钼对铁基粉末冶金自润滑材料力学及摩擦学性能的影响.pdf

第 2 O卷第 3 期 2 O 1 O年 6月 粉末 冶 金1 -业 P OW DER M ET ALLURGY I NDUS TRY Vol | 2 O No ．3 J u n ．2 0 1 o 钼对铁基粉末冶金 自润滑材料力学及 摩擦学性能的影 响 丁存光 ， 柳 学全 ， 李红印 ， 丁光玉 钢 铁 研 究 总 院 ， 北 京1 0 0 0 8 1 摘 要 本文研 究 了钼合金 元素对 铁基粉 末 冶金 自润滑材料 力 学及 摩擦 学性 能的影 响 ， 研 究结 果表 明 铁 基 自润 滑材 料添加 钼合金 元素 ， 可在 材料 中形成 钼 的硬 质 点 ， 所形 成 的硬 质 点 虽然 会 降低材料 的 力学性 能 ， 但材料 的摩擦 学性 能将得 到 大幅度提 高和 改善 。 关键 词 铁基 粉 末冶金 自润滑材 料 ； 钼 ； 力 学及 摩擦 学性 能 中图分类号 TF1 2 5 文 献标识 码 A 文章编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 0 0 3 0 0 2 6 0 5 EFFECT OF M OI YBDENUM ON M ECHANI CAL AND TRI BOI OGI CAI P R0P ERTI E S OF I RO BAS E P ／ M S EL F LUBRI CATI NG MATERI ALS DI NG Cu n g u a ng， LI U Xu e - qu an， LI H o n g - y i n， DI NG G u a n yu Ce n t r a l I r o n＆ S t e e l Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t The e f f e c t of mol y bd e n um o n t he m e c h a ni c a l a n d t r i bo l o gi c a l p r o pe r t i e s o f i r o n b a s e P／ M s e l f l u b r i c a t i n g ma t e r i a l s wa s s t u d i e d ， t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h a r d mo l y b d e n u m i n c l u s i o ns c o ul d r e d u c e me c ha n i c a l pr o pe r t i e s ， bu t gr e a t l y e n ha n c e t r i bo l o gi c a l pe r f o r ma nc e ． Ke y wo r d s i r o n b a s e P ／ M s e l f l u b r i c a t i n g ma t e r i a l s ； mo l y b d e n u m； me c h a n i c a l a n d t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s 铁基粉末 冶 金 减 摩 材料 是 目前 应用 最 广 泛 的 减摩材料 之一 。在 铁基 粉 末 冶金 减 摩材 料 中 ， 合 金 元 素如碳 、 铜 、 镍 等 的加 入对 改善和 提高材料 的力 学 及摩 擦学性 能 有着 重 要 的影 响 。 。钼 作 为 粉末 冶 金材 料的重要 合金 元 素 ， 虽 然也 曾有 不少 研 究人 员 进行 过其 对 铁基 减摩 材 料性 能 影 响 的研究 8 ] ， 但 研 究结果不 尽相 同 ， 也 很 少进 行 过 高温 摩 擦 磨损 性 能 研究 。本 文通过 研究 添加 钼前后铁基 减摩 材料力 学 性 能 、 摩擦 学性 能的变 化 ， 尤其 是高 温摩擦磨 损性 能 的变 化 ， 以期 较系 统 的探 讨 钼 对铁 基 粉末 冶 金 减摩 材料 力学及摩 擦学 性 能 的影 响 ， 为 高性 能 铁 基减 摩 材料 的开发奠定 基础 。 