采用電子顯微鏡研究石墨顆粒形態對銅基噴撒片性能的影響

張銀華 張秋萍

【關鍵詞】電子顯微鏡;石墨;銅基噴撒片;摩擦磨損性能

一、引言

石墨的不同形態如天然磷片石墨、人造顆粒石墨、焦炭等被廣泛應用在粉末冶金摩擦材料中，人們就鱗片石墨含量和粒度組成對壓燒法摩擦材料性能的影響進行了大量的研究[1][2][3][4]，但有關石墨的種類及粒度分布對粉末冶金銅基噴撒摩擦材料（以下簡稱銅基噴撒片）性能影響的對比研究報道幾乎沒有。本文通過掃描電子顯微鏡等方式研究了不同種類（天然磷片石墨、人造顆粒石墨）和粒度組成的石墨對銅基噴撒片性能的影響，為高性能銅基噴撒片的研制提供理論依據。

二、試驗方法

試驗選用幾種不同形態的石墨（天然磷片石墨和人造顆粒石墨），通過電子顯微鏡掃描觀察其在噴撒片配方中的含量均為8%（質量分數），材料中其他成分及含量保持不變，所有試樣均先經混料、噴撒-預燒結、壓槽，然后在分解氨氣體保護下進行二次復燒，最后使用精整電壓機壓成精整至成品尺寸。摩擦磨損性能試驗在HF-85WT的濕式試驗臺位上進行，對偶鋼片材料為65Mn，硬度為HRC48-53。試驗按照JB/T7909-1999《濕式燒結金屬摩擦材料摩擦性能試驗臺試驗方法》進行，試驗條件為：動、靜摩擦系數在接合500次、1000次、1500次及2000次下測得，取平均值，磨損率在接合2000次情況下測得，能量許用負荷值在轉速1200r/min，逐級增加壓力和（或）增加轉速的情況下測得。

三、不同形態石墨的物理性能及篩選

（一）不同形態石墨的形貌

由于制造工藝的差異，不同形態石墨粉末的形貌也千差萬別。通過高位二次電子SEI模式電鏡掃描，可以發現圖片1（a）為LG（-）100-99的天然磷片石墨，石墨呈規則層片狀堆積。圖1（b）-圖1（f）均為人造石墨，圖1（b）石墨微粒細小，表面粗糙，而當粒度達到150，微粒大小變得不均勻，形貌也不規則，圖1（c）石墨形狀為顆粒狀，整體較粗較規則，+100目以上顆粒大約有13%左右，圖1（d）微粒大小很不均勻，但形貌較規則，圖1（e）形貌較規則，但顆粒大小較粗，圖1（f）所示的石墨，粒度比較細且均勻。

（二）不同石墨形態及粒度的松裝密度

松裝密度是粉末自然堆積的密度，它取決于顆粒間的粘附力、相對滑移的阻力以及粉末體孔隙被小顆粒填充的程度。不同形態石墨的松裝密度如表1。可以看出，在同一類型的石墨（人造顆粒石墨）中，隨粉末粒度的變小，其松裝密度也隨著變小。這是因為，雖然粒度變小，粉末自我填充增加，但粉末越細，流動性越差，顆粒間越容易形成拱橋孔洞。“拱橋”和相互粘附，妨礙了顆粒相互移動，故松裝密度減少。

（三）不同形態石墨的粒度分布

不同形態及顆粒的石墨粒度分布如表2。從表2可看出，KS-150、D20-100及D80-0粒度組成較窄且較粗，+100目分別達到98.6%、97.4%和55.4%;KS-75則粒度組成較窄且較細，-200目達到90.9%。而LG（-）100-99、#5019-A粒度組成相對比較均勻，而且粒度基本集中在-100+240目之間。

（四）石墨的篩選

銅基粉末冶金噴撒片由三大組元組成：基體組元（銅，錫與銅在高溫進行合金化反應，起強化基體的作用）、摩擦組元（鐵、氧化物、碳化物、硅化物）和潤滑組元（鉛、石墨、硫化物）[5]。

