铁基粉末冶金齿轮泵侧板摩擦学性能研究.pdf

第 2 1卷第 3期 2 0 1 1年 6月 粉末 冶 金工 业 P OW DER M ETALLURGY I NDUS TRY Vo1 ． 21 NO． 3 J u n ．2 O 1 1 铁基粉末冶金齿轮泵侧板摩擦学性能研究 徐伟 ’ ， 尹延 国 ， 田清源 1 ．合肥波林新材料有限公司 ， 合肥2 3 0 0 8 8 ； 2 ， 合肥 工业 大学 ， 合肥2 3 0 0 0 9 摘 要 本 文研 究 了铁基 粉末 冶金材 料 的摩擦 学性 能 ， 研 究结 果表 明 硫 化 铁基 粉 末 冶金材 料 基体 中均 匀分 布 着软 质 F e S相 ， 改 善 了材 料 的摩 擦 学性 能 ， 实际铁基 材 料 侧板 的极 限载 荷 是 2 5 MP a ， 达 到 高压齿轮 泵 的工作要 求 。 关键 词 铁 基粉 末 冶金 材料 ； 硫化 ； 齿轮 泵侧板 中 图分 类号 TFI 2 5 ． 9 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 1 0 3 0 0 2 0 0 4 TRI BoL GI CAL PROPERTI ES oF THE Fe BASED GEAR PUM P SI DE PLATE PREPARED BY P0W DER M ETALLU RGY M ETHOD XU We i ， YI N Ya h g u o ， T I AN Qi n g - y u a n 【 1 ． He f e i B o l i n Ne w ma t e r i a l s Co ．， Lt d ． He f e i 2 3 0 0 8 8 ， Ch i n a ； 2 ． He f e i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， He f e i ， 2 3 0 0 0 9， Ch i n a Ab s t r a c t The t r i bo l og i c a l p r o pe r t i e s of t he Fe ba s e d p o wde r me t a l l ur g y ge a r p ump s i d e pl a t e we r e i nv e s t i ga t e d i n t hi s p a p e r ． The r e s u l t s s h o w t ha t t he s o f t Fe S p ha s e d i s pe r s e s i n t he po wd e r m e t a l l ur g y ma t e r i a l s s ul f i d a t i on Fe b a s e d m a t r i x whi c h c a r l i mpr o v e t he t r i bo l o gi c a l p r o p e r t i e s o f t he m a t e r i a l s ． Th e l i mi t l o a d c a p a c i t y r e a c he s 25 M Pa， whi c h c a n m e e t t he n e e ds o f t h e wo r k i n g c o n d i t i o n s 0 f h i g h p r e s s u r e g e a r p u mp s ． Ke y wo r d s Fe ba s e d ma t e r i a l po wd e r m e t a l l u r gy； s u l f i d a t i o n； ge a r pu m p s i d e pl a t e 随着 科学 技术 的不 断 进 步 ， 高 效率 、 高压 力 、 长 寿命 的齿轮泵产品的研制与开发已成为液压件行业 的重 要发 展方 向 。 目前高 压齿 轮泵 的额定工 作压 力 已达 到 3 O MP a ， 随着 齿 轮泵 压 力 的增 加 ， 导致 了齿 轮泵侧板与齿轮这对摩擦付磨损加剧 ， 使得齿轮泵 内泄漏 增加 ， 严重 影 响齿轮泵 的工 作效率 和 寿命 ， 如 何提高齿轮泵侧板的摩擦磨损性能 ， 已成为高压齿 轮 泵生 产 的技 术难 点_ 1 ] 。 