謝致遠(yuǎn)，馬丁逸飛，張開(kāi)源，張國(guó)濤，尹延國(guó)

（合肥工業(yè)大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，合肥 230009）

鐵基含油軸承材料具有制造成本低，耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)，在工程機(jī)械、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)含油軸承材料的力學(xué)和摩擦學(xué)性能提出了更高要求，軸承在復(fù)雜工況下運(yùn)行時(shí)往往出現(xiàn)力學(xué)性能或含油自潤(rùn)滑性能不足的狀況，從而導(dǎo)致材料摩擦磨損問(wèn)題突出，嚴(yán)重影響使用性能。工業(yè)上一般通過(guò)增加產(chǎn)品燒結(jié)密度來(lái)提高力學(xué)性能，但會(huì)導(dǎo)致孔隙率、含油率下降，不利于提高自潤(rùn)滑性能。通過(guò)添加造孔劑，合理調(diào)控孔隙形態(tài)、尺度及分布，保證力學(xué)性能的同時(shí)盡可能提高含油自潤(rùn)滑性是改善鐵基含油軸承材料綜合力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的有效途徑。

文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)泡沫鋁剖面進(jìn)行數(shù)字圖像處理和統(tǒng)計(jì)分析，探討了發(fā)泡劑TiH2含量對(duì)孔隙率、孔徑標(biāo)準(zhǔn)差及大孔面積率等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[3]研究了TiH2粉體脫氫特性和壓制與燒結(jié)行為的關(guān)系，對(duì)TiH2粉體脫氫、模壓和燒結(jié)性能開(kāi)展了系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究，為使用粉末冶金工藝制備廉價(jià)、優(yōu)質(zhì)鈦產(chǎn)品奠定了良好的理論和工藝基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]研究了造孔劑含量對(duì)粉末冶金不銹鋼多孔材料孔隙率和抗壓強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[5]研究了燒結(jié)TiH2粉末制備鈦合金的工藝及組織。文獻(xiàn)[6]研究了造孔劑TiH2含量對(duì)鐵基粉末冶金材料摩擦學(xué)性能的影響。

為解決材料燒結(jié)過(guò)程中因自身致密化導(dǎo)致含油自潤(rùn)滑性下降而引起的材料摩擦學(xué)性能下降等問(wèn)題，現(xiàn)通過(guò)球磨含造孔劑TiH2的鐵基混合粉末，制備孔隙、性能可控的鐵基含油軸承材料，并利用端面摩擦試驗(yàn)機(jī)研究其摩擦學(xué)性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

鐵基軸承材料主要為鐵碳合金，為增加材料的孔隙率，在試驗(yàn)過(guò)程中加入TiH2作為造孔劑，以硬脂酸作為過(guò)程控制劑，增大球磨時(shí)混合粉末間的接觸面積，使其混合均勻。添加硬脂酸后，球磨過(guò)程中在研磨球、球罐與粉末間形成一層極薄的液膜。相比于其他過(guò)程控制劑，該液膜對(duì)球磨過(guò)程的相變化具有更大的延緩作用，能夠有效減少銅基粉末的粘壁、粘球，降低磨球和磨罐的磨損，從而防止粉末混入較多鐵原子，將出粉率從90%提高到97%。不同試樣材料配方見(jiàn)表1。

表1 不同試樣材料配方Tab.1 Material formulation of different samples w，%

為適當(dāng)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度及硬度，在材料中加入少量C來(lái)調(diào)節(jié)鐵素體與珠光體的相對(duì)含量[7]。在材料燒結(jié)過(guò)程中，TiH2受熱分解，生成H2與Ti，在H2逸出過(guò)程中產(chǎn)生孔隙，殘留在試樣中的Ti與C發(fā)生反應(yīng)，生成密度低、硬度高且耐磨性好的TiC硬質(zhì)相[5－6]。

