简介概要

镍-铁-石墨-硅自润滑材料及其性能

来源期刊：中国有色金属学报2004年第12期

论文作者：陈丽娟朱定一汤伟关翔锋

文章页码：2108 - 2113

关键词：镍-铁-石墨-硅合金；自润滑；熔炼法；摩擦磨损

Key words：Ni-Fe-C-Si alloy；self-lubricating；melting；friction and wear

摘要：采用熔炼法制备出镍-铁-石墨-硅自润滑材料，并研究了铁含量对镍-铁-石墨-硅自润滑材料的力学性能、干摩擦磨损性能及油润滑摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着铁含量的增加，合金中石墨量逐渐增多，自润滑性能逐渐提高，材料的冲击韧性和抗拉强度逐渐降低，硬度值先减小后增大；材料的干摩擦因数和油润滑摩擦因数均随着铁含量的增加而逐渐降低，磨损率随着硬度值的增大逐渐减小，其中Ni-60Fe-3.5C-1Si合金（质量分数，%）的摩擦因数最小，干摩擦因数和油润滑摩擦因数分别保持在0.18和0.05。

Abstract: Ni-Fe-C-Si self-lubricating alloy was prepared by melting method. The effects of iron content on the mechanical, dry friction and oil lubrication friction properties were investigated. The results show that with increasing of iron content, the content of graphite and the self-lubrication of the alloy increase, the impact toughness and the tensile strength decrease, and the hardness reduces at first and then increases. Both the coefficients of dry friction and oil lubrication reduce with increasing of iron content, and the wear rate reduces with the increasing of hardness values. The dry friction coefficient of Ni-60Fe-3.5C-1Si alloy (mass fraction, %) is the smallest, and the dry friction and oil lubrication coefficients of the alloy are 0.18 and 0.40, respectively.

基金信息：国家自然科学基金资助项目

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中国有色金属学报 2004,(12),2108-2113 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.12.023

镍-铁-石墨-硅自润滑材料及其性能

陈丽娟朱定一汤伟关翔锋

福州大学材料科学与工程学院,福州大学材料科学与工程学院,福州大学材料科学与工程学院,福州大学材料科学与工程学院福州350002 ,福州350002 ,福州350002 ,福州350002

摘要：

采用熔炼法制备出镍铁石墨硅自润滑材料 ,并研究了铁含量对镍铁石墨硅自润滑材料的力学性能、干摩擦磨损性能及油润滑摩擦磨损性能的影响。结果表明 :随着铁含量的增加 ,合金中石墨量逐渐增多 ,自润滑性能逐渐提高 ,材料的冲击韧性和抗拉强度逐渐降低 ,硬度值先减小后增大 ;材料的干摩擦因数和油润滑摩擦因数均随着铁含量的增加而逐渐降低 ,磨损率随着硬度值的增大逐渐减小 ,其中Ni 6 0Fe 3.5C 1Si合金 (质量分数 ,% )的摩擦因数最小 ,干摩擦因数和油润滑摩擦因数分别保持在 0 .18和 0 .0 5。

关键词：

镍-铁-石墨-硅合金;自润滑;熔炼法;摩擦磨损;

中图分类号： TB39

作者简介：陈丽娟(1978),女,硕士研究生.;朱定一,博士,副教授;电话:05917893540;Email:zdy7081@163.com;

收稿日期：2004-06-06

基金：国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 4710 0 7);福建省自然科学基金资助项目 (A0 2 10 0 0 8);福建省教育厅科技发展资助项目(K0 2 0 0 5 );

Ni-Fe-C-Si self-lubricating material and its properties

Abstract：

Ni-Fe-C-Si self-lubricating alloy was prepared by melting method. The effects of iron content on the mechanical, dry friction and oil lubrication friction properties were investigated. The results show that with increasing of iron content, the content of graphite and the self-lubrication of the alloy increase, the impact toughness and the tensile strength decrease, and the hardness reduces at first and then increases. Both the coefficients of dry friction and oil lubrication reduce with increasing of iron content, and the wear rate reduces with the increasing of hardness values. The dry friction coefficient of Ni-60Fe-3.5C-1Si alloy (mass fraction, %) is the smallest, and the dry friction and oil lubrication coefficients of the alloy are 0.18 and 0.40, respectively.

