丁少鵬 徐 嘉 史正良 楊歐翔 鄧麗穎 柳 鵬

(1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東珠海 519070;2.珠海格力電器股份有限公司廣東珠海 519070;3.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東珠海 519070)

粉末冶金因其價(jià)格低、質(zhì)量輕、材料利用率高及潤(rùn)滑性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于壓縮機(jī)軸承、隔板等零件中[1-4]?；w材料一定的孔隙率能夠存儲(chǔ)潤(rùn)滑油，相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有利于潤(rùn)滑油膜的形成，達(dá)到潤(rùn)滑減摩的效果[5]。但孔隙的存在，削弱基體的強(qiáng)度與硬度[6-7]，重載條件下，尤其隨壓縮機(jī)運(yùn)行工況的復(fù)雜化、嚴(yán)格化，粉末冶金零件表面容易發(fā)生嚴(yán)重磨損情況，影響壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，造成整機(jī)壽命、能效比下降。為此，開(kāi)展粉末冶金材料摩擦行為研究，分析密度與成分變化對(duì)表面摩擦磨損特性的影響規(guī)律是十分必要的。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)鐵基粉末冶金材料摩擦磨損性能進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[8-9]認(rèn)為干摩擦條件下，銅-鐵基粉末冶金材料的摩擦因數(shù)隨端面滑動(dòng)速度的增加而降低，隨鐵含量的增加而略有上升，水潤(rùn)滑下則明顯降低了低速工況下的摩擦因數(shù)，而對(duì)高速工況下的摩擦因數(shù)影響微弱。文獻(xiàn)[10-12]通過(guò)微觀磨損形貌的分析，認(rèn)為干摩擦下銅-鐵基粉末冶金材料的磨損機(jī)制以磨粒磨損及引起的塑性變形為主，但隨載荷變化，伴隨疲勞磨損、黏著磨損和氧化磨損等形式。文獻(xiàn)[13-15]分析了浸油潤(rùn)滑下含碳量及材料密度對(duì)鐵基粉末冶金摩擦磨損行為的影響，指出含碳量為0.6%～0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，基體組織為珠光體加少量鐵素體，且材料的摩擦性能最優(yōu)；此外，材料密度過(guò)高或過(guò)低均不利于端面減摩耐磨，存在最佳密度值。丁存光等[16]探討鉬元素對(duì)鐵基粉末冶金的影響，認(rèn)為鉬元素可在材料中形成硬質(zhì)點(diǎn)，雖然降低了材料的力學(xué)性能，但材料摩擦性能獲得極大改善。鐵基粉末冶金材料的摩擦行為與組織形態(tài)、成分構(gòu)成等密切相關(guān)，但目前該方面的研究較為缺乏，開(kāi)展密度與成分變化對(duì)表面摩擦磨損特性影響規(guī)律的研究，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)壓縮機(jī)內(nèi)粉末冶金材料的摩擦磨損機(jī)制，從而提高壓縮機(jī)壽命、能效比尤為重要。

本文作者針對(duì)壓縮機(jī)粉末冶金零件，展開(kāi)不同密度、不同成分的鐵基粉末冶金試樣摩擦磨損行為分析，采用摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同試件摩擦因數(shù)變化情況，并通過(guò)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡對(duì)試件基體組織構(gòu)成、端面微觀磨損形貌進(jìn)行檢測(cè)，探討密度、成分變化對(duì)摩擦磨損影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試件

實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用環(huán)-環(huán)配副，如圖1所示，動(dòng)摩擦試件即上試件與旋轉(zhuǎn)主軸相連，以200 r/min作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，材料為JIS-FC300合金鑄鐵，外徑40 mm、內(nèi)徑27 mm、厚度24 mm。靜摩擦試件即下試件保持靜止，并承受法線方向向上施加的外加負(fù)載，試件采用不同密度及成分的粉末冶金材料，外徑54 mm、內(nèi)徑20 mm、厚度7 mm。

圖1 動(dòng)、靜摩擦試件的形狀及尺寸示意Fig 1 Shapes and dimensions of test samples (a) rotational sample;(b) stationary sample

文中使用的Fe-C-Cu合金采用常規(guī)壓力燒結(jié)制備，粉末冶金試樣中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、試樣密度參數(shù)及硬度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 粉末冶金材料成分配比及密度、硬度參數(shù)Table 1 Element,hardness and density of powder metallurgy

