粉末冶金烧结硬化凸轮材料的摩擦磨损性能研究.pdf

第 3 3卷第 2期 2 01 5年 4月 粉 末冶 金技 术 Powde r M e t al l ur gy Te c hno l o g y Vo 1 ．3 3，No ． 2 Apr ． 2 01 5 粉末冶金烧 结硬化 凸轮材料 的 摩擦磨损性能研究 ；l 梁雪冰 ， ， 李 改 ’ 。 王林 山 ’。 一 齐红敏 ， ’ 汪礼 敏 ’ ’ 王 磊 ’ Z a k ． F a n g 1 北 京 有 色 金 属 研 究 总 院 ，北 京 1 0 0 0 8 8 2 有 研 粉 末 新 材 料 北 京 有 限公 司 ，北 京 1 0 1 4 0 7 3 北京恒源天桥粉末冶金有 限公 司 ， 北京 1 0 1 4 0 7 4 美 国犹他 大学 ， 盐湖城 8 4 1 1 2 摘要 本研究将铁基 F e C r Mo C u S i P C粉末 冶金 材料 用 于组合 烧结 式粉末 冶 金 中空 凸轮轴 的 凸轮制 备 ， 使用 MR H 5型高速环块磨损实验机进行摩擦磨 损性能测试 ， 并通过 白光干涉形貌法对该 凸轮材料在不 同 转速下 的摩擦磨损性 能 进 行研 究 。结 果 表 明 ， 凸轮 材 料烧 结 后密 度 可 达 7 ． 5 g ／ e m 以上 ， 硬 度 H R C达 到 5 3 ． 7 ； 材料的磨损状况 与转 速密切相关 ， 在 1 0 0 0～ 2 0 0 0 r ／ mi n转速范围 内， 磨损机制主要为磨粒磨损 ， 随着转 速 提高 ， 微 凸体 啮合程度不断降低 ， 摩擦 因数 降低 。磨损 量则呈 现先 增加后 减少 的趋势 。当转速 达到 3 0 0 0 r ／ mi n时 ， 以粘 着磨 损为主 ， 材料磨损严重 。在 同样 的实验条件 下 ， 该粉末 冶金凸轮材 料 的磨损 量仅为传统球 墨铸铁凸轮材料 的 1 ／ 3 ， 显示 了优异的耐磨性 。 关键词 粉末 冶金 中空 凸轮轴 ； 摩擦磨损性能 ； 转速 ； 磨粒磨损 St ud y o n f r i c t i o n a nd we a r pr o p e r t i e s o f p o wd e r me t a l l ur g y s i n t e r h a r de ni ng c a m m a t e r i a l Li a ng Xue bi ng ’” ， Li Gai ， ， ” ， W a ng Li ns han ’ ’ ，” ，Qi Ho n g mi n ”， W ang Li m i n’ ’ ．W an g Le i I l 2 ”，Za k．Fang 4 1 Ge n e r a l Re s e a r c h I n s t i t u t e f o r No n f e r r o u s Me t a l s B e i j i n g 1 0 0 0 8 8， C h i n a 2 G RI P M Ad v a n c e d Ma t e r i a l s C o ．， L t d ．Be i j i n g 1 01 4 0 7， C h i n a 3 Be i j i n g He “ g y u a n t i a n q i a 0 P o wd e r Me t a l l u r g y C o ．，L t d ．Be i j i n g 1 0 1 4 0 7， Ch i n a 4 T h e Un i v e r s i t y o f U t a h ，US A，S a l t L a k e Ci t y，UT 8 4 1 1 2 Abs t r ac t Th e ca ms f o r PM s i n t e r e d a s s e mbl e d h o l l o w c a ms ha ft we r e p r e p a r e d b y u s i n g i r o n ba s e d Fe Cr Mo P Si Mn Cu C p o wd e r me t a l l ur g y s i n t e r ha r d e n i n g ma t e r i a l， a n d t h e f r i c t i o n a nd we a r p r o p e r t i e s o f t h e c a m ma t e r i a l s u nd e r d i f f e r e n t r o t a t e s p e e d we r e s t u di e d b y u s i n g MR H5 a br as i o n t e s t e r a n d whi t e l i g h t i n t e r f e r o me t r y ． Th e r e s u l t s s ho w t h a t t he d e ns i t y o f s i n t e r e d c a m ma t e r i a l e x c e e d 7 ．