銅對高硼鐵基軸承材料組織及摩擦學特性的影響

蘇柏萬，焦明華，王玉良，李凌鑫，尹延國

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.合肥工業(yè)大學 摩擦學研究所，合肥 230009; 3.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

傳統(tǒng)的鐵基燒結(jié)自潤滑材料具有價格低廉、強度高及耐磨性好等優(yōu)點，在自潤滑軸承領域得到廣泛應用[1-2]。但鐵基燒結(jié)軸承材料減摩抗咬合性能較差，摩擦生熱量大，在貧油和較高溫度工況下摩擦副表面易發(fā)生粘著磨損甚至咬合，導致摩擦副失效[3]。隨著工業(yè)科技的飛速進步，軸承零件越來越多地被應用在重載高溫工況中，因此，在保障減摩性能的前提下，提高自潤滑軸承材料耐磨性顯得尤為重要。目前在鐵基軸承材料中，常見的耐磨硬質(zhì)相為碳化物類[4]，而硼化物比碳化物具有更高的熱穩(wěn)定性和硬度，也是一種很好的耐磨組分[5]。

硼最早在材料工業(yè)中的應用是為了提高鋼的淬透性，隨后人們發(fā)現(xiàn)通過滲硼可有效改善鋼鐵耐磨耐腐蝕特性[6-8]。盡管硼化物耐磨性能優(yōu)異，但含硼鐵基合金也存在缺陷，主要是在合金內(nèi)形成的空間網(wǎng)狀硼化物會割裂基體，使材料韌性明顯降低[9-11]。硼在鐵基軸承合金中應用的報道也表明[12-14]，硼鐵粒度較大或摩擦面壓強過大時，燒結(jié)材料的磨損量反而隨著硼鐵的加入而增加。這是因為硼鐵與鐵性質(zhì)差別較大，燒結(jié)時硼元素向基體析滲形成的硼化物與基體界面結(jié)合強度差而割裂基體，且硬質(zhì)相脫落又造成磨粒磨損。關于如何解決硼鐵基燒結(jié)合金中硼化物與基體結(jié)合不牢問題以及使耐磨硼化物在燒結(jié)材料中得到成功應用的研究，至今還鮮有報道。

鑒于此，嘗試利用銅元素在燒結(jié)孔隙中的擴散沉降來改善硬質(zhì)顆粒與鐵基軸承材料界面處的結(jié)合強度。試驗分別在高硼鐵基軸承材料中添加質(zhì)量分數(shù)為0～30%的銅，研究銅含量對材料組織結(jié)構、力學性能以及摩擦學特性的影響。期望能夠通過改變材料中游離銅含量，提高基體對硼化物硬質(zhì)相的夾持力，獲得減摩耐磨性能較優(yōu)、散熱性能良好的高硼鐵基材料。

1 試驗

1.1 試驗材料及制備

試驗材料為合金鐵粉、電解銅粉、石墨粉和硼鐵粉，各種粉末的混合比例見表1(表中C為細石墨; B為硼鐵)?；旌虾蟮姆勰┲屑尤霛袷金そY(jié)劑并攪拌均勻，用網(wǎng)篩篩落成粒徑約0.10～0.15 mm的粉末團并在烘箱中烘干。將烘干后的預置粉末倒入模具中，在500～600 MPa單位壓強下分別壓制成圓片狀和圓環(huán)狀坯件，置于還原氣氛中經(jīng)1 120 ℃左右高溫燒結(jié)成型。燒結(jié)的圓片試樣還需在平面磨床上精磨加工，然后即可用于摩擦磨損試驗；圓環(huán)試樣則用于壓潰強度檢測。

