TiH2对铁基含油轴承材料摩擦磨损性能的影响

谢致远，马丁逸飞，张开源，张国涛，尹延国

（合肥工业大学 摩擦学研究所，合肥 230009）

铁基含油轴承材料具有制造成本低，耐磨性能好等优点，在工程机械、交通运输等领域应用广泛[1]。随着工程技术的不断进步，对含油轴承材料的力学和摩擦学性能提出了更高要求，轴承在复杂工况下运行时往往出现力学性能或含油自润滑性能不足的状况，从而导致材料摩擦磨损问题突出，严重影响使用性能。工业上一般通过增加产品烧结密度来提高力学性能，但会导致孔隙率、含油率下降，不利于提高自润滑性能。通过添加造孔剂，合理调控孔隙形态、尺度及分布，保证力学性能的同时尽可能提高含油自润滑性是改善铁基含油轴承材料综合力学性能和摩擦学性能的有效途径。

文献[2]通过对泡沫铝剖面进行数字图像处理和统计分析，探讨了发泡剂TiH2含量对孔隙率、孔径标准差及大孔面积率等孔结构参数的影响。文献[3]研究了TiH2粉体脱氢特性和压制与烧结行为的关系，对TiH2粉体脱氢、模压和烧结性能开展了系统的基础性研究，为使用粉末冶金工艺制备廉价、优质钛产品奠定了良好的理论和工艺基础。文献[4]研究了造孔剂含量对粉末冶金不锈钢多孔材料孔隙率和抗压强度的影响。文献[5]研究了烧结TiH2粉末制备钛合金的工艺及组织。文献[6]研究了造孔剂TiH2含量对铁基粉末冶金材料摩擦学性能的影响。

为解决材料烧结过程中因自身致密化导致含油自润滑性下降而引起的材料摩擦学性能下降等问题，现通过球磨含造孔剂TiH2的铁基混合粉末，制备孔隙、性能可控的铁基含油轴承材料，并利用端面摩擦试验机研究其摩擦学性能。

1 试验

1.1 试样

铁基轴承材料主要为铁碳合金，为增加材料的孔隙率，在试验过程中加入TiH2作为造孔剂，以硬脂酸作为过程控制剂，增大球磨时混合粉末间的接触面积，使其混合均匀。添加硬脂酸后，球磨过程中在研磨球、球罐与粉末间形成一层极薄的液膜。相比于其他过程控制剂，该液膜对球磨过程的相变化具有更大的延缓作用，能够有效减少铜基粉末的粘壁、粘球，降低磨球和磨罐的磨损，从而防止粉末混入较多铁原子，将出粉率从90%提高到97%。不同试样材料配方见表1。

表1 不同试样材料配方Tab.1 Material formulation of different samples w，%

为适当增强材料的强度及硬度，在材料中加入少量C来调节铁素体与珠光体的相对含量[7]。在材料烧结过程中，TiH2受热分解，生成H2与Ti，在H2逸出过程中产生孔隙，残留在试样中的Ti与C发生反应，生成密度低、硬度高且耐磨性好的TiC硬质相[5－6]。

按照表1的配方，称取铁基粉末各原料共计60 g，放入200 mL的研磨罐中，加入不锈钢研磨球（大球 250 g，小球 350 g），球料比为 10∶1，加入0.5%硬脂酸控制剂。抽真空，填充高纯度氮气，在250 r／min转速下球磨5 h。球磨完毕停机自动冷却，得到机械合金粉末。在50 t的自动液压机上铺粉压制圆片试样（φ36.4 mm×4.4 mm），压制压强为600～700 MPa，将压制好的坯料放入网带式烧结炉中，同时通入分解氨气加以保护，烧结炉中温度约为1 080～1 150℃，烧结3.5 h。真空浸油后经磨削加工制成含油试样。

1.2 试验方法

采用HBRVU－187.5光学布洛维硬度计测定试样的洛氏硬度；通过索格利特萃取器测定试样的含油率；利用光学显微镜观察试样的金相组织；利用HDM－20端面摩擦磨损试验机进行摩擦试验，载荷加载方式分逐级加载和定载2种情况：逐级加载下转速为1.0 m／s，初始轴向载荷为800 N，每10 min加载400 N，直至试样被破坏，当检测到摩擦因数急剧上升或发出尖锐刺耳噪声时，手动停机，试验结束；定载下初始轴向载荷为1 200 N，转速为1.0 m／s，直至摩擦因数急剧增大或者试验机出现尖锐噪声时，手动停机，试验结束。