按照表1的配方，稱(chēng)取鐵基粉末各原料共計(jì)60 g，放入200 mL的研磨罐中，加入不銹鋼研磨球（大球 250 g，小球 350 g），球料比為 10∶1，加入0.5%硬脂酸控制劑。抽真空，填充高純度氮?dú)猓?50 r／min轉(zhuǎn)速下球磨5 h。球磨完畢停機(jī)自動(dòng)冷卻，得到機(jī)械合金粉末。在50 t的自動(dòng)液壓機(jī)上鋪粉壓制圓片試樣（φ36.4 mm×4.4 mm），壓制壓強(qiáng)為600～700 MPa，將壓制好的坯料放入網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中，同時(shí)通入分解氨氣加以保護(hù)，燒結(jié)爐中溫度約為1 080～1 150℃，燒結(jié)3.5 h。真空浸油后經(jīng)磨削加工制成含油試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

采用HBRVU－187.5光學(xué)布洛維硬度計(jì)測(cè)定試樣的洛氏硬度；通過(guò)索格利特萃取器測(cè)定試樣的含油率；利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的金相組織；利用HDM－20端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，載荷加載方式分逐級(jí)加載和定載2種情況：逐級(jí)加載下轉(zhuǎn)速為1.0 m／s，初始軸向載荷為800 N，每10 min加載400 N，直至試樣被破壞，當(dāng)檢測(cè)到摩擦因數(shù)急劇上升或發(fā)出尖銳刺耳噪聲時(shí)，手動(dòng)停機(jī)，試驗(yàn)結(jié)束；定載下初始軸向載荷為1 200 N，轉(zhuǎn)速為1.0 m／s，直至摩擦因數(shù)急劇增大或者試驗(yàn)機(jī)出現(xiàn)尖銳噪聲時(shí)，手動(dòng)停機(jī)，試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 孔隙率檢測(cè)方法

孔隙率的定義為：表面孔隙體積與總體積之比。先測(cè)量粉末的體積V1，燒結(jié)后再用排水法測(cè)量其體積V2，即可得到材料的孔隙率φ為

2 結(jié)果及分析

2.1 TiH2含量對(duì)試樣性能的影響

試樣的金相組織如圖1所示。由圖可知，各試樣金相組織中的孔隙分布較為均勻，隨著TiH2含量的增加，孔隙尺寸增大，數(shù)量增多。

圖1 試樣的金相組織Fig.1 Metallographic structures of samples

試樣孔隙率、硬度、密度如圖2所示。由圖可知，隨著TiH2含量的增加，試樣整體孔隙率逐漸增大，TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到1%時(shí)孔隙率增幅最大，為6.20%左右。隨著TiH2含量的增加，硬度呈上升趨勢(shì)。在燒制過(guò)程中生成的TiC屬硬質(zhì)相，因此材料的硬度隨孔隙率的增加而增大。隨TiH2含量的增加，試樣整體密度下降，降幅為23.07%，主要原因?yàn)門(mén)iH2在受熱分解過(guò)程中產(chǎn)生H2，使試樣結(jié)構(gòu)疏松多孔。

圖2 試樣孔隙率、硬度、密度Fig.2 Porosity，hardness and density of sample

2.1 逐級(jí)加載下試樣摩擦學(xué)性能

逐級(jí)加載工況下，試樣摩擦因數(shù)的變化曲線如圖3所示。由圖可知，隨TiH2含量的變化，粉末冶金材料摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)明顯，主要變化體現(xiàn)在試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間上。在初始階段，試樣摩擦因數(shù)由大到小排序?yàn)?1＃，2＃，4＃，3＃，且在前 10 min內(nèi)變化不大。在10 min時(shí)，第1次加載，1＃試樣摩擦因數(shù)呈明顯上升趨勢(shì)，且持續(xù)升高，2＃試樣摩擦因數(shù)上升緩慢，3＃與4＃試樣摩擦因數(shù)變化不大。在20 min左右，進(jìn)行第2次加載，此時(shí)2＃試樣摩擦因數(shù)出現(xiàn)明顯下降，其余試樣摩擦因數(shù)變化均不明顯。在 25 min時(shí)，3＃和 4＃試樣失效，1＃試樣摩擦因數(shù)仍在上升，并于28 min失效。在30 min進(jìn)行第3次加載，2＃試樣摩擦因數(shù)增加，穩(wěn)定后又呈下降趨勢(shì)，并于40 min失效。就工作時(shí)間而言，2＃試樣的減摩效果最好，即TiH2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，材料的減摩效果最好。

