銅基石墨自潤滑件的三維骨架設計與制備工藝參數研究

周雪琴

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?銅基石墨自潤滑件具有摩擦系數低、磨損小等優良性能。石墨顆粒在銅基體的分布會影響自潤滑件的綜合性能，根據摩擦磨損理論，結合固體潤滑劑嵌入軸承的方式，設計交錯分布的石墨骨架結構，通過正交試驗確定分層厚度0.1mm、掃描速度1500mm/min、掃描間距0.1mm、激光功率20W的工藝參數，成功制備銅基石墨的三維石墨骨架。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?自潤滑件;石墨骨架;激光燒結;工藝參數

[中圖分類號] ?TH117.2+1 ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）15-0029-03

銅基石墨自潤滑件具有摩擦系數低、磨損小等優良性能。石墨顆粒在銅基體的分布會影響自潤滑件的綜合性能，如何實現石墨含量及其在銅基體中可控分布仍然是一個技術難題。本文通過預先設計并制備三維石墨骨架，實現對石墨含量在銅基體的可控分布，為獲得綜合性能優良的銅基石墨自潤滑件提供可行條件。

一、三維石墨骨架的設計

根據固體潤滑劑嵌入軸承的方式[1]，如圖1所示。其中，A為泛用型;B適用于微動摩擦場合;C適用于軸固定而軸承轉動的條件下;D則適用于軸作旋轉和軸向移動雙向運動時。在結構上，嵌入的固體潤滑劑在摩擦方向上都保持了一定的交疊，因為固休潤滑劑不能流動，交疊的排布能保證固體潤滑劑在摩擦過程中形成覆蓋整個摩擦表面的轉移膜，達到潤滑的效果，否則，在沒有潤滑劑的部位會出現咬傷，嚴重時將導致軸承迅速失效。

固體自潤滑件鑲嵌在金屬基體內時，要按一定規律分布成若干圓柱，如圖2所示。所有鑲嵌孔沿運動方向交叉布置，在軸向或徑向（以運動方向而論）各孔之間應有一定的切向重疊度ε，以保證軸承潤滑劑覆蓋整個滑動方向，形成完整的固體潤滑膜[2]。

根據上述理論基礎，設計石墨骨架底座尺寸為25mm×25mm×5mm，圓柱體設計尺寸為？椎4mm×5mm，圓柱分布方式采用圖1的B圖，在摩擦方向各圓柱之間的切向重疊度ε=1.25mm，為了減小圓柱底部的應力集中，在圓柱底部增加R1mm的倒圓角，具體分布方式如圖3所示。

二、三維石墨骨架的快速制備

（一）實驗設備

激光燒結設備：3D打印成型系統選用選擇性激光燒結快速成型機HKS500，由武漢華科三維科技有限公司提供;激光器為CO2氣體激光器，輸出功率最大能達到55W，最大光斑直徑為0.4mm，成型空間尺寸為500mm×500mm×400mm，分層厚度為0.05mm-0.25mm。后處理除塵裝置、鼓風對流干燥箱均為3D打印成型系統的配套設備。

石墨3D打印原材料制備設備：振動篩和不銹鋼干磨球磨機

（二）3D打印材料

石墨3D打印粉料由細鱗片石墨和熱固性酚醛樹脂粉末組成，按表1制作配方。

根據配方要求，使用振動篩篩選石墨粉末，按比例稱取熱固性酚醛樹脂粉末，一起投入不銹鋼干磨球磨機中，并按1∶3的球料比放入適量鋼球，以45r/min的轉速混合5小時（分階段），獲得混合均勻的石墨/酚醛樹脂混合粉末原料將物料置于濕度低于40RH%的干燥環境（防止受潮）中備用。

三、三維石墨骨架選擇性激光燒結成形工藝

在選擇性激光燒結成型過程中，粉末所吸收的能量大小可用激光能量密度來描述，研究表明激光能量密度與激光功率P成正比，而與掃描間距L、掃描速度V成反比[3]，激光的能量密度E恰好能表達各個工藝參數之間的關系：E=fP/（LV）

上式中：E表示激光能量密度的大小，P為激光功率，V為掃描速度，L為掃描間距，f為修正系數，由具體的實驗環境決定。可見，激光功率P、掃描速度V、掃描間距L是影響成型質量的主要可控的工藝參數。

由于石墨/酚醛樹脂混合粉末導熱性好，該混合粉末所吸收的能量除一部分散失到上方空氣中外，大部分激光能量以熱量形式通過傳導方式傳向周圍松散粉末，使這些粉末溫度升高，當其溫度達到粉末結塊溫度時，便會在燒結件表面粘接一層非理想燒結層，從而形成次級燒結區，致使X、Y方向尺寸偏大;激光功率越大，能量密度越大，形成的次級燒結區越大，尺寸偏差也越大[4]。

