石墨對銅基農用滑動軸承性能的影響

壽德榮鄧正華張朝陽蘇航

(1.重慶三峽學院機械工程學院，重慶 404100；2.重慶三峽學院重慶市輕合金材料與加工工程技術研究中心，重慶 404100)

引言

中國作為農業大國，農業生產在國民生產總值中占據重要比例，對國家經濟和民生保障至關重要[1]。農用滑動軸承是農用機械的關鍵組成部分，在促進農業現代化和提高生產力方面扮演著關鍵角色。農用滑動軸承通常在惡劣的工作條件下運行，經受多種磨損，包括摩擦磨損和腐蝕磨損[2]。因此，對于農用滑動軸承，在考慮其所處的工作狀況時，需要具備良好的耐磨性和耐蝕性。鋁青銅合金具有優異的力學性能、良好的抗腐蝕性和耐磨性[3]，因此，鋁青銅合金可作為農用滑動軸承的材料。石墨是一種具備良好導熱性、潤滑性和耐高溫性的材料，在銅基合金中添加石墨可以顯著降低材料的摩擦因數和磨損率，提高合金材料的服役過程中的穩定性，尤其對于減少對偶件的磨損非常有利，因此被廣泛應用于潤滑和摩擦材料領域[4，5]。

目前，關于石墨對Cu-Al-Ni-Fe粉末合金的組織和性能影響的研究未見報道，其影響機理不清楚，因此，本文以Cu-10Al-4Ni-4.8Fe粉末合金為農用滑動軸承基礎材料，從中添加石墨，研究添加不同含量的單質石墨和銅包石墨對合金顯微組織和性能的影響，以期為該農用滑動軸承合金的實際應用提供依據。

1 試樣制備與試驗方法

粉末特性如表1所示，按照化學成分(質量分數，下同)為Cu-10Al-4Ni-4.8Fe-X(其中X為石墨加入量，分別為0%、2%、4%、6%、8%；銅包石墨中石墨含量占40%，通過換算后加入)進行配料。Cu-10Al-4Ni-4.8Fe-X材料的成分如表2所示。將原料粉混合后在GMS型罐磨機攪拌3h，用BY40型壓片機將粉末壓制成圓柱形生坯，壓力為570MPa，保壓時間為3min。將生坯放入ZT-25-20Y型真空熱壓燒結爐中，以5℃·min-1的速率加熱至950℃，保溫60min，隨爐冷卻至室溫獲得試樣。采用配比為3g FeCl3加5mL HCl加100mL蒸餾水的溶液作為腐蝕劑，用RX50M型光學顯微鏡觀察低倍顯微組織。在室溫下，采用310HBS-3000型布氏硬度計測試硬度，采用HY-0580型材料試驗機進行壓縮強度測試，用MMW-1G萬能摩擦磨損試驗機測試其摩擦性能，對摩件為40Cr鋼。

表1 粉末特性

表2 Cu-10Al-4Ni-4.8Fe-X復合材料的成分

2 結果與討論

2.1 合金顯微組織

不同單質石墨含量的燒結Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的光學顯微組織見圖1。添加單質石墨后，合金中的孔洞增加，且出現了石墨顆粒，如圖1a、圖1b所示；隨著石墨含量的增加，合金中的孔洞逐漸增加，且石墨由顆粒狀團聚為網狀，如圖1b～1e所示。在制備過程中，由于石墨和基體的性質差異較大，容易形成孔洞，在燒結過程中，由于石墨的存在，會使得金屬顆粒間的界面距離加大，阻礙了金屬顆粒間的擴散、燒結頸的形成與融合，這會導致孔隙增大增多。隨著石墨含量的增加，空隙進一步增大增多，并阻礙了燒結的擴散，造成局部Fe富集，導致合金中的富鐵κⅠ相增多增大。

