復層孔隙分布鐵基粉末冶金材料摩擦性能分析

楊 茜

（呂梁職業技術學院，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外析，能于接觸面形成潤滑保護膜，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性能不足的問題，孔隙率不足導致其含油性能下降。作為粉末冶金材料的固有屬性，孔隙對材料化學和摩擦學性能有著直接性影響。因此改變傳統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，提升復層粉末冶金材料的減摩耐磨性能。目前該技術在工業生產中得到了良好反饋，應用前景廣闊。

1 試驗材料及制備

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，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的質量分數，其對材料孔隙率變化負責。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處理，燒結溫度控制在1 080～1 150℃之間，燒結時間約為3 h，燒結完成后的復層試樣經真空浸油與磨削加工后成為正式的摩擦試樣。

2 試驗方法

硬度分析參考布洛式硬度計的測試結果，壓潰強度測試參考萬能材料試驗機的測試結果，通過掃描電鏡觀察材料斷面形貌并判斷斷裂機理，在端面摩擦試驗機上進行摩擦試驗，摩件硬度為HRC48-52的40Cr，添加潤滑由，以轉速為735 r/min的速度加載980 N，時間約為20 min。逐級加載試驗，載荷980 N的基礎上以每10 min增加490 N的規格持續加載，直到試樣被破壞，當摩擦因數突然增大或者試驗機噪聲尖銳時，試驗終止。

3 結果分析

3.1 表層孔隙率對試樣性能的影響分析

試驗結果表明，粉末冶金材料其摩擦磨損性能與孔隙率有直接關系。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性能的影響呈現正相關關系。當TiH2含量增加，對應的材料孔隙率上升，其原理是試樣燒結過程中TiH2在399～722℃范圍內會發生分解反應，產生單質H2和Ti，H2會從試樣中溢出，而留下溢出的孔隙，當TiH2的含量持續增加，孔隙增多帶來試樣的含油率明顯上升。而分解產生的單質Ti則與材料中的C發生合成反應，形成TiC，其顆粒屬于硬質相，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TiH2的含量持續增加，表層的硬度也持續上升。當w（TiH2）達到4%時，對應的硬度（HRB）提升到68，與之前的58數據對比明顯。得出結論，試樣的基本硬度不受TiH2含量影響，而孔隙增多，新產生的TiC會阻礙粉末顆粒間的燒結頸形成，燒結效果被弱化，材料的壓潰強度與TiH2的含量呈現負相關關系。

3.2 TiH2含量與復合材料摩擦耐磨性能關系的分析

以總厚度為60%的試樣進行定載荷與逐級加載摩擦耐磨性對比試驗。以此明確TiH2含量對復層材料摩擦耐磨性能的具體影響。試驗結果表明，不同TiH2含量的試樣在定載荷試驗下，摩擦系數變化不打，這意味著TiH2含量對摩擦副的平均摩擦系數影響不明顯。而不含有TiH2的試樣其前期摩擦系數整體較低，減摩性能要優于含有TiH2的試樣，10 min后當載荷增加到1 470 N時，對應的不含TiH2的試樣的摩擦系數會呈現增加的態勢，而平均摩擦系數與其他試樣沒有明顯差異。但因為孔隙率較低，摩擦系數隨著時間變化而變化，且波動較大，這可以說明其減摩性能逐漸下降。而含有TiH2的試樣因為其自身含有了TiC硬質顆粒，其在初始階段表現出較高的摩擦系數，但其因為有較高的含油率，硬質顆粒阻礙了塑性變形，穩定的孔隙率使得摩擦副運行較為穩定，摩擦系數更多的隨著時間的變化微小調整。在試樣定載荷試驗摩痕表面的SEM圖中，我們看出，不含有TiH2試樣對應1 470 N的載荷度時，摩擦系數有較大的波動變化，摩痕表面會對應材料剝落引發的凹坑，而未添加TiH2的試樣其孔隙率低，摩擦副運行缺乏足夠的潤滑介質，粗糙峰處的油膜會破裂，上下試樣直接接觸產生冷焊接點，當冷焊接點不斷形成再剪斷再形成，反反復復中摩擦副摩擦系數波動變大，伴隨摩擦表面的嚴重剝落。而添加了w（TiH2）=3.5%的試樣材料其孔隙率和含油率較為穩定，粗糙峰處的油膜呈現裂痕后，對應孔隙中的潤滑油會對破裂油膜進行補充，摩擦副出現黏著磨損的幾率會持續降低。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層材料進行摩擦磨損性能試驗。表層厚度與整體厚度比對應為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整體偏低，其處于良好的潤滑狀態。而當加載到1 960 N時，單層材料摩擦副摩擦系數有了明顯的波動變化，復層材料摩擦副潤滑條件變差，當載荷在2 450 N時，摩擦副潤滑油膜處于破裂狀態，無法恢復到穩定運行的狀態。對應的摩擦系數則呈現快速增高的態勢。整個試驗結束后，得出結論：單層材料的破壞載荷系數是2 450 N，而復層試樣中載荷為1 960 N時，摩擦副摩擦系數下降，整體性能不及單層材料，此時摩擦副運行還保持穩定，復層材料在高載荷情況下能獲得潤滑狀態性能的改善，而當載荷達到了2 450 N時，不同表層厚度的復層材料其摩擦副的摩擦系數會出現短期快速升高的情況，認為不同表層厚度的復層材料在2 450 N的載荷情況下會平穩運行一段時間，但逐漸破壞，從總體上看，其性能要更優于單層材料。通過反復的試驗對比，單層材料如果處于破壞載荷低，運行時間短的條件下，摩痕深度最大，磨損也最為嚴重。表層厚度為50%的復層材料在破壞載荷較高、運行時間長的條件下，摩痕深度反而最小。因此綜合分析得出結論：復層材料相較于單層材料其摩擦學性能要優，而表層厚度505的復層材料其減摩耐磨性能最為理想。

4 結論

通過對復層孔隙分布鐵基粉末冶金材料的摩擦性能分析，在試驗反復對比中得出結論：首先，復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，提升復層材料的表層孔隙率，輔助以新產生的TiC硬質顆粒，保證材料表層的硬度。而材料的壓潰強度與TiH2的含量呈負相關關系。此文的試驗結果表明，w（TiH2）為3.5%的材料綜合力學性能和潤滑特性最理想，其對應的材料摩擦性能和承載能力最佳。其次，在面臨高負載工況時，單層燒結材料與復層材料對比，后者潤滑性能更好，當表層厚度持續增加，摩擦系數表現為先下降后升高的趨勢，當表層厚度為50%時，復層材料處于最佳的承載狀態，摩擦耐磨性能最好。最后，復層材料基體致密度強，當熱油下流阻力增大時，潤滑油會處于兩對偶面之間，充分的潤滑供給優化減摩效果，基體致密度高強也實現了材料整體力學性能的改善，對應穩定的潤滑狀態和理想的承載能力。