銅鎳基自潤(rùn)滑摩擦材料的脫脂工藝

王振東　趙小健

摘? ?要：本文主要研究了含自潤(rùn)滑材料CaF2的銅鎳粉末生坯的脫脂過(guò)程對(duì)燒結(jié)體的影響。首先通過(guò)TGA儀器測(cè)試商用型號(hào)1788的PVA的熱失重規(guī)律。進(jìn)一步根據(jù)熱失重?cái)?shù)據(jù)，和真空燒結(jié)時(shí)爐內(nèi)氣壓變化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)脫脂工藝路線(xiàn)中的升溫速度和保溫時(shí)間，同時(shí)考慮生坯密度參數(shù)的變化，指出脫膠工藝參數(shù)的調(diào)整方向。試驗(yàn)結(jié)果表明，PVA的TGA曲線(xiàn)只是設(shè)計(jì)脫脂工藝的參考內(nèi)容之一，脫脂工藝設(shè)計(jì)中升溫速率和保溫時(shí)間還要充分考慮生坯密度和生坯的含膠量。

關(guān)鍵詞：摩擦材料? 自潤(rùn)滑? 脫脂工藝? 聚乙烯醇

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ127.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（b）-0072-03

銅鎳合金具有較良好的導(dǎo)電性，高的耐腐蝕性，高溫時(shí)較高強(qiáng)度等優(yōu)異性能，這為合金的廣泛應(yīng)用奠定了使用基礎(chǔ)[1]。為解決因銅鎳熔點(diǎn)相差較大，熔煉法易產(chǎn)生枝晶偏析的現(xiàn)象，大部分合金冶煉工藝采用粉末共滲法[2]。粉末共滲法的出現(xiàn)為制備材料成分均勻的結(jié)構(gòu)體提供了新的路徑，其燒結(jié)溫度依據(jù)Cu-Ni合金相圖而定[3]。金屬基固體自潤(rùn)滑材料能夠滿(mǎn)足真空中使用的苛刻要求[4]，本文所提到銅鎳基固體自潤(rùn)滑材料[5]制備方法為粉末共滲法，由于固體潤(rùn)滑劑的加入，需在壓制前的混料階段進(jìn)行造粒，使材料首先達(dá)到物理均勻狀態(tài)。

自潤(rùn)滑材料制備一般采用粉末混合—造?！獕褐啤獰Y(jié)等典型的工藝過(guò)程。造粒的目的主要是提高粉末材料流動(dòng)性，使得自動(dòng)化壓制更加平穩(wěn)流暢，生坯制品一致性更高。而在造粒階段加入的膠劑也要在燒結(jié)前期經(jīng)脫脂工藝脫除。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)脫脂情況直接影響最終燒結(jié)體的幾何尺寸和金屬機(jī)械性能。所以整個(gè)燒結(jié)工藝，要保證燒結(jié)體尺寸，還要保證合金材料具有一定的硬度，就必須保證脫脂工藝滿(mǎn)足實(shí)際需要。

在實(shí)際生產(chǎn)中，模壓制備的生坯必須具有一定的強(qiáng)度，防止轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中生坯形狀損壞，所以都趨向于提高生坯密度，而生坯密度提高又會(huì)影響燒結(jié)體的幾何尺寸。為系統(tǒng)地研究脫脂工藝設(shè)計(jì)所需要參考的相關(guān)因素，首先考量PVA自身的失重特點(diǎn)以及批量生產(chǎn)時(shí)爐內(nèi)氣壓變化特點(diǎn)，其次考量含膠量，生坯密度，對(duì)脫膠工藝設(shè)計(jì)的影響。

1? 試驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

純度99.6%銅粉（<500目）、純度99.6%鎳粉<500目）和純度99%氟化鈣粉（<800目），按質(zhì)量比38：52：10的比例經(jīng)充分混合后分別加入粉料重量0.67%、0.87%、1.07%、1.27%和1.47%的聚乙烯醇（PVA）和50%的蒸餾水配成漿料在球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行研磨，時(shí)間設(shè)置為2h，再經(jīng)離心造粒后，過(guò)80目篩選下料再進(jìn)行Ф10mm×2.4mm生坯壓制，模具使用蓋壓式（屬于單向壓制）。

1.2 熱失重試驗(yàn)

采用TGA熱分析儀，對(duì)PVA進(jìn)行熱失重分析，樣品在空氣中加熱，空氣流量為100mL/h，加熱速度5℃/min。

1.3 燒結(jié)工藝

試驗(yàn)樣品采用型號(hào)為SY-KVTS300300600-72-5的真空脫脂燒結(jié)一體爐，1250℃燒結(jié)2h，并在850℃保溫10min。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 PVA熱失重試驗(yàn)

PVA是典型的水溶性膠劑，主體是水溶性樹(shù)脂，其特點(diǎn)是親水[6]，本文在離心造粒階段加入商用分子量為1700，水解度為88%聚乙烯醇為造粒劑。為定制脫脂工藝，本文首先對(duì)PVA進(jìn)行了熱失重試驗(yàn)[7]（如圖1）。熱失重試驗(yàn)顯示自80℃～550℃質(zhì)量損失率約為92.28%，而失重速率在350℃左右最高。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示可以在80℃～550℃這個(gè)溫度段設(shè)計(jì)的脫脂工藝。

