新型自润滑轴承粉末冶金铁基材料的研制

摘要

使用PM技术的基础上，铁粉不同的元素添加新的减摩材料，以获得具有改进的摩擦学特性的自润滑轴承的研制。的elemental powder mixtures were blended for 2 hours in a 3D homogenization device, were compacted at a pressure of 500 MPa, and then sintered in dry hydrogen atmosphere at different temperatures for different maintaining times. The effect of technological parameters on physical properties (density and dimensional changes) was presented in this study. The mechanical and tribological properties (tensile strength, hardness, impact energy, friction coefficient, and wear rate) related to addition elements were evaluated. The tribological behaviour of the selected iron-based alloys was analysed by pin on disc tests without lubrication. Also, the wear surface scars and the microstructure of the wear surfaces were investigated.

1.简介

自润滑轴承表示与金属过滤器和火花塞不能被其它技术生产由PM技术获得的多孔材料的最古老的工业应用。近年来铁基烧结轴承的生产是在以铜为主的人的费用大大增加，由于铁粉的成本和可用性低，以及他们更高的强度。部件的机械性能密切相关的材料的组合物。对于摩擦应用中，表面的性质都与形成在材料中的不同的金属和金属间相。

通过粉末冶金工艺控制结构的不均匀性，可以获得常规工艺无法制造的具有特殊性能的材料。许多烧结零件达到了足够高的强度，例如，类似于铸铁，气孔率已经达到20-15%。与传统技术获得的致密材料相比，多孔材料的最大优势在于其孔隙度，这就像其自身的油藏一样。当孔隙率高时，自润滑轴承就能达到优异的性能，因此在不活动期间，足够的油积聚在孔隙中，当轴在孔隙中开始旋转时，油就会泄漏。材料密度对自润滑轴承的承载能力起着重要作用。因此，必须了解零件的实际加载情况，并在此基础上对材料的合金化和处理情况进行修正。

烧结铁基耐磨材料没有开发，直到最后几十年，因为它们的耐腐蚀性差和减摩性能。考虑到低成本和铁的可用性，添加诸如铜，石墨，锰，铅，磷，硼，锡和铁已被尝试，但改善一种性质是通过在其它特性的降低[偏移1- - - - - -4]。为了提高抗磨性能和机械性能，本本文重点研究的Fe-Cu系的Sn-Pb-MOS的发展₂耐磨合金。

由于材料粉末和制造过程的质量得到改善，粉末冶金件曾在采取铸造和锻造产品的地方很多情况下。这是非常重要的，以避免后续的操作如上浆和加工，提高烧结后得到的最终的尺寸公差。有许多因素导致的尺寸变化，其综合效应，使之更难以预计和控制这些变化。在本文件中，报道的影响在系烧结铁基合金的尺寸变化的实验结果的不同的参数。

研究了烧结件密度，从而研究了烧结温度和烧结时间对自润滑轴承铁基材料密度的影响。

的密度和尺寸变化的烧结参数的这些影响被呈现为使用STATISTICA软件三维表面图。

2.材料和实验步骤

以DUCTIL S.A. BUZAU (DP 200-HD)生产的铁粉、电解铜粉、锡粉、铅粉、二硫化钼粉为实验材料。由于金属氧化物金属氧化物具有层状结构₂是最受欢迎和可用的固体润滑剂之一。金属氧化物半导体₂用于减少常规冷模压制过程中颗粒间的摩擦，以及粉末颗粒与模具壁之间的摩擦。引线表现出优异的自润滑性能和起着固体润滑剂，以防止癫痫发作的作用。另外，由于铅形成软分散相，它具有贴合性，并且允许以被嵌入其中的固体物质。锡是抗磨铝合金的关键角色，因为它可以影响耐腐蚀性和疲劳强度以及这些材料的摩擦和磨损特性，也可以改善。

元素粉末进行称重，以所选择的比例和混合在3D均质化装置2小时。的n, test pieces were cold compacted at 500 MPa into a rigid die by applying pressure in a single axial direction through a rigid punch or piston, and cylindrical specimens with 10 mm diameter and 7 mm height were obtained and used for metallographic examination and measurement of green and sintered density, porosity, and dimensional change after sintering.

