密度及成分變化對粉末冶金摩擦行為的影響*

丁少鵬 徐 嘉 史正良 楊歐翔 鄧麗穎 柳 鵬

(1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實驗室 廣東珠海 519070;2.珠海格力電器股份有限公司廣東珠海 519070;3.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實驗室 廣東珠海 519070)

粉末冶金因其價格低、質(zhì)量輕、材料利用率高及潤滑性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于壓縮機(jī)軸承、隔板等零件中[1-4]?；w材料一定的孔隙率能夠存儲潤滑油，相對運(yùn)動過程中有利于潤滑油膜的形成，達(dá)到潤滑減摩的效果[5]。但孔隙的存在，削弱基體的強(qiáng)度與硬度[6-7]，重載條件下，尤其隨壓縮機(jī)運(yùn)行工況的復(fù)雜化、嚴(yán)格化，粉末冶金零件表面容易發(fā)生嚴(yán)重磨損情況，影響壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，造成整機(jī)壽命、能效比下降。為此，開展粉末冶金材料摩擦行為研究，分析密度與成分變化對表面摩擦磨損特性的影響規(guī)律是十分必要的。

國內(nèi)外研究人員對鐵基粉末冶金材料摩擦磨損性能進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[8-9]認(rèn)為干摩擦條件下，銅-鐵基粉末冶金材料的摩擦因數(shù)隨端面滑動速度的增加而降低，隨鐵含量的增加而略有上升，水潤滑下則明顯降低了低速工況下的摩擦因數(shù)，而對高速工況下的摩擦因數(shù)影響微弱。文獻(xiàn)[10-12]通過微觀磨損形貌的分析，認(rèn)為干摩擦下銅-鐵基粉末冶金材料的磨損機(jī)制以磨粒磨損及引起的塑性變形為主，但隨載荷變化，伴隨疲勞磨損、黏著磨損和氧化磨損等形式。文獻(xiàn)[13-15]分析了浸油潤滑下含碳量及材料密度對鐵基粉末冶金摩擦磨損行為的影響，指出含碳量為0.6%～0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，基體組織為珠光體加少量鐵素體，且材料的摩擦性能最優(yōu)；此外，材料密度過高或過低均不利于端面減摩耐磨，存在最佳密度值。丁存光等[16]探討鉬元素對鐵基粉末冶金的影響，認(rèn)為鉬元素可在材料中形成硬質(zhì)點(diǎn)，雖然降低了材料的力學(xué)性能，但材料摩擦性能獲得極大改善。鐵基粉末冶金材料的摩擦行為與組織形態(tài)、成分構(gòu)成等密切相關(guān)，但目前該方面的研究較為缺乏，開展密度與成分變化對表面摩擦磨損特性影響規(guī)律的研究，對進(jìn)一步認(rèn)識壓縮機(jī)內(nèi)粉末冶金材料的摩擦磨損機(jī)制，從而提高壓縮機(jī)壽命、能效比尤為重要。

本文作者針對壓縮機(jī)粉末冶金零件，展開不同密度、不同成分的鐵基粉末冶金試樣摩擦磨損行為分析，采用摩擦試驗機(jī)測試不同試件摩擦因數(shù)變化情況，并通過金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡對試件基體組織構(gòu)成、端面微觀磨損形貌進(jìn)行檢測，探討密度、成分變化對摩擦磨損影響規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗試件

實驗測試采用環(huán)-環(huán)配副，如圖1所示，動摩擦試件即上試件與旋轉(zhuǎn)主軸相連，以200 r/min作勻速轉(zhuǎn)動，材料為JIS-FC300合金鑄鐵，外徑40 mm、內(nèi)徑27 mm、厚度24 mm。靜摩擦試件即下試件保持靜止，并承受法線方向向上施加的外加負(fù)載，試件采用不同密度及成分的粉末冶金材料，外徑54 mm、內(nèi)徑20 mm、厚度7 mm。

圖1 動、靜摩擦試件的形狀及尺寸示意Fig 1 Shapes and dimensions of test samples (a) rotational sample;(b) stationary sample

文中使用的Fe-C-Cu合金采用常規(guī)壓力燒結(jié)制備，粉末冶金試樣中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、試樣密度參數(shù)及硬度測試結(jié)果如表1所示。

表1 粉末冶金材料成分配比及密度、硬度參數(shù)Table 1 Element,hardness and density of powder metallurgy