1 实验过程 实验 以铁 粉 为主要 原料 ， 合 金 元素 Ni 、 C u 、 Mo 、 C分别 以粉末 形 式加 入 ， 润 滑 石 墨 以镍 包 石 墨粉 末 加入 ， 其来 源及 规 格 如表 1所示 。首先 将 以上 粉 末 按表 2所 示 比例加入 V 形 混料 机 中进行 混合 ， 其 中 镍含 量为所 加镍 粉及 镍 包 石 墨粉 末 中镍 的总 和 ， 混 料过 程 中添 加少量 煤油 以防偏 析 ， 待料 混好 后 ， 用冷 等静压成形 ， 成形压力 2 6 0 MP a ， 保压 5 mi n ， 然后 ， 在 氢气 保护气 氛下 进 行烧 结 ， 烧 结 温 度为 1 1 5 0 ℃ ， 保 温时 间 1 ． 5 h ， 最 后 在 9 0 0 ℃ 下 进 行 锻造 ， 经机 加 工 制成实 验所需 试样 。 收 稿 日期 2 0 0 9 ～ 1 l O 4 作者简介 丁存光 1 9 8 4 一 ， 男 汉 ， 河北省冀州市人 ， 硕 士， 主要从事粉末 冶金减摩耐磨材料的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 丁存光等 钼对铁 基粉末 冶金 自润滑材料力学及摩擦学性 能的影 响 27 项 目 F e Ni Cu C Ni 包 石 墨 Mo 2 性能测试 试样 采 用 排 水 法 国 家 标 准 测 量 其 密 度 ； 利 用 HR 一 5 0 D T 洛 氏硬 度 仪 对 其 硬 度 进 行 测 试 ； 采 用 压 溃环 测 试 压 溃 强 度 ， 尺 寸 为 内 径 2 5 mm， 外 径 3 5 mm， 高度 1 0 mm； 采 用标 准试 样 1 0 mm1 0 mm 5 5 mm 进 行 冲击 韧 性 测 试 ； 最 后 利 用 MMU一 1 0 G 高温 端面摩 擦 磨损试 验 机对 其摩 擦 系数及 磨损 量 进 行分 析 检测 ， 其 中所对 应 的摩 擦 副为 GG r l 5材 料 ， 并 运 用 J S M一6 4 8 0 L V 扫描 显微 镜 对 材料 的组 织 进 行 研 究 ， 同时用 能谱 对其 成分 进 行标 定 。 3 实验结果及讨论 3 ． 1钼对 材料 金相 组 织的影 晌 图 1为 添加 钼 后 2号 材料 的金 相 组 织 照 片 ， 从 图 中可 以看 出其金相 组 织主要 由铁索 体 、 珠光 体 、 黑 色斑点 及亮 白色斑 点 组 成 ， 黑 色 斑 点 可 能 为游 离态 石 墨或 者孔 隙 。为 了 进 一 步 弄清 其 组 织 结 构 ， 实 验 对 该组 织进 行 了局部 扫描 和 能谱 分析 。图 2为 2号 材 料 的局部 扫描 照 片及对 应 能谱 ， 从 图 2可 以看 出 ， 该 材料 主要 由 F e Ni C u固溶 体 组成 ， 部 分位 置 为 富 铜 相 ， 黑色斑 点 为游 离态 的石 墨 ， 而亮 白色斑 点 为 钼 相 。在该 碳 含量 下 会 有 大 量 的游 离 态 的石 墨 存 在 ， 主要是 由于 石墨 是 以 镍 包 石 墨形 式 加 入 引 起 的 ， 每 个 石墨 颗粒 表 面均 包 覆 了 一层 镍 ， 它 抑 制 和延 缓 了 在 后续 烧结 和锻 造过 程 中石 墨与基 体 材料 铁 的合金 化 ， 故 大量 石墨仍 以游离 态形 式存 在 ； 至 于硬质 钼相 的存在 ， 从 铁 钼 相 图可 以 看 出 ， 当 钼 含 量 在 0 ． 6 时 ， 钼基 本上 不 与铁 固溶 ， 也不 生成 化合 物 等 ， 镍 、 铜 和 钼可 以发 生 固 溶 ， 但 是 由于 镍 、 铜 的含 量 毕 竟 有 限 ， 故会 有一 部分 的钼 保 留下来 ， 形 成钼硬 质点 。 图 1 2号 材 料 扫 描 照 片 3 ． 2钼对 材料 力 学性 能的 影响 表 3为 添加 钼前 后材 料 的力学 性能 测试 平均 结 果 ， 从表 中可 以看 出 ， 添加 钼前 后对 材料 的硬 度影 响 不 大 ， 这 可 能是 由于 钼与 铁及镍 微 量 固溶 ， 没 有改 变 材 料 的组织 结构 ， 故对 材 料 的硬 度 影响不 大 。