具有 良好的耐磨性能。
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结 论
(1) 不同组成的硅化石墨复合材料均由碳相、 碳化硅相和硅相组成，三相在空间呈网络嵌入分布。
(2) 在水润滑摩擦环境下，当碳相含量较低、碳 化硅含量较高时，硅化石墨复合材料的摩擦因数随 着载荷的增加而增大；而对于高碳相含量和低碳化 硅含量的硅化石墨复合材料，摩擦因数随着载荷的 增加先增大后减小。在脱落碳相和水的润滑作用 下，硅化石墨复合材料的摩擦因数均保持在较低水 平；由于硬质碳化硅相的存在，硅化石墨复合材料具 有极低的磨损量，耐磨性能良好。
(3) 在水润滑条件下，不同组成硅化石墨复合 材料与W18Cr4V合金钢对磨的磨损机理主要为磨 粒磨损。