圖3 逐級(jí)加載下試樣的摩擦因數(shù)曲線Fig.3 Friction coefficient curves of samples under stepwise loading

在摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦副受到的正壓力大，且始終與平面保持緊密接觸的狀態(tài)，其表面受潤(rùn)滑狀態(tài)影響較大[9]。結(jié)合圖1可得，試樣的孔隙率隨TiH2含量的增加而增大，試樣含油率也增加，更易使摩擦副間形成良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，有效減少或避免材料表面的直接接觸，使?jié)櫥瑺顟B(tài)得到改善，延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間，提高試樣的極限承載能力?？紫堵蔬^(guò)大時(shí)，摩擦過(guò)程中裂紋易從空隙處萌生并向外擴(kuò)展[10]，使試驗(yàn)時(shí)間縮短。根據(jù) Griffith裂紋定理[11]，在外力作用下，已生成的裂紋附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)累積到一定程度時(shí)，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展從而導(dǎo)致試樣斷裂，孔隙邊緣易產(chǎn)生崩屑、剝落，剝落的顆粒不易排出，聚集在表面起磨粒的作用，使磨損進(jìn)一步加劇，形成嚴(yán)重的犁溝。逐級(jí)加載工況下試樣的磨損痕跡如圖4所示。由圖可知，4＃試樣表面有大量凹坑和犁溝，表明過(guò)高的孔隙率會(huì)使其脆性增加，力學(xué)性能下降，造成表面強(qiáng)度過(guò)低；1＃試樣表面有犁溝、裂紋和崩落的凹坑；2＃試樣只有較深的犁溝，這說(shuō)明雖然比4＃試樣摩擦性能好，但其潤(rùn)滑性能不足；3＃試樣表面狀況最好，僅有一些較淺的犁溝和剝落的凹坑，因此，當(dāng)TiH2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，試樣的潤(rùn)滑性能和力學(xué)性能達(dá)到平衡，其摩擦磨損性能最優(yōu)。

圖4 逐級(jí)加載工況下試樣的磨損痕跡Fig.4 Wear scars of samples under stepwise loading

試驗(yàn)30 min后試樣的磨損量如圖5所示。由圖可知，隨著TiH2含量的增加，試樣的磨損量先減小后增大。TiH2在摩擦磨損時(shí)受熱與C發(fā)生反應(yīng)生成TiC硬質(zhì)相，因此試樣的磨損量顯著降低。當(dāng)TiH2含量過(guò)高時(shí)，材料硬度過(guò)大，力學(xué)性能降低，材料易于從摩擦面上剝落，使材料磨損量增大。

2.3 定載下試樣摩擦學(xué)性能

施加定載1 200 N，試樣的摩擦因數(shù)曲線如圖6所示。由圖可知，初始階段，摩擦因數(shù)由大到小排序?yàn)?1＃，3＃，4＃，2＃。7 min以前，1＃與 2＃試樣摩擦因數(shù)變化劇烈，始終上下波動(dòng)，3＃與4＃試樣摩擦因數(shù)變化較為平緩。7 min后，1＃與4＃試樣急劇上升，此后趨于平緩，2＃試樣的摩擦因數(shù)開(kāi)始緩慢上升，并于9 min后躍遷至1＃試樣的摩擦因數(shù)附近，3＃試樣的摩擦因數(shù)一直變化不明顯，并在10 min左右失效。由此可見(jiàn)，在定載情況下，2＃試樣可承受的極限載荷最大，主要原因在于球磨后添加適量的造孔劑可增加試樣含油率，改善潤(rùn)滑條件；同時(shí)，適量TiH2可增加試樣硬度。

圖6 定載下試樣的摩擦因數(shù)曲線Fig.6 Friction coefficient curves of samples under constant load