绿色样品放置在具有均匀加热区的管状炉中，在800、850和900℃烧结20、35和50分钟。烧结气氛为干氢，流量为1 L/min。然后，通过关闭电源并保持相同的氢气流量，对样品进行熔炉冷却。

对于所选择的组合物的参考密度通过混合物的规则计算，和烧结密度，使用阿基米德原理重量分析进行评价。烧结体的体积尺寸变化进行计算，并使试样的总孔隙度是从参考密度和测量的密度之间的差异进行评价。

实验条件和粉末混合物的组成在表格中给出1和2和烧结体的密度示于表3.。

特殊形状的标本进行PM技术生产用于与操作标准化测试PM部件的拉伸强度相符。

在压痕载荷为50 N的情况下，采用维氏硬度法对粉末冶金材料进行了硬度试验。

冲击能根据SR EN 10045-1-93进行夏比试验，采用5×10×55 mm无缺口试样。

使用摩擦系数和磨损率测量值的测试装置通过销 - 盘试验干摩擦的条件下进行分析的烧结样品的摩擦学行为（图1)at a sliding speed of 0.75 m/s and a specific load of 3.72 MPa giving值为2.8 MPa m/s。承载能力是干滑副的重要摩擦学性能。的因子或数值将滑动轴承的机械输入表征为设计的严重度或摩擦材料能支持的最大机械输入[5]。Cylindrical specimens of 10.5 mm diameter and 7 mm height were used for wear tests. The mating part was made from 1C45 (SR EN 10083-1,2) with 235 HB.

摩擦系数使用关系（计算1)，沿滑距1360米: 是的摩擦力和是作用在杠杆上的合力。

在900℃下烧结，因为它们更好地与那些在850℃和800℃下烧结相比，机械和物理特性的值在50分钟的材料进行了磨损率。磨损率在评价=2.8 MPa m/s and calculated in terms of the worn layer thickness of the sample per sliding distance and in terms of the worn volume of the tested sample per sliding distance using reference density of each compact. Linear wear rate and volumetric wear rate were determined as follows: (2)是磨损层（毫米）的厚度， 磨损材料的体积(mm)^3.),滑动距离(m)。

通过扫描电镜图像对磨损表面进行了表征。

3.结果与讨论

3.1。微观结构和物理性能

所选合金的典型组织如图所示2和样品的孔隙率的微观调查显示在图3.。

这些微观结构强调了铁素体基体中相的相对均匀分布，具有明显的边界。在所有成分中均能分辨出少量球状的Pb和Cu-Sn晶粒，Fe中也能分辨出伸长的Fe- sn金属间化合物α矩阵周围的铁素体晶粒。晶粒的这种布置是典型的液相烧结的最后阶段，当液体占据颗粒之间的空间。此外，一些铁钼颗粒可以在用1％的Sn和2.5％的Sn和在一些合金的Fe-的铜颗粒的组合物中可以看出图1和2，我们在样品几个小的孔用1％的Sn和2.5％的Sn，但含有1.5％的Sn的样品显示的孔隙率与主要放置在晶粒边界不规则形状的孔的更高的水平。

烧结体的抛光和未蚀刻表面的光学显微照片，从合金1,2制成，并且图3示出不同程度的孔隙度。有不规则形状的和尖锐的边缘每个样品中几个大的孔，除了一些具有圆形形状（图3(一个)），并与一个非均匀分布到金属基体在所有样品中小的孔可以在更大的量可以观察到具有相对更均匀的分布为锡含量的增加，具有针状和点状的形状。

