基于正交試驗(yàn)對銅基軸瓦材料金相組織影響因素研究

胡有石 王翠萍 丁文捷 李壯楣

（1.甘肅省建材科研設(shè)計院有限責(zé)任公司寧夏分公司,寧夏 銀川 750001；2.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021）

隨著造船和汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對發(fā)動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速指標(biāo)要求越來越高，因而對軸瓦等耐磨零件的服役性能要求也越來越苛刻，同時對壽命的要求也大大提高[1-2]。滑動軸承既要傳遞作用力又要承受很高的表面速度，這就要求軸瓦材料既要具有軟組分以獲得良好的運(yùn)行性能，如磨合性、順應(yīng)性以及盡可能小的咬合傾向，且不易被外來雜質(zhì)所損傷；又要具有硬組分以獲得良好的耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度[3-4]。軟、硬組分晶粒均勻分布的金相組織，可以提高軸瓦耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而延長軸承的使用壽命。因此，制造微觀組織優(yōu)良的軸瓦材料是提高軸承性能的有效途徑[5-6]。本文通過不同影響因素對比試驗(yàn)，制造出了具有優(yōu)良微觀組織的軸瓦材料，為解決我國粉末冶金法工藝制取的工件致密度低、性能不穩(wěn)定等問題提供了參考。

1 試驗(yàn)

1.1 工藝流程

以目前通用的合金軸瓦材料為例（CuPb24Sn球型粉末），原料鋼板選擇ST37-2G，改軋厚度2.20 mm，其生產(chǎn)工藝流程：鋼板下料→表面處理→軋校→清洗→鋪粉→初燒→一次軋制→復(fù)燒→二次軋制→成品。燒結(jié)保護(hù)氣氛為氮?dú)浠旌蠚猓? : 1）。

1.2 試驗(yàn)方法

采用不同化學(xué)成分、不同物理性能的粉末進(jìn)行金相對比試驗(yàn)，通過調(diào)整不同參數(shù)，探究一條合理有效的工藝提高軸瓦材料金相組織[7-8]。本試驗(yàn)采用100倍金相顯微鏡，依據(jù)《汽車發(fā)動機(jī)軸瓦銅鉛合金金相標(biāo)準(zhǔn)》（QC/T 281-1999）的要求對合金層中鉛分布的形態(tài)進(jìn)行金相檢查、評級并賦分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 篩選正交試驗(yàn)

經(jīng)文獻(xiàn)查閱及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，粉末化學(xué)成分、粉末物理性能、初燒升溫速度、初燒溫度、初燒時間、一次軋制量、復(fù)燒溫度、復(fù)燒時間這8個因素對銅基軸瓦材料金相組織有較大的影響，決定把它們列為本試驗(yàn)考察的對象[9-13]。同時，認(rèn)為初燒升溫速度與初燒溫度、初燒溫度與初燒時間、復(fù)燒溫度與復(fù)燒時間因子之間存在交互作用，故共為篩選試驗(yàn)確定了11個試驗(yàn)因子，為了盡可能地降低試驗(yàn)成本，選定11因素2水平的正交表L12（211）。同時為了提高對試驗(yàn)因子的篩選靈敏度，選取各因子容許操作范圍的較大值與較小值來作為因子的水平取值，可將該因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響較好地反映出來同時確定因子的較優(yōu)水平。如表1所示。

表1 篩選正交試驗(yàn)因子水平對照表

根據(jù)本試驗(yàn)軸瓦合金層中鉛的形態(tài)為點(diǎn)、塊狀，故賦分規(guī)則如表2所示。

表2 顯微組織情況賦分表

根據(jù)顯微組織情況賦分規(guī)則，可得到本項目篩選正交試驗(yàn)正交的結(jié)果，同時通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可計算各水平的均值和極差，代入方差計算公式，計算結(jié)果列于表3。

表3 篩選正交試驗(yàn)結(jié)果計算表

比較各因子計算得到的F比，得出各因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，可以得出對銅基軸瓦材料金相組織影響較顯著的因子分別是B、A、G、D，他們對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度分別為46.44%、31.69%、14.84%、4.3%。從篩選正交試驗(yàn)得出的各因子較優(yōu)的水平條件為Sn:2.0%、松裝密度:5.3 g/cm3、70 ℃/min、820 ℃、20 min、8.5 g/cm3、820 ℃、40 min。