表1 含硼鐵基復合材料成分 w, %

1.2 試驗方法

應用密度儀、HBRVU-187.5布洛氏硬度計、WE-600萬能試驗機分別檢測材料的密度、硬度以及壓潰強度。摩擦磨損試驗在合肥工業(yè)大學研制的HDM-20型端面摩擦磨損試驗機(圖1)上進行，其為環(huán)-面接觸式滑動摩擦。上試樣對摩環(huán)采用Cr-12鋼制造，外徑30 mm、內(nèi)徑24 mm；下試樣圓片尺寸為φ35 mm×6 mm，試驗前均需用金相砂紙打磨，保證表面粗糙度一致。摩擦磨損試驗采用逐級加載和定時定載2種加載方式。前者主要檢測材料在不同載荷下的摩擦性能，后者主要檢測材料的耐磨性能。逐級加載試驗條件: 初載3 MPa，每隔600 s加載1.5 MPa，當摩擦界面溫度上升至180 ℃或材料破壞時停止試驗。定時定載試驗條件: 初載3 MPa，10 min后加載至4.5 MPa，保持載荷不變，運行時間設定為1 800 s。2種方法的摩擦線速度均為1 m/s，浸油潤滑。

1—主軸；2—定位鍵；3—殼體；4—鋼絲繩；5—螺釘；6—關節(jié)軸承；7—加載柱；8—熱電偶；9—試樣；10—卡環(huán)；11—鎖緊螺母；12—對偶鋼環(huán)

摩擦磨損試驗結(jié)束后用HT-SURF10000型表面輪廓儀檢測試樣表面環(huán)狀磨痕的深度與寬度，計算磨損量。通過D/MAX2500V型X射線衍射儀(XRD)分析不同材料在燒結(jié)后產(chǎn)生的物相變化。用TPF-1金相顯微鏡和JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析復合材料表面金相組織結(jié)構、磨損表面微觀形貌，用INCA型能譜分析儀(EDS)確定材料表面成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅對復合材料力學性能的影響

幾種試樣的力學性能檢測結(jié)果見表2。由于銅的塑性變形能力較鐵強，在同等壓制力下，銅含量越高的復合材料生坯密度越高。在燒結(jié)過程中黏結(jié)劑等物質(zhì)的燒損揮發(fā)會留下空隙，使燒結(jié)密度整體較生坯密度低，同時引起孔隙率的變化。銅在鐵中的固溶極限是8%，當燒結(jié)溫度達1 080 ℃時銅轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗖⑾蜩F基體滲透，可提高燒結(jié)活度并促使材料致密化[15]。但是液相銅過多會造成一定程度的體積膨脹，特別當材料中銅的質(zhì)量分數(shù)達到15%以上時，鐵基材料的燒結(jié)密度隨著銅含量的增加而逐漸下降。后續(xù)試驗表明，密度在合適范圍內(nèi)的降低有利于燒結(jié)材料孔隙率的調(diào)整，改善材料的儲油特性和自潤滑性能。

表2 不同銅含量鐵基自潤滑材料的力學物理性能

材料硬度、壓潰強度隨銅含量變化的趨勢是相同的。在不超過固溶極限(8%)的情況下，銅在燒結(jié)過程中滲入鐵基體形成固溶強化，使材料硬度和強度明顯提高。隨著銅含量繼續(xù)增加，過量的銅會以液相分布于鐵、石墨、硼化物之間。隨著基體中單質(zhì)銅逐漸增多，銅鐵合金基體也逐漸體現(xiàn)出銅的力學性能，硬度和壓潰強度有所下降。通常高硬度材料耐磨性較好，然而對鐵基燒結(jié)復合材料而言，硬度過高會使材料與對偶件摩擦劇烈，產(chǎn)生巨大熱量，易造成膠合磨損[16]。在摩擦過程中，硬度過低易使材料從表面轉(zhuǎn)移或剝離，損耗嚴重，甚至造成表面磨潰。只有當鐵基材料具有適中的密度、硬度和強度時，才能達到理想的減摩耐磨效果。

