Cu含量对Fe-Cu-C系...冶金轴承材料组织性能的影响_冯晗.pdf

第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2023-0050Cu 含量对 Fe-Cu-C 系粉末冶金轴承材料组织性能的影响冯 晗1,李佳欣1,陈鹏起1,2,3,张东亚4,程继贵1,2,3(1.合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽省粉末冶金技术工程研究中心,安徽 合肥 230009;3.高性能铜合金材料及成形加工教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009;4.徐工集团江苏徐州工程机械研究院,江苏 徐州 221044)摘 要:以还原铁粉、电解铜粉、鳞片状石墨粉制备成形的混合料为原料,经压制烧结得到了 Fe-xCu-0.7C(x=10、15、20 和25 mass%)粉末冶金轴承材料。采用扫描电镜、洛氏硬度计、万能材料试验机及摩擦磨损试验等研究了烧结体试样的显微组织、硬度、压溃强度及摩擦磨损性能,分析了 Cu 含量对烧结体试样的孔隙率、显微组织和力学性能的影响。结果表明:烧结体试样的显微组织主要由珠光体、铁素体、Cu 相以及孔隙组成,随着 Cu 含量从 10%增加到 25%,烧结体的开孔隙率和硬度降低,压溃强度先升高后降低,摩擦系数以及体积磨损量先降低后升高。当 Cu 含量为 15 mass%时,Fe-15Cu-0.7C 烧结体试样的综合性能较好,其密度、硬度、压溃强度、摩擦系数以及体积磨损量分别为 6.14 g/cm3、51.81 HRB、419.96 MPa、0.23 和 0.2145 mm3。关键词:铁基减摩材料;粉末冶金;铜含量;显微组织;力学性能中图分类号:TH133.31;TF124 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0141-08收稿日期:2023-02-13 修订日期:2023-05-10基金项目:安徽省重点研究与开发计划项目(202104a05020046)作者简介:冯 晗(1998),男,硕士研究生,主要从事粉末冶金材料研究,E-mail:tobe5500 。通信作者:程继贵(1963),男,教授,博士,主要从事先进粉末冶金材料与技术研究,E-mail:jgcheng 。引用格式:冯晗,李佳欣,陈鹏起,等.Cu 含量对 Fe-Cu-C 系粉末冶金轴承材料组织性能的影响J.材料热处理学报,2023,44(7):141-148.FENG Han,LI Jia-xin,CHEN Peng-qi,et al.Effect of Cu content on microstructure and properties of Fe-Cu-C powder metallurgy bearing materialsJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):141-148.Effect of Cu content on microstructure and properties of Fe-Cu-C powder metallurgy bearing materialsFENG Han1,LI Jia-xin1,CHEN Peng-qi1,2,3,ZHANG Dong-ya4,CHENG Ji-gui1,2,3(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Research Centre for Powder Metallurgy Engineering and Technology of Anhui Province,Hefei 230009,China;3.Engineering Research Center of High Performance Copper Alloy Materials and Processing,Ministry of Education,Hefei 230009,China;4.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute,Xuzhou Construction Machinery Group,Xuzhou 221044,China)Abstract:Fe-xCu-0.7C(x=10,15,20 and 25 mass%)powder metallurgy bearing materials were prepared by pressing and sintering using a mixture of reduced iron powder,electrolytic copper powder and flake graphite powder as raw materials.Microstructure,hardness,crushing strength and friction and wear properties of the sintered samples were