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篁 兰 2 CN4111 48 /TH 轴承2 0 1 0 年1 期 B e a r i n g20 1 0, No . 1 N i 和 F e 对 C u S n P系粉末冶金轴承材料性能的影响 王风 云 .- , 潘冶 1 . 东南大学 材料科学与工程学院, 南京2 1 1 1 8 9 ; 2 . 江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室, 南京2 1 1 1 8 9 摘要 在 c u . S n . P系基体中添加不同量的合金元素 N i 和 F e , 采用粉末冶金方法制备烧结轴承材料 , 通过对比研 究了 N i 和 F e 对其性能的影响规律。结果表明, N j 和 F e 元素都可以提高材料的表观硬度和压溃强度 , 改善材 料的摩擦磨损性能, 但 N i 元素对压溃强度的提高更为显著。c u . s n P基体中添加 N i 和 F e 含量不宜过高, 分别 以 2 % 和 4 %为宜 。 关键词 滑动轴承; C u S n P ; 粉末冶金; 合金化 ; 压溃强度; 摩擦; 磨损 中图分类号 T F 1 2 2; T H 1 3 3 . 3 1 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 o 0 3 7 6 2 2 0 1 0 0 1 0 0 3 3一 o 5 Ef f e c t s o f Ni a n d Fe O i l Pr o p e r t i e s o f Cu- - S n- - P S e r i e s S i n t e r e d Be a r i ng M a t e r i a l s W ANG F e ngy u n . - .PAN Ye ’ 1 . S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a m i n g2 1 1 1 8 9 , C h i n a ; 2 . J i a n g s u K e y L a b o r a t o r y f o r A d v anc e d Me t a U i c M a t e ri a l s , N 明j i n g 2 1 1 1 8 9 , C hin a Ab s t r a c t A l l o y i n g e l e me n t N i an d F e w i t l l v a r i o u s c o n t e n t s a r e a d d e d t o C u S n - P ma mx。t h e ma t e ri a l s o f s i n t e r i n g b e a r i n g a I e p r o d u c ed b y u s i n g p o w d e r me t a l l u r g y t e c h n o l o gy .a n d t h e e ff e c t s o f Ni a n d F e o n t h e p r o p e r t i e s o f C u - S n - P a ro i n v e s t i g a t ed b y c o mp a r i s o n . T h e res ult s s h o w t h a t Ni t rod F e C an i n c r e a s e the s u r f a c e h a r d n e s s a n d c r u s h i n g s t r e n h,a n d i mp r o v et h ef ri c ti o nandwe a r p r o per t yof t h ema t e r i als ,b u t c r u s h i n g s t r e n hi s d i s t i n c tl yi mp rov ed b y u s i n g N i .Th e c o n t e n t of Ni a n d F e i n C u - S n P ma t ri x s h o u l d n o t b e t oo h i g h .I n t h i s t e s t c o n d i t i o n, the o p t i ma l c o n t e n t 0 f Ni a n d Fe i s r e s pe cti v e l y 2%an d 4% . Ke y wo r d s s l i d i n g b e a r i n g ;C u S n - P;p o wd e r me t a l l u r gy ; d l o y i n g ;c ru s hin g s t ren g t h;f ri c t i o n;w e a r 锡青铜系轴承材料以其优异的综合性能和良 好的加工质量, 一直在铜基轴承材料中占据着主 导地位 J 。