粉末冶金渗铜钢的摩擦磨损性能.pdf

第 l 8 卷第 1 期 V b 1 ． 1 8 No ． 1 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i ng o f Po wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 3 年 2月 F e b ． 2 0 1 3 粉末冶金渗铜钢的摩擦磨损性能 孙 加 宝，熊翔 ，党胜云 ，刘如铁 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 4 1 0 0 8 3 摘要通过压制、预烧和熔渗，制备 1 种液压零件用粉末冶金渗铜钢。用 UMT ～ 3型摩擦磨损实验机评价该材 料在边界润滑条件下的耐磨性，研究基体密度对渗铜钢摩擦磨损性能的影响，并与目前常用的耐磨合金进行摩擦 磨损性能对比。结果表明在边界润滑条件下，渗铜量相同，基体材料密度分别为 6 ． 4 0 、6 ．6 0 、6 ． 8 0 g ／ c m 的粉末 冶金渗铜钢摩擦副的摩擦因数相差不大，4 h的质量磨损量分别为 1 ．7 0 、1 ． 5 0和 3 ． 1 0 mg ；而传统耐磨合金中硬度 较低 的 H Mn 5 8 2铜合金磨损量为 2 4 ． 1 0 mg ，磨损 较快。 关键词粉末冶金；渗铜钢；边界润滑；摩擦磨损性能 中图分类号T F 1 2 5 ． 1 2 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 0 2 2 4 2 0 1 3 1 ． 3 3 ． 0 7 Fr i c t i o n a nd we a r p e r f o r ma n c e o f c o p pe r - i nfil t r a t e d p o wd e r m e t a l l u r g y s t e e l S UN J i a b a o ， XI ONG Xi a n g ， DANG S h e n g y u n ， L I U Ru t i e S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f P o wd e r Me t a l l u r g y , C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t A k i n d o f h y d r a u l i c c o p p e r - i n fi l t r a t e d p o w d e r me t a l l u r g y P Ms t e e l wa s o b t a i n e d t h r o u g h t h e p r o c e s s o f p r e s s i n g ， s i n t e r i n g a n d i n fi l t r a t i n g ． T h e UMT - 3 t r i b o me t e r wa s u s e d t o e v a l u a t e t h e f ric t i o n a n d we a r p e r f o r ma n c e u n d e r b o un d a ry l u b ric a t i o n c o n d i t i o n s ． T h e p e r f o r ma n c e s o f t r a d i t i o n a l we a r - r e s i s t a n t a l l o y s we r e a l s o s t u d i e d a s a c o mp a r i s o n ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， t h e h y d r a u l i c c o p p e r i n fi l t r a t e d P M s t e e l ma t e ria l s wi t h d i ffe r e n t ma t ri x d e n s i t i e s o f 6 ． 4 0 ， 6 ． 6 0 a n d 6 ． 8 0 g ／ c m i n fi l tra t e d r e s p e c t i v e l y wi t h t h e s a m e a mo un t o f c o p p e r h a v e a l mo s t t h e s a me f r i c t i o n c o e ffi c i e n t s 。 t h e we a r ma s s l o s s a r e 1 ． 7 0 ，1 ． 5 0 a n d 3 ． 