目前齿 轮 泵侧 板 主 要采 用 挤 压铝 合 金 、 铜基 双 金 属板 材制作 。铝 合 金侧 板 由 于材 料硬 度 较 低 ， 对 液 压系 统 的清洁度 要 求 高 ， 容 易 因 为硬 质 颗粒 划 伤 表 面而失 效 ； 铜 基双 金属 板材 的润滑 减摩性 能好 ， 耐 磨性 能高 ， 在 齿 轮 泵 侧 板 中得 到 了广 泛 的运 用 ， 然 而 ， 由于侧板 形状 结构 复杂 ， 铜 基双金属 侧板 的生产 周期 长 、 加工 费用 高 ， 尤其 是高压 、 高温 条件下 ， 铜基 双金 属侧板磨 损加 剧 ， 工作 效率 降低 ， 铜 基双金 属侧 板 的泵 压承 载能力 在 2 O MP a以下 。铁基 粉末 冶 金 减 摩 耐磨 材料 因其性 能好 得 到 广泛 应用 [ 2 ] ， 硫 化处 理 能使铁 基粉末 冶金 材料减摩 耐磨性 能获得 进一步 提 高l_ 3 ] 。为 增强 高压条 件下齿 轮泵侧板 的润滑 减摩 和耐 磨性 能 ， 本论 文选 用铁基合 金材料 ， 采用粉 末冶 金工 艺加硫 化处 理方 法 研 制 的齿 轮 泵侧 板 ， 其 承载 能力 达到 了 2 5 MP a高压齿 轮泵 的工作要求 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 0 6 基金项 目 国家火炬计划项 目 2 0 0 7 GH0 3 0 3 0 7 作者简介 徐 伟 1 9 5 1 一 ， 男 g t ， 安徽合 肥市人 ， 高级工程师， 一 直从事铁铜基粉末冶金材料及制品研制工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 徐伟 等 铁基 粉末冶金齿轮泵侧板摩擦学性能研究 2 1 配方设计及 工艺分析 1 ． 1材料 配方 设计 以铁碳合金 为基体 ， 并在 其中主要添加 铜、 镍 、 Mo S 。 等合 金成 分 。本 研究 选 用 1 4 9肚 m 还 原 铁 粉 ； 碳 以石 墨 粉 的形 式 加人 ， 即添加 0 ． 6 左 右 的5 2 m 石 墨粉 ， 使 基体 组织 成 为珠 光体 加少 量 铁素 体 ； 铜是 铁基合金材料中主要 固溶强化元素 ， 而且铜还可起 到液 相烧 结 的作 用 ， 促进 铁 基材 料 的烧 结 与成形 ， 选 用 1 0 4 m 电解 铜粉 ， 其 含量 为 2 ～5 ； 镍 在铁 基 合金 材料 中起 固 溶 强 化 与 增 韧 作 用 ， 其 含 量 为 2 ～ 5 ； Mo S 粉可 起 润滑 减 摩 作 用 ， 高 温 烧 结 时 ， 部 分 Mo S 。 分 解 产 生 的金 属 钼 进 一 步 强 化 铁 合 金 基 体l_ 4 _ 6 _ ， Mo S 粉 含 量 为 1 ～ 3 ； 具 体 材 料 配 方 见 表 1 。 表 1 铁 基 粉 末 冶 金 材 料 配 方 组 成 质 量 分 数 ％ 1 ． 2材 料 制备 按 规定 的配 方将 铁粉 、 铜 粉 、 石墨 粉及 其他 合 金 粉精 确 配料后 ， 经 混料 机充 分 混合 ， 再 由全 自动压 机 压 制 成 形 ， 并 满 足 所 需 压 坯 密 度 ， 压 制 压 力 为 6 0 0 MP a ， 压 坯经 采 用 分 解 氨 可 控 气 氛 保 护 的 网带 式 连续 高温 烧 结 炉 烧 结 成 形 ， 烧 结 温 度 为 1 0 5 0 ～ 1 1 0 0 ℃ ， 高温 区域保 温 1 ～ 1 ． 5 h 。烧 结 后 的材 料 或 侧板 再 经硫化 处 理 、 整 形 、 磨 削 、 浸 油 工 序 等 成 为 正 式样 品或侧板产品 。其中硫化处理为低温液体渗硫 加高温硫化反应的两步硫化处理 ， 即先将硫磺粉加 热至 1 4 0 ～1 6 0 ℃待其熔化 ， 并将其渗入铁基粉末冶 金 材料 的孔 隙 中 ， 然 后 在 4 0 0 ℃ 左 右 加 热 保 温 2 h ， 这 样就 在铁 基粉 末 冶金 材料 基体 组 织 中生成 均 匀分 布 的 F e S组织 。 1 ． 3 摩 擦 磨损 试 验 摩 擦 磨 损 试 验 在 HDM一 2 O型 端 面 摩 擦 磨 损 试 验 机上 进行 。摩 擦 副 为两 端 面 紧密 接 触 运 转 方 式 ， 铁基粉末冶金材料样品尺寸为 3 8 mm5 mm。