2.2 銅對復合材料金相組織的影響

銅含量不同時鐵基復合材料的金相組織照片如圖2所示。 無銅復合材料(圖2a)主要由鐵素體區(qū)域、球狀珠光體區(qū)域和石墨組成，在鐵素體區(qū)域(顯微硬度約110～120 HV0.2)和珠光體區(qū)域(顯微硬度約150～240 HV0.2)分布著乳白色不規(guī)則形狀的硼化物，各相區(qū)域間相界分明。燒結(jié)溫度達1 030 ℃時，硼在奧氏體中的溶解度為910 ℃時的4～5倍[5]，富硼鐵區(qū)的硼鐵元素向鐵基體滲透，并沿晶界與相界擴散，形成新的細粒狀及不規(guī)則狀硼鐵化合物，致使基體組織結(jié)合不牢。

當銅的質(zhì)量分數(shù)較高時，燒結(jié)過程中銅會轉(zhuǎn)化為液相填充到孔隙中[17]，不規(guī)則形態(tài)的銅存在于各相之間的照片如圖2b所示。由于銅向鐵擴散滲透固溶強化，銅的質(zhì)量分數(shù)為20%的材料鐵素體區(qū)域(200 HV0.2)和珠光體區(qū)域(240 HV0.2)顯微硬度較無銅材料顯著提高。銅不與硼反應，且不溶于硼化物[10]，因此被銅包圍的硼鐵減少向鐵基體的滲硼行為，硬質(zhì)相(1 000 HV0.2)體積較大。單質(zhì)銅相夾持硼化物與基體結(jié)合牢固，均布于基體的液相銅燒結(jié)強化鐵骨架，并充當“黏結(jié)劑”改善材料組織結(jié)合度。圖2c表明，銅的質(zhì)量分數(shù)為30%的材料組織中有更多單質(zhì)銅相，部分硼化物被銅完全包裹，局部顯微硬度為1 400 HV0.2。

圖2 不同銅含量鐵基復合材料的金相組織照片

為確定銅對含硼鐵基材料物相結(jié)構的影響，將無銅和銅的質(zhì)量分數(shù)為20%的試樣進行X射線衍射分析，結(jié)果如圖3所示。無銅試樣中的硼鐵元素在燒結(jié)時向鐵基體擴散發(fā)生滲硼行為，產(chǎn)生如下化學反應

圖3 不同銅含量時鐵基復合材料的X射線衍射圖

2FeB=Fe2B+B, B+2Fe=Fe2B[14]。

燒結(jié)后硼幾乎全部存在于新物相Fe2B中。而銅的質(zhì)量分數(shù)為20%的復合材料，由于燒結(jié)中液相銅的包裹作用，硼則以FeB，F(xiàn)e2B及少量Fe3B多種物相存在于材料中。

2.3 銅對復合材料摩擦學性能的影響

銅含量不同時鐵基復合材料在逐級加載試驗中摩擦因數(shù)和溫升速率的變化規(guī)律曲線如圖4所示。在試驗的前20 min載荷較小時，各材料的摩擦因數(shù)相差不大(圖4a)。但隨著時間延長和試驗載荷的逐級加大，硼和銅元素對摩擦磨損的復合效應變大，對于無銅試樣，硼引起各相結(jié)合不牢的劣化效果特別明顯(圖2a)，載荷稍大時材料磨潰就會引起摩擦因數(shù)陡增。銅含量較低的3#材料(銅的質(zhì)量分數(shù)為10%)的摩擦因數(shù)也明顯增加，很快引起超溫中斷試驗。當銅的質(zhì)量分數(shù)為20%時，各相的結(jié)合牢固度及材料硬度、強度的協(xié)調(diào)性顯著提高，使材料在各級載荷下始終保持穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)。此后，隨著銅含量繼續(xù)增加，材料的密度、硬度及機械強度開始下降，摩擦磨損性能也逐漸變差，伴隨快速溫升(圖4b)，銅的質(zhì)量分數(shù)為30%的材料在30 min加載時也因為界面摩擦加劇超溫而停機。定載試驗時不同銅含量復合材料的磨損特性如圖5所示，可以看出，有銅試樣的耐磨性能明顯優(yōu)于無銅材料，并且銅的質(zhì)量分數(shù)為20%時材料磨損量最小，是無銅材料的1/10。