1.3 孔隙率检测方法

孔隙率的定义为：表面孔隙体积与总体积之比。先测量粉末的体积V1，烧结后再用排水法测量其体积V2，即可得到材料的孔隙率φ为

2 结果及分析

2.1 TiH2含量对试样性能的影响

试样的金相组织如图1所示。由图可知，各试样金相组织中的孔隙分布较为均匀，随着TiH2含量的增加，孔隙尺寸增大，数量增多。

图1 试样的金相组织Fig.1 Metallographic structures of samples

试样孔隙率、硬度、密度如图2所示。由图可知，随着TiH2含量的增加，试样整体孔隙率逐渐增大，TiH2质量分数由0增加到1%时孔隙率增幅最大，为6.20%左右。随着TiH2含量的增加，硬度呈上升趋势。在烧制过程中生成的TiC属硬质相，因此材料的硬度随孔隙率的增加而增大。随TiH2含量的增加，试样整体密度下降，降幅为23.07%，主要原因为TiH2在受热分解过程中产生H2，使试样结构疏松多孔。

图2 试样孔隙率、硬度、密度Fig.2 Porosity，hardness and density of sample

2.1 逐级加载下试样摩擦学性能

逐级加载工况下，试样摩擦因数的变化曲线如图3所示。由图可知，随TiH2含量的变化，粉末冶金材料摩擦因数变化趋势明显，主要变化体现在试验稳定运行的时间上。在初始阶段，试样摩擦因数由大到小排序为 1＃，2＃，4＃，3＃，且在前 10 min内变化不大。在10 min时，第1次加载，1＃试样摩擦因数呈明显上升趋势，且持续升高，2＃试样摩擦因数上升缓慢，3＃与4＃试样摩擦因数变化不大。在20 min左右，进行第2次加载，此时2＃试样摩擦因数出现明显下降，其余试样摩擦因数变化均不明显。在 25 min时，3＃和 4＃试样失效，1＃试样摩擦因数仍在上升，并于28 min失效。在30 min进行第3次加载，2＃试样摩擦因数增加，稳定后又呈下降趋势，并于40 min失效。就工作时间而言，2＃试样的减摩效果最好，即TiH2质量分数为1%时，材料的减摩效果最好。

图3 逐级加载下试样的摩擦因数曲线Fig.3 Friction coefficient curves of samples under stepwise loading

在摩擦磨损试验过程中，摩擦副受到的正压力大，且始终与平面保持紧密接触的状态，其表面受润滑状态影响较大[9]。结合图1可得，试样的孔隙率随TiH2含量的增加而增大，试样含油率也增加，更易使摩擦副间形成良好的润滑状态，有效减少或避免材料表面的直接接触，使润滑状态得到改善，延长试验时间，提高试样的极限承载能力。孔隙率过大时，摩擦过程中裂纹易从空隙处萌生并向外扩展[10]，使试验时间缩短。根据 Griffith裂纹定理[11]，在外力作用下，已生成的裂纹附近会产生应力集中，当累积到一定程度时，裂纹开始扩展从而导致试样断裂，孔隙边缘易产生崩屑、剥落，剥落的颗粒不易排出，聚集在表面起磨粒的作用，使磨损进一步加剧，形成严重的犁沟。逐级加载工况下试样的磨损痕迹如图4所示。由图可知，4＃试样表面有大量凹坑和犁沟，表明过高的孔隙率会使其脆性增加，力学性能下降，造成表面强度过低；1＃试样表面有犁沟、裂纹和崩落的凹坑；2＃试样只有较深的犁沟，这说明虽然比4＃试样摩擦性能好，但其润滑性能不足；3＃试样表面状况最好，仅有一些较浅的犁沟和剥落的凹坑，因此，当TiH2的质量分数为1%时，试样的润滑性能和力学性能达到平衡，其摩擦磨损性能最优。