1 0 mg r e s p e c t i v e l y a fte r 4 h we a r ,wh i l e ，t h e t r a d i t i o n a l we a r - r e s i s t a n t c o p p e r a l l o y HM n 5 8 2 wi t h l o we r h ard n e s s h a s t h e we a l “ ma s s l o s s o f 2 4 ． 1 0 mg ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r g y ； c o p p e r i n fil t r a t e d s t e e l ； b o u n d a r y l u b ric a t i o n ； f r i c t i o n a n d we a r p e r f o rm a n c e 液压系统广泛应用于机械、矿山等领域，系统内 的液压元件在工作过程中将流体的动能转换为容易利 用的机械能。因具有复杂的工作环境，液压元件在工 作过程中容易出现磨损而使系统失效_ l _ 3 J ， 因此在各种 液压元件的制造过程中，对零件的精度、密封性、材 料的耐磨性及强度等都有很高的要求。传统的液压元 件 多选用 热处理的 3 8 C r Mo A 1 、2 0 C r Mn T i 等材料 ，由 于零件的形状复杂、精度要求高且加工工序冗长，因 而制造成 本较 高 。 粉末冶金渗铜钢具有高强度、高致密度、直接成 形等特点，国内外许多学者对粉末冶金渗铜钢的制备 工 艺[ 4 - 5 ] 和 力学 性 能等做 了大 量研 究 [ 6 - 8 ] 。美 国 E A T O N 等公司开发出液压用渗铜钢零部件代替传统 的耐磨合金钢，取得 良好的使用性能。我国的液压核 心元件仍采用耐磨合金钢，渗铜钢尚未获得广泛应 用。人们对渗铜钢和铁铜合金的摩擦磨损性能做了许 多基础研究，铜的添加有助于改善铁基制品的耐磨 性 _9 ] ，郑朝旭等 『 】 o ] 认 为渗铜 处理对烧结硬化合金钢 的 硬度、齿破裂负载及耐磨性能均有提升的效果。材料 的磨损是个复杂的过程，不同环境下材料的耐磨性相 差甚远，目前对液压系统中特定工作环境下使用的渗 铜钢的耐磨性还缺乏研究。 本文作者采用粉末冶金工艺制备高强度渗铜钢， 对液压系统中边界润滑环境下渗铜钢的摩擦磨损性能 基金项 目粉末冶金 国家重点实验室创新资助项 目 3 3 1 1 0 1 1 0 9 收稿 日期2 0 1 2 0 3 ． 3 1 ；修订日期2 0 1 2 0 9 1 0 通讯作者熊翔，教授，博士。电话0 7 3 1 - 8 8 3 6 0 7 9 ；E - ma i l x i o n g 2 2 8 s i n a ．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 3 6 粉末冶金材料科学与工程 Ma r i x d e n s i t y ／ g c m一 图4 不同密度铁基体制备的销状试样的质量磨损量 Fi g ． 4 W e a r m a s s l o s s e s o f p i n s h a p e s a mp l e s 和 7 ． 7 8 g ／ c m3 。随铁基体密度提高，F e 一 1 4 C u ． 0 ． 8 C的 密度增加，孔隙度逐渐减小。基体密度为 6 ． 4 0 g ／ c m 时， 渗铜后材料中的残余孔隙度最大， 储油能力最好， 但由于边界润滑条件下，材料中的硬质点之间会产生 直接 接触 ，孔 隙周边 的质 点 由于强度 较低 而产 生磨 损。在基体密度为 6 ． 6 0 g ／ c m 时，渗铜后材料孔隙度 适中，一方面容易保持完整的油膜，减小摩擦，另一 方面， 适度的孔隙还容易容纳磨屑， 保持接触面光滑， 因而材料的磨损量最小；基体密度为 6 ． 8 0 g ／ c I l l 3 时， 孔隙度最低，材料的储油能力较差，摩擦过程中不易 形成完整的油膜，故磨损量最大。 2 - 3 摩擦磨损性能对比 上述实验 结果表 明，基体密度为 6 ． 6 0 g ／ c m 、渗 铜后密度达 7 ． 6 6 g ／ c m 的 F e ． 1 4 C u 一 0 ． 8 C盘状渗铜钢试 样与 F e ． 2 2 C u - 0 ． 8 C的销状试样组成的摩擦副， 具有最 佳的摩擦磨损性能。将其与目前广泛采用的传统摩擦 副材料 3 8 C r Mo A 1 、H Mn 5 8 ． 2进行对比，结果列于表 4 。由表 4可见与难 以加工 的传统摩擦副材料相 比， 渗 铜钢摩擦副在边界润滑等恶劣工作环境下，具有较 表4 2组摩擦副的摩擦学性能对比 T a b l e 4 T r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s c o mp a r i s o n b e t we e n tw o f r i c t i o n p a i r s F r i c t i o n M a s s W e a r W e a r c o e ffic i e n t l o s s ／ mg wi d t h ／ mm d e p t h ／ u m P i n F e 2 2 Cu ． 