烧结材料的某些物理特征具有，因为它们对某些机械特性（拉伸强度，压缩强度，韧性和硬度），耐磨和自润滑性能影响的重大意义。

从所选择的合金（1，2，和3）作为烧结时间和温度的函数所作的烧结样品的密度进行了表征。

的3.D graphic dependences of the density versus sintering temperature for the selected materials compacted at 500 MPa and maintained in the heating zone for 20, 35, and 50 minutes are presented in Figures4,5和6。

从图表分析可以看出，三种合金的烧结密度都随着温度的升高而降低。对于含1% Sn的试样，在各种温度下烧结，其密度随着烧结时间达到35分钟呈上升趋势，随着烧结时间达到50分钟呈下降趋势。在所有烧结温度下，含2.5%锡的试样相对于维持时间有不同的趋势。对于含1.5% Sn的合金，在800℃、850℃加热20、35、50分钟时烧结密度呈上升变化，在900℃烧结三次保持时烧结密度呈下降变化。在20分钟的烧结时间内，记录了该合金烧结密度的最小值。1、对合金进行35分钟。2和3。

烧结密度的这种行为被液相烧结过程中归因于紧凑肿胀。铜锡合金的铁 - 锡金属间化合物的颈部的形成产生通过限制低熔点相的扩散到网络中以填充孔致密化的初始下降。由于铜在锡中的扩散系数在温度是比铁在锡的高约850℃，形成的铁 - 锡金属间化合物有助于增加互通的孔隙率，并且因此较少致密化。密度增加时，软相扩散到毛孔发生。孔隙填充通过在紧凑在局部区域液体优先地开始和涂抹液相烧结期间。小孔填充第一，因为他们有润湿液的最高毛细引力。高 - 绿 - 密度的区域对应于更小的孔，所以孔填充自然有利于高绿色密度区域[6]。

在数据7,8和9给出了铁基烧结样品尺寸变化与烧结参数(温度和时间)的关系。

所有在900℃烧结的合金尺寸的大膨胀可能是由于液体对晶界的渗透造成了晶面分离和液体形成时的膨胀。这种渗透作用使更多的固体颗粒分离，增加了颗粒中心之间的距离，从而导致致密物的增长[7]。此行为是在较高温度下为锡含量的增加可能归因于Cu-Sn金属，铁 - 铜和铁 - 锡化合物的形成中更大的量。液态锡具有在固体铁实质性溶解度因而紧凑肿胀由于在现有粒子站点孔形成发生。

减小尺寸变化是由于在较高温度下形成的Fe-Sn相的，它具有比铁的热膨胀系数较低。的维生长的另一个原因可能在如在氢气氛中进行烧结工序中的孔隙是由于被困氢。

3.2。机械性能

在指定条件下烧结的成形试样的抗拉强度如图所示10作为锡的含量的函数。

拉伸强度具有用于在900℃下烧结的所有组合物的较高的值，并与Sn含量的减小而减小。相同的倾向，观察到所有的烧结温度。此行为可能在一些强化相等的Fe-Cu系，铁 - 锡，铁钼，和Cu-Sn和到固体骨架溶解度的瞬态液相为逐渐增加的较高的温度是可能由于形成温度越来越高。

用图表说明了化学成分对硬度和冲击能的影响11- - - - - -13。

对于在900℃下烧结所有样品所获得的硬度的最高值。所有选择的组合物具有几乎在所有三个烧结温度相同的硬度特性，除了含有1.5％的Sn的一个和在800℃下呈现硬度的增加的值烧结。这可以通过一些强化相，如Fe-Sn系，铁 - 铜，和Cu-Sn金属形成的存在由于可用于扩散过程较长的时间进行说明。的highest value of the hardness (139 VH₅）中的溶液表现出与2.5％的Sn的样品烧结在900℃下。

夏比试验的目的是建立用于断裂试验的条件下试样的材料的缺口韧性，定义为工作（冲击能量）。上无缺口试样的卡毕冲击试验是用在室温下的仪器化摆锤具有可用的能量进行100 J, 5 m/s的冲击锤速度。

