張國濤,1, 尹延國2, 童寶宏1, 張興權1

鐵基粉末冶金材料因制造成本低，且具有含油自潤滑特性，廣泛應用于汽車、工程機械、精密機械等領域[1,2,3]。在其常用的邊界潤滑工況下，鐵基材料常出現硬度、強度不足，承載能力較差等問題[4,5,6]，盡管可以通過增加燒結密度來提高承載能力，但孔隙率不足將導致含油率較低，材料的自潤滑性能較差[7,8,9,10]。因此，如何綜合平衡鐵基粉末冶金材料的力學和摩擦學性能，使鐵基材料既具有較高強度、硬度，又具有一定含油自潤滑性能，是拓展鐵基含油材料在復雜工況下應用的關鍵[11,12,13,14,15]。

為改善燒結含油軸承材料的綜合力學和摩擦學性能，Jin等[16]采用粉末冶金工藝制備一種莫來石/Mo雙層梯度功能自潤滑材料，并實驗研究了其力學性能，結果表明雙層梯度功能材料的力學性能比單層莫來石好。Weinert[17]采用壓力浸漬工藝在軸承材料表面浸漬一層微、納米MoS2顆粒沉積層，這層固體自潤滑材料能較好地改善復雜工況下的潤滑問題，可以達到準流體潤滑狀態。Mouri等[18]從減少貴重合金元素用量、降低材料成本的角度出發，僅在表層材料中添加耐磨相，基層材料不含貴重耐磨相等合金組元，采用二色成型法制備了高強耐磨的雙層燒結軸承材料。雙層粉末冶金材料能充分發揮2種材料的優點，使材料整體獲得更加優異的性能，在工業生產中體現出明顯優勢和良好應用前景，如采用雙層燒結材料制備的氣門座圈已在高性能發動機中得到廣泛應用[19,20,21,22,23]。然而，與常見單層燒結材料相比，針對雙層燒結材料的研究尚停留在高強耐磨單一性能方面的探討，對雙層燒結材料兼具高承載和優良潤滑性能的研究較少，尤其對復雜潤滑工況下雙層孔隙分布燒結材料的摩擦學特性及自潤滑機理尚不清晰[24,25]，這對制備高性能鐵基含油材料極為重要。為此，本工作利用粉末冶金工藝制備一種基層致密高強表層多孔含油的新型雙層軸承材料，在端面摩擦試驗機上評價其邊界潤滑工況下的摩擦學性能，并分析其孔隙儲油析出在不同載荷工況下的自潤滑機理，為高性能鐵基燒結材料的摩擦學設計與分析提供一定理論參考。

1 實驗方法

鐵基含油材料試樣采用粉末冶金工藝制備，表層以氫化鈦(TiH2)作為造孔劑，基層以酰胺臘作致密劑，表層具體配方如表1所示，基體配方在1#配方的基礎上，增加質量分數為0.25%的致密劑酰胺蠟，去除硬脂酸鋅(ZnSt)和TiH2。

表1   不同TiH2含量的配方 (mass fraction / %)

Table 1  Formula of different TiH2 content (mass fraction / %)

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將表層與基體配方分別進行均勻混合，在50 t的自動液壓機上采用2次鋪粉、1次壓制的工藝壓制2層高度相等的雙層圓片試樣(直徑35.4 mm×4.4 mm)，并單獨以表層配方壓制測試壓潰強度的圓環(內外直徑分別為15和25 mm，高為15 mm)試樣，壓制壓強為500~600 MPa，壓制好的生坯在網帶燒結爐中燒結，通入分解氨氣氛保護，燒結溫度1080~1150 ℃，燒結時間3.5 h。燒結后的雙層試樣經磨削加工與真空浸油成為摩擦試樣，圓環試樣檢測壓潰強度。摩擦試樣的孔隙率采用排水法測量，用SU8020場發射掃描電鏡(SEM)觀察材料的微觀形貌和成分分析(EDS)，用D/MAX2500V型X射線衍射儀(XRD)對材料進行物相分析，用JSM-6490LV SEM觀察材料的磨痕形貌，用HDM-20端面摩擦磨損試驗機測試試樣的摩擦系數。摩擦配副材料采用硬度為HRC48~52的40Cr鋼，轉速735 r/min，實驗采用逐級加載方式，初始載荷為980 N，每10 min加載490 N，直至試樣破壞。實驗過程中當摩擦因數突然變大、出現尖銳噪聲或試樣溫度超過預設溫度180 ℃時，實驗終止。