其中，碳、銅元素采用粉體原料，鐵粉采用噴霧成型，其中加入0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分散劑防止鐵粉的團(tuán)聚。粉末經(jīng)過(guò)1 h的混合后，在500～600 MPa的壓力下成型(成型壓力不同造成試樣密度差異)，然后于1 120 ℃下燒結(jié)，最后進(jìn)行560 ℃保溫及0.5 h的蒸汽處理[17]。

粉末冶金試件表面微觀形貌采用BRUKER Contour GT-K三維白光干涉儀進(jìn)行檢測(cè)。如圖2所示，試件表面光滑，存在均勻分布孔隙，最深達(dá)到8.5 μm，粗糙度控制在Ra=0.01 μm左右。

圖2 粉末冶金試件微觀形貌Fig 2 Microstructure of powder metallurgy specimen

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

摩擦實(shí)驗(yàn)采用MMW-1A摩擦試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示，摩擦測(cè)試部分結(jié)構(gòu)如圖4所示，上試件通過(guò)金屬夾具與旋轉(zhuǎn)主軸相連，并隨電機(jī)作既定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。下試件固定在支座上，保持靜止，并承受端面垂直方向施加的外加載荷。整個(gè)摩擦副浸入油池中，潤(rùn)滑油采用FV50S，每組試件測(cè)試時(shí)間持續(xù)60 min，測(cè)試環(huán)境溫度20～25 ℃，相對(duì)濕度45%～55%，具體測(cè)試條件見(jiàn)表2。測(cè)試前對(duì)摩擦試件進(jìn)行超聲清洗，測(cè)試結(jié)束后對(duì)試件再次用丙酮和乙醇進(jìn)行清洗，并通過(guò)掃描電子顯微鏡(Quanta FEG-250)對(duì)摩擦端面微觀磨損形貌進(jìn)行檢測(cè)分析。

圖3 MMW-1A立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Fig 3 MWM-1A vertical universal friction and wear tester

圖4 摩擦測(cè)試部分結(jié)構(gòu)示意Fig 4 Schematic of structure of friction test part

表2 實(shí)驗(yàn)操作條件Table 2 Operating conditions during tests

2 結(jié)果分析與討論

2.1 密度影響

圖5所示為不同負(fù)載工況下的不同密度粉末冶金試樣的摩擦因數(shù)隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間變化曲線。如圖5(a)所示，在F=200 N工況下，隨密度增加，試件摩擦因數(shù)逐漸增大；穩(wěn)定狀態(tài)下，試件#1-1摩擦因數(shù)維持在0.023 60，試件#1-2為0.029 00，試件#1-3為0.038 94。粉末冶金密度變化與孔隙率密切相關(guān)，密度越小，孔隙越大，如圖6所示，微孔儲(chǔ)油能力越強(qiáng)，潤(rùn)滑過(guò)程中形成的油膜越厚，流體潤(rùn)滑狀態(tài)下，摩擦因數(shù)越小。

圖6 不同密度試件顯微結(jié)構(gòu)Fig 6 Microstructures of powder metallurgy samples with different densities (a) sample #1-1;(b)sample #1-2;(c)sample #1-3

圖5(b)所示為在F=400 N的工況下，3種密度試樣的摩擦因數(shù)變化情況。隨密度增加，摩擦因數(shù)變化與F=200 N相反，呈逐漸減小趨勢(shì)；3種試件的摩擦因數(shù)分別為0.033 48、0.029 88、0.028 67，相應(yīng)的硬度分別為179.6HB、185.6HB、192.6HB。隨負(fù)載增加，端面間逐漸由流體潤(rùn)滑向混合潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變，油膜不連續(xù)，發(fā)生粗糙峰間的直接接觸，摩擦因數(shù)包括流體間摩擦與固體間摩擦，固體間摩擦因數(shù)隨基體硬度提高而下降，與孔隙關(guān)系減弱，因此摩擦因數(shù)隨密度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[7]。

載荷F=600 N工況下，3種試樣摩擦因數(shù)變化情況如圖5(c)所示。結(jié)果顯示，在較高載荷下，配副端面發(fā)生直接固體接觸，材料產(chǎn)生塑性變形，與密度及孔隙關(guān)系減弱，因此密度變化對(duì)摩擦因數(shù)影響較小，穩(wěn)定狀態(tài)下摩擦因數(shù)數(shù)值無(wú)明顯差異。整體而言，硬度越大，端面耐磨性越好，摩擦因數(shù)越小。