圖1 不同單質石墨加入量Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的顯微組織

不同銅包石墨含量的燒結Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的光學顯微組織見圖2。添加銅包石墨后，和加單質石墨相似，合金中孔洞增加，出現了少量石墨顆粒，但是石墨顆粒更大；隨著銅包石墨添加量的逐漸增多，如圖2b～2e，組織中出現更多的孔洞，并出現更多的石墨顆粒，富鐵κⅠ相增多。相較于添加單質石墨，在Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金中添加銅包石墨，孔洞更大，石墨顆粒增多但沒有聚集長大，石墨顆粒也更圓鈍，呈球型或近球形，且分布更均勻。

圖2 不同銅包石墨加入量Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的顯微組織

2.2 合金的密度

由圖3可知，隨著單質石墨加入量的增加，合金的生坯密度變化不大，而隨著銅包石墨含量的增加，合金的生坯密度逐漸降低。因為單質石墨具有潤滑的作用，有利于壓制成形，并且石墨在壓制過程中容易被壓碎，有利于填充部分孔洞，故添加單質石墨粉不會降低材料生坯密度，反而略有提高。銅包石墨是由銅包裹著石墨而成的復合材料，銅包石墨粉的粒徑與基底的銅粒徑相比較大，在壓制過程中增加了間隙，降低生坯密度。并且石墨被銅包覆著，在壓制過程中，起不到潤滑作用，也不能填充部分孔洞，故進一步降低了生坯密度。

圖3 石墨含量對Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金密度的影響

隨著單質石墨和銅包石墨的加入量增加，Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的燒結密度都在逐漸降低。這是因為石墨是一種非金屬元素，其分子結果穩定，具有高度的惰性[6]，而合金基體是金屬元素，兩者性能具有巨大的差異，在高溫高壓條件下也不會與合金發生化學反應，在粉末壓制的過程中變形和回復不同，導致石墨和合金基體之間產生孔隙，并且在燒結過程中，石墨阻礙了金屬顆粒間的擴散、燒結頸的形成與融合，故隨著石墨含量的增加，導致燒結密度下降[7]。相較于單質石墨的添加，添加銅包石墨中的銅可以促進燒結過程中的晶粒生長和顆粒間的結合。因此，當添加銅包石墨時，銅的作用可以部分抵消石墨的負面影響，使得燒結密度降低的速度變慢。

2.3 合金的力學性能

由圖4可知，不添加石墨時，Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金硬度約為107HBW；隨著2種形態石墨含量的增加，合金硬度都逐漸降低。因為石墨本身較軟，當合金中存在許多的質軟相時，會減少合金的硬度。隨著石墨含量的增加，孔隙增加，對合金硬度的有降低效果[8]。相較于單質石墨，添加銅包鐵的合金比添加單質石墨的合金的燒結密度高，所以其硬度也高。同時，銅包石墨與Cu-Al-Ni-Fe基體的化學性質和物理結構特征更相似，可以使合金中的石墨顆粒與基體之間的結合更加緊密，從而降低了硬度的下降速度。

圖4 石墨含量對Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金硬度的影響

由圖5可知，不添加石墨時，合金條件屈服強度約為310MPa；隨著2種形態石墨含量的增加，合金的條件屈服強度都逐漸減低。合金中石墨顆粒的數量、形狀、大小及分布都影響合金的力學性能。石墨的力學性能很低，與基體相比，其強度和塑性小很多，故可將分布于合金中的石墨看做孔洞，進一步減少合金的有效承載面積，降低了合金的強度[9]。石墨顆粒會在應力作用下起到割裂基體的作用，導致材料的強度降低[10]。此外，石墨顆粒還可能影響材料的結構和晶界[8]，進一步降低了合金的強度。

圖5 石墨含量對Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金條件屈服強度的影響

在Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金中添加銅包石墨會比添加單質石墨合金具有更高的強度。因為銅包石墨中石墨顆粒表面被包覆有1層銅薄膜，銅包石墨中的銅薄膜可以促進石墨顆粒之間的結合，可以提高石墨顆粒與合金基體的結合強度，防止其團聚并且均勻分布在合金基體中，從而有效減少了合金中的孔隙，提高了合金的強度；添加銅包石墨的合金比添加單質石墨的合金的燒結密度高，所以其強度也高。因此，相同石墨含量的情況下，添加銅包石墨的Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金比添加單質石墨合金具有更高的強度。