2 實驗結果

2.1 材料組織形貌與成分檢測

在燒結軸承材料制備中TiH2是常用的造孔劑，燒結過程中，TiH2在400~800 ℃發生分解反應(TiH2→H2+Ti)，生成H2和單質Ti，分解產生的H2會從試樣中溢出而殘留下孔隙。圖1給出了TiH2含量對鐵基粉末冶金材料中孔隙分布的影響?？梢钥闯?，不含TiH2試樣的孔隙數量少、尺寸較小，孔隙分布相對孤立，連通性較差。隨著TiH2含量增加，試樣中孔隙數量多、尺寸變大、形狀不規則，孔隙間連通性增強。

圖1

圖1   不同TiH2含量時材料中的孔隙分布

Fig.1   Pores distribution of the materials with different contents of TiH2

(a) 0% (b) 2% (c) 3% (d) 4%

圖2所示為制備的雙層鐵基軸承材料的截面形貌及線掃描元素分布，其中元素分布圖2b~d的橫坐標代表掃描位置。由圖可見，2層材料孔隙率明顯不同，基層材料中孔隙較少，致密度較高，表層材料則相對多孔疏松，2層間的結合界面較清晰、整齊，未出現裂紋與分層現象。由元素線掃描的分布情況可見，主要元素Fe、Cu沿截面厚度方向上分布均勻，Ti元素主要分布在表層，基層中未見明顯Ti元素的存在。這是由于造孔劑TiH2僅在表層材料中添加，且鐵基合金中低熔點相Cu的熔點遠高于TiH2的分解溫度，因此燒結升溫過程中TiH2優先分解形成孔道，當溫度達到使Cu熔融時，TiH2已基本分解完全，不能隨液相Cu向基體擴散。因此在表層材料中添加TiH2能較好實現對表層孔隙率的調控，而不影響基層孔隙率變化，可實現本實驗雙層孔隙分布材料可控制備的目的。

圖2

圖2   試樣截面形貌及線掃描元素分布

Fig.2   Morphology in cross-section of sample (a) and linear scanning element distributions of Fe (b), Cu (c) and Ti (d)

1#和5#試樣表面的微觀組織及EDS結果如圖3所示。由圖3a可見，不含TiH2試樣的微觀組織中有鏈狀物存在，EDS分析表明其主要元素為Fe和C。含3.5%TiH2試樣的微觀組織中可見有較大的顆粒物存在(圖3b)，采用EDS分析顆粒物成分，主要元素同樣為Fe和C，盡管有Ti存在，但其含量較少。進一步觀察圖3b可見，在較大顆粒物表面附著有較小的顆粒物質，如圖3b中虛線圓圈標注位置，對其放大后進行EDS分析，結果見圖3c，可見主要元素為Ti和C，二者的原子個數比接近1∶1，說明在燒結時TiH2分解產生的單質Ti和材料中的C發生原位合成反應生成了TiC顆粒。對含3.5%TiH2的試樣進行XRD分析，發現該試樣燒結之后確實有TiC生成，如圖4所示。TiC是一種硬質顆粒相，其存在將對材料的力學性能產生較大影響。

圖3

圖3   不同TiH2含量試樣表層SEM和EDS分析

Fig.3   SEM and EDS analyses of the surface layer of samples with TiH2 contents of 0% (a) and 3.5% (b, c) (Fig.3c is the local magnification of the area circled in Fig.3b; w—mass fraction, σ—error rate)

