烧结金属含油轴承是最早出现的粉末冶金机械零件^[1]。由于烧结金属具有可控孔隙度，在其连通孔隙内浸以润滑油，能减小材料摩擦因数与磨损量，且制造成本较低；与滚动轴承相比，含油轴承噪声小、震动小、形状设计自由度大，在机械工业中得到广泛应用，是轻工、纺织和农业机械中不可缺少的一类轴承^[2–5]。其中，铜基含油轴承材料相比于铁基材料具有摩擦因数小、导热性好、工作平稳的优点，适合于高速工作环境。

在铜基含油轴承中加入固体润滑剂，可以降低摩擦因数，优化摩擦性能^[6–7]。MoS₂与石墨具有相似的层状结构和润滑机理，它们作为固体润滑组元被广泛地应用在粉末冶金材料之中，但是MoS₂与金属对偶表面的亲和力强于石墨，摩擦因数为0.04~0.10，表现出优于石墨的润滑性能^[8–10]。杨茜婷^[11]对银–石墨–MoS₂复合材料进行研究，发现在大气环境中工作时，MoS₂含量增加可使复合材料磨损加剧，并指出石墨含量减少可导致材料表面形成的润滑膜完整性下降。崔中涛^[12]对石墨–MoS₂涂层在不同温度的摩擦磨损性能进行了研究，结果表明，高温下石墨质量分数为20%对应的涂层摩擦学性能最佳。杨承璋^[13]研究了MoS₂涂层对于TAB轴承的摩擦性能的影响，结果表明，在一定范围内，MoS₂涂层摩擦学性能最佳的质量分数为35%。

综上可知，国内外学者已经开展了广泛的MoS₂摩擦学性能研究，然而多数研究是以MoS₂涂层为研究对象，将MoS₂–石墨作为复合固体润滑剂的研究还有待深入。此外，对于铜基含油轴承固体润滑剂的研究尚匮乏，研究MoS₂–石墨复合固体润滑剂在常温下对于铜基含油轴承摩擦磨损机理很有必要。本文以青铜作为基体，添加MoS₂作为主要固体润滑剂，同时辅以少量石墨，分析比较不同添加成分对轴承材料显微组织、硬度、压溃强度以及摩擦磨损性能的影响，研究MoS₂–石墨成分对轴承材料力学性能和摩擦性能的影响规律，为进一步改善铜基轴承材料的性能、扩大其应用范围提供参考。

1.   实验材料及方法

1.1   实验材料

实验原料为粒度-100目的青铜粉(Cu–10Sn)，纯度＞99%；固体润滑剂MoS₂的粒度为-400目，纯度＞99%；鳞片石墨的粒度为-300目，纯度99.5%。每种配料外加质量分数为0.6%的硬脂酸锌，共设计9组配方，如表 1所示。

表  1  铜基含油轴承主要成分含量(质量分数)

Table  1.  Main composition of the bronze oil bearing %

序号	Cu–10Sn	MoS2	石墨	硬脂酸锌
1#	余量	1.0	0	0.6
2#	余量	1.5	0	0.6
3#	余量	2.0	0	0.6
4#	余量	1.0	0.5	0.6
5#	余量	1.5	0.5	0.6
6#	余量	2.0	0.5	0.6
7#	余量	1.0	1.0	0.6
8#	余量	1.5	1.0	0.6
9#	余量	2.0	1.0	0.6

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1.2   试样制备

按照表 1的成分配料，将原料置于双锥形混料机中混合40 min。将均匀混合后的粉末在40 t液压成形机上压制成形，生坯密度为6.4 g·cm^-3。压坯在氮氢(N₂: H₂=5:1，体积比)气氛中烧结，烧结温度为845 ℃，脱蜡时间为30 min，烧结时间为55 min，随炉冷却。烧结件进行真空浸油，得到轴承试样。