studied by means of scanning electron microscopy,Rockwell hardness tester,universal material testing machine and friction and wear tests.The influence of Cu content on the porosity,microstructure and mechanical properties of the sintered samples was analyzed.The results show that the microstructure of the sintered samples is mainly composed of pearlite,ferrite,Cu phase and pores.As the Cu content increases from 10%to 25%,the open porosity and hardness of the sintered samples decrease,the crushing strength first increases and then decreases,and the friction coefficient and volume wear amount first decrease and then increase.When the Cu content is 15 mass%,the comprehensive properties of the Fe-15Cu-0.7C sintered sample are good,with density,hardness,crushing strength,friction coefficient and volume wear of 6.14 g/cm3,51.81 HRB,419.96 MPa,0.23 and 0.2145 mm3,respectively.Keywords:iron-based anti-friction material;powder metallurgy;Cu content;microstructure;mechanical property 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷 粉末冶金含油轴承能够实现力学性能和减摩性能的有效结合,已成为汽车、工程机械等领域中不可缺少的一类零件1-5。传统的铁基含油轴承强度较高,能承载较大的载荷,耐磨性好,但其运转过程中温升较高,易发生粘着甚至咬合,这在一定程度上限制了其应用6-10。现代工业的快速发展对应用于高速重载的铁基粉末冶金含油轴承提出了越来越高的要求,如要求更高的减摩性能和力学性能等。因此,在保障力学性能的前提下,提高铁基含油轴承的减摩性能显得尤为重要。Cu 有着优良的导热性和润滑性,是一种良好的润滑组元,在铁基材料中加入 Cu 还可以起到固溶强化的作用11-13。然而传统的铁基含油轴承中 Cu 的含量多在 1 3 mass%之间,Cu 含量较少,材料的减摩性能和抗咬合性能较差,已经不能满足现代工业的性能要求14-16。因此,有研究者通过提高铁基材料中 Cu的加入量,充分发挥 Cu 的固溶强化和润滑作用,从而进一步改善铁基含油轴承的性能17-23,Cu 的加入量通常超过其在 Fe 中的溶解度(8%10%),此时会在烧结体中形成一定的独立 Cu 相,这些 Cu 相有着良好的自润滑性、导热性,剪切强度低,分布在基体中能够有效提高烧结体的减摩性能,但 Cu 相本身较软,含量过多可能会导致烧结体力学性能的降低,因此,如何匹配此类材料的力学性能和减摩性能仍有待进一步研究。鉴于此,本文尝试调整 Fe-Cu-C 系含油轴承中Cu 的含量来实现 Fe-Cu-C 系含油轴承减摩性能和力学性能的匹配,希望能够在不损害材料力学性能的范围内,最大程度地发挥 Cu 相优良的润滑、导热等作用。本文重点通过压制烧结制备了不同 Cu 含量的Fe-Cu-C 系含油轴承材料,研究了 Cu 含量对 Fe-Cu-C系含油轴承烧结体显微组织、力学性能和摩擦磨损性能的影响规律,旨在为确定综合性能最优的 Cu 含量的 Fe-Cu-C 系含油轴承材料,为开发高性能的铁基含油轴承材料提供指导。1 试验材料及方法1.1 材料制备 按照表 1 的计量分别称取粒度为-100 目的还原铁粉,粒度为-325 目的电解铜粉,粒度为-325 目的鳞片状石墨粉,加入一定量的硬脂酸锌润滑剂,装于圆筒形混料器中混合 2 h 得到压制用混合料。将上述混合料分别于 200、240 和 280 MPa 的压力下压制成 40 mm8 mm7 mm 的条形压坯,及 30 mm24 mm8 mm 的环状压坯,将所得压坯在 H2气氛中于 1110 烧结 1 h,冷却后出炉,得到 Fe-Cu-C 烧结体试样。