圖5 不同載荷下粉末冶金試件的摩擦因數(shù)曲線(ω=200 r/min)Fig 5 Friction coefficient curves of powder metallurgy samples at different load (ω=200 r/min) (a) F=200 N;(b) F=400 N；(c) F=600 N

此外，隨載荷由200 N到600 N增加，密度變化對(duì)粉末冶金摩擦因數(shù)影響逐漸減小，3種試件摩擦因數(shù)趨于一致，差異減小。

圖7所示為穩(wěn)定階段不同密度與載荷條件下粉末冶金試件摩擦因數(shù)的比較。密度變化對(duì)粉末冶金摩擦因數(shù)影響隨載荷大小呈不同變化規(guī)律。隨載荷增加，密度越大，試件端面越容易保持流體潤(rùn)滑，相應(yīng)地，密度越小越容易發(fā)生端面接觸。

圖7 不同密度與載荷條件下粉末冶金試件摩擦因數(shù)比較Fig 7 Comparison of friction coefficients of samples with different densities under different applied loads

2.2 成分影響

圖8所示為負(fù)載400 N、轉(zhuǎn)速200 r/min工況條件下，不同成分配比粉末冶金的摩擦因數(shù)變化情況。結(jié)果顯示，4種成分試件#1-2、#2-1、#3-1、#4-1穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)分別為0.031 16、0.023 97、0.030 87、0.022 76，相應(yīng)的硬度分別為185.6HB、219.4HB、213.9HB、227.9HB。正常粉即試件#1-2摩擦因數(shù)最大，其次為試件#3-1(正常粉+Cu)，之后為試件#2-1(正常粉+C)，而試件#4-1(正常粉+Cu+C)摩擦因數(shù)最低。

圖8 不同成分配比粉末冶金試件的摩擦因數(shù)曲線(400 N,200 r/min)Fig 8 Friction coefficient curves of powder metallurgy samples with different element contents(400 N,200 r/min)

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，試件#1-2(正常粉)與試件#3-1(正常粉+Cu)摩擦因數(shù)較為相近，而試件#2-1(正常粉+C)與試件#4-1(正常粉+Cu+C)摩擦因數(shù)較為相近，說(shuō)明加入額外碳粉對(duì)減少粉末冶金摩擦因數(shù)起主導(dǎo)作用，相比于試件#1-2(正常粉)，可降低摩擦因數(shù)23.1%，加入額外銅粉對(duì)減少粉末冶金摩擦因數(shù)起次要影響，相比于試件#1-2(正常粉)，僅降低摩擦因數(shù)0.9%。圖9、圖10分別展示不同成分試件金相組織與顯微結(jié)構(gòu)，粉末冶金基體組織為珠光體與少量鐵素體，分析認(rèn)為當(dāng)碳含量提升超過(guò)共析組織的含碳量，會(huì)促進(jìn)珠光體形成與致密化，見(jiàn)圖9中試件#4-1與#2-1，使粉末冶金基體硬度提升，且促使孔隙增大，見(jiàn)圖10中試件#4-1與#2-1，增強(qiáng)儲(chǔ)油潤(rùn)滑，減小摩擦因數(shù)。

圖9 不同成分試件金相組成Fig 9 Metallographic structures of powder metallurgy samples with different element contents(a) sample #1-2;(b)sample #2-1;(c)sample #3-1;(d)sample #4-1

圖10 不同成分試件顯微結(jié)構(gòu)Fig 10 Microstructures of powder metallurgy samples with different element contents(a) sample #1-2; (b)sample #2-1;(c)sample #3-1;(d)sample #4-1

此外試件#4-1(正常粉+Cu+C)摩擦因數(shù)最低，說(shuō)明同時(shí)增加碳和銅含量的減摩效果要顯著好于單獨(dú)增加碳或銅含量，其摩擦因數(shù)減小可達(dá)27.0%。

2.3 磨損形貌分析

不同負(fù)載下，試件#1-1端面磨損形貌如圖11所示?？梢?jiàn)，摩擦端面磨痕明顯，磨損形式以磨粒磨損為主；隨載荷由200 N到600 N增加，磨損程度逐漸增加，且通過(guò)EDS分析，當(dāng)載荷達(dá)到600 N時(shí)，油膜破裂不連續(xù)，表面產(chǎn)生氧化膜，出現(xiàn)氧化磨損特征，磨損形式變?yōu)橐阅チＤp與氧化磨損為主。

圖11 不同載荷下粉末冶金試樣#1-1的SEM微觀磨損形貌Fig 11 Wear topographies of powder metallurgy sample #1-1 at different loads (a) 200 N;(b) 400 N;(c) 600 N