1.3   性能测试

采用阿基米德排水法测量轴承试样的密度，在TM5504电子万能试验机上测定轴承的径向压溃强度，用数显显微硬度机测定试样的硬度。在MMUD-B型磨损试验机上进行磨损实验，摩擦试样为外径18.30 mm、内径12.00 mm、高~15 mm的轴承试样，对偶材料为直径45 mm、厚度10 mm的40Cr钢圆盘，硬度为HRC 55~57。摩擦实验在室温条件下进行，线速度分别为0.10、0.25和0.50 m·s^-1，每次加载级差分别为4.90、2.94和2.94 MPa。以第一级载荷预磨30 min后摩擦实验开始，每10 min增加一级载荷，直至试样失效，获得实验过程中的摩擦因数曲线。试样用5%HNO₃乙醇腐蚀剂进行腐蚀，用MR500倒置金相显微镜观察轴承的微观组织。

评价含油轴承工作特性的参数主要有负荷(p，MPa)、线速度(v，m·s^-1)、摩擦因数(μ)和摩擦温度(T，℃)。用负荷×线速度(pv)极限值作为轴承的服役条件，实验轴承达到极限pv值的标志为：摩擦因数≥0.15或摩擦温度≥110 ℃。实验时只要其中一项到达或接近规定值即视为失效。

2.   结果与分析

2.1   材料显微组织及力学性能

图 1为未添加石墨、添加不同质量分数MoS₂的轴承试样腐蚀前后的显微组织形貌。如图所示，未腐蚀组织中有两种颜色，灰白相是基体，黑色相是游离的金属单质。从图 1(c)中可以看出有大块黑色相出现，说明随着MoS₂含量的升高，黑色相增加，且大小不一。腐蚀组织中有三种颜色，灰白色为铜基体，灰色相为烧结过程中铜与MoS₂反应形成的铜硫化物和铜钼硫化合物，深黑色相为游离的Mo金属单质^[14-15]。从图 1(d)中可以看出，当MoS₂质量分数为1.0%时，铜基体呈连续片状分布，少量的铜硫化物和铜钼硫化合物分布在铜基内部，游离Mo单质主要分布在两相的相界面处，呈链条状分布。从图 1(e)中可以看出，当MoS₂质量分数增加到1.5%时，化合物面积增多，导致铜基的片状面积减少，单质Mo的比例增多，并发生局部富集。从图 1(f)中可以看出，当MoS₂质量分数增加到2.0%时，铜基的片状面积进一步减少，呈不规则的树枝状，化合物所占面积进一步的增大，逐渐聚集成块状或小片状分布，单质Mo发生偏析而富集成大块聚合物，同时有少量分散在铜基和化合物内部。在不加入石墨的情况下，随着MoS₂含量的增加，铜基所占的面积越来越少，铜硫化物和铜钼硫化合物不断增加，同时单质Mo不断偏析而富集成大块聚合物，说明在该过程中，铜基与MoS₂的反应越来越多。

图  1  未添加石墨、添加不同质量分数MoS₂的轴承试样腐蚀前后的显微组织形貌：(a)青铜-1MoS₂(MoS₂质量分数1.0%)；(b)青铜-1.5MoS₂(MoS₂质量分数1.5%)；(c)青铜-2MoS₂(MoS₂质量分数2.0%)；(d)腐蚀后青铜-1MoS₂；(e)腐蚀后青铜-1.5MoS₂；(f)腐蚀后青铜-2MoS₂

Figure  1.  Microstructures of the bearing samples without graphite and with MoS₂ in different mass fractions before and after corrosion: (a) bronze-1MoS₂ (MoS₂ mass fraction of 1.0%); (b) bronze-1.5MoS₂ (MoS₂ mass fraction of 1.5%); (c) bronze-2MoS₂ (MoS₂ mass fraction of 2.0%); (d) bronze-1MoS₂ after corrosion; (e) bronze-1.5MoS₂ after corrosion; (f) bronze-2MoS₂ after corrosion