2.2 粉末化學(xué)成分

銅基軸瓦材料用合金粉末中合金元素的含量都有一定的范圍，根據(jù)篩選正交試驗(yàn)粉末化學(xué)成分較優(yōu)水平的取值Sn:2.0%，選擇表4中有代表性的4種粉末，采用相同的燒結(jié)工藝生產(chǎn)，金相組織見圖1。

表4 CuPb24Sn粉末化學(xué)成分表

從圖1可以看出，錫含量高的鉛顆粒趨向球化，錫含量低的鉛顆粒呈不規(guī)則狀，這是由于錫增加液相顆粒表面張力，使基體空隙球化所致，鉛含量增加時容易出現(xiàn)鉛的凝聚和枝狀連接，因?yàn)殂~合金的熱導(dǎo)率和承載能力由于其高鉛含量而降低。圖1（1）金相組織最為理想，故選擇鉛含量低錫含量高的合金成分進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

圖1 不同合金化學(xué)成分的軸瓦材料金相組織

2.3 粉末物理性能

選擇成分為CuPb20Sn1.8的粉末繼續(xù)試驗(yàn)，根據(jù)篩選正交試驗(yàn)粉末物理性能較優(yōu)水平的取值松裝密度:5.3 g/cm3，通過篩分得到粒度范圍不同的四種粉末，如表5所示。以四種不同物理性能的粉末，采用相同的燒結(jié)工藝生產(chǎn)，金相組織見圖2。

表5 CuPb24Sn粉末物理性能表

從圖2可以看出，原始粉末粒度分布越窄、細(xì)顆粒所占比重越多，燒結(jié)后鉛顆粒越細(xì)小、均勻地分布在銅基固溶體上。故選擇粒度組成如d的粉末繼續(xù)試驗(yàn)。

圖2 粉末物理性能不同的軸瓦材料金相組織

2.4 初燒升溫速度

軸瓦材料的燒結(jié)工藝屬于粉末松裝燒結(jié)，故預(yù)燒結(jié)升溫的速度對合金粉末的成形至關(guān)重要。根據(jù)篩選正交試驗(yàn)初燒升溫速度較優(yōu)水平的取值70 ℃/min，選擇50℃/min、70℃/min、90℃/min三種升溫速度，820℃保溫10分鐘后下軋做金相，金相組織見圖3。

圖3 不同升溫速度的軸瓦材料金相組織

以50 ℃/min的速度升溫，鉛是以斷續(xù)的點(diǎn)塊狀存在的，因?yàn)榉勰╅g有足夠的時間通過固相擴(kuò)散反應(yīng)形成一些中間相，減少反應(yīng)放熱使顯微組成不理想，致密化程度比較低。以90 ℃/min升溫，鉛已經(jīng)聚集成塊狀和網(wǎng)狀，并且發(fā)現(xiàn)組織中已經(jīng)出現(xiàn)孔洞缺陷，因?yàn)樯郎厮俣忍欤勰┓磻?yīng)劇烈，波動較大，容易產(chǎn)生氣孔，同時造成顆粒粗化，合金層致密度急劇下降。從上圖可以看出第二種升溫速度得到的顯微組織比較理想，所以升溫速度選擇70 ℃/min左右比較合適。

2.5 初燒溫度

以70 ℃/min的升溫速度進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，根據(jù)篩選正交試驗(yàn)初燒溫度較優(yōu)水平的取值820 ℃，分別在800℃、820 ℃、840 ℃保溫，保溫時間10分鐘，初燒后下軋直接做金相，金相組織如圖4。

圖4 不同初燒溫度下軸瓦材料金相組織

由圖4可以看出800 ℃保溫，粉末顆粒沒有足夠的擴(kuò)散能，孔隙收縮程度小；溫度達(dá)840 ℃時銅錫合金基體出現(xiàn)粗化造成孔隙變大即俗稱合金龜裂現(xiàn)象。在820 ℃可以得到較理想的顯微組織，細(xì)小的鉛顆粒均勻地分布在銅基體上。故選擇820 ℃初燒溫度進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.6 一次軋制量