圖4 逐級加載試驗時銅含量與摩擦因數(shù)和溫升速率的關系

圖5 定載試驗時不同銅含量復合材料的磨損特性

為進一步研究材料的摩擦磨損機制，對其結(jié)構組成和摩擦表面形態(tài)進行了顯微分析。由圖6可知， 無銅材料中的硼在基體擴散后以不規(guī)則狀細粒硼化物(EDS成分B22.4%，F(xiàn)e77.6%)分布在鐵素體及珠光體區(qū)域，摩擦時易脫落造成磨粒磨損[18]。同時受擠壓變形的石墨在燒結(jié)后沿相界分布，割裂基體趨勢明顯。隨著銅含量的增加，由于鋼對鐵合金基體的固溶強化作用以及液相銅的包裹黏結(jié)作用，使材料的結(jié)合強度得到改善，磨損呈明顯減小的趨勢。圖6b所示為銅的質(zhì)量分數(shù)為20%時材料的顯微結(jié)構，可以看到淺灰色銅相(EDS成分Cu90%，F(xiàn)e8.65%，圖6d)分布于各相之間，液相銅包裹著硬質(zhì)相硼化物和固體潤滑劑石墨，改善了它們與基體的界面結(jié)合強度[19]，獲得了良好的耐磨減摩效果。

圖6 不同銅含量時鐵基復合材料組織結(jié)構的掃描電鏡照片及能譜圖

不同銅含量材料在定載試驗后磨損表面形貌的掃描電鏡照片如圖7所示，也驗證了上述分析的正確性。由圖7a可以看出，無銅復合材料摩擦表面有大量金屬粘著撕扯剝落的痕跡，且破壞嚴重。隨著銅含量的增加，磨痕表面逐漸平滑，磨損量減小。銅相的抗剪切力較鐵相小6倍[1]，磨痕表面局部銅相的延展和金屬滑移痕跡(圖7c)說明，在摩擦過程中銅的質(zhì)量分數(shù)為20%的材料表面抗剪切特性顯著改善。同時，銅鐵合金包圍石墨顆粒，可削弱摩擦時石墨脫落對基體造成的破壞。但過多的銅又會使材料的整體硬度和強度明顯降低，銅的質(zhì)量分數(shù)為30%的材料摩擦表面就出現(xiàn)了明顯的刮擦痕跡，導致磨損呈增大趨勢。

圖7 不同銅含量時鐵基復合材料表面磨損形貌掃描電鏡照片

3 結(jié)論

(1)銅的質(zhì)量分數(shù)達到15%以上時，液相銅引起燒結(jié)坯膨脹，使材料密度下降，密度的適度降低有利于材料孔隙率的調(diào)整，改善材料的儲油特性和自潤滑性能。銅的質(zhì)量分數(shù)超過10%以后，材料硬度和強度逐漸下降，但硬度和強度在一定范圍內(nèi)的適度降低則有利于改善溫升和抗粘著性能。

(2)銅的質(zhì)量分數(shù)達到20%時，均布于基體的液相銅燒結(jié)強化鐵骨架，并充當“黏結(jié)劑”改善材料組織，可明顯改善材料的耐磨性能。

(3)銅可有效改善由硼鐵所致鐵基材料各相結(jié)合不牢的弊端，特別當銅的質(zhì)量分數(shù)達到20%時，材料各相的結(jié)合牢固度及硬度、強度的協(xié)調(diào)作用顯著，使材料綜合摩擦學性能達到最佳； 耐磨性比無銅材料提高10倍以上，減摩及抗粘著性能得到極大改善。