对 摩 件 为 圆 环 形 试 样 ， 环 形 接 触 表 面 尺 寸 为 内径 1 6 mm， 外 径 2 4 mil l ， 材 料 由 4 5钢 经 淬火 加 低 温 回 火 制成 ， 硬度 为 4 5 HRC左 右 。润 滑 条 件 为 浸 油 润 滑 ， 试验 加 载方 式 为 定 载 和 逐 级 加 载 两 种 。定 载 时 载荷 为 1 2 0 0 N、 速 度 1 0 0 0 r ／ mi n 1 ． 0 4 6 m／ s 、 时 间 3 0 rai n ， 检测 试验 过 程 中 的平 均 摩 擦 因数 以及 试 验 结束 后 的磨痕 深 度 ， 再 由磨 痕 深 度 计 算 具体 的磨 损体 积 ， 考察 材料 的 减摩 、 耐磨 性 能 ； 逐 级 加 载试 验 时 ， 转速 为 1 0 0 0 r ／ rai n ， 载 荷 从 8 0 0 N 开始 先 跑 合 1 5 rai n ， 再 加载 到 1 2 0 0 N， 试 验 1 0 mi n ， 然 后 每 隔 1 0 mi n加载 一次 ， 载 荷 每次增 加 4 0 0 N， 直至擦 伤 咬 合 、 摩擦 系 数 突然增 大 时停机 ， 考 察材 料 的抗 咬合及 承 载能 力 。 2 试验结果 与分 析 粉 末冶 金铁 基 材料 经硫 化处 理后 的金 相 照片 如 图 1 所 示 ， 可 以看 出黑 色 F e S相均 匀 分 布于 铁 合金 基 体 中 ， 表 2是 铁基 材料 硫 化前 后 的性 能 ， 粉末 冶 金 材 料 的硬 度 、 强 度 与 其 密 度 密切 相 关 ， 密 度越 高 ， 材 料 的硬 度 、 强 度 越 高 ， 由于 经 硫 化 处 理 后 F e S相 沿 铁 基粉 末 冶金 材料 孔 隙处生 成 ， 使其 孔 隙度 降低 、 密 度 增 大 ， 所 以材 料 的强 度 与 硬 度 有 了 明显 提 高 。定 载试 验条 件下 的铁 基粉 末 冶金 材料摩 擦 学性 能如 图 2 所示 ， 由于铁基粉末冶金材料本身密度较低 ， 基体 组织 中有较多孔隙存 在 ， 润滑油通 过浸油处理贮存 在基 体孔 隙 中 ， 孔 隙 中 的润 滑 油在 试 验 过 程 中不 断 向摩擦表面渗 出、 扩散 ， 形成润滑油膜 ， 避免摩擦对 偶 之 间 的直接 接触 ， 减 摩效 果 较好 ， 摩擦 副摩 擦 因数 低 ， 稳 定 阶段 的平 均摩 擦 因数 为 0 ． 0 1 8左右 ， 磨损 量 也小 ， 经 3 0 mi n摩擦磨损试 验后 ， 铁基粉末冶金材 料 的磨损 量仅 为 2 ． 2 1 0 1T I 。 ／ N m ； 硫 化 处 理 后 ， 虽 然材 料 密度 有 所 提 高 而 减 少 了 孔 隙 中贮 存 的 润滑 油量 ， 但 由图 2看 出 ， 摩 擦 副 摩 擦 因数 更 低 ， 稳 定 阶段 的平 均摩擦 因数 为 0 ． 0 1 2左 右 ， 经 3 0 mi n摩 擦磨 损试 验后 ， 其 磨损 量 仅 为 1 ． 4 1 0 I T I 。 ／ N m ； 表 明硫化 处 理 明显改 善 了铁 基 粉 末冶 金 材料 的 减摩 耐磨 性 能 。 图 1 硫 化 物 金 相 图片 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 粉末冶金工业 第 z l卷 表 2铁 基 粉 末 冶 金 材 料 的性 能 密度／ g c m一 3 硬度 HR B 压溃强度／ MP a 图 2 摩擦副摩 擦系数变化曲线 1 一铁 基材 料 ； 2一铁 基 硫 化 材 料 图 3是逐级 加 载试验 条件 下铁基 粉末 冶金材 料 与 市售 典 型铜基 双金 属侧 板材 料的摩擦 学特 性变化 情况 ， 可 以看 出 ， 当 载荷 低 于 1 6 0 0 N 时 ， 几 种 材料 摩擦 副摩擦 因数 均较低 基 本在 0 ． 0 6以下 ， 摩擦 副 运行平 稳 ， 表 明有 较好 的润 滑减摩 效果 ； 随着 载荷 的 提高 ， 摩 擦 副摩擦 因数有 逐 渐增加 的趋 势 ， 当载荷增 加 到一 定程度 时 ， 摩 擦 副摩 擦 因数 急剧 上 升并 超 过 0 ． 1 5 ， 而且 伴 有 噪声 、 振 动 出现 ， 即摩擦 副 已出现 黏 着 、咬合而 失效 。