復(fù)層孔隙分布鐵基粉末冶金材料摩擦性能分析

楊 茜

（呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 孝義032300）

鐵基粉末冶金軸承材料使用中通過自身孔隙中油液的持續(xù)外析，能于接觸面形成潤滑保護(hù)膜，潤滑作用良好。而性能要求高的邊界潤滑工況下，鐵基含油軸承材料常面臨力學(xué)性能不足的問題，孔隙率不足導(dǎo)致其含油性能下降。作為粉末冶金材料的固有屬性，孔隙對材料化學(xué)和摩擦學(xué)性能有著直接性影響。因此改變傳統(tǒng)的粉末冶金材料制備工藝，通過對粉末材料二次加壓成型處理，改變其孔隙率，提升復(fù)層粉末冶金材料的減摩耐磨性能。目前該技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了良好反饋，應(yīng)用前景廣闊。

1 試驗(yàn)材料及制備

選擇TiH2為造孔劑，表層材料配方如圖一。基層配方去吃了ZnSt、TiH2，又增加了潤滑劑酰胺蠟。制備試樣時(shí)，配方材料的壓制密度為7 g/cm3，其他配方材料不變，只改變造孔劑中TiH2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其對材料孔隙率變化負(fù)責(zé)。取部分粉末裝入錐形混料器中，30 min后將混合物料倒入磨具，借助自動液壓機(jī)鋪粉2次、壓制1次，制作成鐵基軸承材料試樣。將壓制完成的生坯行燒結(jié)處理，燒結(jié)溫度控制在1 080～1 150℃之間，燒結(jié)時(shí)間約為3 h，燒結(jié)完成后的復(fù)層試樣經(jīng)真空浸油與磨削加工后成為正式的摩擦試樣。

2 試驗(yàn)方法

硬度分析參考布洛式硬度計(jì)的測試結(jié)果，壓潰強(qiáng)度測試參考萬能材料試驗(yàn)機(jī)的測試結(jié)果，通過掃描電鏡觀察材料斷面形貌并判斷斷裂機(jī)理，在端面摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，摩件硬度為HRC48-52的40Cr，添加潤滑由，以轉(zhuǎn)速為735 r/min的速度加載980 N，時(shí)間約為20 min。逐級加載試驗(yàn)，載荷980 N的基礎(chǔ)上以每10 min增加490 N的規(guī)格持續(xù)加載，直到試樣被破壞，當(dāng)摩擦因數(shù)突然增大或者試驗(yàn)機(jī)噪聲尖銳時(shí)，試驗(yàn)終止。

3 結(jié)果分析

3.1 表層孔隙率對試樣性能的影響分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，粉末冶金材料其摩擦磨損性能與孔隙率有直接關(guān)系。在特定條件和范圍下，孔隙率的增加會帶來試樣的摩擦耐磨性能的改變。因此可以通過調(diào)整試樣的表層孔隙率改善試樣的摩擦磨損性能。TiH2含量對表層材料孔隙率和力學(xué)性能的影響呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)TiH2含量增加，對應(yīng)的材料孔隙率上升，其原理是試樣燒結(jié)過程中TiH2在399～722℃范圍內(nèi)會發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生單質(zhì)H2和Ti，H2會從試樣中溢出，而留下溢出的孔隙，當(dāng)TiH2的含量持續(xù)增加，孔隙增多帶來試樣的含油率明顯上升。而分解產(chǎn)生的單質(zhì)Ti則與材料中的C發(fā)生合成反應(yīng)，形成TiC，其顆粒屬于硬質(zhì)相，材料硬度并不能隨著孔隙率的增加下降，硬度上升。在不含TiH2的對比試樣中，表層硬度（HRB）為57，當(dāng)TiH2的含量持續(xù)增加，表層的硬度也持續(xù)上升。當(dāng)w（TiH2）達(dá)到4%時(shí)，對應(yīng)的硬度（HRB）提升到68，與之前的58數(shù)據(jù)對比明顯。得出結(jié)論，試樣的基本硬度不受TiH2含量影響，而孔隙增多，新產(chǎn)生的TiC會阻礙粉末顆粒間的燒結(jié)頸形成，燒結(jié)效果被弱化，材料的壓潰強(qiáng)度與TiH2的含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2 TiH2含量與復(fù)合材料摩擦耐磨性能關(guān)系的分析

