复层孔隙分布铁基粉末冶金材料摩擦性能分析

杨 茜

（吕梁职业技术学院，山西 孝义032300）

铁基粉末冶金轴承材料使用中通过自身孔隙中油液的持续外析，能于接触面形成润滑保护膜，润滑作用良好。而性能要求高的边界润滑工况下，铁基含油轴承材料常面临力学性能不足的问题，孔隙率不足导致其含油性能下降。作为粉末冶金材料的固有属性，孔隙对材料化学和摩擦学性能有着直接性影响。因此改变传统的粉末冶金材料制备工艺，通过对粉末材料二次加压成型处理，改变其孔隙率，提升复层粉末冶金材料的减摩耐磨性能。目前该技术在工业生产中得到了良好反馈，应用前景广阔。

1 试验材料及制备

选择TiH2为造孔剂，表层材料配方如图一。基层配方去吃了ZnSt、TiH2，又增加了润滑剂酰胺蜡。制备试样时，配方材料的压制密度为7 g/cm3，其他配方材料不变，只改变造孔剂中TiH2的质量分数，其对材料孔隙率变化负责。取部分粉末装入锥形混料器中，30 min后将混合物料倒入磨具，借助自动液压机铺粉2次、压制1次，制作成铁基轴承材料试样。将压制完成的生坯行烧结处理，烧结温度控制在1 080～1 150℃之间，烧结时间约为3 h，烧结完成后的复层试样经真空浸油与磨削加工后成为正式的摩擦试样。

2 试验方法

硬度分析参考布洛式硬度计的测试结果，压溃强度测试参考万能材料试验机的测试结果，通过扫描电镜观察材料断面形貌并判断断裂机理，在端面摩擦试验机上进行摩擦试验，摩件硬度为HRC48-52的40Cr，添加润滑由，以转速为735 r/min的速度加载980 N，时间约为20 min。逐级加载试验，载荷980 N的基础上以每10 min增加490 N的规格持续加载，直到试样被破坏，当摩擦因数突然增大或者试验机噪声尖锐时，试验终止。

3 结果分析

3.1 表层孔隙率对试样性能的影响分析

试验结果表明，粉末冶金材料其摩擦磨损性能与孔隙率有直接关系。在特定条件和范围下，孔隙率的增加会带来试样的摩擦耐磨性能的改变。因此可以通过调整试样的表层孔隙率改善试样的摩擦磨损性能。TiH2含量对表层材料孔隙率和力学性能的影响呈现正相关关系。当TiH2含量增加，对应的材料孔隙率上升，其原理是试样烧结过程中TiH2在399～722℃范围内会发生分解反应，产生单质H2和Ti，H2会从试样中溢出，而留下溢出的孔隙，当TiH2的含量持续增加，孔隙增多带来试样的含油率明显上升。而分解产生的单质Ti则与材料中的C发生合成反应，形成TiC，其颗粒属于硬质相，材料硬度并不能随着孔隙率的增加下降，硬度上升。在不含TiH2的对比试样中，表层硬度（HRB）为57，当TiH2的含量持续增加，表层的硬度也持续上升。当w（TiH2）达到4%时，对应的硬度（HRB）提升到68，与之前的58数据对比明显。得出结论，试样的基本硬度不受TiH2含量影响，而孔隙增多，新产生的TiC会阻碍粉末颗粒间的烧结颈形成，烧结效果被弱化，材料的压溃强度与TiH2的含量呈现负相关关系。