表 1 试验用 Fe-Cu-C 系材料成分(质量分数,%)Table 1 Compositions of the experimental Fe-Cu-C materials(mass fraction,%)No.CuC(Graphite)Fe1100.7Bal.2150.7Bal.3200.7Bal.4250.7Bal.1.2 性能测试 按 GB/T 51632006烧结金属材料(不包括硬质合金)可渗性烧结金属材料 密度、含油率和开孔率的测定测试烧结体的密度及孔隙率,按 GB/T 230.12018金属材料 洛氏硬度试验 第 1 部分:试验方法采用 HR-150DT 型洛氏硬度计测量烧结体的洛氏硬度,采用 XPert PRO MPD 型 X 射线衍射仪对烧结体进行物相分析,采用 MR500 型倒置金相显微镜对烧结体的显微组织进行观察,采用能谱仪对烧结体的元素分布进行分析,采用 SU8020 型扫描电镜对烧结体的磨痕形貌进行观测,按 GB/T 68042008烧结金属衬套径向压溃强度的测定 在 AG-100KNXplus 型万能材料试验机测试烧结体的压溃强度,压缩速率为 0.5 mm/min。采用 MM-200 型摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,对磨件材料为42CrMo,尺寸为 40 mm16 mm 10 mm,硬度为5260 HRC,试验无外加润滑油。试验参数为:转速200 r/min,载荷 100 N,试验时间 1 h,图 1 为摩擦副示意图及体积磨损量计算原理。试验结束后用 VK-X250 型 3D 激光显微镜测量磨痕长度和磨痕宽度,计算体积磨损量,体积磨损量为:W=dR2180()arcsinb2R()-b2R2-b2()2|(1)式中:W 为体积磨损量(mm3);d 为磨痕长度(mm);R 为对磨件外径(mm);b 为磨痕宽度(mm)。2 试验结果与讨论2.1 Cu 含量对 Fe-Cu-C 烧结体密度和孔隙率的影响图 2 为不同 Cu 含量混合料经 200、240 和280 MPa 压力压制后烧结得到的 Fe-Cu-C 烧结体试241第 7 期冯 晗等:Cu 含量对 Fe-Cu-C 系粉末冶金轴承材料组织性能的影响 图 1 摩擦副示意图和体积磨损量计算原理Fig.1 Schematic diagram of fiction pairs and calculation principle of wear volume图 2 Cu 含量对 Fe-Cu-C 烧结体(a)密度以及(b)开孔隙率的影响Fig.2 Effects of Cu content on the(a)density and(b)open porosity of the sintered Fe-Cu-C samples样密度以及开孔隙率的测试结果。由图 2 可以看出,在同一压制压力下,随着 Cu 含量的升高,烧结体的密度不断升高,开孔隙率则逐步降低。烧结时 Cu 粉熔化,转变为液相,沿着 Fe 颗粒渗透扩散,液相能够加快原子的扩散速率,促使烧结致密化;Cu 在 Fe 中饱和后,剩余的液相 Cu 会填充部分孔隙;高密度 Cu的加入,也会提高烧结体的整体密度,故 Cu 含量升高能够提高烧结体的密度,降低开孔隙率;但是液相Cu 在流动时会在原位形成流出孔隙,这又可提高烧结体的开孔隙率。当 Cu 含量从 10%升至 15%时,烧结体的密度升高,开孔隙率基本不变,因为更多的液相 Cu 生成了更多的流出孔隙,且此时液相 Cu 促进致密化的作用相对有限,Cu 在 Fe 中的固溶极限是8%,因此剩余的液相 Cu 也较少,不足以将大部分孔隙填充;随着 Cu 含量增加,不断增加的液相 Cu 对烧结致密化的促进作用更加明显,大量剩余的液相 Cu也会填充部分孔隙,因而烧结体的密度持续升高,开孔隙率急剧降低。根据美国材料与试验协会(US-ASTM)发布的ASTM B439-21 标准24,铁基含油轴承开孔隙率应大于 17%,同时为保证力学性能,压制压力不应过低,从图 2 可以看出,压力为 240 MPa 的烧结体开孔隙率均大于17%,因此压制压力为240 MPa 为宜。表2 为不同 Cu 含量混合料经 240 MPa 压力压制后烧结得到的 Fe-Cu-C 烧结体试样孔隙率及开孔比率的测试结果,开孔比率由开孔隙率占总孔隙率的比率来表示。结果表明,Cu 含量从 10%升至 15%时,开孔隙率基本不变,开孔比率有所升高;Cu 含量从 15%升至25%时,开孔隙率和开孔比率降低,此结果与前文分析一致。2.2 Cu 含量对 Fe-Cu-C 烧结体显微组织的影响图 3 为不同 Cu 含量压坯经烧结后得到的341 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷 表 2 240 MPa 压制的不同 Cu 含量 Fe-Cu-C 烧结体的孔隙率与开孔比率Table 2 Porosity and open pore proportion of the Fe-Cu-C sintered samples with different Cu contents pressed at 240 MPaCu content/mass%Porosity/%Open porosity/%Open pore proportion/%1024.520.319.410.579.162.21522.930.619.210.683.781.02022.180.518.190.482.012.12520.990.516.990.379.511.9图 3 不同 Cu 含量 Fe-Cu-C 烧结体的 XRD 图谱Fig.3 XRD patterns of the Fe-Cu-C sintered samples with different Cu contentsFe-Cu-C 烧结体试样的 XRD 图谱,与标准卡片对比,符合面心立方 Cu 相和体心立方 Fe 相的衍射峰,说明烧结后 Cu 以独立 Cu 相的形式存在于烧结体中;并 未发现渗碳体的衍射峰,可能是由于渗碳体含量过少。