壽德榮鄧正華張朝陽(yáng)蘇航
(1.重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,重慶 404100;2.重慶三峽學(xué)院重慶市輕合金材料與加工工程技術(shù)研究中心,重慶 404100)
中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國(guó)民生產(chǎn)總值中占據(jù)重要比例,對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和民生保障至關(guān)重要[1]。農(nóng)用滑動(dòng)軸承是農(nóng)用機(jī)械的關(guān)鍵組成部分,在促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和提高生產(chǎn)力方面扮演著關(guān)鍵角色。農(nóng)用滑動(dòng)軸承通常在惡劣的工作條件下運(yùn)行,經(jīng)受多種磨損,包括摩擦磨損和腐蝕磨損[2]。因此,對(duì)于農(nóng)用滑動(dòng)軸承,在考慮其所處的工作狀況時(shí),需要具備良好的耐磨性和耐蝕性。鋁青銅合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的抗腐蝕性和耐磨性[3],因此,鋁青銅合金可作為農(nóng)用滑動(dòng)軸承的材料。石墨是一種具備良好導(dǎo)熱性、潤(rùn)滑性和耐高溫性的材料,在銅基合金中添加石墨可以顯著降低材料的摩擦因數(shù)和磨損率,提高合金材料的服役過(guò)程中的穩(wěn)定性,尤其對(duì)于減少對(duì)偶件的磨損非常有利,因此被廣泛應(yīng)用于潤(rùn)滑和摩擦材料領(lǐng)域[4,5]。
目前,關(guān)于石墨對(duì)Cu-Al-Ni-Fe粉末合金的組織和性能影響的研究未見(jiàn)報(bào)道,其影響機(jī)理不清楚,因此,本文以Cu-10Al-4Ni-4.8Fe粉末合金為農(nóng)用滑動(dòng)軸承基礎(chǔ)材料,從中添加石墨,研究添加不同含量的單質(zhì)石墨和銅包石墨對(duì)合金顯微組織和性能的影響,以期為該農(nóng)用滑動(dòng)軸承合金的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。
粉末特性如表1所示,按照化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為Cu-10Al-4Ni-4.8Fe-X(其中X為石墨加入量,分別為0%、2%、4%、6%、8%;銅包石墨中石墨含量占40%,通過(guò)換算后加入)進(jìn)行配料。Cu-10Al-4Ni-4.8Fe-X材料的成分如表2所示。將原料粉混合后在GMS型罐磨機(jī)攪拌3h,用BY40型壓片機(jī)將粉末壓制成圓柱形生坯,壓力為570MPa,保壓時(shí)間為3min。將生坯放入ZT-25-20Y型真空熱壓燒結(jié)爐中,以5℃·min-1的速率加熱至950℃,保溫60min,隨爐冷卻至室溫獲得試樣。采用配比為3g FeCl3加5mL HCl加100mL蒸餾水的溶液作為腐蝕劑,用RX50M型光學(xué)顯微鏡觀察低倍顯微組織。在室溫下,采用310HBS-3000型布氏硬度計(jì)測(cè)試硬度,采用HY-0580型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮強(qiáng)度測(cè)試,用MMW-1G萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其摩擦性能,對(duì)摩件為40Cr鋼。
表1 粉末特性
表2 Cu-10Al-4Ni-4.8Fe-X復(fù)合材料的成分
不同單質(zhì)石墨含量的燒結(jié)Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的光學(xué)顯微組織見(jiàn)圖1。添加單質(zhì)石墨后,合金中的孔洞增加,且出現(xiàn)了石墨顆粒,如圖1a、圖1b所示;隨著石墨含量的增加,合金中的孔洞逐漸增加,且石墨由顆粒狀團(tuán)聚為網(wǎng)狀,如圖1b~1e所示。在制備過(guò)程中,由于石墨和基體的性質(zhì)差異較大,容易形成孔洞,在燒結(jié)過(guò)程中,由于石墨的存在,會(huì)使得金屬顆粒間的界面距離加大,阻礙了金屬顆粒間的擴(kuò)散、燒結(jié)頸的形成與融合,這會(huì)導(dǎo)致孔隙增大增多。隨著石墨含量的增加,空隙進(jìn)一步增大增多,并阻礙了燒結(jié)的擴(kuò)散,造成局部Fe富集,導(dǎo)致合金中的富鐵κⅠ相增多增大。
圖1 不同單質(zhì)石墨加入量Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的顯微組織