5 g ／c m ．a n d i t s ha r d ne s s r e a c h 53 ．7 HRC．Th e we a r c o nd i t i o n i s c l o s e l y r e l a t e d t o t he r o t a t i o na l s p e e d．I n t he s p e e d r a n g e f r o m 1 00 0 t o 2 00 0 r ／mi n，t h e we a r for m i s ma i nl y a br a s i v e we a r ． W i t h t h e i n c r e a s i n g s pe e d，t he me s hi ng d e g r e e o f mi c r o bu l g e de c r e a s e，t h e f r i c t i o n c o e ffic i e n t de c r e a s e，a nd t h e we a r i n g c a pa c i t y fir s t i n cr e a s e a nd t he n d e c r e a s e ．W h en t h e s p e e d r e a c h t o 3 00 0 r ／ mi n，t he a dh e s i v e we a r o c c u r a n d c a us e s e r i o u s a b r a s i o n ． Un d e r t he s a me t e s t c on d i t i o n，t he we a r i n g c a p a c i t y o f t h e PM c a m ma t e r i a l i s o n l y 1 ／ 3 o f t h e c o n v e nt i o na l c a s t i r o n c a m ma t e r i a l wi t h t h e s a me h a r d ne s s，s ho wi n g e x ce l l e n t we a r r e s i s t a nc e o f t he PM c a m ma t e r i a 】 Ke y wo r dsP o wde r me t a l l ur g y h o l l o w c a ms h a ft； f r i c t i on a n d we a r pr op e r t i e s；r o t a t e s p e e d； a b r a s i v e we a r 工 信 部 “ 高 档 数 控 机 床 与 基 础 制 造 装 备 ”科 技 重 大 专 项 课 题 2 0 1 2 Z X 0 4 0 0 9 0 1 1 ； 科 技 部 国 际 合 作 交 流 项 目 2 0 1 1 D F A 5 1 8 4 0 ； 国家 自然科学基金专项基金项 目 5 1 3 4 1 0 0 3 ； 国家高技术研究发展计 划 8 6 3课题 2 0 1 3 A A 0 3 1 1 0 1 梁雪冰 1 9 8 3一 男 ， 高级工 程师。E ma i l l x b s s r m1 6 3 ． c o m }}通信作者 王林 山 1 9 7 7 ， 男 ， 高级工程师 。E ma i l w l s g r i p m． e c ru 收稿 日期 2 0 1 41 00 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金技术 2 0 1 5年 4月 发 动机 摩擦磨 损 主要 来 自轴 瓦 、 配 气机 构 以及 活 塞环组 件 等三部 分 ， 在发 动机 的配气 机构 中 ， 凸轮 与挺杆之间的摩擦磨损最为典型⋯。近年来 ， 汽车 发动机不断向高速、 高功率密度方向发展 ， 其配气机 构的惯性力 、 弹簧力和接触区的滑动速度增加 ， 致使 凸轮 的 损 坏 擦 伤 、 点 蚀 和 快 速 磨 损 越 来 越 严 重 。影 响 凸轮 的磨 损 因素 很 多 ， 主 要可 以归 结 为 结构设计、 材料和热处理状态 、 所采用的润滑油以及 使 用条 件 如 负荷 、 转速 等 。 目前工业上使用 的凸轮材料有铸铁 、 锻钢 以及 粉末冶金凸轮材料， 但传统铸铁凸轮材料 的耐磨性 已逐渐 不能 满足发 动机 日益增 长 的性 能需求 。