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图 2为含质量分数1.0%MoS₂且添加不同质量分数石墨的试样腐蚀前后显微组织形貌。从未腐蚀组织可以看出，石墨的加入使得组织中出现大体积的块状黑色相，且随着石墨的增加，黑色相的比例增加。从腐蚀组织可以看出，在不加入石墨的情况下，游离的单质Mo主要分布在相界面，偏析程度较小，呈链条状分布；石墨的加入会促进单质Mo的偏析，形成大块聚集物。在烧结过程中，石墨会固溶于铜基中，在随后的冷却过程中，由于石墨与铜不发生反应而从铜基中析出，在铜基中形成空洞，导致轴承内的孔隙增多^[16–18]，单质Mo趋向于孔隙处形成偏析，从而形成大块聚集物。

图  2  含质量分数1.0%MoS₂且添加不同质量分数石墨的轴承试样腐蚀前后显微组织形貌：(a)青铜-1MoS₂(不含石墨)；(b)青铜-1MoS₂-0.5石墨(石墨质量分数0.5%)；(c)青铜-1MoS₂-1石墨(石墨质量分数1.0%)；(d)腐蚀后青铜-1MoS₂；(e)腐蚀后青铜-1MoS₂-0.5石墨；(f)腐蚀后青铜–1MoS₂-1石墨

Figure  2.  Microstructures of the bearing samples with 1.0% MoS₂ and graphite in different mass fractions before and after corrosion: (a) bronze-1MoS₂ (without graphite); (b) bronze-1MoS₂-0.5graphite (graphite mass fraction of 0.5%); (c) bronze-1MoS₂-1graphite (graphite mass fraction of 1.0%); (d) bronze-1MoS₂ after corrosion; (e) bronze-1MoS₂-0.5graphite after corrosion; (f) bronze-1MoS₂- 1graphite after corrosion

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图 3是试样成分对轴承含油率的影响。从图中可以看出，当MoS₂质量分数从1.0%增加到1.5%时，轴承含油率大幅提高。在烧结过程中，MoS₂与铜发生反应，反应中有部分S以蒸汽的形式逸出，从而在轴承内部留下孔隙；MoS₂含量的增加使得反应产生的S蒸汽增多，导致轴承内部的孔隙增多，轴承的含油率随之提高。当MoS₂质量分数从1.5%增加到2.0%时，轴承含油率出现了小幅降低，这与单质Mo的局部偏析有关。根据图 1分析可知，MoS₂的增多导致反应生成的单质Mo出现了局部偏析，形成的团聚物占据部分孔隙的位置从而使孔隙体积减小甚至消失，轴承的含油率出现略微的减小。当MoS₂质量分数为1.0%时，加入石墨可以使轴承的含油率提高。由于石墨与铜不反应，石墨的加入会增加轴承内部的孔隙量，使得轴承的含油率提高。当MoS₂质量分数为1.5%和2.0%时，石墨的加入会使轴承的含油率略微降低。根据图 2分析可知，加入石墨会提高单质Mo的偏析程度，被团聚物占据的孔隙更多，导致轴承内部的孔隙量减少，轴承的含油率降低。

图  3  试样成分对轴承含油率的影响

Figure  3.  Effect of the sample composition on the bearing oil content

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图 4是试样成分对试样硬度和压溃强度的影响。从图中可以看出，在不加入石墨时，随着MoS₂的增多，试样的硬度和压溃强度都会降低。由金相显微组织看出，随着MoS₂的增多，参与反应的铜增多，使得铜相面积减少，其连续分布被化合物破坏，同时单质Mo的局部偏析程度增大，团聚物密度增大，试样内部的应力集中点增多，从而导致试样硬度和压溃强度降低。当加入石墨后，试样的硬度和压溃强度大幅降低。在烧结过程中，由于石墨与铜不发生反应而产生孔隙，石墨以游离状态存在。在相内部的孔隙会破坏相的整体强度，在相界面的孔隙会削弱两相的结合强度，游离石墨较低的强度也会影响试样的强度；孔隙的存在导致单质Mo的偏析程度增大，团聚物密度增大，造成试样内部更大的应力集中。这些因素共同导致了试样的硬度和压溃强度大幅降低。