图 3表 明未硫 化的铁 基粉末 冶金 材料 的承 载能力 是 1 6 0 0 N； 铜基 双金属侧 板材料 的 承载 能力是 2 0 0 0 N； 而硫化 处理 既改 善 了铁基 粉 末 冶金材 料 的减 摩 、 抗 黏着 特性又 提高 了其 承载能力 ， 即硫化 处理 的铁基 材料摩擦 副摩擦 因数 曲线始终处 于未硫 化铁 基 材 料 的下 方 ， 承 载 能 力也 由 1 6 0 0 N 提高至 2 4 0 0 N， 超 过 了典 型铜基 双金属侧板 材料 的 承载能 力 。两 种 铁基 材 料 分别 于 1 6 0 0 N、 2 4 0 0 N 载荷试 验 后 的磨 损 形 貌 扫 描 照 片 如 图 4所 示 ， 普 通 铁基 粉末冶 金材料在 1 6 0 0 N 载荷 试验 后表 面 已 有 明显 的犁 沟 和 黏 着 现 象 ， 磨 损 严 重 ； 而经 硫 化 处 理后 ， 材料 在 2 4 0 0 N 载 荷 试验 后 表 面有 断续 的 固 体 润滑膜 存 在 ， 无 明显 的擦 伤 和 黏 着 痕 迹 ， 磨 损 轻 微 。 0 ． 2 0 0 l 8 0 ． 1 6 O 1 4 0． 1 2 o ． 1 0 登0．0 8 0 ． 0 6 0 ． 0 4 0 0 2 O ． 0 0 图 3铁基粉末冶金材料变载摩擦磨 损性 能 1 一铁 基 材 料 ； 2 一铁 基 硫 化 材 料 ； 3 一铜 基 双 金 属 材 料 图 4 铁 基 粉 末 冶 金 材 料磨 损 表 面扫 描 形 貌 a 未 硫 化 ； b 硫 化 齿轮泵 中侧板 与齿 轮这对摩 擦 副属于 面接触 方 式 ， 工 作过 程 中处 于混 合 润滑状 态 ， 本 研究 采用 的端 面摩 擦磨损 试验 方 法 ， 其 接 触方 式 与 润 滑状 态 基本 和齿 轮泵侧 板摩 擦 副类 似 ， 擦 伤 、 黏着 、 咬合 是 主要 磨 损失 效形 式嘲 。摩 擦磨 损试 验 时 ， 由于 浸油 以及 铁基粉末冶金材料孔隙中含有的润滑油， 使得低载 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 徐伟等 铁基粉末冶金齿轮泵侧板摩擦学性能研究 23 平 稳运 行 过 程 中 能 在 摩 擦 界 面形 成 良好 的 润 滑 状 态 ， 摩 擦 副摩擦 因数低 ， 磨 损量 小l 7 ] 。 当载荷 逐 渐增 大时摩 擦 界面 的 润 滑油 膜 易 于 破 裂 ， 造 成 摩 擦 副 直 接接 触 的 几率 增 大 ， 擦 伤 、 黏着 、 咬 合不 可 避 免 。如 何 改善 高 载时 的 润滑 状 态 ， 是 提 高摩 擦 副使 用 寿命 的有效 途 径 ， F e S是 一种 密排 六 方结 构 物 质 ， 晶 体层 间距 大而 结合力 弱 ， 易 剪切 变形 而沿 密 排 面滑 移 ， 因 此 当摩 擦 副表 面有 F e S相 存 在 时 ， 能起 固体 润 滑作 用 ， 即使润 滑油 膜 破 裂 也 能有 效 阻 碍摩 擦 副 之 间 的 直接接 触 ， 对避 免擦 伤 、 黏 着及 提高 边 界润 滑条 件下 的耐磨性能非常有利 。本文在保证材料配方相 同 、 控 制材 料密 度 的前 提下 ， 采 用特 种低 温硫 化 工艺 处理 ， 在铁 基粉 末 冶 金 材 料基 体 中形成 均匀 分 布 的 软质 F e S固体 减摩 相 ， 摩擦 学 性 能获得 明显提 高 。 将 几 种 材 料 制 作 的侧 板 装 入 齿 轮 泵 ， 在 齿 轮泵 专用 台架 上进 行 考 核试 验 ， 具 体 台 架 试 验结 果 见 表 3 。由表 3可 看 出 ， 未硫 化 铁基 粉末 冶 金材 料 的极 限 载荷 是 1 8 MP a ， 典型 铜基 双金 属侧 板 材料 的极 限载 荷是 2 0 MP a ， 硫 化铁 基粉 末 冶金材 料 的极 限载 荷 是 2 5 MP a 。几 种材 料侧 板 在各 自极 限载 荷 下 ， 各 检 测 项 目的 实 测值 符 合 液 压 齿 轮 泵 Q／ HY2 0 1 -- 2 0 0 3 所规 定 的要求 ， 台架 试 验 结 束 后 的检 查 结 果 显 示 各 运动 副磨 损正 常 ， 泵 体 、 齿 轮 、 侧 板 等 配 合 部 位 未 出 现烧 伤 、 划伤 、 剥 落 、 点 蚀 等异 常现 象 ， 泵体 扫膛 状 况 良好 ， 密 封件 无 损 伤 。 