其中，碳、銅元素采用粉體原料，鐵粉采用噴霧成型，其中加入0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分散劑防止鐵粉的團(tuán)聚。粉末經(jīng)過1 h的混合后，在500～600 MPa的壓力下成型(成型壓力不同造成試樣密度差異)，然后于1 120 ℃下燒結(jié)，最后進(jìn)行560 ℃保溫及0.5 h的蒸汽處理[17]。

粉末冶金試件表面微觀形貌采用BRUKER Contour GT-K三維白光干涉儀進(jìn)行檢測。如圖2所示，試件表面光滑，存在均勻分布孔隙，最深達(dá)到8.5 μm，粗糙度控制在Ra=0.01 μm左右。

圖2 粉末冶金試件微觀形貌Fig 2 Microstructure of powder metallurgy specimen

1.2 實驗參數(shù)

摩擦實驗采用MMW-1A摩擦試驗機(jī)，如圖3所示，摩擦測試部分結(jié)構(gòu)如圖4所示，上試件通過金屬夾具與旋轉(zhuǎn)主軸相連，并隨電機(jī)作既定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。下試件固定在支座上，保持靜止，并承受端面垂直方向施加的外加載荷。整個摩擦副浸入油池中，潤滑油采用FV50S，每組試件測試時間持續(xù)60 min，測試環(huán)境溫度20～25 ℃，相對濕度45%～55%，具體測試條件見表2。測試前對摩擦試件進(jìn)行超聲清洗，測試結(jié)束后對試件再次用丙酮和乙醇進(jìn)行清洗，并通過掃描電子顯微鏡(Quanta FEG-250)對摩擦端面微觀磨損形貌進(jìn)行檢測分析。

圖3 MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗機(jī)Fig 3 MWM-1A vertical universal friction and wear tester

圖4 摩擦測試部分結(jié)構(gòu)示意Fig 4 Schematic of structure of friction test part

表2 實驗操作條件Table 2 Operating conditions during tests

2 結(jié)果分析與討論

2.1 密度影響

圖5所示為不同負(fù)載工況下的不同密度粉末冶金試樣的摩擦因數(shù)隨運(yùn)轉(zhuǎn)時間變化曲線。如圖5(a)所示，在F=200 N工況下，隨密度增加，試件摩擦因數(shù)逐漸增大；穩(wěn)定狀態(tài)下，試件#1-1摩擦因數(shù)維持在0.023 60，試件#1-2為0.029 00，試件#1-3為0.038 94。粉末冶金密度變化與孔隙率密切相關(guān)，密度越小，孔隙越大，如圖6所示，微孔儲油能力越強(qiáng)，潤滑過程中形成的油膜越厚，流體潤滑狀態(tài)下，摩擦因數(shù)越小。

圖6 不同密度試件顯微結(jié)構(gòu)Fig 6 Microstructures of powder metallurgy samples with different densities (a) sample #1-1;(b)sample #1-2;(c)sample #1-3

圖5(b)所示為在F=400 N的工況下，3種密度試樣的摩擦因數(shù)變化情況。隨密度增加，摩擦因數(shù)變化與F=200 N相反，呈逐漸減小趨勢；3種試件的摩擦因數(shù)分別為0.033 48、0.029 88、0.028 67，相應(yīng)的硬度分別為179.6HB、185.6HB、192.6HB。隨負(fù)載增加，端面間逐漸由流體潤滑向混合潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變，油膜不連續(xù)，發(fā)生粗糙峰間的直接接觸，摩擦因數(shù)包括流體間摩擦與固體間摩擦，固體間摩擦因數(shù)隨基體硬度提高而下降，與孔隙關(guān)系減弱，因此摩擦因數(shù)隨密度增加呈現(xiàn)下降趨勢[7]。

載荷F=600 N工況下，3種試樣摩擦因數(shù)變化情況如圖5(c)所示。結(jié)果顯示，在較高載荷下，配副端面發(fā)生直接固體接觸，材料產(chǎn)生塑性變形，與密度及孔隙關(guān)系減弱，因此密度變化對摩擦因數(shù)影響較小，穩(wěn)定狀態(tài)下摩擦因數(shù)數(shù)值無明顯差異。整體而言，硬度越大，端面耐磨性越好，摩擦因數(shù)越小。