為了能精確控制自潤滑件中石墨的含量，必須要計算圓柱的設計尺寸與打印尺寸的比值。為此，實驗中用0.1mm的分層厚度，采用正交試驗研究了掃描間距L、激光功率P、掃描速度V對燒結件坯體尺寸精度的影響規律，各參數取值如表2所示。

每組試樣一次性燒結3個，采用游標卡尺（精度為0.02mm）在同一高度測量燒結件坯體的直徑，取平均值并統計，用實測直徑減去基本尺寸求得尺寸偏差，再用尺寸偏差除以基本尺寸獲得尺寸相對誤差值。正交試驗表及直徑測量結果如表3所示（見附表）。

四、正交實驗結果的分析與討論

根據正交實驗結果，當激光能量密度小于等于0.067J/mm2時，無法獲取結構完整試樣（如圖4所示）;而當激光能量密度大于0.167J/mm2時，試樣在X軸方向出現粘接或者“擾動”（如圖5所示）。只有當激光能量密度在0.075～0.150J/mm2范圍內變化時，才能獲得結構完整的試樣，且隨著激光能量密度的增加，試樣的相對誤差值也隨之增大。這是因為在石墨/酚醛樹脂混合粉末選擇性激光燒結成型過程中，當激光能量密度偏低時，混合粉末所吸收的能量少，不足以使其中的酚醛樹脂粉末固化，導致層間連接強度不夠而無法獲取石墨成型件。隨著激光能量密度不斷增大，大部分酚醛樹脂粉末吸收足夠的能量得以固化，增加了層間連接強度，改善了成型工藝性。如果激光能量密度過大，石墨和酚醛樹脂粉末會部分燒失。

采用極差分析法對同一因素的幾個實驗值相加，得到該因素的K1、K2、K3值，求得K1、K2、K3中最大值與最小值之差為該因素的極差R，R值越大，說明該因素在實驗過程中的影響越大。

結合表4可知，影響試樣直徑相對誤差的主次因素為：激光功率>掃描間距>掃描速度。為保證試樣直徑相對誤差最小，應選取A1B3C3工藝參數組合，即激光功率為15W，掃描速度為2000mm/s，掃描間距為0.2mm，即表3中的第九組參數。利用第九組參數打印出來的試樣圖片如圖6所示。

由圖6可知，利用第九組參數打印試件時，中間試件出現了比較明顯的次級燒結。也就是說由表4確定的工藝參數并不是最佳的，之所以會出現這種比較矛盾的結果，是因為在制作表4時，由于部分試樣取樣失敗以致部分數據缺失所致。例如掃描間距為0.1mm的相對誤差數據有9組，而掃描間距為0.2mm的相對誤差數據只有5組，掃描間距為0.15mm的相對誤差數據有6組;激光功率和掃描速度的計數數據也是如此。

雖然由表4確定的工藝參數不是最佳的，但可以用來作參考。通過觀察表3可知，1、4、9組試樣的打印尺寸相同，均為5.7mm。通過對比三組試樣的圖片，如圖7所示，根據圖片可知，相比第四組和第九組，利用第一組參數打印的試樣出現了比較明顯的Z軸盈余;相比第一組和第四組，利用第九組參數打印的試樣出現了比較明顯的次級燒結區域，因此第四組參數比較合理。

綜上所述，選擇第四組參數進行骨架的燒結制備。利用第4組參數打印的試樣圖片如圖8所示。將第4組參數作為本實驗3D打印的工藝參數，如表5所示。

經測量，打印出來的試樣的直徑在椎5.9mm～椎6.1mm之間取值，平均值為椎6mm。

五、結論

根據摩擦磨損理論，結合固體潤滑劑嵌入軸承的方式，設計了交錯分布的石墨骨架結構，通過合理分配3D打印材料中酚醛樹脂含量40wt%、酚醛樹脂粒徑75μm，通過正交試驗確定分層厚度0.1mm、掃描速度1500mm/min、掃描間距0.1mm、激光功率20W的工藝參數，成功制備了銅基石墨的三維石墨骨架。

參考文獻：

[1]李同生.鑲嵌固體潤滑劑軸承的研究與應用[J].固體潤滑，1989（2）：69-77.

[2]肖躍加，馬黎，陳國清.鑲嵌型固體自潤滑軸承及其設計[J].鍛壓機械，1995（2）：22-25.

[3]吳海華，鄢俊能，李騰飛，等.石墨/酚醛樹脂混合粉末選擇性激光燒結成型精度實驗研究[J].激光與光電子學進展，2017，54（8）.

編輯 馮永霞