圖4

圖4   含3.5%TiH2材料的XRD譜

Fig.4   XRD spectrum of the material with 3.5%TiH2

表2給出了TiH2含量對材料表層性能的影響。由于TiH2具有造孔作用，隨著TiH2含量增加，材料的孔隙率、含油率增加。通常來說，材料的孔隙率增加，將導致材料硬度逐漸降低，但本實驗中，表層硬度隨孔隙率增加(或TiH2含量增加)而升高，如不含TiH2的試樣，表層硬度在54 HRB左右，而TiH2含量為4%時，硬度可以達到66 HRB左右。這是由于燒結過程中，表層發生原位合成反應生成的TiC顆粒屬硬質相，對材料表層起到硬質顆粒增強作用，因此表層硬度隨TiH2含量的增加(孔隙率增加)而上升。從表2還可以看出，材料的壓潰強度隨TiH2含量的增加而下降，隨著TiH2含量的增加，材料孔隙增多，同時生成的TiC顆粒會阻礙粉末顆粒間燒結頸的形成與長大，弱化燒結效果。

表2   TiH2含量對表層材料性能的影響

Table 2  Effect of TiH2 contents on the properties of surface layer materials

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2.2 摩擦磨損特性分析

圖5給出了逐級加載摩擦實驗條件下不同TiH2含量雙層試樣的摩擦系數和破壞的極限載荷、摩擦壽命。圖5a所示為逐級加載區間內各組試樣摩擦系數隨時間的變化曲線，由此獲得其平均摩擦系數及其方差如圖5b所示。由圖5b可知，隨TiH2含量增加，試樣摩擦系數先增加后降低，然后再增加直至試樣破壞。其中不含TiH2試樣摩擦系數較低，但其摩擦系數波動程度也較劇烈；當TiH2含量在0%~2.5%范圍內時，摩擦系數逐漸增大，摩擦系數波動程度較平緩，其原因是含TiH2試樣中有一定量的TiC硬質相，硬質相作用下使得其摩擦系數高于不含TiH2的試樣，同時由于含TiH2試樣有相對較高的含油率，運行過程中有穩定潤滑油供給摩擦界面，故摩擦系數波動程度較小，且磨痕深度較淺。由圖5b還可看出，當TiH2含量在2.5%~3.5%范圍內時，一方面材料硬度不斷增加，摩擦界面抵抗變形能力增強，另一方面材料含油率不斷上升，含油自潤滑性能變好，利于摩擦接觸界面保持穩定持續，故摩擦系數逐漸變小。當TiH2含量在3.5%~4%范圍內時，由于TiH2含量過多，材料孔隙率過高，較高載荷作用時接觸界面抗變形能力差，且孔隙邊緣易形成應力集中源造成表面破壞，因此摩擦系數變大。圖5c所示為各組試樣的破壞載荷和摩擦壽命。由圖可見，不同TiH2含量試樣的破壞載荷和摩擦壽命不盡相同。隨TiH2含量增加，試樣所能承受的極限載荷先增大后趨于平穩，摩擦壽命則先增大后降低，含3.5%TiH2試樣的摩擦壽命最長。2#試樣的破壞載荷為1960 N，TiH2含量相對較高的其它幾組試樣的破壞載荷為2450 N，較高TiH2含量的試樣具有相對較高的含油率，可改善摩擦運行過程中的潤滑狀態，對提高其承載能力和摩擦壽命有利。但若TiH2含量過高，將產生過高的孔隙率，降低材料的力學性能，使摩擦學性能變差。如含4%TiH2試樣的摩擦系數高于含3.5%TiH2試樣，摩擦壽命也小于含3.5%TiH2試樣。因此，本實驗條件下TiH2的最佳含量約為3.5%。

圖5

圖5   逐級加載工況下不同TiH2含量時雙層試樣的摩擦學特性

Fig.5   Effect of TiH2 content on tribological properties of bilayer materials under the progressive loading condition

