張銀華 張秋萍

【關(guān)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(tài)如天然磷片石墨、人造顆粒石墨、焦炭等被廣泛應(yīng)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(duì)壓燒法摩擦材料性能的影響進(jìn)行了大量的研究[1][2][3][4]，但有關(guān)石墨的種類及粒度分布對(duì)粉末冶金銅基噴撒摩擦材料（以下簡(jiǎn)稱銅基噴撒片）性能影響的對(duì)比研究報(bào)道幾乎沒(méi)有。本文通過(guò)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(duì)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(jù)。

二、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用幾種不同形態(tài)的石墨（天然磷片石墨和人造顆粒石墨），通過(guò)電子顯微鏡掃描觀察其在噴撒片配方中的含量均為8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），材料中其他成分及含量保持不變，所有試樣均先經(jīng)混料、噴撒-預(yù)燒結(jié)、壓槽，然后在分解氨氣體保護(hù)下進(jìn)行二次復(fù)燒，最后使用精整電壓機(jī)壓成精整至成品尺寸。摩擦磨損性能試驗(yàn)在HF-85WT的濕式試驗(yàn)臺(tái)位上進(jìn)行，對(duì)偶鋼片材料為65Mn，硬度為HRC48-53。試驗(yàn)按照J(rèn)B/T7909-1999《濕式燒結(jié)金屬摩擦材料摩擦性能試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)條件為：動(dòng)、靜摩擦系數(shù)在接合500次、1000次、1500次及2000次下測(cè)得，取平均值，磨損率在接合2000次情況下測(cè)得，能量許用負(fù)荷值在轉(zhuǎn)速1200r/min，逐級(jí)增加壓力和（或）增加轉(zhuǎn)速的情況下測(cè)得。

三、不同形態(tài)石墨的物理性能及篩選

（一）不同形態(tài)石墨的形貌

由于制造工藝的差異，不同形態(tài)石墨粉末的形貌也千差萬(wàn)別。通過(guò)高位二次電子SEI模式電鏡掃描，可以發(fā)現(xiàn)圖片1（a）為L(zhǎng)G（-）100-99的天然磷片石墨，石墨呈規(guī)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(xì)小，表面粗糙，而當(dāng)粒度達(dá)到150，微粒大小變得不均勻，形貌也不規(guī)則，圖1（c）石墨形狀為顆粒狀，整體較粗較規(guī)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(guī)則，圖1（e）形貌較規(guī)則，但顆粒大小較粗，圖1（f）所示的石墨，粒度比較細(xì)且均勻。

（二）不同石墨形態(tài)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(duì)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(tài)石墨的松裝密度如表1?？梢钥闯觯谕活愋偷氖ㄈ嗽祛w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?yàn)?，雖然粒度變小，粉末自我填充增加，但粉末越細(xì)，流動(dòng)性越差，顆粒間越容易形成拱橋孔洞?！肮皹颉焙拖嗷フ掣?，妨礙了顆粒相互移動(dòng)，故松裝密度減少。

（三）不同形態(tài)石墨的粒度分布

不同形態(tài)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(dá)到98.6%、97.4%和55.4%;KS-75則粒度組成較窄且較細(xì)，-200目達(dá)到90.9%。而LG（-）100-99、#5019-A粒度組成相對(duì)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(jìn)行合金化反應(yīng)，起強(qiáng)化基體的作用）、摩擦組元（鐵、氧化物、碳化物、硅化物）和潤(rùn)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(jìn)行槽形壓制、二次燒結(jié)（合金化反應(yīng)）和精整，它具有工序和工裝少且簡(jiǎn)單、材料利用率高和周期短效率高的特點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)。

由于銅基噴撒片松散燒結(jié)的特點(diǎn)，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(xì)合批均勻，這樣才能保證有合適的松裝密度和流動(dòng)性，確保摩擦材料有一定的密度和撒粉均勻性，以滿足產(chǎn)品物理機(jī)械性能及幾何尺寸精度的要求。據(jù)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(shí)粉末落到振動(dòng)篩后，不能落到鋼芯板上，達(dá)不到-80目的要求;同樣KS-75粒度組成太細(xì)，粉末在噴撒時(shí)流動(dòng)性太差，難以在料筒中自然降落，因此這三種牌號(hào)的石墨不適合用于銅基噴撒片。而D80-0將+80目的石墨過(guò)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(guò)篩80目后的D80-0作為本研究項(xiàng)目的對(duì)象。

（五）石墨的種類及粒度變化對(duì)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(cè)試等試驗(yàn)條件下獲得的不同石墨形態(tài)對(duì)銅基噴撒片的動(dòng)摩擦系數(shù)及磨損性能影響見(jiàn)表3及圖2，平均功率密度及能量負(fù)荷許用值對(duì)比見(jiàn)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(tài)，但摩擦系數(shù)、磨損率、平均功率密度和能量負(fù)荷許用值還是有明顯差距。從圖表可看出，使用牌號(hào)為#5019-A和D80-0的人造顆粒石墨的銅基噴撒片各項(xiàng)性能指標(biāo)要明顯優(yōu)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(duì)較細(xì)顆粒的#5019-A銅基噴撒片各項(xiàng)性能指標(biāo)要優(yōu)于相對(duì)較粗顆粒的D80-0。這是由于噴撒是松散燒結(jié)，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(dāng)產(chǎn)品從冷卻段出來(lái)以后，飄浮于表面的磷片石墨實(shí)際作為廢粉的形式被抖落。而人造顆粒石墨在噴撒過(guò)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(shí)際燒損量要比磷片石墨小得多，表6可以反映出產(chǎn)品預(yù)燒后摩擦材料層的實(shí)際含碳量。#5019-A粒度分布相對(duì)較細(xì)，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(cè)試上表現(xiàn)為摩擦系數(shù)略高且穩(wěn)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(shuō)明了這一點(diǎn)。

四、結(jié)論

（一）通過(guò)電子顯微鏡掃描和性能測(cè)試得知：

1、采用不同方法制造出的不同形態(tài)石墨在外觀形態(tài)上存在顯著區(qū)別。

2、不同牌號(hào)、形態(tài)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(xiàn)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(guò)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(yōu)越的摩擦磨損性能。其綜合性能堪比工程機(jī)械銅基壓燒片，動(dòng)摩擦系數(shù)μd、靜摩擦系數(shù)μj、磨損率δ達(dá)到JB/T12718-2016《銅基粉末冶金噴撒摩擦片技術(shù)條件》中濕式工況要求，能量負(fù)荷許用值超過(guò)Ca>16000要求。