Keyword：

Ni-Fe-C-Si alloy; self-lubricating; melting; friction and wear;

Received： 2004-06-06

镍基合金因其具有优良的抗腐蚀性能和抗氧化性能, 在高温固体自润滑材料中倍受重视, 如镍-铬-石墨系、 Ni-Cr-Cu系和Ni-MoS₂系等 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8]} 目前均采用粉末冶金法制备。文献 [ 9] 表明添加LaF₃的镍基合金的室温干摩擦因数为0.21～0.37。文献 [ 10] 表明铁-青铜-石墨系合金的干摩擦因数为0.49～0.54, 含油摩擦因数为0.11～0.13。文献 [ 11] 表明采用熔炼法可以制备出新型Ni₃Al/石墨高温自润滑材料, 铝在镍-铝-石墨系合金中起着强化合金基体的作用, 使材料的硬度和耐磨性显著提高, 但同时使材料的韧性急剧降低。文献 [ 12] 表明镍-石墨二元合金的自润滑性能良好, 但硬度值较低。在镍-石墨合金中加入组元铁, 一方面可以起到对基体的固溶强化作用, 使合金保持良好的抗腐蚀性和抗氧化性; 另一方面可以节约有色金属镍, 降低材料成本。长期以来, 对Fe-C合金已进行了较深入的研究, 在工业生产条件下, Fe-C二元合金中易形成Fe₃C ^[13,14] , 减少了石墨的含量, 不利于其自润滑性能的改善, 而金属镍是一种非碳化物形成元素, 可以增加铁的自扩散能力, 促进石墨化。但随着合金中含铁量的增多, 碳化物形成的可能性越来越大, 镍-铁-石墨合金组织中是否会形成Fe₃C, 目前尚未有相关研究报道。对铸铁的长期研究表明, 硅能够强烈促使碳元素石墨化 ^[15] , 且硅也能固溶于铁素体中, 强化合金基体, 使材料的强度和耐腐蚀性提高, 但当硅超过一定含量后会显著降低材料的韧性。本文作者采用熔炼法制备出镍-铁-石墨-硅系列合金, 在合金中加入1%硅以防止Fe₃C的形成, 并研究了该系列合金的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能。

1实验

1.1 材料制备

采用纯度为99.8%的电解镍, 99%的工业纯铁, 99.8%的石墨粉, 分别配制Ni-20Fe-3.5C-1Si、 Ni-40Fe-3.5C-1Si 和Ni-60Fe-3.5C-1Si合金(质量分数, %)。采用真空中频感应炉熔炼, 炉内先用机械泵将低真空抽至1.25×10^-1 Pa, 然后充入氩气进行保护。熔化温度高于1 650 ℃, 当温度升至熔化温度后保温8～10 min, 将熔化好的合金浇注到石墨铸型中, 铸型尺寸为120 mm×60 mm×20 mm。

1.2 组织与性能测试

用MM-6宽视场显微镜分析凝固组织, 采用XQF-4A图像分析仪测定石墨的面密度, 分别在HB-3000 型布氏硬度机、 Instron Model 1185型万能材料试验机和294/174J型冲击试验机上测定材料的布氏硬度、抗拉强度和冲击韧性。其中拉伸试样为平板形试样, 标距段尺寸为40 mm×12.5 mm×2.5 mm, 冲击试样为标准无缺口试样, 尺寸为55 mm×10 mm×10 mm。用MM-200型磨损实验机分别测定试样的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能 , 油润滑磨损时采用20^#机油作为润滑油, 试验块尺寸为10 mm×10 mm×10 mm, 对偶环为GCr15轴承钢( HRC57), 外径为d40 mm, 内径为d16 mm, 厚度为10 mm, 主轴转速为400 r/min。在干摩擦磨损条件下, 法向载荷p为49 N; 在油润滑摩擦磨损条件下, 法向载荷p为98 N。摩擦磨损时间为1 h, 每隔2 min测量一次摩擦因数。采用感量为0.1 mg的电子天平测定试样的磨损质量损失。

2结果与讨论

2.1 凝固组织

图1所示为3种合金的凝固组织。由图中可看出, 合金中的石墨均呈片状, 经腐蚀后观察, 3种合金组织中均没有出现碳化物, 石墨分布均匀。随着铁含量的增加, 石墨的形态发生了变化, 当铁含量为20%时, 石墨全部为片状初生相组织; 当铁含量为40%时, 除了较粗大的初生相石墨外, 还有细片状共晶石墨组织; 当铁含量为60%时, 除了初生相石墨外, 还有不规则的粒状共晶组织。图2所示为合金中铁含量与石墨面密度之间的关系曲线。从图中可看出, 随着铁含量的增加, 石墨的面密度越来越高。当铁含量为60%时, 石墨的面密度高达33.4%, 表明在相同的熔炼工艺条件下, 提高合金中的铁含量有利于增加石墨的含量。利用相图分析得到, Fe-C二元相图和Ni-C二元相图的共晶点成分分别为4.26%C和1.97%C, 共晶温度分别为1 148和1 316 ℃, 显然共晶成分点Fe-C合金的熔碳能力远远高于Ni-C合金。因此, 在相同熔炼温度下, 提高铁含量必然导致共晶点向碳量增多的一方移动, 使结晶后的组织中石墨量增多。

图1 3种合金的凝固组织

Fig.1 Microstructures of alloys (a)—Ni-20Fe-3.5C-1Si alloy; (b)—Ni-40Fe-3.5C-1Si alloy; (c)—Ni-60Fe-3.5C-1Si alloy