与普通烧结青铜系 C u . 1 O S n 含油 轴承相比, c u S n P系轴承材料具有更高的承载能 力 , 同时该类材料 的磨合性 以及与异物结合 能力 比 F e 基轴承要好 , 因此 , 为适应于 电动工具、 空调 机等低载 荷、 高 转速 的工况 , 国内、 外 开发 了 C u s n P系轴承材料 I 4 J 。目前, C u s n P系轴承材料 中大多含有 P b, 而 且 国内有关c u s n P 系材料 所 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 2 3 ; 修 回日期 2 0 0 9 0 7 3 1 基金项 目 江苏省科技支撑计划资助项 目 B E 2 0 0 8 0 7 7 作者简介 王风云 1 9 8 2一 , 女, 硕士研究生 , 主要从事粉 末冶金 自润滑含油轴承方面的研究工作。Em a i l a n n y . c o l d y a h oo. o n ; 潘冶 1 9 5 6 一 , 男 , 教授 , 主要从事先进 金属材料制备与组织控制的研究。 能达到的压溃强度和摩擦磨损性能较国外也存在 一 定 的差距。在粉末 冶金铜基 材料 的研究 中, 研 究者对于 F e的增摩作用以及 N i 的固溶强化作用 进行 了一定 的研 究 一 , 但迄 今 为止 , 有关 其 在 C u S n P系轴承材料 中所起作用 的系统研究并 不 多见。本文以 c u S n - P为基 , 系统 地研究 了 M 和 F e 元素对 c u . s n . P系轴承材料性能的影响规律。 1试 验 方 法 1 . 1 材料制备 材料配方由3部分组成, 即基体合金、 添加元 素和固体润 滑剂。本 文选 用 的基体合 金 为雾化 9 0 C u l 0 S n合金粉 粒度 ≤7 2 m , 固体润滑剂 为 鳞片状石墨和 M o S 粒度≤7 2 , 添加元素为 铜磷合金粉 C u - 8 P共晶合金 , 粒度 ≤7 2 m 、 F e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 轴承 2 0 1 0 . №. 1 粉 粒度 ≤7 2 和 N i 粉 粒度 ≤5 7 Ix m , 各试 样 中组分含量 质量分数 , 下同 见表 1 。 表 1 各试样中组分含量 质量分数 % 试样 P N i F e 石墨 Mo s 2 c u S n 1 ● O . 4 O . 5 3 余 量 2 ● O . 4 2 O . 5 3 余 量 3 0 O . 4 4 0 . 5 3 余 量 4 ● O . 4 6 O . 5 3 余量 5 ● 0 . 4 2 0 . 5 3 余 量 6 ● 0 . 4 4 O . 5 3 余 量 7 ● 0 . 4 6 O . 5 3 余 量 材料的制备工艺过程如图 1 所示。在 F A / J A 系列电子天平上, 按照配方要求称取粉末, 充分均 匀混粉 l 一 2 h , 混合料在 3 0 0 M P a的压力下压制 成密度为 6 . 3 0~6 . 3 5 g / c m 的压坯 , 压坯压制成 两种形状 一种为外径 内径 高 4 , 8 m m 5 m i ll 9 m n l 的圆筒形, 供测定表观硬度、 压溃强度 和台架试验使用 ; 一种 为 5 mm1 2 m m1 8 mi l l 的长方体, 供 M M - 2 P摩擦试验机测定摩擦磨损性 能使用。将压坯置于带有保护气氛的间歇式烧结 炉中进行烧结, 其中所选保护气氛为分解氨, 烧结 温度为7 5 0℃, 保温3 0 m i n , 试样在烧结炉的水套 冷却带 中冷却 4 0~ 6 0 m i n 。将烧结好 的样 品进行 精整 , 然后在真空条件下浸 Y Q - 2 8 润滑油 黏度指 数为 1 4 6 , 适用温度为 一 3 0 1 5 0℃ 。 图 1 材料制备 过程 流程 图 1 . 2 性能测试 参照 J B 2 8 6 7 1 9 8 1 和 J B 2 8 7 1 1 9 8 1 标准要求, 分别在 H B R V U 一 1 8 7 . 5布洛维硬度计 和 Y A一 1 0材 料试验机上测定材料 的表 观硬度 和压溃强度 , 依 据 G B / T 5 1 6 3 - 2 0 0 6 相关规定, 采用阿基米德排水 法测定试样 的含油密度 即完全浸润密度 和含油 率。