圖5 不同載荷下粉末冶金試件的摩擦因數(shù)曲線(ω=200 r/min)Fig 5 Friction coefficient curves of powder metallurgy samples at different load (ω=200 r/min) (a) F=200 N;(b) F=400 N；(c) F=600 N

此外，隨載荷由200 N到600 N增加，密度變化對粉末冶金摩擦因數(shù)影響逐漸減小，3種試件摩擦因數(shù)趨于一致，差異減小。

圖7所示為穩(wěn)定階段不同密度與載荷條件下粉末冶金試件摩擦因數(shù)的比較。密度變化對粉末冶金摩擦因數(shù)影響隨載荷大小呈不同變化規(guī)律。隨載荷增加，密度越大，試件端面越容易保持流體潤滑，相應(yīng)地，密度越小越容易發(fā)生端面接觸。

圖7 不同密度與載荷條件下粉末冶金試件摩擦因數(shù)比較Fig 7 Comparison of friction coefficients of samples with different densities under different applied loads

2.2 成分影響

圖8所示為負(fù)載400 N、轉(zhuǎn)速200 r/min工況條件下，不同成分配比粉末冶金的摩擦因數(shù)變化情況。結(jié)果顯示，4種成分試件#1-2、#2-1、#3-1、#4-1穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)分別為0.031 16、0.023 97、0.030 87、0.022 76，相應(yīng)的硬度分別為185.6HB、219.4HB、213.9HB、227.9HB。正常粉即試件#1-2摩擦因數(shù)最大，其次為試件#3-1(正常粉+Cu)，之后為試件#2-1(正常粉+C)，而試件#4-1(正常粉+Cu+C)摩擦因數(shù)最低。

圖8 不同成分配比粉末冶金試件的摩擦因數(shù)曲線(400 N,200 r/min)Fig 8 Friction coefficient curves of powder metallurgy samples with different element contents(400 N,200 r/min)

通過比較發(fā)現(xiàn)，試件#1-2(正常粉)與試件#3-1(正常粉+Cu)摩擦因數(shù)較為相近，而試件#2-1(正常粉+C)與試件#4-1(正常粉+Cu+C)摩擦因數(shù)較為相近，說明加入額外碳粉對減少粉末冶金摩擦因數(shù)起主導(dǎo)作用，相比于試件#1-2(正常粉)，可降低摩擦因數(shù)23.1%，加入額外銅粉對減少粉末冶金摩擦因數(shù)起次要影響，相比于試件#1-2(正常粉)，僅降低摩擦因數(shù)0.9%。圖9、圖10分別展示不同成分試件金相組織與顯微結(jié)構(gòu)，粉末冶金基體組織為珠光體與少量鐵素體，分析認(rèn)為當(dāng)碳含量提升超過共析組織的含碳量，會促進(jìn)珠光體形成與致密化，見圖9中試件#4-1與#2-1，使粉末冶金基體硬度提升，且促使孔隙增大，見圖10中試件#4-1與#2-1，增強(qiáng)儲油潤滑，減小摩擦因數(shù)。

圖9 不同成分試件金相組成Fig 9 Metallographic structures of powder metallurgy samples with different element contents(a) sample #1-2;(b)sample #2-1;(c)sample #3-1;(d)sample #4-1

圖10 不同成分試件顯微結(jié)構(gòu)Fig 10 Microstructures of powder metallurgy samples with different element contents(a) sample #1-2; (b)sample #2-1;(c)sample #3-1;(d)sample #4-1

此外試件#4-1(正常粉+Cu+C)摩擦因數(shù)最低，說明同時增加碳和銅含量的減摩效果要顯著好于單獨(dú)增加碳或銅含量，其摩擦因數(shù)減小可達(dá)27.0%。

2.3 磨損形貌分析

不同負(fù)載下，試件#1-1端面磨損形貌如圖11所示?？梢?，摩擦端面磨痕明顯，磨損形式以磨粒磨損為主；隨載荷由200 N到600 N增加，磨損程度逐漸增加，且通過EDS分析，當(dāng)載荷達(dá)到600 N時，油膜破裂不連續(xù)，表面產(chǎn)生氧化膜，出現(xiàn)氧化磨損特征，磨損形式變?yōu)橐阅チＤp與氧化磨損為主。

圖11 不同載荷下粉末冶金試樣#1-1的SEM微觀磨損形貌Fig 11 Wear topographies of powder metallurgy sample #1-1 at different loads (a) 200 N;(b) 400 N;(c) 600 N