图2 铁含量与石墨面密度之间的关系

Fig.2 Relationship between iron content and area density of graphite

2.2 力学性能

图3所示为铁含量与合金密度之间的关系曲线。由图可见, 随着铁含量的增加, 合金的密度相应减小, 主要是由于合金中石墨含量随着铁含量的增加而增加, 铁的密度(7.86 g/cm³)小于镍的密度(8.96 g/cm³)所致。

图4所示为铁含量与合金布氏硬度之间的关系。由图可见, 随着铁含量的增加, 合金的硬度先减小后增大。由Fe-Ni二元合金相图可知, 当铁含量为20%时, 室温组织进入相图的有序相区, 形成AB₃型Ni₃Fe相。由于这种有序相的硬度高于无序固溶体的硬度, 因此, 合金的硬度较高。当铁含量增加到40%时, 合金成分接近相图中的共析成分点, 共析点的转变温度为345 ℃, 且在此温度点合金理应发生共析转变: γ(Fe, Ni)→α-Fe+Ni₃Fe, 但由于本实验是在石墨型中冷却, 合金的冷却速度较快, 因此, γ(Fe, Ni)固溶体有可能是由于在较低的温度下没有充分的分解时间, 从而保留了较多的残余奥氏体, 使材料的硬度降低。当铁含量增大到60%, γ(Fe, Ni)固溶体在共析转变前首先析出硬度较高的先共析相α-Fe, 使得合金的硬度有所回升。

图5所示为铁含量与合金抗拉强度之间的关系, 图6所示为铁含量与合金室温冲击韧性之间的关系。由图5和6可以看出, 随着铁含量的增加, 合金的抗拉强度和冲击韧性逐渐降低。合金的强度和韧性与石墨的形态和数量密切相关, 合金中石墨量随着铁含量的增加而增加, 因而材料的强度和韧性降低, 由于Ni-60Fe-3.5C-1Si合金中的石墨含量最高, 所以其抗拉强度和冲击韧性最低。由石墨的生长形态可以发现, Ni-40Fe-3.5C-1Si和Ni-60Fe-3.5C-1Si的合金组织中均有许多细片状或粒状共晶石墨, 这种细片状共晶石墨组织对合金基体将产生严重的割裂作用, 进一步导致合金的强度和冲击韧性降低。

图3 铁含量与合金密度之间的关系

Fig.3 Relationship between iron content and density

图4 铁含量与合金布氏硬度之间的关系

Fig.4 Relationship between iron content and hardness

图5 铁含量与合金室温冲击韧性之间的关系

Fig.5 Relationship between iron content and tensile strength

图6 铁含量与合金室温冲击韧性的关系

Fig.6 Relationship between iron content and impact toughness

2.3铁含量对合金的干摩擦磨损性能和油润滑摩擦磨损性能的影响

图7所示为镍-铁-石墨-硅合金与GCr15轴承钢之间的干摩擦磨损曲线, 图8所示为镍-铁-石墨-硅合金与GCr15轴承钢之间的油润滑摩擦磨损曲线。由图7和8可以看出, 经过磨合期以后, 材料的摩擦因数趋于稳定, 无论是在干摩擦磨损条件下还是在油润滑摩擦磨损条件下, Ni-60Fe-3.5C-1Si合金的摩擦因数均最小, 其值分别为0.18和0.05, 与其组织中的石墨含量最高的相对应; 而Ni-20Fe-3.5C-1Si合金的摩擦因数相对较大, 与其组织中的石墨含量较低的相对应。这表明组织中石墨含量增多有利于改善材料的润滑性能。 Ni-60Fe-3.5C-1Si合金的摩擦因数比粉末冶金法制备的铁-青铜-石墨系合金的干摩擦因数和含油摩擦因数都小 ^[10] , 表明采用熔炼法制备的镍-铁-石墨-硅系合金具有优良的自润滑性能。图9所示为镍-铁-石墨-硅合金在干摩擦磨损和油润滑摩擦磨损条件下铁含量对磨损率的影响。比较图4和9可以看到, 镍-铁-石墨-硅系合金的磨损率随着材料硬度的减小而增大, Ni-40Fe-3.5C-1Si合金的硬度最低, 磨损率相对较大, 而Ni-60Fe-3.5C-1Si合金的硬度值较高,组织中的石墨含量相对较多, 因而, 其自润滑性能较好, 磨损率较低。镍-铁-石墨-硅系合金的油润滑摩擦性能优良, 在含油的条件下, 形成了一种复合润滑体系, 石墨具有很强的吸油能力, 能形成高效能的胶体油石墨润滑剂。另外, 由于细微的石墨颗粒嵌入摩擦面的凹坑中, 使油膜不易破裂 ^[16] , 因此, 在油润滑摩擦磨损条件下, 材料具有良好的耐磨性。