不同銅包石墨含量的燒結(jié)Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的光學(xué)顯微組織見(jiàn)圖2。添加銅包石墨后,和加單質(zhì)石墨相似,合金中孔洞增加,出現(xiàn)了少量石墨顆粒,但是石墨顆粒更大;隨著銅包石墨添加量的逐漸增多,如圖2b~2e,組織中出現(xiàn)更多的孔洞,并出現(xiàn)更多的石墨顆粒,富鐵κⅠ相增多。相較于添加單質(zhì)石墨,在Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金中添加銅包石墨,孔洞更大,石墨顆粒增多但沒(méi)有聚集長(zhǎng)大,石墨顆粒也更圓鈍,呈球型或近球形,且分布更均勻。
圖2 不同銅包石墨加入量Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的顯微組織
由圖3可知,隨著單質(zhì)石墨加入量的增加,合金的生坯密度變化不大,而隨著銅包石墨含量的增加,合金的生坯密度逐漸降低。因?yàn)閱钨|(zhì)石墨具有潤(rùn)滑的作用,有利于壓制成形,并且石墨在壓制過(guò)程中容易被壓碎,有利于填充部分孔洞,故添加單質(zhì)石墨粉不會(huì)降低材料生坯密度,反而略有提高。銅包石墨是由銅包裹著石墨而成的復(fù)合材料,銅包石墨粉的粒徑與基底的銅粒徑相比較大,在壓制過(guò)程中增加了間隙,降低生坯密度。并且石墨被銅包覆著,在壓制過(guò)程中,起不到潤(rùn)滑作用,也不能填充部分孔洞,故進(jìn)一步降低了生坯密度。
圖3 石墨含量對(duì)Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金密度的影響
隨著單質(zhì)石墨和銅包石墨的加入量增加,Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的燒結(jié)密度都在逐漸降低。這是因?yàn)槭且环N非金屬元素,其分子結(jié)果穩(wěn)定,具有高度的惰性[6],而合金基體是金屬元素,兩者性能具有巨大的差異,在高溫高壓條件下也不會(huì)與合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在粉末壓制的過(guò)程中變形和回復(fù)不同,導(dǎo)致石墨和合金基體之間產(chǎn)生孔隙,并且在燒結(jié)過(guò)程中,石墨阻礙了金屬顆粒間的擴(kuò)散、燒結(jié)頸的形成與融合,故隨著石墨含量的增加,導(dǎo)致燒結(jié)密度下降[7]。相較于單質(zhì)石墨的添加,添加銅包石墨中的銅可以促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程中的晶粒生長(zhǎng)和顆粒間的結(jié)合。因此,當(dāng)添加銅包石墨時(shí),銅的作用可以部分抵消石墨的負(fù)面影響,使得燒結(jié)密度降低的速度變慢。
由圖4可知,不添加石墨時(shí),Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金硬度約為107HBW;隨著2種形態(tài)石墨含量的增加,合金硬度都逐漸降低。因?yàn)槭旧磔^軟,當(dāng)合金中存在許多的質(zhì)軟相時(shí),會(huì)減少合金的硬度。隨著石墨含量的增加,孔隙增加,對(duì)合金硬度的有降低效果[8]。相較于單質(zhì)石墨,添加銅包鐵的合金比添加單質(zhì)石墨的合金的燒結(jié)密度高,所以其硬度也高。同時(shí),銅包石墨與Cu-Al-Ni-Fe基體的化學(xué)性質(zhì)和物理結(jié)構(gòu)特征更相似,可以使合金中的石墨顆粒與基體之間的結(jié)合更加緊密,從而降低了硬度的下降速度。
圖4 石墨含量對(duì)Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金硬度的影響
由圖5可知,不添加石墨時(shí),合金條件屈服強(qiáng)度約為310MPa;隨著2種形態(tài)石墨含量的增加,合金的條件屈服強(qiáng)度都逐漸減低。合金中石墨顆粒的數(shù)量、形狀、大小及分布都影響合金的力學(xué)性能。石墨的力學(xué)性能很低,與基體相比,其強(qiáng)度和塑性小很多,故可將分布于合金中的石墨看做孔洞,進(jìn)一步減少合金的有效承載面積,降低了合金的強(qiáng)度[9]。石墨顆粒會(huì)在應(yīng)力作用下起到割裂基體的作用,導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低[10]。此外,石墨顆粒還可能影響材料的結(jié)構(gòu)和晶界[8],進(jìn)一步降低了合金的強(qiáng)度。
圖5 石墨含量對(duì)Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金條件屈服強(qiáng)度的影響
在Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金中添加銅包石墨會(huì)比添加單質(zhì)石墨合金具有更高的強(qiáng)度。因?yàn)殂~包石墨中石墨顆粒表面被包覆有1層銅薄膜,銅包石墨中的銅薄膜可以促進(jìn)石墨顆粒之間的結(jié)合,可以提高石墨顆粒與合金基體的結(jié)合強(qiáng)度,防止其團(tuán)聚并且均勻分布在合金基體中,從而有效減少了合金中的孔隙,提高了合金的強(qiáng)度;添加銅包石墨的合金比添加單質(zhì)石墨的合金的燒結(jié)密度高,所以其強(qiáng)度也高。因此,相同石墨含量的情況下,添加銅包石墨的Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金比添加單質(zhì)石墨合金具有更高的強(qiáng)度。