圖12所示為負(fù)載200 N、轉(zhuǎn)速200 r/min情況下，不同密度粉末冶金試樣的SEM微觀磨損形貌。隨密度增加，試件表面磨損程度逐漸加重，如圖12(a)與圖12(b)所示，試件#1-1與#1-2端面孔隙較為清晰，且密度越大，孔隙分布越少，端面僅存在輕微磨粒劃痕，試件#1-1劃痕相較#1-2更為輕微。而如圖12(c)所示，試件#1-3端面發(fā)生較為嚴(yán)重擠壓變形與磨痕，表面孔隙被壓潰磨平，說明油膜淺薄，發(fā)生端面直接接觸，磨損最為嚴(yán)重。因此，在200 N工況下，磨損形式以磨粒磨損為主，而隨密度增加，磨損程度逐漸增大，逐漸產(chǎn)生材料塑性變形。

圖12 不同密度變化粉末冶金試樣SEM微觀磨損形貌(200 N,200 r/min)Fig 12 Wear topographies of powder metallurgy samples with different densities by SEM analysis (200 N,200 r/min) (a) sample #1-1；(b) sample #1-2;(c) sample #1-3

圖13所示為負(fù)載400 N、轉(zhuǎn)速200 r/min工況下，不同成分配比粉末冶金試樣的SEM微觀磨損形貌。在該工況下，4種試件表面除均勻分布孔隙外，僅呈現(xiàn)磨粒磨損痕跡，無其他磨損特征。比較分析，試件#1-2磨痕最為密集，其次為試件#3-1，而試件#2-1和試件#4-1無明顯磨痕，磨損程度最輕。磨損程度與摩擦因數(shù)及端面硬度分布規(guī)律相吻合，硬度越大，摩擦因數(shù)越小，端面耐磨性越好。因此，成分變化不改變端面磨損機(jī)制，仍以磨粒磨損為主。

圖13 不同成分配比粉末冶金試樣SEM微觀磨損形貌(400 N,200 r/min)Fig 13 Wear topographies of powder metallurgy with different element contents by SEM analysis(400 N,200 r/min) (a) sample #1-2;(b) sample #2-1;(c) sample #3-1;(d) sample #4-1

總之，磨損機(jī)制與外加負(fù)載密切相關(guān)，載荷較小時(200 N)，端面磨損形式以磨粒磨損為主，隨載荷增加，磨損程度逐漸增加，在較高負(fù)載下(600 N)，產(chǎn)生氧化磨損特征，并發(fā)生材料塑性變形，以磨粒磨損與氧化磨損為主。成分變化不改變端面磨損機(jī)制，但隨密度變化對磨損程度影響顯著。

3 結(jié)論

(1)密度變化對粉末冶金摩擦因數(shù)影響隨載荷大小呈不同變化規(guī)律。隨密度增加，在低負(fù)載(200 N)工況下，試件摩擦因數(shù)逐漸增加，與材料孔隙率密切相關(guān)，密度越小，孔隙率越大，儲油能力越強(qiáng)。隨載荷增加，在400 N工況下，摩擦因數(shù)呈逐漸減小趨勢，此時與基體強(qiáng)度、硬度相關(guān)而與孔隙關(guān)系減弱。此外，隨載荷繼續(xù)增大，密度變化對摩擦影響逐漸減小，摩擦因數(shù)差異較小。

(2)成分變化對粉末冶金摩擦行為影響顯著。粉末冶金基體組織為珠光體與少量鐵素體，碳含量和銅含量的提高均有利于摩擦因數(shù)減小，但碳成分變化起到主要作用，促進(jìn)珠光體形成與致密化，使基體硬度提升。碳含量與銅含量共同提升可獲得最佳的減摩效果，效果要顯著好于單獨(dú)提升碳含量或銅含量，其摩擦因數(shù)最優(yōu)可減小27.0%左右。

(3)磨損形式與外加負(fù)載密切相關(guān)。載荷較小時(200 N)，端面磨損形式以磨粒磨損為主，隨載荷增加，磨損程度逐漸增加，在較高負(fù)載下(600 N)，產(chǎn)生氧化磨損特征，并發(fā)生材料塑性變形，以磨粒磨損與氧化磨損為主。成分變化不改變端面磨損特征，但隨密度變化對磨損程度影響顯著。