銅鎳基自潤滑摩擦材料的脫脂工藝

王振東　趙小健

摘? ?要：本文主要研究了含自潤滑材料CaF2的銅鎳粉末生坯的脫脂過程對燒結體的影響。首先通過TGA儀器測試商用型號1788的PVA的熱失重規律。進一步根據熱失重數據，和真空燒結時爐內氣壓變化特點，設計脫脂工藝路線中的升溫速度和保溫時間，同時考慮生坯密度參數的變化，指出脫膠工藝參數的調整方向。試驗結果表明，PVA的TGA曲線只是設計脫脂工藝的參考內容之一，脫脂工藝設計中升溫速率和保溫時間還要充分考慮生坯密度和生坯的含膠量。

關鍵詞：摩擦材料? 自潤滑? 脫脂工藝? 聚乙烯醇

中圖分類號：TQ127.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0072-03

銅鎳合金具有較良好的導電性，高的耐腐蝕性，高溫時較高強度等優異性能，這為合金的廣泛應用奠定了使用基礎[1]。為解決因銅鎳熔點相差較大，熔煉法易產生枝晶偏析的現象，大部分合金冶煉工藝采用粉末共滲法[2]。粉末共滲法的出現為制備材料成分均勻的結構體提供了新的路徑，其燒結溫度依據Cu-Ni合金相圖而定[3]。金屬基固體自潤滑材料能夠滿足真空中使用的苛刻要求[4]，本文所提到銅鎳基固體自潤滑材料[5]制備方法為粉末共滲法，由于固體潤滑劑的加入，需在壓制前的混料階段進行造粒，使材料首先達到物理均勻狀態。

自潤滑材料制備一般采用粉末混合—造粒—壓制—燒結等典型的工藝過程。造粒的目的主要是提高粉末材料流動性，使得自動化壓制更加平穩流暢，生坯制品一致性更高。而在造粒階段加入的膠劑也要在燒結前期經脫脂工藝脫除。實踐發現脫脂情況直接影響最終燒結體的幾何尺寸和金屬機械性能。所以整個燒結工藝，要保證燒結體尺寸，還要保證合金材料具有一定的硬度，就必須保證脫脂工藝滿足實際需要。

在實際生產中，模壓制備的生坯必須具有一定的強度，防止轉運過程中生坯形狀損壞，所以都趨向于提高生坯密度，而生坯密度提高又會影響燒結體的幾何尺寸。為系統地研究脫脂工藝設計所需要參考的相關因素，首先考量PVA自身的失重特點以及批量生產時爐內氣壓變化特點，其次考量含膠量，生坯密度，對脫膠工藝設計的影響。

1? 試驗

1.1 試樣準備

純度99.6%銅粉（<500目）、純度99.6%鎳粉<500目）和純度99%氟化鈣粉（<800目），按質量比38：52：10的比例經充分混合后分別加入粉料重量0.67%、0.87%、1.07%、1.27%和1.47%的聚乙烯醇（PVA）和50%的蒸餾水配成漿料在球磨機內進行研磨，時間設置為2h，再經離心造粒后，過80目篩選下料再進行Ф10mm×2.4mm生坯壓制，模具使用蓋壓式（屬于單向壓制）。

1.2 熱失重試驗

采用TGA熱分析儀，對PVA進行熱失重分析，樣品在空氣中加熱，空氣流量為100mL/h，加熱速度5℃/min。

1.3 燒結工藝

試驗樣品采用型號為SY-KVTS300300600-72-5的真空脫脂燒結一體爐，1250℃燒結2h，并在850℃保溫10min。

2? 實驗結果及討論

2.1 PVA熱失重試驗

PVA是典型的水溶性膠劑，主體是水溶性樹脂，其特點是親水[6]，本文在離心造粒階段加入商用分子量為1700，水解度為88%聚乙烯醇為造粒劑。為定制脫脂工藝，本文首先對PVA進行了熱失重試驗[7]（如圖1）。熱失重試驗顯示自80℃～550℃質量損失率約為92.28%，而失重速率在350℃左右最高。數據結果顯示可以在80℃～550℃這個溫度段設計的脫脂工藝。

2.2 脫脂工藝設計

為實際觀察升溫和保溫狀態對燒結體的影響，材料使用含膠量為1.07%，生坯密度為5.32g/cm2的生坯。本文中設計出三種脫脂工藝路線，主要考慮因素涉及脫脂與燒結工藝的時間因素、PVA不同溫度時的氣化速率和爐體真空泵的抽空速率。根據PVA的失重曲線，脫脂工藝主要在80℃～550℃之間設計，包含兩個方面，升溫速度和保溫時間。