表格4显示冲击能(）和韧性强度（KC）值在800℃，850℃，900℃50分钟烧结所有合金。上的冲击能量的化学成分的影响被呈现于图12，烧结温度对冲击能的影响如图所示13。

在所有三种温度下，发现含2.5%锡的样品的冲击能最低，含1%锡的样品的冲击能较高。在900℃烧结后，冲击能是800℃烧结的两倍左右，这突出了微观结构均匀性的影响，尽管孔隙形状和尺寸的变化以及孔隙分布更加均匀也可能导致这种行为。冲击能较高的原因可能是大量形成了Pb-Sn或Cu-Sn、Fe-Sn的硫化物等软相，这些软相弥散到封闭孔隙中，形成塑性区域较多的微观结构。因此，断裂试样所需的较高能量意味着材料具有韧性。

3.3。摩擦学特性

研究了锡含量对900℃烧结50分钟试样摩擦系数的影响value of 2.8 MPa m/s is shown in Figure14其值如表所示5。

含锡量为1%的试样摩擦系数较大，含锡量为2.5%的试样摩擦系数较小。这可能是由于存在一些软相，如Cu-Pb和Fe-Cu-S，它们在衬底中具有较低的共享强度，并且由于高负载而暴露在滑动中[8]。一般地，摩擦系数的变化能在硬度变化的基础上（图上说明11)。与硬度的降低和该材料的份额强度，这意味着与硬度和与所述共享强度的间接比例正比例的增加摩擦系数增加。除了其减少粉末颗粒之间的和粉末颗粒和常规冷模压制期间模具壁，硫化钼之间的摩擦大能力₂在一定的应用条件下，用于减少金属表面之间的摩擦。另一种适用于MoS应用的方法₂是其在金属基体掺入，以产生自润滑材料[9]。因此，固体润滑剂的MoS的存在₂有助于摩擦系数的降低。固体润滑剂粒子时的滑动过程得到的含表面上，并降低摩擦[10]。

线性磨损率是通过测试结束时测量样本的最终高度，并从初始高度提取，得到磨损层的厚度()。类似地，重力磨损率通过进行测试，并使用参考密度计算它们的体积之后称重试样中发现。最终的结果代表三次测定的平均值。

线性磨损率和重量磨损率值在表中给出5。数字15示出了线性磨损率与在指定的条件下烧结，不同的Sn的添加的样品，和图16显示了重量磨损率作为锡含量的函数。

从图15和16可以观察到的是含有2.5％的Sn的材料的磨损率（线性和重量），并在测试= 2.8 MPa m/s磨损率最低。摩擦系数中，磨损率与硬度成反比关系，与共享强度成直接关系。虽然含1% Sn和1.5% Sn的试样中铅的含量较大，并扩散到表面，起到固体润滑剂的作用，但磨损试验中量化的质量损失较大，表明耐磨性较低。可能是由于较高的正常负载((= 3.2 MPa)，当基体暴露时，胶粘剂的组分增加，软相(Pb, Sn-Pb，或硫化物)从样品表面转移到圆盘，通过增加表面的共享应力而增强。

数字17显示样品在900℃烧结50分钟并在= 2.8 MPa m/s。此外，在图中可以观察到试样在磨损过程中突出材料行为的边缘区域18。为了研究磨损试样的表面损伤，采用扫描电镜(SEM)对磨损试样进行了观察。

磨损表面呈现出污损的气孔和更深的磨损痕迹，表明磨损是由于粘合和研磨机制与被试材料在所有成分中的转移和微切削的共同作用而发生的。

含有1％的Sn的材料的磨损表面呈现深的伤痕，其沿着所述滑动方向形成，由于在接触草区之间的附着力强（图(17日))。表面层被改性和氧化物膜通过塑性变形，随后新的层在接触损坏。