不过 ， 添加 钼 后 ， 由于 钼在基 体 中形成 了一些 硬质点 如 图 1 、 图 2 所 示 ， 对 材 料 的 基体 起 到 了分 割 的作 用 ， 故 2号材 料受 到外 力 达到一 定 程 度 时 ， 会 产 生 裂纹 ， 直 至 扩展 到整 个材 料 ， 使 该材 料失 效 ， 从而 大大 降低 材 料 的压 溃强 度和 冲击 韧性 。 3 ． 3钼 对材 料摩 擦 学性 能的 影 响 图 3为 添加钼 前 后 自润 滑材 料 在 室 温及 4 0 0 ℃ 下 的摩擦 系 数 ， 图 4为 添 加 钼前 后 自润 滑 材 料在 室 温及 4 0 0 ℃下磨 损 量 的变 化 。从 图 3中可 以看 出 ， 无论添加钼合金元 素与否， 两种铁基 自润滑材料 由 于 均有游 离 态石 墨存 在 起 减 摩 作 用 ， 其 摩 擦 系 数 均 变小 一 般 钢一 钢摩 擦 副 ， 其摩 擦 系数 在 0 ． 6以上 ， 然 而 由于钼合 金元 素 的影 响 ， 其 摩 擦 系数 的 变化 各 不相 同 ， 常温 下 ， 两 种 材料 在摩擦 的初 期 摩擦 系数 均 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 粉末冶金工业 第 2 0卷 1 5 0 0 1 0 0 0 O 【 a 3 40 2 55 l 7 O 85 2 4 6 k e V √ 、A l、、 ＼ 、、 卜 、 ＼ 卜 、 r ～ V 蛾 7 8 0 ／ 嫩 2 ； 2 1 7 8 6 5 3 4 l O 8 8 9 l 5 2 4 5 l 9 6 0 1 0 O0 4 3 5 6 87 l 2 1 3 0 67 1 74 2 3 L I m f c 1 标线处元素从上至 F 为F e ． C , 0、 N 、 c 、 M。 2 5 0 0 2 o o O 1 5 0 0 5 o o d 0 2 4 图 2 2号 材 料 的局 部 扫 描 照 片 及 对 应 能谱 6 8 k e V 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 丁存 光等 钼对铁基粉末冶金 自润 滑材料 力学及摩擦学性 能的影 响 29 表 3 1号 样 与 2号 样 力 学 性 能对 比 急剧 升高 ， 达到 最 高值后 开 始减小 ， 最 后 在某个 范 围 内稳 定下来 ， 1 号 的磨 合期 约 4 0 rai n ， 摩 擦 系数 维 持 在 0 ． 2 5以上 ， 且 还 有 上 升趋 势 ； 而 2号 的磨 合 期 约 2 0 mi n ， 摩 擦 系数 维 持在 0 ． 2 1左 右 。在 4 0 0 ℃ 下 ， 1 号及 2号 两 种 材 料 的均 没 有 磨 合期 ， 1号 在 4 0 mi n 之前 摩擦 系数 处于 快 速 上 升 的 状 态 ， 接 着 上 升 的 速 度变 得平 缓 ， 维 持 在 0 ． 2 5左 右 ， 且 最后 还 有 上 升 的 趋 势 ， 而 2号 则 很 快 进 入 平 稳 期 ， 摩 擦 系 数 稳 定 在 0 ． 2以下 。摩 擦 系 数 之 所 以会 出现 以 上 变 化 ， 其 主 要 原 因可能 是 铁基 自润 滑 材 料 添 加 钼 合 金 元 素形 成 钼硬 质点 ， 由于 其硬 度 大 、 熔 点 高 ， 在 干 摩擦 的情 况 下 ， 可有 效 的降低 和减 少 摩 擦 表 面 问 的 接 触 和 因 局 部摩 擦热 而产 生 的瞬 间“ 焊 接” ， 故 常温 下 ， 添加钼 二 g Z 、 量 三 lc ≤ 删 骚 嫠 时间／ s a 1 合 金元 素 的 2号样 其 摩 擦 系 数 总 比 1 号 样 小 ， 且 随 时 间的变 化不 大 ， 这也 可从 材料 的摩擦 表 面照 片 图 5 a 中看 出 ， 未 添 加 钼 合 金 元 素 的 1号 样 在 常 温 下 ， 由于局 部摩 擦热 而产 生 的瞬 间“ 焊 接” 作 用 ， 在摩 擦 表 面 出现大 片 的剥落 