從合金的燒結情況看，如圖2第三種工藝燒結合金保持幾何形狀最好。脫脂工藝2，由于在350℃保溫30min，所以已經進行了部分脫脂，但是脫脂并沒有完畢，隨著繼續快速升溫，PVA殘留物繼續氣化，造成合金明顯鼓包。脫脂工藝3，雖然保溫溫度不符合PVA熱失重曲線，但是由于其升溫速度較小，并未造成合金明顯變形。從以上幾個脫脂工藝燒結結果可以看出，降低升溫速度，在合適的溫度設置保溫時間是設置脫脂工藝的關鍵。同時考慮爐體內熱電偶測溫位置與加熱電極和燒結位置較近，氣化溫度與名義溫度相比存在一定的滯后，具體特點如圖3所示，當測試溫度達到480℃左右時，爐內氣壓達到最高，而此時PVA氣化速率對應350℃左右，這說明真空脫脂時必須合理考慮脫脂工藝設計時升溫速度名義值和真實值之間的差異，即名義值比真實值較快的達到設計溫度。故升溫時，適當地設置保溫，可以保證充分脫脂的同時還可以保證爐體內部各部分真實溫度均勻性，以及與名義溫度的一致性，所以具體工藝如圖3本文采用升溫速度5℃/min，180℃和550℃保溫30min，在300℃～400℃之間升溫速度3℃/min，550℃～850℃升溫速度7℃/min，850℃保溫10min，850℃～1250℃升溫速度7℃/min。

2.3 脫脂工藝與生坯參數

為進一步研究生坯與脫脂工藝的關系，本文采用上文確定的脫脂工藝和燒結工藝。燒結結果如圖4所示。在脫脂工藝確定的情況下，膠含量在0.67%～1.47%范圍內，以生坯密度為5.14g/cm2生坯為例，含膠量越低，徑向收縮率越低，而軸向收縮率越高，進而有利于硬度的提高結果，如圖5。而針對于同于膠含量的生坯，在生坯密度5.0g/cm2～5.7g/cm2范圍內，隨生坯密度提高徑向和軸向收縮率均出現降低趨勢，進而不利于提高燒結體的密度，硬度也呈現下降趨勢。同時還可以看出，隨著含膠量低到一定程度，燒結后合金硬度幾乎不受生坯密度影響，這一方面說明脫脂工藝的重要性，另一方面也說明含膠量發生變化時必須可慮脫脂工藝的調整。生坯密度一定時可以認為氣體溢出速度是一定的，增加含膠量，相當于需要增加脫脂時間，同樣提高生坯密度，也相當于降低氣體溢出速度，也相當于增加脫脂時間。即生坯密度提高，膠含量增加均要適當延長脫脂時間或降低升溫速度。

3? 結語

（1）PVA膠劑的TGA曲線是設計脫脂工藝的基礎，在保溫溫度和時間上，要考慮爐體內部大空間名義溫度與實際溫度的差異，而升溫速率要考慮PVA氣化速率影響。

（2）本文采用升溫速度5℃/min，180℃和550℃保溫30min，在300℃～400℃之間升溫速度3℃/min，550℃～850℃升溫速度7℃/min，850℃保溫10min，850℃～1250℃升溫速度7℃/min的脫脂工藝獲得幾何形狀良好的燒結體。

（3）在生坯密度和含膠量增加時，可以降低脫脂工藝中升溫速度和設置保溫溫度和延長保溫時間等幾個重要參量，達到最優化的脫脂工藝。

參考文獻

[1] 鄭明新.工程材料[M].北京：清華大學出版社，1991.

[2] 戴志強，李運剛，齊艷飛，等.Cu-Ni合金的研究現狀[J].合成材料老化與應用，2015，44（2）：136-140.

[3] 宋玉強，李世春.Cu-Ni合金的粉末共滲制備法[J].有色金屬，2004，56（1）：1-3.

[4] 胡艷艷，劉耀，張建波，等.金屬基固體自潤滑復合材料研究現狀及展望[J].有色金屬材料與工程，2016，37（4）：165-171.

[5] 趙凱，寇益強，王靜波.一種新型鎳基自潤滑材料摩擦學特性的研究[J]，復合材料，2002（10）：509-512.

[6] 劉鋒.水溶性膠粘劑在粉末冶金和鑄造中的應用[J].粘結，2005，26（4）：37-38.

[7] 胡昌旭，倪東惠，鄭軍君，等.流動溫壓成型鐵基粉末冶金復雜件的脫脂工藝[J].北京科技大學學報，2010，32（3）：336-339.