(a) friction coefficient

(b) average friction coefficient

(c) limit load and friction life

圖6為材料逐級加載實驗后磨痕的表面形貌。圖6a中不含TiH2的材料表面發生黏著磨損，這是由于不含TiH2試樣含油率和材料硬度較低，材料受載發生大塑性變形使部分孔隙閉合，潤滑油膜破裂難以獲得材料自身孔隙中潤滑油的補充，粗糙峰處的油膜易出現破裂，使得上下試樣直接接觸，在接觸面處形成冷焊接點，隨著冷焊接點不斷地形成、剪斷、再形成，一方面使得摩擦副摩擦系數出現較大波動，另一方面在摩擦表面出現嚴重的剝落現象。圖6b為含3.5%TiH2材料的磨痕形貌，該材料硬度較高，摩擦過程中材料的孔隙率和含油率相對穩定，粗糙峰處的油膜破裂后，孔隙中的潤滑油能及時補充，載荷達到2450 N時摩擦系數仍維持在0.08附近，最終油膜破裂材料失效時磨痕表面磨損程度相對輕微，表面較光滑，僅有明顯的犁溝痕跡，這是因為載荷較大，孔隙邊緣或者接觸峰處的硬質顆粒會發生脫落，對基體材料產生磨粒磨損作用。含4.0%TiH2的試樣表面有明顯材料剝落，如圖6c所示，隨著TiH2含量的增多，脆性TiC顆粒增加導致材料的強度降低而脆性增大，當載荷增到較高值時，脆性TiC顆粒易脫落或易形成應力集中源，導致疲勞裂紋產生，當裂紋經擴展連接到一起后就會形成材料塊狀剝落，在試樣表面產生凹坑，硬質脆性TiC顆粒的脫落也對基體材料產生磨粒磨損作用，加速材料磨損。由此也表明較低和較高的TiH2含量都對材料的摩擦磨損性能不利。

圖6

圖6   不同TiH2含量雙層試樣變載實驗的磨痕形貌

Fig.6   The morphologies of wear track in the variable load test with different contents of TiH2

(a) 0% (b) 3.5% (c) 4.0%

綜上可見，通過在表層中添加適量的TiH2，能實現表層材料孔隙率適中、孔隙相互貫通并提高表面開孔孔隙，以存儲較多液體潤滑劑，并利于供給摩擦表面，實現較好減摩效果，同時TiH2分解產生單質Ti，與表層材料中的石墨發生原位合成反應，生成硬度較高的TiC顆粒，使表層不因孔隙率過高而大幅度降低硬度，表層承載后不發生大塑性變形，滿足表層硬度和耐磨性能要求，維持摩擦副接觸界面和潤滑狀態穩定。工作過程中，多孔含油的表層既具有較好的含油自潤滑性能，同時表層中反應生成的硬質相，可用于保證摩擦副接觸界面和潤滑狀態穩定持續。

2.3 燒結含油材料的供油自潤滑機理分析

為明晰材料基體孔隙儲油的自潤滑機理，制備含3.5%TiH2的單層試樣7#，在逐級加載工況下對比3.5%TiH2含量的單層7#和雙層5#材料的摩擦學性能，結果如圖7所示。由圖7a可見，單層材料在低載工況下(載荷低于1470 N)的摩擦系數和摩擦系數波動程度都低于雙層材料。當載荷高于1470 N后，其摩擦系數和其波動程度均劇烈升高，而雙層材料的摩擦系數大幅度降低，低于單層材料，且摩擦系數波動變得平緩。由圖7b可見，與單層材料相比，雙層材料的承載能力較高，且摩擦壽命較長。由圖7c可見，逐級加載實驗過程中2種材料的溫度逐漸增加：在0~20 min時間段內，2種材料的摩擦溫度較為接近，其中雙層材料的溫度略高于單層材料；20 min后，單層材料的溫度快速增加，且明顯高于雙層材料；最終，在26 min時單層材料的溫度達到預先設定的極限溫度，雙層材料則持續運行到39 min時達到極限溫度。

