TiH2對鐵基含油軸承材料摩擦磨損性能的影響

謝致遠，馬丁逸飛，張開源，張國濤，尹延國

（合肥工業(yè)大學 摩擦學研究所，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，在工程機械、交通運輸?shù)阮I域應用廣泛[1]。隨著工程技術(shù)的不斷進步，對含油軸承材料的力學和摩擦學性能提出了更高要求，軸承在復雜工況下運行時往往出現(xiàn)力學性能或含油自潤滑性能不足的狀況，從而導致材料摩擦磨損問題突出，嚴重影響使用性能。工業(yè)上一般通過增加產(chǎn)品燒結(jié)密度來提高力學性能，但會導致孔隙率、含油率下降，不利于提高自潤滑性能。通過添加造孔劑，合理調(diào)控孔隙形態(tài)、尺度及分布，保證力學性能的同時盡可能提高含油自潤滑性是改善鐵基含油軸承材料綜合力學性能和摩擦學性能的有效途徑。

文獻[2]通過對泡沫鋁剖面進行數(shù)字圖像處理和統(tǒng)計分析，探討了發(fā)泡劑TiH2含量對孔隙率、孔徑標準差及大孔面積率等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。文獻[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TiH2粉體脫氫、模壓和燒結(jié)性能開展了系統(tǒng)的基礎性研究，為使用粉末冶金工藝制備廉價、優(yōu)質(zhì)鈦產(chǎn)品奠定了良好的理論和工藝基礎。文獻[4]研究了造孔劑含量對粉末冶金不銹鋼多孔材料孔隙率和抗壓強度的影響。文獻[5]研究了燒結(jié)TiH2粉末制備鈦合金的工藝及組織。文獻[6]研究了造孔劑TiH2含量對鐵基粉末冶金材料摩擦學性能的影響。

為解決材料燒結(jié)過程中因自身致密化導致含油自潤滑性下降而引起的材料摩擦學性能下降等問題，現(xiàn)通過球磨含造孔劑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機研究其摩擦學性能。

1 試驗

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，在試驗過程中加入TiH2作為造孔劑，以硬脂酸作為過程控制劑，增大球磨時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。相比于其他過程控制劑，該液膜對球磨過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表1。

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

為適當增強材料的強度及硬度，在材料中加入少量C來調(diào)節(jié)鐵素體與珠光體的相對含量[7]。在材料燒結(jié)過程中，TiH2受熱分解，生成H2與Ti，在H2逸出過程中產(chǎn)生孔隙，殘留在試樣中的Ti與C發(fā)生反應，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，稱取鐵基粉末各原料共計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，填充高純度氮氣，在250 r／min轉(zhuǎn)速下球磨5 h。球磨完畢停機自動冷卻，得到機械合金粉末。在50 t的自動液壓機上鋪粉壓制圓片試樣（φ36.4 mm×4.4 mm），壓制壓強為600～700 MPa，將壓制好的坯料放入網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中，同時通入分解氨氣加以保護，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 試驗方法

采用HBRVU－187.5光學布洛維硬度計測定試樣的洛氏硬度；通過索格利特萃取器測定試樣的含油率；利用光學顯微鏡觀察試樣的金相組織；利用HDM－20端面摩擦磨損試驗機進行摩擦試驗，載荷加載方式分逐級加載和定載2種情況：逐級加載下轉(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，當檢測到摩擦因數(shù)急劇上升或發(fā)出尖銳刺耳噪聲時，手動停機，試驗結(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)急劇增大或者試驗機出現(xiàn)尖銳噪聲時，手動停機，試驗結(jié)束。

1.3 孔隙率檢測方法

孔隙率的定義為：表面孔隙體積與總體積之比。先測量粉末的體積V1，燒結(jié)后再用排水法測量其體積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)量分數(shù)由0增加到1%時孔隙率增幅最大，為6.20%左右。隨著TiH2含量的增加，硬度呈上升趨勢。在燒制過程中生成的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%，主要原因為TiH2在受熱分解過程中產(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 逐級加載下試樣摩擦學性能

逐級加載工況下，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)變化趨勢明顯，主要變化體現(xiàn)在試驗穩(wěn)定運行的時間上。在初始階段，試樣摩擦因數(shù)由大到小排序為 1＃，2＃，4＃，3＃，且在前 10 min內(nèi)變化不大。在10 min時，第1次加載，1＃試樣摩擦因數(shù)呈明顯上升趨勢，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，進行第2次加載，此時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，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，并于40 min失效。就工作時間而言，2＃試樣的減摩效果最好，即TiH2質(zhì)量分數(shù)為1%時，材料的減摩效果最好。

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

在摩擦磨損試驗過程中，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，延長試驗時間，提高試樣的極限承載能力?？紫堵蔬^大時，摩擦過程中裂紋易從空隙處萌生并向外擴展[10]，使試驗時間縮短。根據(jù) Griffith裂紋定理[11]，在外力作用下，已生成的裂紋附近會產(chǎn)生應力集中，當累積到一定程度時，裂紋開始擴展從而導致試樣斷裂，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，使磨損進一步加劇，形成嚴重的犁溝。逐級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，表明過高的孔隙率會使其脆性增加，力學性能下降，造成表面強度過低；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，這說明雖然比4＃試樣摩擦性能好，但其潤滑性能不足；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TiH2的質(zhì)量分數(shù)為1%時，試樣的潤滑性能和力學性能達到平衡，其摩擦磨損性能最優(yōu)。

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

試驗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在摩擦磨損時受熱與C發(fā)生反應生成TiC硬質(zhì)相，因此試樣的磨損量顯著降低。當TiH2含量過高時，材料硬度過大，力學性能降低，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)由大到小排序為 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，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，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，改善潤滑條件；同時，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

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

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

在含油材料工作過程中，由于摩擦副的高速運轉(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，起到良好的潤滑效果[12]。通過在試樣中加入造孔劑，提高材料的孔隙率，可使更多潤滑油從摩擦副接觸面滲出，從而改善潤滑性能。同時，適量的TiH2可以保證材料的力學性能，但過多的TiH2易使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密，高載時易發(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，壓力與摩擦導致的塑性變形使孔隙率在摩擦過程中進一步降低，因而孔隙向摩擦平面提供的潤滑油逐漸減至更少，表面細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，長時間工作會形成冷焊點。隨著工作的進行，冷焊點不斷地斷裂、冷焊、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數(shù)不斷地波動。

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)量分數(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、振動的產(chǎn)生，故其摩擦因數(shù)變化不明顯。

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

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，提高材料含油自潤滑性能和力學性能。

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

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