0 ． 8 C 0 ． 0 91 1 ． 5 0 ． 6 9 5 ． 8 Di s k F e 1 4 Cu 一 0 ． 8 C P i n HM n 5 8 ． 2 Di s k 3 8 cr M。 A1 0 0 4 9 2 4 1 1 8 8 7 9 小的磨损量，并且，采用粉末冶金工艺直接成形，减 少了加工量，具有更经济的制造成本。 由表 4可知，2组摩擦副的摩擦 因数接近 ，渗铜 钢摩擦副的摩擦因数略高。这是由于在边界润滑条件 下，摩擦副材料之 间会产生直接接触 ，渗铜钢 为 铜一 钢结构， 摩擦副相互接触过程中， F e - F e原子接触 时，其原子作用力较大，使摩擦副材料之间有更大的 粘着倾向，因而具有较大的摩擦因数。 在摩擦实验过程中，初始阶段为点一 面式接触， 接触面压力极高，摩擦副材料发生屈服而造成失效磨 损 。随摩擦 实验 的进行 ，摩擦副之 间逐 步转变 为面一 面式接触，材料之间的压力逐渐减小从而进入正常磨 损阶段，金属之间的磨粒磨损与粘着磨损成为主要磨 损方式 。 在正常磨损阶段，油膜对材料接触面的润滑有重 要的作用。 在同等边界润滑条件下， 传统的 3 8 C r Mo A 1 与 HMn 5 8 2铜合金都为致密材料，不含孔隙，储油 能力较差，因此产生较大的磨损。而渗铜钢摩擦副为 粉末冶金材料，含有较多的孔隙，容易保留润滑油， 在高压或高速状态下，润滑油从孔隙中溢出而进入摩 擦面 ，从而起到 良好 的减 摩作用 。渗铜 钢 为铜一 钢 结 构 ，较软 的单质铜相分布在珠光体周围的孔 隙中，形 成 1 种软硬结合的组织结构，摩擦过程中产生的硬质 点磨屑容易嵌入铜相中，从而保持摩擦面光滑，降低 磨损。 此外，摩擦过程中产生的磨屑同样对材料的磨损 有重要的影响。传统摩擦副材料在摩擦过程中产生的 磨屑残留在摩擦面上，使摩擦面粗糙、受力不均匀而 加剧磨损。渗铜钢摩擦副中，摩擦过程中产生的磨屑 在运动过程中容易进入孔隙或嵌入铜相中，如图 5 所 示，摩擦面保持相对光滑的状态，从而降低材料的磨 损 。 2组摩擦副材料对磨后，销状试样表面的摩擦形 貌如图 6 所示。由图 6 b 可见，摩擦面上存在少量孔 隙，摩擦过程中这些孔隙中储存的润滑油具有 良好的 减摩效果，有利于降低材料的摩擦因数和磨损量。比 较图 6 a 和 b 可以看到，在边界润滑条件下，2种由 不同材料组合的摩擦副的摩擦表面均较光滑平整，表 面仅存在少量较浅的犁沟，说明这 2组摩擦副材料的 摩擦状况 良好。 图 7 所示为 2组摩擦副的销状试样垂直于摩痕方 向的磨痕深度 曲线。由图可见 2组摩擦副的磨痕深度 接近， 但 H Mn 5 8 ． 2的磨痕宽度远大于渗铜钢， 这是由 于球状铜合金试样的屈服强度较低，摩擦过程中，球 状试样尖端接触应力较高，材料易发生屈服而导致磨 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 上接第 l 2页 [ 4 ] 种 晋，马越军，郝津 臣，等 ． L i 【 B 合 金负极 在热 电池 中的应 用研究l J ] ．电源技术， 2 0 0 7 ， 3 1 3 2 2 0 2 2 4 ． CHONG J M A Y J ，HAO J C，e t a 1 ．S t ud y o n a p pl i c a t i o n o f l i t h i u m b o r o n a l l o y a n o d e i n t h e r ma l b a k e r y[ J ] ． Ch i n e s e J o u r n a l o f P o we r S o u r c e s ， 2 0 0 7 ， 3 1 3 2 2 0 2 2 4 ． [ 5 ] 刘志坚，李志友，曲选辉，等．新型热 电池阳极 L i B合金 的制 各、性能与应用[ J 1 ． 材料科学与 工程，2 0 0 2 ，2 0 2 2 6 3 2 6 7 ， 2 5 0 ． L 1 U Z h i - j i a n ，L I Z h i y o u ，QU X u a n h u i ，e t a 1 ．P r e p a r a t i o n p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n o f a n e w b a t t e r y a n o d e L i - B a l l o y[ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ，2 0 2 2 63 2 6 7 ， 2 5 0 【 6 】 WANG F E Me t a l a l l o y a n d me t h o d o f p r e p a r a t i o n t h e r e o f US ． 