軸瓦材料初燒后必須通過軋制增加粉末顆粒表面之間的接觸，這樣復(fù)燒后才能得到致密度高的材料，究竟以多大的變形量下軋才能使材料致密而且有優(yōu)良的顯微組織。根據(jù)篩選正交試驗(yàn)一次軋制量較優(yōu)水平的取值8.5 g/cm3，分別按8.0 g/cm3、8.3 g/cm3、8.5 g/cm3、8.8 g/cm3四種密度進(jìn)行軋制，復(fù)燒溫度830 ℃，時間20分鐘，金相組織如圖5。

由圖5可以看出按8.0 g/cm3軋制的，由于銅顆粒接觸面積小，在830 ℃孔隙收縮比較小，鉛顆粒向下沉積；按8.8 g/cm3進(jìn)行軋制的，復(fù)燒時出現(xiàn)“鉛汗”，鉛顆粒出現(xiàn)積聚張大現(xiàn)象；按8.3 g/cm3、8.5 g/cm3兩種密度軋制，可以得到較均勻的顯微組織結(jié)構(gòu)。

圖5 不同軋制量下軸瓦材料金相組織

2.7 復(fù)燒溫度

一次軋制密度采用8.3 g/cm3、8.5 g/cm3，根據(jù)篩選正交試驗(yàn)復(fù)燒溫度較優(yōu)水平的取值820 ℃，復(fù)燒溫度分別為810 ℃、830 ℃、840 ℃，保溫時間20分鐘，顯微組織如圖6、圖7。

圖6 按8.3 g/cm3 軋制不同復(fù)燒溫度的金相組織

圖7 按8.5 g/cm3 軋制不同復(fù)燒溫度的金相組織

從圖6、圖7中可以看出按8.3 g/cm3軋制、840 ℃復(fù)燒和按8.5 g/cm3軋制、830 ℃復(fù)燒兩種條件下金相組織均達(dá)到1級。按8.3 g/cm3軋制、830 ℃復(fù)燒和按8.5 g/cm3軋制、810 ℃復(fù)燒兩種條件下金相組織為2級。考慮到生產(chǎn)的連續(xù)性以及節(jié)能降耗的要求，選擇8.5 g/cm3的軋制密度，復(fù)燒溫度830 ℃的條件生產(chǎn)。

2.8 燒結(jié)時間

燒結(jié)時間對軸瓦材料金相組織的影響比燒結(jié)溫度小得多。升高5 ℃產(chǎn)生的致密化效果，可能要延長60分鐘或更長的燒結(jié)時間才能達(dá)到。合金層厚度或鋼背厚度增加時需適當(dāng)延長燒結(jié)時間。生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量減少燒結(jié)時間，在保證合金致密化的同時提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié)論

經(jīng)過上述的試驗(yàn)，通過選擇合適化學(xué)成分及物理性能的粉末，控制燒結(jié)的溫度、時間以及一次下軋量，可以使軸瓦材料的金相組織達(dá)到最佳。通過研究試驗(yàn)確定穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝，并得出以下結(jié)論：

（1）錫含量高的鉛顆粒趨向球化，錫含量低的鉛顆粒呈不規(guī)則狀；原始粉末粒度分布越窄、細(xì)顆粒所占比重越多，燒結(jié)后鉛顆粒越細(xì)小、均勻分布在銅基固溶體上。

（2）升溫速度在70 ℃/min左右時，反應(yīng)較溫和，合金層致密化程度適中；初燒溫度在820 ℃可以得到較理想的顯微組織，細(xì)小的鉛顆粒均勻地分布在銅基體上。

（3）按8.3 g/cm3軋制、840 ℃復(fù)燒和按8.5 g/cm3軋制、830℃復(fù)燒兩種條件下金相組織均達(dá)到1級。考慮到生產(chǎn)的連續(xù)性以及節(jié)能降耗的要求，選擇8.5 g/cm3的軋制密度，復(fù)燒溫度830 ℃的條件生產(chǎn)。

（4）燒結(jié)時間對軸瓦材料金相組織的影響比燒結(jié)溫度小得多。升高5 ℃產(chǎn)生的致密化效果，可能要延長60分鐘或更長的燒結(jié)時間才能達(dá)到。生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量減少燒結(jié)時間，在保證合金致密化的同時提高生產(chǎn)效率。