2.2 脫脂工藝設(shè)計(jì)

為實(shí)際觀察升溫和保溫狀態(tài)對(duì)燒結(jié)體的影響，材料使用含膠量為1.07%，生坯密度為5.32g/cm2的生坯。本文中設(shè)計(jì)出三種脫脂工藝路線(xiàn)，主要考慮因素涉及脫脂與燒結(jié)工藝的時(shí)間因素、PVA不同溫度時(shí)的氣化速率和爐體真空泵的抽空速率。根據(jù)PVA的失重曲線(xiàn)，脫脂工藝主要在80℃～550℃之間設(shè)計(jì)，包含兩個(gè)方面，升溫速度和保溫時(shí)間。

從合金的燒結(jié)情況看，如圖2第三種工藝燒結(jié)合金保持幾何形狀最好。脫脂工藝2，由于在350℃保溫30min，所以已經(jīng)進(jìn)行了部分脫脂，但是脫脂并沒(méi)有完畢，隨著繼續(xù)快速升溫，PVA殘留物繼續(xù)氣化，造成合金明顯鼓包。脫脂工藝3，雖然保溫溫度不符合PVA熱失重曲線(xiàn)，但是由于其升溫速度較小，并未造成合金明顯變形。從以上幾個(gè)脫脂工藝燒結(jié)結(jié)果可以看出，降低升溫速度，在合適的溫度設(shè)置保溫時(shí)間是設(shè)置脫脂工藝的關(guān)鍵。同時(shí)考慮爐體內(nèi)熱電偶測(cè)溫位置與加熱電極和燒結(jié)位置較近，氣化溫度與名義溫度相比存在一定的滯后，具體特點(diǎn)如圖3所示，當(dāng)測(cè)試溫度達(dá)到480℃左右時(shí)，爐內(nèi)氣壓達(dá)到最高，而此時(shí)PVA氣化速率對(duì)應(yīng)350℃左右，這說(shuō)明真空脫脂時(shí)必須合理考慮脫脂工藝設(shè)計(jì)時(shí)升溫速度名義值和真實(shí)值之間的差異，即名義值比真實(shí)值較快的達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。故升溫時(shí)，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置保溫，可以保證充分脫脂的同時(shí)還可以保證爐體內(nèi)部各部分真實(shí)溫度均勻性，以及與名義溫度的一致性，所以具體工藝如圖3本文采用升溫速度5℃/min，180℃和550℃保溫30min，在300℃～400℃之間升溫速度3℃/min，550℃～850℃升溫速度7℃/min，850℃保溫10min，850℃～1250℃升溫速度7℃/min。

2.3 脫脂工藝與生坯參數(shù)

為進(jìn)一步研究生坯與脫脂工藝的關(guān)系，本文采用上文確定的脫脂工藝和燒結(jié)工藝。燒結(jié)結(jié)果如圖4所示。在脫脂工藝確定的情況下，膠含量在0.67%～1.47%范圍內(nèi)，以生坯密度為5.14g/cm2生坯為例，含膠量越低，徑向收縮率越低，而軸向收縮率越高，進(jìn)而有利于硬度的提高結(jié)果，如圖5。而針對(duì)于同于膠含量的生坯，在生坯密度5.0g/cm2～5.7g/cm2范圍內(nèi)，隨生坯密度提高徑向和軸向收縮率均出現(xiàn)降低趨勢(shì)，進(jìn)而不利于提高燒結(jié)體的密度，硬度也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。同時(shí)還可以看出，隨著含膠量低到一定程度，燒結(jié)后合金硬度幾乎不受生坯密度影響，這一方面說(shuō)明脫脂工藝的重要性，另一方面也說(shuō)明含膠量發(fā)生變化時(shí)必須可慮脫脂工藝的調(diào)整。生坯密度一定時(shí)可以認(rèn)為氣體溢出速度是一定的，增加含膠量，相當(dāng)于需要增加脫脂時(shí)間，同樣提高生坯密度，也相當(dāng)于降低氣體溢出速度，也相當(dāng)于增加脫脂時(shí)間。即生坯密度提高，膠含量增加均要適當(dāng)延長(zhǎng)脫脂時(shí)間或降低升溫速度。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）PVA膠劑的TGA曲線(xiàn)是設(shè)計(jì)脫脂工藝的基礎(chǔ)，在保溫溫度和時(shí)間上，要考慮爐體內(nèi)部大空間名義溫度與實(shí)際溫度的差異，而升溫速率要考慮PVA氣化速率影響。

（2）本文采用升溫速度5℃/min，180℃和550℃保溫30min，在300℃～400℃之間升溫速度3℃/min，550℃～850℃升溫速度7℃/min，850℃保溫10min，850℃～1250℃升溫速度7℃/min的脫脂工藝獲得幾何形狀良好的燒結(jié)體。

（3）在生坯密度和含膠量增加時(shí)，可以降低脫脂工藝中升溫速度和設(shè)置保溫溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間等幾個(gè)重要參量，達(dá)到最優(yōu)化的脫脂工藝。

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