圖7

圖7   逐級加載實驗下單層7#和復層5#試樣的摩擦學性能

Fig.7   Tribological properties of single-layer 7# and bilayer 5# specimens under variable load tests

(a) friction coefficient

(b) limit load and friction life

(c) temperature

含油材料工作過程中，孔隙中儲存油液主要承受3方面作用：一是相對運動引起的泵吸效應，二是承受外載對油的擠壓效應，三是溫度升高對油的熱膨脹效應。平行面接觸摩擦副無明顯收斂間隙，泵吸效應基本可忽略，外載擠壓效應驅動油液向下流動，熱脹效應驅動油液向燒結材料表面析出。由于實驗過程中燒結含油材料下表面被密封，故大部分潤滑油受熱脹作用向上流動，具體物理模型為：燒結含油材料的減摩潤滑作用，是由于材料儲存油液在工作過程中，受摩擦熱作用膨脹析出至摩擦表面，從而起到改善潤滑作用。在較低載荷工況下(圖8a)，外載對油的擠壓效應小于溫升的熱脹效應，油液總的運動趨勢是向上流動，由于雙層材料的含油量小于多孔單層材料，故雙層材料中儲油向上析出至摩擦表面的油液流量(Q2)小于多孔單層材料向上析出的流量(Q1)，故輕載工況下多孔單層材料的潤滑油供給充分，減摩自潤滑能力較好。在較高載荷工況下(圖8b)，當外載對油的擠壓效應大于溫升的熱脹效應，油液總的運動趨勢是向下流動，由于多孔單層材料整體孔隙率較高，潤滑油熱脹后受載荷擠壓作用大部分向下流動，從試樣周邊泄漏出去，只有少部分靠近上表層的油液能析出至摩擦表面，起到潤滑作用。雙層材料基體致密高強，有效增大了熱油下流的阻力，使潤滑油保持在摩擦表面之間，故雙層材料中儲油向下流動的油液流量Q2小于多孔單層材料向下流動的流量Q1，較高載荷工況下雙層材料的潤滑供給更充分，減摩自潤滑作用較好。另外，單層材料整體力學性能差，在較高載荷作用下易發生潤滑膜震蕩失穩，因此，其綜合摩擦學性能較差，雙層材料中致密高強的基體還提升了材料的整體強度和力學性能，因此較高載荷工況下不易發生變形，具有保持接觸面接觸狀態穩定的作用，進而有利于潤滑狀態的穩定。綜上可見，雙層材料的綜合摩擦學性能明顯好于單層材料，特別是較高載荷下，雙層材料不僅具有較高的承載能力，其摩擦系數也較單層材料低，摩擦接觸界面變得更穩定持續。

圖8

圖8   單層、雙層燒結試樣的供油自潤滑機理

Fig.8   Self-lubrication mechanism of single-layer and bilayer sintered samples under light load (a) and heavy load (b) (Q1—oil flow of single-layer sample, Q2—oil flow of bilayer sample)

3 結論

(1) 通過在表層中添加適量的TiH2，能實現雙層材料表層多孔含油，實現較好減摩效果，同時原位合成反應生成硬度較高的TiC顆粒，使表層不因孔隙率過高而降低硬度，滿足高承載時的表層硬度和耐磨性能要求，維持摩擦副接觸界面和潤滑狀態穩定。

(2) 逐級加載摩擦實驗表明，添加TiH2后，表層摩擦系數升高，但極限載荷與摩擦壽命顯著增加，綜合來看含3.5%TiH2的雙層材料能取得較好的力學和摩擦學性能。

(3) 雙層材料的致密基體能增加材料強度，使潤滑油保持在兩對偶面之間，疏松表層具有較好含油自潤滑性能。相比單層材料，雙層材料的承載能力較高，且在較高載荷工況下的摩擦系數更低。

來源--金屬學報