台架 考 核 试 验 表 明 硫 化 铁 基 粉末 冶金 材料 侧 板达 到高 压齿 轮 泵 的工作 要求 。 表 3铁 基 粉 末 冶金 材 料 性 能 注 1 一铁 基 材 料 ； 2 一 铁基 硫 化 材 料 ； 3 一 铜 基 双 金 属 材 料 。 3 结 论 1 硫 化铁 基 粉末 冶金 材 料 基 体 中均 匀 分 布 着 软 质 F e S相 ， 改 善 了 润 滑 减 摩 效 果 ， 摩 擦 学 性 能 获 得 明显 提 高 ， 摩 擦 副 摩 擦 因 数 减 小 ， 材 料 磨 损 量 降 低 、 承 载能 力提 高 。 2 台架考 核试 验 表 明 ， 硫 化铁 基粉 末冶 金材 料 侧 板极 限载荷 是 2 5 MP a ， 达 到 高压 齿轮 泵 的工作 要 求 。 参 考 文献 E l i杨杰 ．高压齿 轮泵 轴套 轴 向浮动 性 的研究 [ J ] ．液压 与气动 ， 2 0 1 0 ， 1 O 8 - l O ． [ 2 ] 丁存光 ， 柳学全 ， 李 红印 ， 等 ．钼对铁基 粉末 冶金 自润 滑材料力学及摩擦 学性能 的影响 E J ] ．粉末 冶金工 业 ， 2 0 1 o， 2 o 3 2 7 3 0 ． [ 3 ]尹延 国， 焦明华 ， 俞建 卫 ， 等 ．含 碳量 及硫 化对铁 基粉 末冶金材料摩擦磨 损性能 的影响 [ J ] ．中国机械 工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 2 3 2 5 1 7 - 2 5 2 1 ． E 4 ] Mu s t a f a B o z ， A d e m Ku r t ． E f f e c t o f D i f f e r e n t a mo u n t s o f Gr a ph i t e o n t he Si nt e r i n g a nd Tr a ns v e r s e Rup t ur e p r o p e r t i e s o f P o wd e r Me t a l P a r t s I- J ] ． J ． Ma t e r ． S c i ． Te c h n o l ， 2 0 0 6 ， 2 2 3 4 1 9 4 2 2 ． [ 5 ] 赵越超 ， 华正美 ．添加 石墨量 及粒度 对铁 基材 料性能 的影 响[ J ] ．热加工工艺 ， 2 0 0 5 ， 2 1 1 i 7 - 1 8 ． [ 6 ]章林 ， 李志友 ， 周科 朝 ， 等 ．元 素粉末 预合 金化 对烧结 合金钢组织 和性能 的影 响 [ J ] ．粉 末冶 金材 料科 学与 工 程 ， 2 0 0 5， 1 0 4 2 2 5 2 3 0 ． [ 7 ]尹延 国， 焦 明华 ， 俞 建卫 ， 等 ．铁基粉 末冶 金含 油材料 摩擦学性 能E J ] ．金属功能材料 ， 2 0 0 6 ， 1 3 5 1 3 1 7 ． E 8 ] Wa n g H D， Z h u a n g D M， Wa n g K L， e t a 1 ． T h e c o m p a r i s o n o n t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f i o n s u l f u r a t i o n s t e e l s u n d e r o i l l u b r i c a t i o n [ J ] ． Ma t e r i a l s L e t t e r s ， 2 0 0 3， 5 7 1 5 2 2 2 5 2 2 3 2 ． [ 9 ] 刘红华 ， 邵鑫 ， 李建 波 ， 等 ．表 面修饰 F e S纳米 微粒 的 研究 Ⅱ 一摩 擦 学特 性研 究 [ J ] ．润滑 与密 封 ， 2 0 0 5 ， 6 84 85 ． [ 1 o ] 刘沅东 ， 王成彪 ， 袁静静 ， 等 ．渗硫层 与 F e S粉末摩擦 学机理的 对 比研 究 [ J ] ．摩擦 学 学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 3 2 96 3O 2． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m