图  4  试样成分对轴承硬度(a)和压溃强度(b)的影响

Figure  4.  Effect of the sample composition on the hardness (a) and crushing strength (b) of bearings

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2.2   材料摩擦性能分析

图 5是试样成分对轴承极限pv值和摩擦因数的影响。在不加石墨的情况下，随着MoS₂的增加，轴承的极限pv值和摩擦因数都减小。由图 1和图 3可知，轴承材料含油率大幅提高加强了轴承的供油能力，保证摩擦过程中油膜的完整性，同时单质Mo提高了摩擦面的平整度，并降低了粘着磨损的程度，使摩擦因数减小。但孔隙增多会降低轴承的有效承载面积，同时单质Mo的局部偏析，使轴承的压溃强度降低。摩擦因数的降低会改善试样摩擦性能，提高极限pv值，而压溃强度的降低会使摩擦表面容易发生塑性变形，降低轴承的耐磨性和承载能力，降低极限pv值。

图  5  试样成分对轴承极限pv值(a)和摩擦因数(b)的影响

Figure  5.  Effect of the sample composition on the limit pv value (a) and friction coefficient (b) of bearings

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由图 5(b)可以看出，不添加石墨试样的摩擦因数从0.070降低至0.061，降低幅度较小，仅有0.009。图 5(a)与图 4(b)的曲线变化趋势大致相同，说明压溃强度对极限pv值的影响起主要作用，掩盖了摩擦因数的影响，导致不加石墨时试样的极限pv值随着MoS₂的增加而降低。在添加石墨的情况下，由于孔隙的增多和石墨较低的强度，试样的压溃强度会大幅降低，导致试样的极限pv值大幅降低。但从图 5(a)中可以看出，试样的极限pv值并没有出现骤降，这与试样的摩擦因数有关。从图 5(b)中可以看出，与不添加石墨的试样相比，当石墨质量分数为0.5%时，摩擦因数降低了0.012，当石墨质量分数为1.0%时，摩擦因数降低到0.04。在摩擦过程中，石墨在轴承和摩擦副之间形成完整的固体润滑膜，使轴承的摩擦因数降低。石墨对摩擦性能的改善抵消了部分压溃强度下降对极限pv值的负面影响，所以加入石墨后试样的极限pv值不会有太大的降低。

从图 5(a)中可以看出，与添加质量分数为0.5%石墨的试样相比，添加质量分数为1.0%石墨的试样极限pv值有所提高，这除了与摩擦因数的降低有关外，可能与试样的硬度有关。一般情况下，材料的硬度越高，耐磨性越好，从图 4(a)可以看出，添加质量分数为1.0%石墨的试样硬度比添加质量分数为0.5%石墨的试样硬度略高，有利于提高耐磨性，改善试样的摩擦性能。

2.3   润滑机理

铜基含油轴承适用于高速工作环境，我们对0.5 m·s^-1线速度条件下摩擦失效的试样表面进行分析。

图 6是7^#轴承材料的压坯、烧结试样和摩擦试样表面的X射线衍射分析(X-ray diffraction，XRD)。生坯试样中可以检测到C、Cu和MoS₂衍射峰，而在烧结试样中只检测到C和Cu衍射峰，检测不到MoS₂峰，说明在烧结过程中MoS₂与铜发生了反应，与金相分析的结果相同。在摩擦试样表面检测不到C峰的存在，同时在摩擦后的残留润滑油中可以发现有黑色物质的存在，说明在摩擦过程中轴承内部的石墨会渗出表面，在试样与摩擦副之间形成了固体润滑膜，起到提高轴承摩擦性能的作用。