用 O L Y M P U S B X 6 0 M 光学显微镜和 S i r i o n 场发射扫描电镜观察材料的显微组织。 在 MM- 2 P磨损试 验机上测定材料 的摩擦 系 数和磨损量, 试验过程不另加润滑油, 摩擦副示意 图如图2所示。其中对偶件所用材质为 G C r I 2钢 5 0 H R C , 尺寸为 外径 5 0 m m, 内径 1 6 m m, 厚 8 m il l , 试验时所加载荷为 1 0 0 N, 相对滑动速度 0 . 5 2 m / s 。材料的耐磨损性能用试样被磨损 的体 积来衡量, 磨损体积计算公式为 1 L a r c s i n 一 b / D 一 6 斗 / 3 式中 D为滚轮直径 , m m; h为滚轮厚度, m m; 6为 磨痕宽度 待测 。 1 一夹具 ; 2 一试样 ; 3 一厝轮 图2 磨损试验 示意图 由于 M M - 2 P 磨损试验机不能完全模拟轴承 的使用工况 , 并且不 能测定材料 的温升 , 因此 , 选 择部分材料在高速 台架试验机上进行试验 , 测定 材料的温升变化情况, 台架试验时, 对偶材质为 G C r l 2钢 5 o Ha c , 主要参数为 PV1 1 0 MP a , 转 速 n8 0 0 0 r / m i n , 运转 3 0 m i n 。 2试验结果及讨论 2 . 1 N i 和 F e 对材料的表观硬度及压溃强度的影响 表 2为各试样的含油率和含油密度。从表 中 数据可以看出, 添加 N i , F e 合金元素之后 , 材料 的 含油率和含油密度变化不大, 可以保证在孔隙率 基本相同的条件下 , 研究材料 的物理力学性能和 摩擦磨损性能。 表2 材料的含油率和含油密度 图3所示为材料 的表观硬度和压溃强度 。由 图可知 , C u S n P材料 中加人 2 % 的 N i 元素 之后 , 其表观硬度和压溃强度显著提高, 但随着 N i 含量 的增加 , 材料的表观硬度逐渐增加 , 而压溃强度却 逐渐降低。未加 N i 的 1 试样的显微组织如图4 a 所示 , 其 中灰色 区域 为 S n在铜 中形成 的 0 【 一 固溶 体, 光标所指亮 白色区域为 c u与 P形成的化合 物, 图4 b为其局部放大图。c u S n - P材料中加入 N i 之后, 部分 N i 固溶到基体中, 与c u 基体形成置 换固溶体, 起到固溶强化的作用; 另外, 在烧结过 程中, N i 原子比 C u原子具有更大的与 P原子结合 的能力 】 , 因此, 加入 N i 有利于形成镍磷化合物, 当 N i 含量较少时, 少量的镍磷化合物弥散分布在 基体上, 起到强化基体的作用。但随着 N i 含量的 增加, P与 N i 原子接触的机会增多, 过多的镍磷化 合物在晶界边缘团聚并长大, 形成网状结构, 使材 料压溃强度下降 甚 至低于未加 N i 之前 的 l 试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王风云等 N i 和 F e 对 c S n . P系粉末冶金轴承材料性能的影响 3 5 样 。图4 c 为含 N i 量为2 %时弥散分布在铜基体 上的镍磷化合物, A区经能谱分析, 除含有少量的 C u s n 基体之外 , N i 原子含量 为 5 9 . 1 3 % , P原子 含量为 3 0 . 1 1 % , 断定其 为 N i 与 P形成的化合物。 图4 d为 N i 含量增加至4 %时镍磷化合物的分布 状态 , 可见 , N i 含量增加后 , 出现了明显 的团聚现 象, 导致压溃强度下降。 母 塞 型 骥 媚 幽 N i , F e 含量 质量分数/ % a 材料的压溃强度 Ni ,F e 含量质量分数 b 材料的表现硬度 图 3 材料 的表观硬度和 压溃强度 在控制同等含油率的情况下, c u s n - . 4 P中添 加合金元素 F e , 材料的表观硬度和压溃强度都略有 增高 , 但随着 F e 含量的增加 , 材料的硬度先增加后 减小, 而压溃强度值逐渐降低, 加入 F e 含量为 4 % 时表观硬度值最高 图 3 。在所选烧结温度 7 5 0 ℃ 以下, F e 在铜中的溶解度非常小, 且与基体不发 生反应 , 但 F e 在基体中的扩散能力比较好 , 加入 的 F e 元素除少量固溶于基体之外 , 大多以颗粒形式均 匀分布于铜锡 固溶体 , 成为独立 的镶嵌物 , 起到颗 粒强化的作用 。加入 F e 后材料的显微组织如图 4 e 所示 , 其 中, 箭头所指区域为弥散分布的 F e 颗粒, 经 能谱分析, 除含有少量的c u . s n合金基体外, F e 原 子含量为 8 5 . 1 1 %。C u - S n - O . 