銅基噴撒片是利用特定的裝置將一定組份的配方材料松散地噴撒在鋼芯板上，而后進行槽形壓制、二次燒結（合金化反應）和精整，它具有工序和工裝少且簡單、材料利用率高和周期短效率高的特點，適合大批量生產。

由于銅基噴撒片松散燒結的特點，原材料三大組元的粒度組成不同于銅基壓燒片，它的粒度組成有一定的比例，并且必須粗細合批均勻，這樣才能保證有合適的松裝密度和流動性，確保摩擦材料有一定的密度和撒粉均勻性，以滿足產品物理機械性能及幾何尺寸精度的要求。據此，KS-150、D20-100 粒度組成太窄、太粗，不利于摩擦材料有一定的松裝密度，同時粉末落到振動篩后，不能落到鋼芯板上，達不到-80目的要求;同樣KS-75粒度組成太細，粉末在噴撒時流動性太差，難以在料筒中自然降落，因此這三種牌號的石墨不適合用于銅基噴撒片。而D80-0將+80目的石墨過篩后，-80+240目的粒度在剩余粉末中仍有71.3%，還是比較符合銅基噴撒片的粒度組成要求。所以將LG（-）100-99、#5019-A及過篩80目后的D80-0作為本研究項目的對象。

（五）石墨的種類及粒度變化對銅基噴撒片摩擦磨損性能的影響

在使用電子顯微鏡掃描和性能測試等試驗條件下獲得的不同石墨形態對銅基噴撒片的動摩擦系數及磨損性能影響見表3及圖2，平均功率密度及能量負荷許用值對比見表4、表5。從表3-表5和圖2可看出，雖然配方成份都不變，只改變石墨的種類及形態，但摩擦系數、磨損率、平均功率密度和能量負荷許用值還是有明顯差距。從圖表可看出，使用牌號為#5019-A和D80-0的人造顆粒石墨的銅基噴撒片各項性能指標要明顯優于天然磷片石墨銅基噴撒片，而同樣是人造顆粒的#5019-A和D80-0，含有相對較細顆粒的#5019-A銅基噴撒片各項性能指標要優于相對較粗顆粒的D80-0。這是由于噴撒是松散燒結，配方材料以自然落體形式降落，天然磷片石墨由于自身比重較輕，以磷片飄浮狀存在于摩擦材料表面，當產品從冷卻段出來以后，飄浮于表面的磷片石墨實際作為廢粉的形式被抖落。而人造顆粒石墨在噴撒過程中與其它組份混合在一起，以均勻分布于基體的形式存在于摩擦材料層，實際燒損量要比磷片石墨小得多，表6可以反映出產品預燒后摩擦材料層的實際含碳量。#5019-A粒度分布相對較細，體積百分比含量在銅基噴撒片中要比D80-0多7.5%，在摩擦磨損性能測試上表現為摩擦系數略高且穩定、承受更大的比壓及線速度、更耐磨和更耐熱。表3-表6及圖表2說明了這一點。

四、結論

（一）通過電子顯微鏡掃描和性能測試得知：

1、采用不同方法制造出的不同形態石墨在外觀形態上存在顯著區別。

2、不同牌號、形態的石墨在自身性能如松裝密度、粒度組成等方面存在較大的差別，從而影響到銅基噴撒片的密度和孔隙度。在配方成份不變、工藝不變的情況下，人造顆粒石墨體現了良好的摩擦磨損性能。

3、天然磷片石墨以磷片飄浮狀存在于摩擦材料表面，最后以作為廢粉的形式被抖落。而人造顆粒石墨在噴撒過程中與其它組份混合在一起，均勻分布于摩擦材料中，最終燒損要比天然磷片石墨小得多。

4、在銅基噴撒片中，采用#5019-A人造顆粒石墨，具有優越的摩擦磨損性能。其綜合性能堪比工程機械銅基壓燒片，動摩擦系數μd、靜摩擦系數μj、磨損率δ達到JB/T12718-2016《銅基粉末冶金噴撒摩擦片技術條件》中濕式工況要求，能量負荷許用值超過Ca>16000要求。