圖12所示為負(fù)載200 N、轉(zhuǎn)速200 r/min情況下，不同密度粉末冶金試樣的SEM微觀磨損形貌。隨密度增加，試件表面磨損程度逐漸加重，如圖12(a)與圖12(b)所示，試件#1-1與#1-2端面孔隙較為清晰，且密度越大，孔隙分布越少，端面僅存在輕微磨粒劃痕，試件#1-1劃痕相較#1-2更為輕微。而如圖12(c)所示，試件#1-3端面發(fā)生較為嚴(yán)重?cái)D壓變形與磨痕，表面孔隙被壓潰磨平，說(shuō)明油膜淺薄，發(fā)生端面直接接觸，磨損最為嚴(yán)重。因此，在200 N工況下，磨損形式以磨粒磨損為主，而隨密度增加，磨損程度逐漸增大，逐漸產(chǎn)生材料塑性變形。

圖12 不同密度變化粉末冶金試樣SEM微觀磨損形貌(200 N,200 r/min)Fig 12 Wear topographies of powder metallurgy samples with different densities by SEM analysis (200 N,200 r/min) (a) sample #1-1；(b) sample #1-2;(c) sample #1-3

圖13所示為負(fù)載400 N、轉(zhuǎn)速200 r/min工況下，不同成分配比粉末冶金試樣的SEM微觀磨損形貌。在該工況下，4種試件表面除均勻分布孔隙外，僅呈現(xiàn)磨粒磨損痕跡，無(wú)其他磨損特征。比較分析，試件#1-2磨痕最為密集，其次為試件#3-1，而試件#2-1和試件#4-1無(wú)明顯磨痕，磨損程度最輕。磨損程度與摩擦因數(shù)及端面硬度分布規(guī)律相吻合，硬度越大，摩擦因數(shù)越小，端面耐磨性越好。因此，成分變化不改變端面磨損機(jī)制，仍以磨粒磨損為主。

圖13 不同成分配比粉末冶金試樣SEM微觀磨損形貌(400 N,200 r/min)Fig 13 Wear topographies of powder metallurgy with different element contents by SEM analysis(400 N,200 r/min) (a) sample #1-2;(b) sample #2-1;(c) sample #3-1;(d) sample #4-1

總之，磨損機(jī)制與外加負(fù)載密切相關(guān)，載荷較小時(shí)(200 N)，端面磨損形式以磨粒磨損為主，隨載荷增加，磨損程度逐漸增加，在較高負(fù)載下(600 N)，產(chǎn)生氧化磨損特征，并發(fā)生材料塑性變形，以磨粒磨損與氧化磨損為主。成分變化不改變端面磨損機(jī)制，但隨密度變化對(duì)磨損程度影響顯著。

3 結(jié)論

(1)密度變化對(duì)粉末冶金摩擦因數(shù)影響隨載荷大小呈不同變化規(guī)律。隨密度增加，在低負(fù)載(200 N)工況下，試件摩擦因數(shù)逐漸增加，與材料孔隙率密切相關(guān)，密度越小，孔隙率越大，儲(chǔ)油能力越強(qiáng)。隨載荷增加，在400 N工況下，摩擦因數(shù)呈逐漸減小趨勢(shì)，此時(shí)與基體強(qiáng)度、硬度相關(guān)而與孔隙關(guān)系減弱。此外，隨載荷繼續(xù)增大，密度變化對(duì)摩擦影響逐漸減小，摩擦因數(shù)差異較小。

(2)成分變化對(duì)粉末冶金摩擦行為影響顯著。粉末冶金基體組織為珠光體與少量鐵素體，碳含量和銅含量的提高均有利于摩擦因數(shù)減小，但碳成分變化起到主要作用，促進(jìn)珠光體形成與致密化，使基體硬度提升。碳含量與銅含量共同提升可獲得最佳的減摩效果，效果要顯著好于單獨(dú)提升碳含量或銅含量，其摩擦因數(shù)最優(yōu)可減小27.0%左右。

(3)磨損形式與外加負(fù)載密切相關(guān)。載荷較小時(shí)(200 N)，端面磨損形式以磨粒磨損為主，隨載荷增加，磨損程度逐漸增加，在較高負(fù)載下(600 N)，產(chǎn)生氧化磨損特征，并發(fā)生材料塑性變形，以磨粒磨損與氧化磨損為主。成分變化不改變端面磨損特征，但隨密度變化對(duì)磨損程度影響顯著。