4 l 1 0 l 1 1 [ P ] ． 1 9 7 8 ． I 7 】 F R ANK C K，R E BE C C A L ． P r a c t i c a l mi n i a t u r i z a t i o n o f t h e l c c m t h e r ma l b a t t e r y u s i n g g a s g e a e r s [ C ] ． ／ ／ N／ A． P r o c e e d i n g s o f t h e P o w e r S o u r c e s C o n f e r e n c e 4 2 n d ．US A N I T S ，2 0 0 6 2 5 3 2 5 6 ． F RANK c K，S HI CHTMAN M J ．Ga s g e t t e r i n g in o p e r a t i n g t h e rm a l r e s e r v e d b a t t e r y [ C] ／ ／ N ／ A．P r o c e e d i n g s o f t h e P o we r S o u r c e s Co n f e r e n c e 4 1 s t 、 ．US ANI T S ． 2 0 0 4 8 7 9 O ． F RANK C．KRI EGER M ，J E NNI F ER M ，e t a 1 ．Ga s e vo l u t i o n f r o m t h e r ma l b a t t e r y ma t e ri a l s【 C ] ／ ／ N／ A．P r o c e e d i n g s o f t h e P o we r S o u r c e s C o n f e r e n c e 4 4 t h ． US A NI T S ． 2 0 1 0 5 1 7 5 2 0 黄海锋， 刘志坚， 杨晓亮， 等． 热电池阳极材料L j B 合金的力 学性能[ J J l 材料研究学报， 2 0 1 0 ， 2 4 2 1 8 7 1 9 0 ． HUANG H LI U Z J ， YANG X L， e t a 1 ． M e c h a n i c a l p r o p e r t y o f L i B a l l o y u s e d f o r a n o d e ma t e r i a l s o f t h e r ma l b a k e r y 『 J ] Ch i n e s e J o u rna l o f Ma t e r i a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 0 ， 2 4 2 1 8 7 1 9 O YONCO R M ， VECKI S E， M AR0NI V A． S olub i l i t y o f n i t r o g e n i n l i q u i d l i t h i u m a n d t h e rm a l d e c o mp o s i t i o n o f s o l i d L i 3 N [ J ] ． J Nu c l e a r Ma t e r i a l s ， 1 9 7 5 ， 5 7 3 3 1 7 - 3 2 4 ． M AS SALKI T B Bi n a r y a l l o y p h a s e d i a g r a mSe c o n d Ed i t i o n P l u s Up d a t e【 M] ． A S M I n t e r n a t i o n a l T h e Ma t e r i a l s I n f o r ma t i o n S o c i e ty, 1 9 9 6 1 2 7 0 ． WA NG H WA NG X M ， OE F F ， e t a 1 ． De n s i ty f u n c t i o n o f H 2 a d s o r p t i o n o n L i B 0 1 0 s u r f a c e[ J 】 l P h y s i c a B ，C o n d e n s e d Ma t t e r V o l u me ， 2 0 1 0 ， 4 0 5 7 1 7 9 2 - 1 7 9 5 ． F RI EDRI CHS 0．BUCHTER F 、BORGS CHUL TE A，Di r e c t s y n t h e s i s o f L i [ B H 4 】 a n d L i [ B D 4 】 f r o m t h e e l e me n t s l J 1 l A c t a Ma t e ria l ， 2 0 08 ， 5 6 9 4 9 9 5 4 ． 编辑汤金芝 一_ n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m