從顯微組織中可以觀察到，添加單質石墨后，合金中石墨細長且尖，而添加銅包石墨后，合金中石墨明顯更大更圓鈍，其對基體的割裂程度和引起的應力集中更小[11]，故添加銅包石墨的合金比添加石墨合金具有更高的強度。

2.4 合金的摩擦性能

由圖6a可知，隨著單質石墨添加量的增加，合金的摩擦因素呈先增后降的趨勢。當添加2%的單質石墨時，摩擦因素明顯增加且達到最高，是由于石墨含量少，摩擦過程中難形成連續的潤滑膜，導致減摩效果差。并且加入石墨會增加孔隙率，易崩屑剝落，加劇摩擦[10]。當單質石墨添加量大于2%時，可以形成連續的潤滑膜，摩擦系因數開始逐漸下降，且摩擦因數變化幅度逐漸變小，說明摩擦逐漸穩定。

圖6 石墨加入量對Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金摩擦因數隨摩擦時間變化曲線圖

隨著銅包石墨的添加，Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金摩擦因數呈先增后減再增的趨勢，如圖6b所示；當銅包石墨添加量為5%(2%石墨)時，并沒有形成穩定的潤滑膜，導致摩擦因數上升；當銅包石墨的添加量為10%(4%石墨)，此時的石墨含量可以滿足連續潤滑膜的形成，摩擦因數達到最低值，且摩擦因數變化幅度較小；當銅包石墨添加量進一步增加時，摩擦因數又上升。因為隨著銅包石墨含量的繼續增加，合金的強度和硬度過低，并且在摩擦過程中，銅包石墨中的石墨不能連續均勻的擠出，無法形成穩定的潤滑膜，導致摩擦因數又繼續上升。

相較于添加銅包石墨的合金，隨著單質石墨含量的增加，添加單質石墨的合金摩擦因數更低，是因為石墨團聚呈空間網狀，在摩擦過程中，石墨的擠出具有連續性；而銅包石墨顆粒狀，顆粒之間沒有團聚，在摩擦過程中，石墨不能從內部均勻補齊，導致摩擦因素更高。

由圖7可知，不添加石墨時，合金的磨損量約為5.48mg，當單質石墨添加量增加到2%時，Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的磨損量急劇下降，磨損量約為0.42mg，比不添加降低了約92%；當銅包石墨添加量到5%(2%石墨)時，磨損量約為0.27mg，比不添加降低了約95%，隨著石墨含量的繼續增加，磨損量都呈平穩下降趨勢，這是由于石墨具有潤滑的作用，當合金表面受到磨擦時，石墨受擠壓從材料中出來，形成1層潤滑膜[10]，減少了磨損量。相較于添加銅包石墨，添加單質石墨的合金磨損量更高，因為石墨的添加導致孔隙率增加，孔隙的邊緣容易產生崩屑、剝落[12]，而銅包石墨的孔隙較為圓鈍，相對不易剝落。同時，添加銅包石墨的合金的硬度和強度都比添加石墨的合金高，也會導致添加銅包石墨的合金磨損量更低。

圖7 石墨含量對Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金磨損量的影響

3 結論

在Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金中分別添加單質石墨和銅包石墨后，合金中出現石墨顆粒。隨著石墨含量的增加，孔洞增多，富鐵κⅠ相增多。添加單質石墨的合金，石墨顆粒逐漸團聚為網狀；添加銅包石墨的合金，石墨顆粒更圓鈍，呈球型或近球形，且分布更均勻。

隨著單質石墨的增加，合金的生坯密度變化不大，而隨著銅包石墨的增加，合金的生坯密度逐漸降低。隨著2種形態石墨的加入量增加，合金的相對燒結密度、硬度、條件屈服強度都呈下降趨勢，但添加銅包石墨的合金的相對燒結密度、硬度和條件屈服強度下降更緩慢。

隨著單質石墨的增加，合金的摩擦因數先增后降，而隨著銅包石墨的增加，合金摩擦系數呈先增后減再增的趨勢；當添加2%石墨時，合金的磨損量急劇下降，并且添加銅包石墨合金的磨損量更低。