以總厚度為60%的試樣進(jìn)行定載荷與逐級加載摩擦耐磨性對比試驗(yàn)。以此明確TiH2含量對復(fù)層材料摩擦耐磨性能的具體影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同TiH2含量的試樣在定載荷試驗(yàn)下，摩擦系數(shù)變化不打，這意味著TiH2含量對摩擦副的平均摩擦系數(shù)影響不明顯。而不含有TiH2的試樣其前期摩擦系數(shù)整體較低，減摩性能要優(yōu)于含有TiH2的試樣，10 min后當(dāng)載荷增加到1 470 N時(shí)，對應(yīng)的不含TiH2的試樣的摩擦系數(shù)會呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，而平均摩擦系數(shù)與其他試樣沒有明顯差異。但因?yàn)榭紫堵瘦^低，摩擦系數(shù)隨著時(shí)間變化而變化，且波動較大，這可以說明其減摩性能逐漸下降。而含有TiH2的試樣因?yàn)槠渥陨砗辛薚iC硬質(zhì)顆粒，其在初始階段表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，但其因?yàn)橛休^高的含油率，硬質(zhì)顆粒阻礙了塑性變形，穩(wěn)定的孔隙率使得摩擦副運(yùn)行較為穩(wěn)定，摩擦系數(shù)更多的隨著時(shí)間的變化微小調(diào)整。在試樣定載荷試驗(yàn)?zāi)郾砻娴腟EM圖中，我們看出，不含有TiH2試樣對應(yīng)1 470 N的載荷度時(shí)，摩擦系數(shù)有較大的波動變化，摩痕表面會對應(yīng)材料剝落引發(fā)的凹坑，而未添加TiH2的試樣其孔隙率低，摩擦副運(yùn)行缺乏足夠的潤滑介質(zhì)，粗糙峰處的油膜會破裂，上下試樣直接接觸產(chǎn)生冷焊接點(diǎn)，當(dāng)冷焊接點(diǎn)不斷形成再剪斷再形成，反反復(fù)復(fù)中摩擦副摩擦系數(shù)波動變大，伴隨摩擦表面的嚴(yán)重剝落。而添加了w（TiH2）=3.5%的試樣材料其孔隙率和含油率較為穩(wěn)定，粗糙峰處的油膜呈現(xiàn)裂痕后，對應(yīng)孔隙中的潤滑油會對破裂油膜進(jìn)行補(bǔ)充，摩擦副出現(xiàn)黏著磨損的幾率會持續(xù)降低。而相反含油w（TiH2）=3.5%的試樣磨痕程度輕微，僅為表面的犁溝。

3.3 表層厚度對材料摩擦磨損性能的影響分析

w（TiH2）=3.5%情況下，對不同表層厚度的復(fù)層材料進(jìn)行摩擦磨損性能試驗(yàn)。表層厚度與整體厚度比對應(yīng)為20%、30%、40%、50%、60%、100%。100%的材料是單層材料。載荷在1 960 N之前，單層材料摩擦副的摩擦系數(shù)整體偏低，其處于良好的潤滑狀態(tài)。而當(dāng)加載到1 960 N時(shí)，單層材料摩擦副摩擦系數(shù)有了明顯的波動變化，復(fù)層材料摩擦副潤滑條件變差，當(dāng)載荷在2 450 N時(shí)，摩擦副潤滑油膜處于破裂狀態(tài)，無法恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。對應(yīng)的摩擦系數(shù)則呈現(xiàn)快速增高的態(tài)勢。整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束后，得出結(jié)論：單層材料的破壞載荷系數(shù)是2 450 N，而復(fù)層試樣中載荷為1 960 N時(shí)，摩擦副摩擦系數(shù)下降，整體性能不及單層材料，此時(shí)摩擦副運(yùn)行還保持穩(wěn)定，復(fù)層材料在高載荷情況下能獲得潤滑狀態(tài)性能的改善，而當(dāng)載荷達(dá)到了2 450 N時(shí)，不同表層厚度的復(fù)層材料其摩擦副的摩擦系數(shù)會出現(xiàn)短期快速升高的情況，認(rèn)為不同表層厚度的復(fù)層材料在2 450 N的載荷情況下會平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間，但逐漸破壞，從總體上看，其性能要更優(yōu)于單層材料。通過反復(fù)的試驗(yàn)對比，單層材料如果處于破壞載荷低，運(yùn)行時(shí)間短的條件下，摩痕深度最大，磨損也最為嚴(yán)重。表層厚度為50%的復(fù)層材料在破壞載荷較高、運(yùn)行時(shí)間長的條件下，摩痕深度反而最小。因此綜合分析得出結(jié)論：復(fù)層材料相較于單層材料其摩擦學(xué)性能要優(yōu)，而表層厚度505的復(fù)層材料其減摩耐磨性能最為理想。

4 結(jié)論

通過對復(fù)層孔隙分布鐵基粉末冶金材料的摩擦性能分析，在試驗(yàn)反復(fù)對比中得出結(jié)論：首先，復(fù)層孔隙分布可以影響鐵基粉末冶金材料的摩擦性能。因此可以通過改變TiH2的含量，提升復(fù)層材料的表層孔隙率，輔助以新產(chǎn)生的TiC硬質(zhì)顆粒，保證材料表層的硬度。而材料的壓潰強(qiáng)度與TiH2的含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。此文的試驗(yàn)結(jié)果表明，w（TiH2）為3.5%的材料綜合力學(xué)性能和潤滑特性最理想，其對應(yīng)的材料摩擦性能和承載能力最佳。其次，在面臨高負(fù)載工況時(shí)，單層燒結(jié)材料與復(fù)層材料對比，后者潤滑性能更好，當(dāng)表層厚度持續(xù)增加，摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先下降后升高的趨勢，當(dāng)表層厚度為50%時(shí)，復(fù)層材料處于最佳的承載狀態(tài)，摩擦耐磨性能最好。最后，復(fù)層材料基體致密度強(qiáng)，當(dāng)熱油下流阻力增大時(shí)，潤滑油會處于兩對偶面之間，充分的潤滑供給優(yōu)化減摩效果，基體致密度高強(qiáng)也實(shí)現(xiàn)了材料整體力學(xué)性能的改善，對應(yīng)穩(wěn)定的潤滑狀態(tài)和理想的承載能力。