图  6  7^#试样的压坯、烧结样品和摩擦样品表面的X射线衍射图谱

Figure  6.  XRD patterns of the compacted, sintered, and friction surfaces of 7^# samples

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图 7是在0.5 m·s^-1线速度条件下摩擦失效试样表面的扫描电子显微形貌(scanning electron microscope，SEM)和元素面分布能谱分析(energy disperse spectroscope，EDS)。由图可知，摩擦表面比较光滑，试样未出现严重的磨损，元素分布均匀，未出现局部元素聚集的情况。说明在烧结过程中，各组分元素扩散十分均匀，摩擦过程中润滑膜也稳定、均匀，未出现破坏，实验配方具有较好的润滑减摩性能。

图  7  在线速度为0.5 m·s^-1条件下摩擦失效试样表面的扫描电子显微形貌和元素面分布能谱分析：(a)1^#试样；(b)7^#试样

Figure  7.  SEM images and EDS analysis of the failure specimen surface by friction at the linear velocity of 0.5 m·s^-1: (a) sample 1^#; (b) sample 7^#

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从图 7(a)中可以看出，试样摩擦表面存在许多很浅的小圆坑，同时存在少量狭小细长的舌状花样。小圆坑主要与MoS₂在烧结过程中与铜反应生成的单质Mo有关，而舌状花样的形成是由于试样表面发生了粘着磨损。单质Mo颗粒在磨损过程中会发生扩散并填补到摩擦表面凹凸不平的地方，提高摩擦面的平整度；同时单质Mo具有较高的热容，可以吸收摩擦过程中产生的热量，抑制粘着磨损的发生。在不加石墨的情况下，随着MoS₂的增加，反应生成的单质Mo增多，同时含油率增加，提高了轴承的供油能力，使得轴承具有更低的摩擦因数。

从图 7(b)中可以看出，试样表面较为光滑，试样表面不发生粘着磨损，这主要与烧结过程中生成的铜硫化物以及游离石墨有关。在摩擦过程中，游离的石墨在压力和摩擦过程中产生的热作用下渗出，在摩擦表面形成一层固体润滑膜，避免了试样与摩擦副的直接接触，提高了试样的耐磨性。烧结过程中MoS₂与铜发生了反应，铜的硫化物具有类似MoS₂的层状结构，具有一定的润滑作用^{[9, 19]}，同时铜的硫化物与铜基的化学亲和性使得固体润滑膜具有更好的结合强度，不易脱落。石墨和铜的硫化物相配合，有利于提高固体润滑膜的减摩能力和耐久性，提高试样的摩擦性能。在图 7(a)中同样有铜的硫化物所形成的固体润滑膜，但其修复能力较差，润滑膜的完整性在摩擦过程中遭到破坏，试样与摩擦副直接接触，摩擦过程中主要通过单质Mo颗粒提高摩擦面平整度并抑制粘着磨损来提高摩擦性能。

3.   结论

(1) 在青铜基体中加入质量分数为1.0%~2.0%的MoS₂，利用烧结过程中反应生成的单质Mo在摩擦过程中提高摩擦面的平整度，降低粘着磨损的程度，同时增大含油率来提高轴承的供油能力。随着MoS₂质量分数升高，摩擦因数降低的幅度变小，由于轴承极限pv值主要受压溃强度影响，所以青铜-1MoS₂具有较高的极限pv值，达到2.940 MPa·m·s^-1，摩擦性能较好。

(2) 在加入MoS₂的基础上添加石墨作为固体润滑剂，与烧结过程中生成的铜的硫化物相互协同，形成具有修复能力的完整润滑膜，避免轴承与摩擦副的直接接触，大大降低了摩擦因数。石墨的加入会大幅降低轴承的力学性能，但由于摩擦因数的大幅降低，使得轴承的极限pv值仅出现小幅降低，青铜-1MoS₂-1石墨具有0.038的摩擦因数，对轴承摩擦面的损害小。