现象 ， 形成 大量 的 凹坑 黑色 部 分 ， 而 2号样 凹坑 数 量 要 少 得 多 ； 钼硬 质点 的作 用 ， 同样也 使 材 料 在 4 0 0 ℃下 的摩 擦 系 数 出现 了类 似 的变 化 ， 不过 ， 由于 4 0 0 ℃下 铁基 自润 滑 材料 摩 擦 表 面极 易 氧化形 成 一 层 氧化 膜 ， 较 软 的氧 化 膜 降 低 和减少 了摩 擦表 面 间 的 接触 和 黏着 ， 故 其 摩 擦 系 数 无 论添 加 钼合金 元 素 与 否 ， 均 比常 温下 相 应 的摩 擦 系数要 低一 些 ， 其摩 擦 表 面 也 很 少 出 现大 片剥 落 现 象 ， 如 图 5 b 所示 。至于 磨损 ， 从 图 4可 以看 出 ， 由 于 钼硬 质点 的作 用 ， 无论 是 在 常 温 还 是 4 0 0 ℃ 下 添 加 钼 的磨损 量也 都 比没 有 添加 的磨 损 量 低 很 多 ， 尤 其 是在 常 温 下 添 加 钼 后 材 料 的磨 损 量 仅 为原 来 的 1 ／ 7左右 ， 因 此钼合 金元 素 的加 入 ， 也 可 大 大 降低 材 料 的磨 损 ， 提高材 料 的耐磨 性 能 。 图 3摩 擦 系数 对 比 a 室温下摩擦系数 ； b 4 0 0 ℃下摩擦系数 图 4磨 损 量 对 比 4 结 论 时间／ S b 1 铁 基 自润滑 材料 添加 钼合 金元 素 ， 可 在材 料 中形成 钼 的硬质 点 。 2 铁基 自润滑材 料 添加 钼合 金元 素后 ， 虽然 会 降低材 料 的力学 性 能 ， 但 材 料 的 摩擦 学 性 能 将 得 到 大 幅度 提高 和改 善 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 粉末冶金工业 第 2 O卷 图 5材料摩擦试样表面 a 常 温 ； b 4 0 0℃ 参 考文献 [ 1 ] 周贤武 ．国外 粉末冶金减 摩材料 的现 状． 粉末 冶金技 术E ／ ] ． 1 9 9 3 ， 2 7 0 7 4 ． [ 2 ] Mu s t a f a B o z ， A d e m Ku r t ． E l f e c t o f D i f f e r e n t a mo u n t s of Gr a phi t e o n t he Si n t e r i n g a n d Tr a ns v e r s e Ru pt u r e p r o p e r t i e s o f P o w d e r Me t a l P a r t s [ J ] ． J ． Ma t e r ． S c i ． Te c hno 1 ．， 2 006， 22 3 4l 9 - 4 22 ． [ 3 ] 钱中良， 盛伟． 石墨含量对铁基粉末 冶金含油减摩材料 组织性能的影响[ J ] ． 机车车辆T艺 ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 1 2 ． [ 4 ] 周彼德 ， 慈立杰 ， 马学著 ， 王安静． 铜含量埘铁基烧结减 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 摩 材料组 织性 能 的影 响 [ J ] ． 粉末 冶金技 术， 1 9 9 7 ， 1 5 1 4 6 5 0． 吴庆定． F e C u Me 铁基减摩材料 的研 究r J ] ． 粉末冶金 技 术 ， 1 9 9 6， i 4 2 i 2 7 1 3 1 ． 张春友 ， 刘加宗． 锑对铁基减摩材料某些力学性能 的影 响[ J ] ． 粉末冶金】 业 ， 1 9 9 6 ， 6 5 2 0 2 3 ． 陈洁， 姚萍屏 ， 熊翔 ， 乔 卫东． Mo S 在铁基摩 擦材料烧 结过程中的行 为研 究[ J ] ． 非 金属矿 ， 2 0 0 3 ， 2 6 4 5 O 一 5 2． 韩凤麟 ， 贾成厂． 烧结金属含油轴承[ M] ． 北京 化 工工 业 版社 ． 1 5 6 1 5 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m