随着 Cu 含量升高,Cu 相峰强度升高,说明烧结体中独立 Cu 相的含量逐渐增多。图 4 为不同 Cu 含量压坯经烧结后得到的 Fe-Cu-C 烧结体试样的光学显微组织。图 4 中深灰色区域为珠光体,白色区域为 Cu 相,浅灰色区域为铁素体,黑色区域为孔隙。根据 Fe-C 二元相图可知,碳含量为 0.77%时,组织应为 100%的珠光体,但从图 4 可以看到,组织中存在铁素体,说明 Cu 会影响C 向 Fe 中的扩散,导致奥氏体中固溶的 C 含量降低,影响其转变为珠光体,对于铁基材料而言,硬度过高会使材料与对磨件摩擦剧烈,易造成粘着磨损25。而由图 4 可知,烧结体的组织是在软韧的铁素体上分布有硬度高的珠光体及 Cu 相,这样的组织硬 度 适 中,有 利 于 改 善 温 升 和 抗 粘 着 性 能。图 5 是烧结体中元素的分布图,从图中可以看出基体由 Fe 和 C 组成,Cu 含量为 10%时大部分 Cu 固溶至 Fe 中,组织与传统 Fe-Cu-C 含油轴承相似,Cu主要起着固溶强化的作用,无法充分发挥润滑、导热的作用;Cu 含量为 15%时,Cu 相均匀分布在基体中,含量及晶粒尺寸适中,能够有效改善烧结体的减摩性能;但当 Cu 含量继续升高,烧结过程中液相 Cu 更易偏聚,导致 Cu 相含量较高,晶粒尺寸较大,大量 Cu 相会软化烧结体,在摩擦过程中还会引起剥落,严重损害烧结体的力学性能及减摩性能。图 4 不同 Cu 含量 Fe-Cu-C 烧结体试样的光学显微组织(腐蚀后)(a)10%;(b)15%;(c)20%;(d)25%Fig.4 Optical microstructure of the Fe-Cu-C sintered samples with different Cu contents(corroded)(a)10%;(b)15%;(c)20%;(d)25%441第 7 期冯 晗等:Cu 含量对 Fe-Cu-C 系粉末冶金轴承材料组织性能的影响 图 5 不同 Cu 含量 Fe-Cu-C 烧结体试样中的元素面扫描分析(a)10%;(b)15%;(c)20%;(d)25%Fig.5 Mapping scanning analysis of elements in the Fe-Cu-C sintered samples with different Cu contents(a)10%;(b)15%;(c)20%;(d)25%2.3 Cu 含量对 Fe-Cu-C 烧结体力学性能的影响图 6 为不同 Cu 含量压坯经烧结后得到的Fe-Cu-C 烧结体试样的硬度及压溃强度的测试结果。从图 6 中可以看出,当 Cu 含量低于 15%时,烧结体的硬度和压溃强度变化幅度较小:Cu 含量从 10%升高到 15%时,硬度从 52.12 HRB 下降到 51.81 HRB,压溃强度从 416.41 MPa 提高到 419.96 MPa。但当Cu 含量高于 15%时,烧结体的硬度和压溃强度出现了大幅度的降低。Cu 含量为 20%和 25%的烧结体硬度分别为 43.63 和 40.75 HRB;压溃强度分别为387.69 和372.42 MPa。一方面,液相 Cu 能够促进烧结致密化,Cu 在烧结过程中可以扩散至 Fe 中形成固溶强化,同时 Cu 可以作为“黏合剂”,可提高烧结体的力学性能26。另一方面,当 Cu 溶解达到饱和后,剩余的 Cu 会以独立 Cu 相的形式分布在基体中,这些软质的独立 Cu 相会导致烧结体力学性能降低。在这两方面原因的综合作用下,烧结体的力学性能呈现如图 6 所示的变化趋势。当 Cu 含量低于 15%时,烧结体中软质的 Cu 相较少,对烧结体力学性能的损害有限,Cu 对基体的强化效果占主导,此时烧结体的硬度和压溃强度仍能保持在较高的水平;但当 Cu 含量高于 15%时,根据图 5 可知,烧结体中存在大量的软质 Cu 相,其分布在基体中割裂了基体的连续性,并且会软化烧结体,此时 Cu 对基体力学性能的损害效果占主导,因此烧结体硬度和压溃强度会大幅度的降低。图 6 Cu 含量对 Fe-Cu-C 烧结体硬度及压溃强度的影响Fig.6 Effects of Cu content on the hardness and crushing strength of the Fe-Cu-C sintered samples2.4 Cu 含量对 Fe-Cu-C 烧结体摩擦磨损性能的影响 图 7 和图 8 分别为不同 Cu 含量压坯经烧结后得到的 Fe-Cu-C 烧结体试样的摩擦系数和体积磨损量。