從顯微組織中可以觀察到,添加單質(zhì)石墨后,合金中石墨細(xì)長(zhǎng)且尖,而添加銅包石墨后,合金中石墨明顯更大更圓鈍,其對(duì)基體的割裂程度和引起的應(yīng)力集中更小[11],故添加銅包石墨的合金比添加石墨合金具有更高的強(qiáng)度。
由圖6a可知,隨著單質(zhì)石墨添加量的增加,合金的摩擦因素呈先增后降的趨勢(shì)。當(dāng)添加2%的單質(zhì)石墨時(shí),摩擦因素明顯增加且達(dá)到最高,是由于石墨含量少,摩擦過(guò)程中難形成連續(xù)的潤(rùn)滑膜,導(dǎo)致減摩效果差。并且加入石墨會(huì)增加孔隙率,易崩屑剝落,加劇摩擦[10]。當(dāng)單質(zhì)石墨添加量大于2%時(shí),可以形成連續(xù)的潤(rùn)滑膜,摩擦系因數(shù)開(kāi)始逐漸下降,且摩擦因數(shù)變化幅度逐漸變小,說(shuō)明摩擦逐漸穩(wěn)定。
圖6 石墨加入量對(duì)Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金摩擦因數(shù)隨摩擦?xí)r間變化曲線圖
隨著銅包石墨的添加,Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金摩擦因數(shù)呈先增后減再增的趨勢(shì),如圖6b所示;當(dāng)銅包石墨添加量為5%(2%石墨)時(shí),并沒(méi)有形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜,導(dǎo)致摩擦因數(shù)上升;當(dāng)銅包石墨的添加量為10%(4%石墨),此時(shí)的石墨含量可以滿足連續(xù)潤(rùn)滑膜的形成,摩擦因數(shù)達(dá)到最低值,且摩擦因數(shù)變化幅度較?。划?dāng)銅包石墨添加量進(jìn)一步增加時(shí),摩擦因數(shù)又上升。因?yàn)殡S著銅包石墨含量的繼續(xù)增加,合金的強(qiáng)度和硬度過(guò)低,并且在摩擦過(guò)程中,銅包石墨中的石墨不能連續(xù)均勻的擠出,無(wú)法形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜,導(dǎo)致摩擦因數(shù)又繼續(xù)上升。
相較于添加銅包石墨的合金,隨著單質(zhì)石墨含量的增加,添加單質(zhì)石墨的合金摩擦因數(shù)更低,是因?yàn)槭珗F(tuán)聚呈空間網(wǎng)狀,在摩擦過(guò)程中,石墨的擠出具有連續(xù)性;而銅包石墨顆粒狀,顆粒之間沒(méi)有團(tuán)聚,在摩擦過(guò)程中,石墨不能從內(nèi)部均勻補(bǔ)齊,導(dǎo)致摩擦因素更高。
由圖7可知,不添加石墨時(shí),合金的磨損量約為5.48mg,當(dāng)單質(zhì)石墨添加量增加到2%時(shí),Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金的磨損量急劇下降,磨損量約為0.42mg,比不添加降低了約92%;當(dāng)銅包石墨添加量到5%(2%石墨)時(shí),磨損量約為0.27mg,比不添加降低了約95%,隨著石墨含量的繼續(xù)增加,磨損量都呈平穩(wěn)下降趨勢(shì),這是由于石墨具有潤(rùn)滑的作用,當(dāng)合金表面受到磨擦?xí)r,石墨受擠壓從材料中出來(lái),形成1層潤(rùn)滑膜[10],減少了磨損量。相較于添加銅包石墨,添加單質(zhì)石墨的合金磨損量更高,因?yàn)槭奶砑訉?dǎo)致孔隙率增加,孔隙的邊緣容易產(chǎn)生崩屑、剝落[12],而銅包石墨的孔隙較為圓鈍,相對(duì)不易剝落。同時(shí),添加銅包石墨的合金的硬度和強(qiáng)度都比添加石墨的合金高,也會(huì)導(dǎo)致添加銅包石墨的合金磨損量更低。
圖7 石墨含量對(duì)Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金磨損量的影響
在Cu-10Al-4Ni-4.8Fe合金中分別添加單質(zhì)石墨和銅包石墨后,合金中出現(xiàn)石墨顆粒。隨著石墨含量的增加,孔洞增多,富鐵κⅠ相增多。添加單質(zhì)石墨的合金,石墨顆粒逐漸團(tuán)聚為網(wǎng)狀;添加銅包石墨的合金,石墨顆粒更圓鈍,呈球型或近球形,且分布更均勻。
隨著單質(zhì)石墨的增加,合金的生坯密度變化不大,而隨著銅包石墨的增加,合金的生坯密度逐漸降低。隨著2種形態(tài)石墨的加入量增加,合金的相對(duì)燒結(jié)密度、硬度、條件屈服強(qiáng)度都呈下降趨勢(shì),但添加銅包石墨的合金的相對(duì)燒結(jié)密度、硬度和條件屈服強(qiáng)度下降更緩慢。
隨著單質(zhì)石墨的增加,合金的摩擦因數(shù)先增后降,而隨著銅包石墨的增加,合金摩擦系數(shù)呈先增后減再增的趨勢(shì);當(dāng)添加2%石墨時(shí),合金的磨損量急劇下降,并且添加銅包石墨合金的磨損量更低。