4 P系轴承材料中加人 F e 后硬度和压溃强度提高的主要原 因为 F e微溶 于基体, 且与基体相不发生反应, 但在与基体结合 处有少量 F e 原子固溶于基体中, 起到了一定的固 溶强化作用。另外 , 弥散分布的 F e颗粒起到 了一 定的颗粒强化作用, 从而提高了材料的表观硬度和 压溃强度, 但合金元素超过一定值之后, 过多 F e 颗 粒的存在, 非但不能起到颗粒强化的作用, 反而会 削弱基体元素间的联结作用, 从而使得材料的硬度 和压溃强度降低。 a l 试样 c 2 试样 d 3 -试样 e 5 试样 幽4试样腐蚀之后 的 S E M照 片 . . .. .. . . . . .Lr . . . .. - . . ,. . L r .. . . . r. . . ., - . .. . . L 『 .. . . . . .. . . . -r . . . . .- . . . .. L r L 1 观 ∞ 勰 弘一 ∞ } { \ 越 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 轴承 2 0 1 0 . №. 1 2 . 2 材料的摩擦磨损性能 图5所示 为不 同材料 的摩擦 系数 和磨损量。 可知, 含 0 . 4 %P的 l 材料的摩擦系数为0 . 0 9 2 , 磨 损量为 0 . 1 2 1 mlT l 。 , 加入 N i 之后材料的摩擦系数 降至0 . O 6 0 , 磨损量降低至 0 . 0 3 5 m m , 随着 N i 含 量的增加 , 摩擦系数基本保持不变, 磨损量却逐渐 增加。在 C u S n P材料 中加入一定量的合金元素 F e , 材料 的摩擦 系 数降 至 0 . 0 5 5 , 磨损量 降低 至 0 . 0 3 0 m lI l , 但当 F e 含量增高至6 %时, 其摩擦系 数和磨损量明显提高。 妊 1 I {5 簟 错 试样编 号 a 添]j I Ni 后材料的摩擦系数和磨损量 试样编号 添加F e 后材料的摩擦系数和磨损量 滑动距离, m c 1 , , 材料的温升 图5 材料的摩擦磨损性能 多孔性含油轴承作为减摩材料 , 摩擦系数和温 升是表征其性能的重要因素。轴承在工作过程中, 浸渍在孔隙中的润滑油在毛细管力的作用下, 从孔 隙中渗出, 在摩擦表面形成一层 润滑油膜 , 轴承温 升越高, 从孔隙中渗出的油量越大, 油的黏度越小。 当轴承的温升显著增加时, 油的黏度可能已降低到 在轴承表面上不能形成牢固油膜的程度[ 9 】 。因此 , 轴承的温升应控制在润滑油工作范围之内。在适 宜工作范围, 油膜 的厚度与温升成正 比, 轴 承温度 变化越平缓, 生成的油膜厚度越均匀, 越有利于轴 承平稳地工作。C u . S n . P材料中加人 N i , 在运转初 期 , 材料的温升虽然有所提高 , 但运转平稳之后 , 温 升变化逐渐平稳 , 且低于不加 N i 元素的 1 。 试样 , 而 C u S n P材料加入 F e 之后 , 材料的温升变化比较小 且比较平缓 , 如图 5 c所示, N i , F e的加入均有利于 在摩擦表面形成均匀的油膜。 N i 元素对 c u S n P系轴承材料摩擦磨损性能 的提高与其孔 隙结构 有关。含 油轴 承运转 过程 中, 仅靠孔隙内的润滑油供油容易产生供油不足, 处于边界润滑和固体接触摩擦的混合摩擦状态, 因此 , 含油轴承的摩擦磨损性 能是其供油 能力 和 材料本身性能综合作用的结果。粗大的孔隙可以 提供 良好 的供油性 , 但 吸人、 保 持润滑 油 的能力 差 , 润滑油补给不足时, 性能减低 ; 相反 , 微细 的孔 隙组织 , 供油性差 , 常常发生摩擦面供油不足 , 也 会降低减摩性能。因此, 含油轴承孔隙结构对其 减摩性能的影响是起供油作用的大孔和保持润滑 油的微孑 L 综合作用 的结果。 由于烧结过程 中, N i 原子比 C u原子更易与 P发生反应 , 当烧结温度达 到 7 1 0℃以上 , 加入的铜磷合金粉熔化 引, 处于液 相烧结过程 , N i 原子溶人到液相与 P发生反应 , 在 原来 N i 所在位置留下起供油作用 的大孔 , 从而形 成大小孑 L 隙相结合的孔隙结构, 使材料的摩擦磨 损性能提高。图6所示为 1 和 2 试样腐蚀之前 的 孔隙结构分布图 , 可见 , 加入 N i 之后 的 2 试样 与 1 试样相 比, 微细孔隙上面的大孔增多。随着 N i 含量的增高, 镍磷化合物出现 明显团聚现象 , 使材 料组织恶化 , 材料 的磨损量逐渐提高。在本试验 条件下, N i 含量较少的2 试样摩擦磨损性能最好。 F e 对 c u . s n . P系轴承材料摩擦磨损性能的提 高主要表现在 材料在摩擦过程 中, 由于机械相互 作用引起 固体表层 晶格紊乱 , 甚 至出现游离 自由 原子键, 使得表面活性很高, 弥散分布于基体中的 F e 颗粒活性比较大, 极易形成氧化膜。