試樣定載潤(rùn)滑后磨損形貌如圖7所示。由圖可知，1＃試樣儲(chǔ)油效果不佳，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果差，材料表面出現(xiàn)大片剝落坑。其余試樣隨孔隙率增加，儲(chǔ)油效果逐漸增強(qiáng)。其中，2＃試樣摩擦性能最好。由此可見(jiàn)，與純Fe－C材料比，加入TiH2可明顯提高材料的摩擦學(xué)性能。

圖7 定載下試樣的磨損形貌Fig.7 Wear morphologies of samples under constant load

在含油材料工作過(guò)程中，由于摩擦副的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度迅速升高，由于油的熱膨脹系數(shù)大于鐵基粉末冶金材料，潤(rùn)滑油從含油材料孔隙率中滲出，從而改善摩擦條件，起到良好的潤(rùn)滑效果[12]。通過(guò)在試樣中加入造孔劑，提高材料的孔隙率，可使更多潤(rùn)滑油從摩擦副接觸面滲出，從而改善潤(rùn)滑性能。同時(shí)，適量的TiH2可以保證材料的力學(xué)性能，但過(guò)多的TiH2易使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密，高載時(shí)易發(fā)生塑性變形，使得摩擦副接觸狀態(tài)隨之改變，從而增大試樣的磨損量和摩擦因數(shù)，降低其極限承載能力。

2.4 磨損機(jī)理分析

1 200 N軸向載荷下，1＃試樣在7 min后摩擦因數(shù)變化劇烈，最后躍升，導(dǎo)致試樣表面破壞，出現(xiàn)凹坑。其主要原因是未添加TiH2的試樣孔隙率最低，壓力與摩擦導(dǎo)致的塑性變形使孔隙率在摩擦過(guò)程中進(jìn)一步降低，因而孔隙向摩擦平面提供的潤(rùn)滑油逐漸減至更少，表面細(xì)微突起部分的油膜較于其他試樣的更薄，更易破裂，使上下表面直接接觸，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)形成冷焊點(diǎn)。隨著工作的進(jìn)行，冷焊點(diǎn)不斷地?cái)嗔选⒗浜?、剪切，使表面材料剝落并形成凹坑，而冷焊和斷裂又造成摩擦因?shù)不斷地波動(dòng)。

3＃試樣的摩擦因數(shù)變化始終不明顯，在10 min左右失效，試樣表面僅出現(xiàn)由于刮擦所形成的磨痕。其主要原因是該試樣添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的TiH2造孔劑，燒結(jié)后產(chǎn)生了可在工作狀況下改善摩擦狀態(tài)的油膜微孔，剛度提高，表面摩擦狀態(tài)較好，因此不易發(fā)生表面結(jié)構(gòu)破壞，避免了沖擊、振動(dòng)的產(chǎn)生，故其摩擦因數(shù)變化不明顯。

在試驗(yàn)中，3＃，4＃試樣比 1＃，2＃試樣提前失效，這是由于TiH2會(huì)增大孔隙率，提高材料強(qiáng)度，但是這些效果終會(huì)因孔隙率的繼續(xù)增加而降低，甚至抵消材料的承載能力，最終導(dǎo)致3＃，4＃試樣的力學(xué)性能變差，提前失效。因此，在添加造孔劑TiH2時(shí)需選擇合適的比例，以獲得最優(yōu)的力學(xué)性能與摩擦性能。

3 結(jié)論

1）在鐵基含油軸承材料中添加適量TiH2，可有效調(diào)控孔隙率，增大材料硬度，提高材料含油自潤(rùn)滑性能和力學(xué)性能。

2）孔隙率較低時(shí)，含油性能較差，摩擦過(guò)程中材料易粘著剝落；孔隙率較高時(shí)，摩擦過(guò)程中裂紋易從孔隙處萌生并向外擴(kuò)展，降低材料的摩擦壽命。

3）當(dāng)TiH2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1%時(shí)，材料的摩擦磨損性能最優(yōu)。