铁 基 粉末冶金材料以其成分设计灵活、 高硬高强 的特性 而 得到快 速 发 展 ， 并 得 到 越 来 越 多 的关 注 。该 材 料借 助铁 基粉末 冶金 材料 合金 化 以及 添加 硬质 增 强 相 ， 显 著增 加 其 强 度 与 硬 度 ， 使 耐 磨 性 能 明 显 提 高 ， 属 于极具 应用 价值 的 凸轮 材料 之一 。 目前 国内外相关研究大多集中在传统的低合金 淬火粉末冶金凸轮材料方面 ， 而对于组合烧结用高 合 金铁 基粉 末冶 金烧结 硬化 凸轮 材料 的摩擦 磨损 性 能研究的公开报道较少 。本文对组合烧结用高合金 F e C r M o C u - S i ． P C粉 末冶 金 烧 结 硬 化 凸轮 材 料 进 行了研究， 获得不同转速条件下的材料磨损机制 ， 并 与 传统 铸铁 凸轮 进行 了摩 擦 磨 损性 能 的对 比 ， 对 于 凸轮材 料 的设计 和选 用具有 一定 的指 导意 义 。 1 试验 采 用 F e C r Mo ． C u S i P C粉末 冶 金 烧 结硬 化 材 料制备凸轮材料 ， 其化学成分如表 1所示。凸轮原 料 粉末 添加 0 ． 7 ％ 的硬 脂 酸 锌 ， 经 三 维 混 料 机 混 合 均匀 ， 后经 压 制 成 形 而 获 得 凸 轮 片 生 坯 ， 生 坯 密 度 6 ． 2 0～ 6 ． 3 0 g ／ c m 。然 后放 入 网带式 烧 结 炉 进行 高 温 烧结 。烧 结温度 为 1 1 2 0 o C， 烧 结气 氛 为 分解 氨 ， 烧 结 时间为 4 5 mi n ， 冷却 速度 平均 为 l 2℃／ mi n 。 表 1 凸轮材料 的化学成分 质量分 数 Ta bl e 1 名称 C 凸轮材料 2 ． 4 ％ F e 其余 摩擦磨损试验在 MR - H 5型高速环块磨损实验 机上 进行 。摩擦 磨损 试验 所 应用 的载 荷设 置 为 8 0 0 N m， 主 轴转 速分别 采用 1 0 0 0 、 1 5 0 0 、 2 0 0 0 、 3 0 0 0 r ／ mi n ， 以研究不 同转速对 粉末 冶 金 凸轮 材料 摩 擦磨 损 性能 的影 响 ， 试 验 时 间 6 0 mi n ， 温 度 为 常温 ， 润 滑 剂 为发 动机 用机 油 。滑动摩 擦 副 的试 块 为粉末 冶金 凸轮材料样 品或 球墨铸 铁 凸轮材 料样 品， 试 环 为 C r l 2淬火钢件 硬度 H R C 6 2 。使用 白光干涉形貌 法 对材料 的磨 损情 况进 行分 析 。 白光 干涉 形貌 法是 在传统的双光束干涉技术基础上 ， 基于 白光干涉的 典型特征， 通过定位表面各点 的最佳干涉位置来获 得 表面各 点 相对 高度 ， 从 而重 构 表 面 三 维 轮廓 的方 法 。得到摩擦面的三维形貌后 ， 可通过图像处理软 件得到磨痕的宽度和深度 ， 进而求得材料的磨损量。 2 结果 与讨论 2 ． 1 粉末 冶 金 凸轮 材料 的物 理性 能 试 验 制 备 的铁 基 F e - C r Mo ． P ． S i M n ． C u C粉 末 冶 金 凸轮 材 料 的平 均 密 度 高 达 7 ． 5 1 6 g ／ c m ， 硬 度 HR C达到 5 3 ． 7 。材 料 在烧 结 过 程 中产 生 一 定 的液 相 ， 实现 了较 大 的烧 结 收缩 ， 获得 较 高 的密 度 ； 在 冷 却 过程 中 ， 则 发 生 了显 著 的 硬 化 ， 而 获得 较 高 的硬 度 。 粉末冶金凸轮材料金相组织如图 1所示 。白色 组织 a 分布较 为连续 ， 应 为液相凝 固后形成 的组 织 ， 因富 含碳 化 物 高硬 相 ， 其 显 微 硬度 H V 高达 1 2 6 8 。 灰色组织为珠光体组织 b ， 其显微硬度 HV 为 5 5 0 。黑 色 区域 为 材 料 中 的孔 隙 ， 为 近 圆形 闭孔 c ， 这些 孔隙 在润 滑过 程 中可 以存 储 润 滑介 质 ， 提 高润滑效果 ， 缓解材料磨损 。 图 1 粉 末 台金 凸 轮 材 料 的 金 相 组 织 Fi g ．1 Me t a l l o g r a ph o f t he c a m ma t e r i a l s 2 ． 2 转速对粉末冶金 凸轮材料摩擦磨损性能的影响 图 2为不同转速条件下摩擦 因数随时间变化 曲线 。初期为磨合磨损阶段 ， 该阶段摩擦 因数随时 问显 著增 加 ， 约 1 0 0 s 完 成磨 合 磨 损 ， 随后摩 擦 因数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷第 2 期 梁雪冰等 粉末 冶金烧结硬化 凸轮材料 的摩擦磨损性能研究 8 5 辐 西 图 2 不 同转速 下摩 擦因数随 时间的变化曲线 Fi g ． 