3.2 TiH2含量与复合材料摩擦耐磨性能关系的分析

以总厚度为60%的试样进行定载荷与逐级加载摩擦耐磨性对比试验。以此明确TiH2含量对复层材料摩擦耐磨性能的具体影响。试验结果表明，不同TiH2含量的试样在定载荷试验下，摩擦系数变化不打，这意味着TiH2含量对摩擦副的平均摩擦系数影响不明显。而不含有TiH2的试样其前期摩擦系数整体较低，减摩性能要优于含有TiH2的试样，10 min后当载荷增加到1 470 N时，对应的不含TiH2的试样的摩擦系数会呈现增加的态势，而平均摩擦系数与其他试样没有明显差异。但因为孔隙率较低，摩擦系数随着时间变化而变化，且波动较大，这可以说明其减摩性能逐渐下降。而含有TiH2的试样因为其自身含有了TiC硬质颗粒，其在初始阶段表现出较高的摩擦系数，但其因为有较高的含油率，硬质颗粒阻碍了塑性变形，稳定的孔隙率使得摩擦副运行较为稳定，摩擦系数更多的随着时间的变化微小调整。在试样定载荷试验摩痕表面的SEM图中，我们看出，不含有TiH2试样对应1 470 N的载荷度时，摩擦系数有较大的波动变化，摩痕表面会对应材料剥落引发的凹坑，而未添加TiH2的试样其孔隙率低，摩擦副运行缺乏足够的润滑介质，粗糙峰处的油膜会破裂，上下试样直接接触产生冷焊接点，当冷焊接点不断形成再剪断再形成，反反复复中摩擦副摩擦系数波动变大，伴随摩擦表面的严重剥落。而添加了w（TiH2）=3.5%的试样材料其孔隙率和含油率较为稳定，粗糙峰处的油膜呈现裂痕后，对应孔隙中的润滑油会对破裂油膜进行补充，摩擦副出现黏着磨损的几率会持续降低。而相反含油w（TiH2）=3.5%的试样磨痕程度轻微，仅为表面的犁沟。

3.3 表层厚度对材料摩擦磨损性能的影响分析

w（TiH2）=3.5%情况下，对不同表层厚度的复层材料进行摩擦磨损性能试验。表层厚度与整体厚度比对应为20%、30%、40%、50%、60%、100%。100%的材料是单层材料。载荷在1 960 N之前，单层材料摩擦副的摩擦系数整体偏低，其处于良好的润滑状态。而当加载到1 960 N时，单层材料摩擦副摩擦系数有了明显的波动变化，复层材料摩擦副润滑条件变差，当载荷在2 450 N时，摩擦副润滑油膜处于破裂状态，无法恢复到稳定运行的状态。对应的摩擦系数则呈现快速增高的态势。整个试验结束后，得出结论：单层材料的破坏载荷系数是2 450 N，而复层试样中载荷为1 960 N时，摩擦副摩擦系数下降，整体性能不及单层材料，此时摩擦副运行还保持稳定，复层材料在高载荷情况下能获得润滑状态性能的改善，而当载荷达到了2 450 N时，不同表层厚度的复层材料其摩擦副的摩擦系数会出现短期快速升高的情况，认为不同表层厚度的复层材料在2 450 N的载荷情况下会平稳运行一段时间，但逐渐破坏，从总体上看，其性能要更优于单层材料。通过反复的试验对比，单层材料如果处于破坏载荷低，运行时间短的条件下，摩痕深度最大，磨损也最为严重。表层厚度为50%的复层材料在破坏载荷较高、运行时间长的条件下，摩痕深度反而最小。因此综合分析得出结论：复层材料相较于单层材料其摩擦学性能要优，而表层厚度505的复层材料其减摩耐磨性能最为理想。

4 结论

通过对复层孔隙分布铁基粉末冶金材料的摩擦性能分析，在试验反复对比中得出结论：首先，复层孔隙分布可以影响铁基粉末冶金材料的摩擦性能。因此可以通过改变TiH2的含量，提升复层材料的表层孔隙率，辅助以新产生的TiC硬质颗粒，保证材料表层的硬度。而材料的压溃强度与TiH2的含量呈负相关关系。此文的试验结果表明，w（TiH2）为3.5%的材料综合力学性能和润滑特性最理想，其对应的材料摩擦性能和承载能力最佳。其次，在面临高负载工况时，单层烧结材料与复层材料对比，后者润滑性能更好，当表层厚度持续增加，摩擦系数表现为先下降后升高的趋势，当表层厚度为50%时，复层材料处于最佳的承载状态，摩擦耐磨性能最好。最后，复层材料基体致密度强，当热油下流阻力增大时，润滑油会处于两对偶面之间，充分的润滑供给优化减摩效果，基体致密度高强也实现了材料整体力学性能的改善，对应稳定的润滑状态和理想的承载能力。