同时，在磨损过程中可以观察到边缘区域的轧制或翻边以及材料的剥落(图)18(a))。这种行为是典型的软和韧性材料，可以解释为大量的铅在材料组成。

加入1.5% Sn的样品磨损表面的深痕较少，但磨损表面较为粗糙，可以观察到与样品表面分离的磨损颗粒(图)17 (b))。

同样，试样的边缘材料也发生了滚压和剥离，但由于铅的含量较少，其速率较小(图)18（B））。

由颗粒间桥的“锥形杯”的配置上微观尺度观察到的烧结材料的延性字符可以通过其在磨损过程发展缓慢的塑性变形工艺也突出于宏观尺度。

含有2.5％的Sn的合金具有硬度的较高的值和摩擦系数和磨损率具有可接受的值。该材料的磨损表面与更精细的疤痕粗更少和更小的数目，由于微区之间的焊接桥接的失败从样品表面分离的微粒的（图17 (c))。少量的边缘材料被卷起和剥离(图)18（C））。

使用表面轮廓仪对磨损表面进行表面粗糙度测量。

数字19显示了含1、2、3成分的试样在磨损试验后的二维表面轮廓。是2D表面轮廓的最大峰 - 谷高度;为表面粗糙度的算术平均值，是监控生产过程最常用的参数;为表面粗糙度深度，通常用于所有类型的表面;为最大轮廓峰高和在预测一个表面的承载特性是有用的。

从磨损过程后的表面粗糙度分析可以看出，含2.5%锡的试样表面粗糙度参数值较低，证实了该材料摩擦系数和磨损率的结果。

4。结论

考虑所选材料的物理、机械和摩擦学行为，可以得出以下结论。(我)合金。3在900℃烧结50分钟后性能最佳。（ⅱ）通常，随着烧结温度的密度增大的小值，由于在液相在较高温度下烧结获得的体积维生长。(3)在900℃下50分钟，分布在铁素体基体和小孔隙数量较多具有相对均匀分布的柔软和强化相在烧结时一个相对均匀的微观结构来实现的。(iv)抗拉强度、硬度和韧性可与现有铁基材料相媲美[11- - - - - -14]。(v)Tensile strength of 205 MPa, hardness of 139 VH₅，韧性12.5 J/cm²在900℃烧结50分钟和含2.5%锡的合金中，由于在较高的温度和较长的烧结时间下形成的强化相的存在，可以得到。（ⅵ）在=2.8 MPa m/s the friction coefficient is about 0.1, the linear wear rate has the lowest value of 17.6 × 10⁻⁵毫米/m, and also the gravimetric wear rate has the lowest value of 9.8 × 10⁻²毫米^3./米。这些结果在结构软质相，其具有低的比重强度在衬底和在高负荷试验的存在的基础上解释暴露于滑动。此外，硫化钼₂固体润滑剂的添加在摩擦系数的减少做出贡献。在另一方面，磨损率显示出由于在较高的正常负载和曝光并从样品表面的软质相转移到配合盘增加粘合剂组分较低的值。其结果是，在样品表面处的增加的份额应力。(七)研究了用所选材料制成的试样在干摩擦(无润滑)条件下的摩擦学行为，观察到摩擦系数随着锡含量的增加而下降。线性磨损率和重量磨损率随锡用量的增加而减小。（ⅷ）在900℃下烧结50分钟，并在测试样品的磨损的电子显微镜分析面=2.8 MPa m/s shows deep wear tracks indicating that wear occurred due to combined action of adhesive and abrasive mechanisms with transfer and microcutting of the tested material. Also, the marginal regions of the samples with rolled and exfoliated layers highlight the material behaviour during wear process. Deeper scars along the sliding direction due to the strong adhesion between roughs in contact exhibit sample with 1% Sn and their aspect can be observed on the 2D surface profile. The wear surface of the sample with 2.5% Sn is less coarse with finer scars and a smaller number of particles detached from the sample surface. The difference between the scar aspects of the worn surfaces and also the difference between wear depths is emphasized on 2D surface profiles by pick-to-valley height,，粗糙度参数，和，在锡含量为2.5%的样品中，其值最低。

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