2 Th e f r i c t i o n c o e f f i ci e n t V S ． t i me un d e r di f f e r e n t r o t a t e s p e e ds ’ 逐渐趋于稳定 ， 且存 在一定 波动。当转速为 l 0 0 0 r ／ m i n时 ， 摩 擦 因数 波动 较 大 ， 并 且 随 着 时 间 的延 长 有缓慢增加的趋势。当转速提高到 1 5 0 0 r ／ mi n时 ， 摩 擦 因数 波动 减 缓 ， 数 值 基 本 趋 于 稳 定 。 当转 速 进 一 步 提 高 到 2 0 0 0 r ／ mi n时 ， 摩 擦 因 数 数 值 波 动 较 小 ， 且随时间的延长有缓慢降低 的趋势。当转速达 到较高的 3 0 0 0 r ／ m i n时， 摩擦因数波动极大 ， 且数 值较高 ， 这主要是转速过快 ， 温升过高而使润滑油失 效 所 导致 。图 3呈 现 了摩 擦 因数 与 转 速 的关 系 ， 在 1 0 0 0～ 2 0 0 0 r ／ mi n的有 效转 速范 围内 ， 随着转 速 的 提高 ， 摩擦 因数呈现逐步降低的规律 ， 摩擦因数最低 值为 0 ． 0 8 ， 属于边界润滑状态。这种摩擦 因数 随滑 动速度增加而减小的现象 ， 主要是 由于磨擦 过程 中 材料 中的软质组织率先磨 损而凹陷， 而高硬组织磨 损 较 慢形 成微 凸体 ， 微 凸体 之 间 的 啮 合 作 用 成 为摩 擦 阻力的主要来源 ， 在滑动速度升高的条件下 ， 摩擦 图 3 摩 擦因数与转速的关系 Fi g ． 3 The r e l a t i o n s hi p b e t we e n t h e f r i c t i o n c o e ffi c i e nt a nd r o t a t e s pe e d 面微凸体的啮合程度减小 ， 即微 凸体难于在短时间 内啮合深入 ， 而使摩擦因数降低 。 图 4为粉 末冶 金 凸轮材 料在 1 0 0 0 、 1 5 0 0 、 2 0 0 0 r ／ m i n转 速条 件 下 的 摩 擦 表 面 白光 干 涉 形 貌 ， 可 以 观察到磨痕表 面的粗糙度 随着转 速增加而逐渐 降 低。利用 白光干涉形貌法可测算出凸轮材料的磨痕 宽度 、 深度以及磨损量 。对于转速为 3 0 0 0 r ／ mi n的 试样 ， 因润滑 油 失效 而磨 损严 重 ， 已超 过 白光 干涉分 析有效 范 围， 因此使 用失重 法估算 其磨损 量 。磨 损测 算结果如表 2所示。在润滑介质有效 的转速范围内 1 0 0 0～ 2 0 0 0 r ／ m i n ， 材料的磨损量随转速的提高 呈现 先增大后 减小 的趋 势 ， 2 0 0 0 r ／ m i n转 速条件下磨 损量最小 ， 而 1 5 0 0 r ／ m i n转速条件下， 磨损相对严 重 ， 磨 损量接 近 2 0 0 0 r ／ m i n样 品的两倍 。 图 5为 不 同转 速下 凸轮 材料摩 擦 表面 的金 相照 表 2 凸轮材料在不 同转速 下的磨损量 Ta b l e 2 W e a r c a p a c i t y o f c a m ma t e r i a l un d e r d i f f e r e n t r o t a t e s pe e d 片 。从 图 5 a 可 以看 出 ， 当转 速 为 1 0 0 0 r ／ m i n时 ， 摩擦表面沿滑动方 向出现大量细小 的犁 沟状条纹 ， 同时伴有少许材料脱落后留下的孑 L 洞 ， 这是材料表 面微 凸体 在 摩擦 过程 中所 引起 的犁 沟状划 痕 和表 面 材料 脱 落 ， 属 于 典 型 的磨 粒 磨 损 。在 材 料 磨 痕 表 面 可发 现 C r l 2钢小 颗粒 粘 附 ， 直 径约 1 I x m， 应是 摩 擦 过程产生的磨粒 如 图 6所示 。在该条件下 ， 微凸 体 发生 了高程度 的啮合 ， 从 而造成 摩擦 因数 升 高 ， 磨 损主要来 自于微 凸体 的犁沟和显微切削作用 。 当转速提高到 1 5 0 0 r ／ m i n时 ， 如图 5 b 所示 ， 磨 痕表 面存 在较 多 颗 粒 剥 离 而 形成 的孑 L 隙 ， 犁 沟状 划 痕 明显减 少 ， 且不 连续 。表 明转 速 提高 ， 材料 表 面 微 凸体 的啮合程 度 下 降 ， 使 得 摩 擦 因数 有 一定 的 降 低 。同时 ， 由于啮合程度下降， 造成微凸体附近的接 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m