图4 逐级加载工况下试样的磨损痕迹Fig.4 Wear scars of samples under stepwise loading

试验30 min后试样的磨损量如图5所示。由图可知，随着TiH2含量的增加，试样的磨损量先减小后增大。TiH2在摩擦磨损时受热与C发生反应生成TiC硬质相，因此试样的磨损量显著降低。当TiH2含量过高时，材料硬度过大，力学性能降低，材料易于从摩擦面上剥落，使材料磨损量增大。

2.3 定载下试样摩擦学性能

施加定载1 200 N，试样的摩擦因数曲线如图6所示。由图可知，初始阶段，摩擦因数由大到小排序为 1＃，3＃，4＃，2＃。7 min以前，1＃与 2＃试样摩擦因数变化剧烈，始终上下波动，3＃与4＃试样摩擦因数变化较为平缓。7 min后，1＃与4＃试样急剧上升，此后趋于平缓，2＃试样的摩擦因数开始缓慢上升，并于9 min后跃迁至1＃试样的摩擦因数附近，3＃试样的摩擦因数一直变化不明显，并在10 min左右失效。由此可见，在定载情况下，2＃试样可承受的极限载荷最大，主要原因在于球磨后添加适量的造孔剂可增加试样含油率，改善润滑条件；同时，适量TiH2可增加试样硬度。

图6 定载下试样的摩擦因数曲线Fig.6 Friction coefficient curves of samples under constant load

试样定载润滑后磨损形貌如图7所示。由图可知，1＃试样储油效果不佳，导致润滑效果差，材料表面出现大片剥落坑。其余试样随孔隙率增加，储油效果逐渐增强。其中，2＃试样摩擦性能最好。由此可见，与纯Fe－C材料比，加入TiH2可明显提高材料的摩擦学性能。

图7 定载下试样的磨损形貌Fig.7 Wear morphologies of samples under constant load

在含油材料工作过程中，由于摩擦副的高速运转，温度迅速升高，由于油的热膨胀系数大于铁基粉末冶金材料，润滑油从含油材料孔隙率中渗出，从而改善摩擦条件，起到良好的润滑效果[12]。通过在试样中加入造孔剂，提高材料的孔隙率，可使更多润滑油从摩擦副接触面渗出，从而改善润滑性能。同时，适量的TiH2可以保证材料的力学性能，但过多的TiH2易使材料内部结构不致密，高载时易发生塑性变形，使得摩擦副接触状态随之改变，从而增大试样的磨损量和摩擦因数，降低其极限承载能力。

2.4 磨损机理分析

1 200 N轴向载荷下，1＃试样在7 min后摩擦因数变化剧烈，最后跃升，导致试样表面破坏，出现凹坑。其主要原因是未添加TiH2的试样孔隙率最低，压力与摩擦导致的塑性变形使孔隙率在摩擦过程中进一步降低，因而孔隙向摩擦平面提供的润滑油逐渐减至更少，表面细微突起部分的油膜较于其他试样的更薄，更易破裂，使上下表面直接接触，长时间工作会形成冷焊点。随着工作的进行，冷焊点不断地断裂、冷焊、剪切，使表面材料剥落并形成凹坑，而冷焊和断裂又造成摩擦因数不断地波动。

3＃试样的摩擦因数变化始终不明显，在10 min左右失效，试样表面仅出现由于刮擦所形成的磨痕。其主要原因是该试样添加了质量分数为2%的TiH2造孔剂，烧结后产生了可在工作状况下改善摩擦状态的油膜微孔，刚度提高，表面摩擦状态较好，因此不易发生表面结构破坏，避免了冲击、振动的产生，故其摩擦因数变化不明显。

在试验中，3＃，4＃试样比 1＃，2＃试样提前失效，这是由于TiH2会增大孔隙率，提高材料强度，但是这些效果终会因孔隙率的继续增加而降低，甚至抵消材料的承载能力，最终导致3＃，4＃试样的力学性能变差，提前失效。因此，在添加造孔剂TiH2时需选择合适的比例，以获得最优的力学性能与摩擦性能。

3 结论

1）在铁基含油轴承材料中添加适量TiH2，可有效调控孔隙率，增大材料硬度，提高材料含油自润滑性能和力学性能。

2）孔隙率较低时，含油性能较差，摩擦过程中材料易粘着剥落；孔隙率较高时，摩擦过程中裂纹易从孔隙处萌生并向外扩展，降低材料的摩擦寿命。

3）当TiH2的质量分数约为1%时，材料的摩擦磨损性能最优。