研究表明, 摩擦氧化与热氧化不 同, F e在受压力 的表面上滚 动短短几分钟内生成的锈层 氧化层 在无机械应 力的情况下需要进行 1 0 s - 1 2 ] 。随着摩擦过程 的进行 , 摩擦表面层发生 了一定 的塑性变形、 氧化 等一系列物理化学变化, 形成了一层稳定的摩擦 加 伪 鹏 m O n 叫 叫 m 讲 n n n n 耧 鞲避 啪啷懈啷嘶呱啷吣耋 } 唧o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王风云等 N i 和 F e对 c u - S n . P系粉末冶金轴承材料性能的影响 a 1 试样 b 2 试样 图 6 试样腐蚀之前 的孔 隙分布 图 膜。当摩擦过程产生供油不足的情况时, 摩擦表面 氧化膜的存在 , 一方面有效地阻隔了摩擦材料与对 偶件的直接接触, 减少 了黏着磨损 , 降低 了摩擦系 数 ; 另一方面, 表面氧化膜硬度较高, 它的存在降低 了滞留在摩擦副问的硬质磨屑对材料的犁沟作用, 从而有效提高了材料的耐磨性能。另外, F e 对锡青 铜轴承材料抗磨损能力的提高还表现在 F e颗粒弥 散分布在材料基体中, 起到了颗粒强化作用, 提高 了材料 的硬度。存 在于摩擦面 的 F e颗粒本 身强 度 、 硬度就 比基体铜大 , 在摩擦过程中当较软 的基 体磨损后, F e 颗粒便突出于摩擦表面, 直接与对偶 表面相接触 , 承受摩擦 阻力。并且材料 中 F e颗粒 与基体铜结合紧密 , 基体铜对镶嵌其 中的 F e颗粒 的把持作用 较强, 摩擦过程 中受摩擦 冲击力作用 时 , F e 不易被拔 出基体 , 从而在一定程度上提高了 材料的抗磨损能力。5 试样较之 6 试样磨损量略 高 , 这是因为 5 试样中的 F e含量相对较少 , 当摩擦 过程产生供油不足时, 相对较低 的 F e含量不足以 形成稳定的氧化薄膜 , 增大了摩擦副与基体材料接 触的机会 , 使得磨损量略高。而 7 试样 中, 过多的 F e 含量非但不会增加铁对基体的颗粒强化作用, 反 而会由于过多 F e 颗粒的存在而削弱 了金属基体间 的联结作用 , 使材料的强度变低 , 造成材料的摩擦 系数和磨损量升高。因此, 本试验条件下, F e 含量 为 4 %时试样的综合性能最佳。 3 结论 1 c u S n . P系轴承材料 中加入 N i 元素可 以 有效提高材料 的表观 硬度和压溃强度 , 降低材料 的摩擦系数和磨损量。但随着 N i 含量的增加 , 压 溃强度反而降低 。 2 F e 对提高 c u S n P系轴承材料 的压溃强 度作用一般 , 但加人 F e元 素之后 , 材料 的摩 擦系 数和磨损量减小, 工作过程中的温升变化也比较 平缓, 可以有效地改善材料的摩擦磨损性能。 3 本试验条件下 , c u . s n P材料 中加入的 N i 含量以 2 %为宜 , 加入 的 F e含量 以 4 %综合性 能 最好。 参考文献 [ 1 ] B a r r o w D . T h e C u r r e n t S t a t u s o f P M B e a r i n g s [ J ] . Me t . P o w d e r R e p t . , 1 9 8 0 , 3 5 6 2 3 7 2 3 8 . [ 2 ] 刘超锋, 杨振如. 金属基 自润滑轴承新材料 [ J ] . 轴 承 , 2 0 0 7 5 3 6 3 9 . [ 3 ] 孙永安, 张玲 , 李县辉, 等. 高速自润滑含油轴承的 研究[ J ] . 粉末冶金技术 , 2 0 0 2 , 2 0 2 9 09 3 . [ 4 ] K o s t r o mo vA G, F u s h e h i e h O I . E ff e c t s o f C o p p e r P o w - d e r B e a r i n g Ma t e r i a l C o mp o s i t i o n o n W o r k i n g Ch a r a e t e ri s fi e s [ J ] . P o w d e r M e t a l l u r g y a n d Me t al C e r a mi c s , 2 0 0 5 , 4 4 3 2 0 2 2 0 6 . [ 5 ] 陈洁, 熊翔, 姚萍屏. F e在铜基粉末冶金摩擦材 料中的作用[ J ] . 粉末冶金工业, 2 0 0 6 , 1 6 4 1 6 2 0 . 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