新型石墨颗粒/铝合金复合自润滑轴瓦材料的研究

摘要

现代交通节能、环保、安全、舒适的发展特点对汽车、高速内燃机车的轴瓦材料的承载能力和可靠性等提出了更高的要求。层状复合轴瓦材料被认为是最具应用潜力与推广价值的一类轴瓦材料，其研究热点集中在轴瓦耐磨层的材料制备及轴瓦的轧制复合技术与理论。目前，我国应用于工业生产领域的轴瓦主要为铜铅合金和高锡铝合金钢背轴瓦，存在着边界润滑能力差、强度低、污染环境等问题。因此，制备出一种具有自润滑能力、高强度的轴瓦材料，开发高性能复合轴瓦材料的生产新技术，具有重要的理论和实际应用价值。本文结合国家“863”高技术研究发展计划项目“高速交通用关键金属材料及其应用”(项目编号2004AA33G060)，开展了石墨颗粒/铝合金复合自润滑轴瓦材料制备技术及其理论的系统研究。主要研究内容及成果包括：
　　 ⑴针对石墨颗粒与铝熔体润湿性差的难题，开展了石墨颗粒表面化学镀铜的研究。重点考察了氯化亚锡等镀液成分及反应温度等镀覆工艺参数对镀层质量的影响，确定了石墨粉化学镀铜的最佳工艺参数。在此工艺条件下，Cu的平均质量百分含量为34％。扫描电镜观察显示，石墨粉表面铜镀层呈玫瑰红色、镀层均匀、致密且与石墨粉结合紧密。
　　 ⑵测试结果显示镀铜石墨块与铝熔体的接触角为27°。对石墨颗粒浸入铝熔体所需能量进行了理论计算，结果显示镀铜后石墨颗粒完全浸入铝熔体所需克服表面张力的功较表面处理前降低了两个数量级，即便考虑重力和浮力的影响，也仅为未处理石墨颗粒的二十分之一。可见，石墨颗粒表面镀铜处理显著改善了颗粒表面与铝熔体的界面润湿性，为制备石墨颗粒增强铝基复合材料创造了良好条件。
　　 ⑶系统研究了石墨颗粒/铝合金复合材料的制备工艺，确定了最佳的制备工艺参数，制备了石墨含量较高且分布均匀的复合材料。随着石墨含量的增加，复合材料的摩擦性能获得显著改善。在载荷为0.55MPa，速度为0.75m.s-l的干滑动摩擦条件下，含有8mass％石墨粉的复合材料摩擦系数为0.32，比基体合金降低了30％；磨损率降低了76％。
　　 ⑷通过对复合材料摩擦表面的电子显微分析，确定摩擦表面形成了由Fe的氧化物、石墨以及少量A1的氧化物形成的固体润滑膜。随着石墨粉含量的增加，这层润滑膜更加平整，摩擦表面的刮伤和擦痕更少。另外，石墨颗粒与铝合金基体界面结合良好，在界面处Cu、Mg含量相对较高，表明Cu、Mg能够很好的改善石墨颗粒与铝熔体的界面润湿性。
　　 ⑸为了使石墨颗粒分布更均匀，性能进一步改善，开展了石墨颗粒/铝合金自润滑复合材料热轧工艺的研究。确定了最佳热轧工艺参数与工艺控制准则。研究结果显示，这种材料具有良好的塑性。热轧后，与铸态复合材料相比，轧带的维氏硬度增加了46％，抗拉强度提高了46％，延伸率提高了100％。在干滑动摩擦条件下，轧带的摩擦系数比铸态复合材料更低，并且摩擦稳定性比后者更好。与A1Sn20Cu轴瓦材料相比，轧带的维氏硬度提高了145％，抗拉强度提高了145％，干摩擦系数降低了21％，油润滑摩擦系数降低了16％。
　　 ⑹采用热轧复合工艺首次成功制备了自润滑双金属铝/钢复合轴瓦材料。确定最佳工艺条件为轧制温度450℃，道次压下率70％，轧带在350℃退火lh，轧制后实现了铝/钢冶金结合。测试了自润滑双金属铝/钢复合轴瓦材料的成型性能，平均杯突值为8.75mm，表明这种材料具有很好的加工变形能力。参照上海大众桑塔纳轿车主轴瓦首次成功试制了新型自润滑轴瓦零件。与性能较好的美国Federal-Mogul公司的A500型轴瓦相比较，维氏硬度提高了96％，抗拉强度增加了125％，干摩擦系数降低了21％，油润滑摩擦系数降低了13％。结果表明，采用该工艺制备的石墨颗粒/铝合金复合自润滑轴瓦具有良好的市场前景和推广价值。