541 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷 图 7 不同 Cu 含量 Fe-Cu-C 烧结体的摩擦系数(a)以及平均摩擦系数(b)Fig.7 Friction coefficient(a)and average friction coefficient(b)of the Fe-Cu-C sintered samples with different Cu contents图 8 不同 Cu 含量 Fe-Cu-C 烧结体的体积磨损量Fig.8 Wear volume of the Fe-Cu-C sintered samples with different Cu contents随着 Cu 含量从 10%升高到 15%,摩擦系数和体积磨损量明显降低,摩擦系数从 0.36 降低至 0.23,体积磨损量从 0.4398 mm3降低至 0.2145 mm3,而 Cu 含量从 15%提高到 25%烧结体的摩擦系数反而升高,摩擦系数从 0.23 升高至 0.35,体积磨损量也从 0.2145 mm3升高至 0.4534 mm3。Cu 相独立存在于基体中时,能够发挥作为固体润滑剂的作用,提供优良的导热性和自润滑性,改善摩擦副之间的粘着现象,降低温升;但当 Cu 含量过多时,组织中会出现大量的 Cu 相,其整体晶粒尺寸也会变大,这些 Cu 相会导致烧结体的力学性能大幅降低,使烧结体抵抗塑性变形的能力减弱,基体难以承受高载荷的作用,容易在孔隙以及软质的 Cu 相处剥落,剥落的摩屑不易排出,聚集在表面起到磨粒的作用,进一步加剧磨损。结合图 5 和图 6 分析可知,Cu 含量为 10%时,尽管烧结体的力学性能较高,但 Cu 相含量很少,烧结体的减摩性能差,从而导致摩擦系数和体积磨损量较大,Cu 含量为 15%时,组织中 Cu 相含量适中、分布均匀,烧结体的力学性能与减摩性能得到了有效地结合,摩擦系数波动幅度较小,稳定后的摩擦系数和体积磨损量也达到了最小值;当 Cu 含量继续升高,烧结体的力学性能大幅下降,摩擦副接触不稳,摩擦系数波动幅度变大,稳定后的摩擦系数和体积磨损量增大。图 9 是不同 Cu 含量 Fe-Cu-C 烧结体的磨痕表面形貌。如图 9 所示,Cu 含量为 10%时,磨痕表面磨损较为剧烈,存在有部分剥落和犁沟;Cu 含量为 15%时,磨痕表面的磨损程度减轻,犁沟少且浅,未见有粘着磨损和剥落的痕迹。但随着 Cu 含量继续增加,烧结体磨痕表面磨损加剧,出现了较多较深的犁沟和剥落。综合分析可知,Cu 含量为 15%的烧结体具有良好的减摩性能。3 结论 1)Fe-Cu-C 烧结体的组织主要由珠光体、铁素体、Cu 相以及孔隙组成,压制压力为 240 MPa 时,烧结体的开孔隙率符合标准;2)Cu 含量从 10%升至 15%时,烧结体的密度升高,开孔隙率基本不变,随着 Cu 含量继续升高,烧结体的密度持续升高,开孔隙率降低;3)Cu 含量为 15%的烧结体中 Cu 相含量及晶粒尺寸适中,综合性能最佳,其硬度、压溃强度较高,分别为 51.81 HRB 和 419.96 MPa,摩擦系数以及体积磨损量最低,分别为 0.23 和 0.2145 mm3,说明在 Fe-Cu-C 系轴承材料中加入适量的 Cu,可以实现 Fe-Cu-C 系轴承材料力学性能和减摩性能的良好匹配。641第 7 期冯 晗等:Cu 含量对 Fe-Cu-C 系粉末冶金轴承材料组织性能的影响 图 9 不同 Cu 含量 Fe-Cu-C 烧结体的磨痕形貌(a)10%;(b)15%;(c)20%;(d)25%Fig.9 Wear scar morphology of the Fe-Cu-C sintered samples with different Cu contents(a)10%;(b)15%;(c)20%;(d)25%参考文献 1 李蓉蓉,尹延国,张国涛,等.以 TiH2为造孔剂的球磨铁基含油材料孔隙表征及其摩擦学性能J.润滑与密封,2020,45(7):75-80.LI Rong-rong,YIN Yan-guo,ZHANG Guo-tao,et al.Pore characterization and friction and wear properties of iron-based oil impregnated materials with TiH2 as pore-making agent fabricated by ball millingJ.Lubrication Engineering,2020,45(7):75-80.2 Guo J,Du H,Zhang G,et al.Fabrication and tribological behavior of Fe-Cu-Ni-Sn-Graphite porous oil-bearing self-lubricating composite layer for maintenance-free sliding componentsJ.Materials Research Express,2021,8(1):015801.3 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