铜基石墨自润滑件的三维骨架设计与制备工艺参数研究

周雪琴

[摘           要]  铜基石墨自润滑件具有摩擦系数低、磨损小等优良性能。石墨颗粒在铜基体的分布会影响自润滑件的综合性能，根据摩擦磨损理论，结合固体润滑剂嵌入轴承的方式，设计交错分布的石墨骨架结构，通过正交试验确定分层厚度0.1mm、扫描速度1500mm/min、掃描间距0.1mm、激光功率20W的工艺参数，成功制备铜基石墨的三维石墨骨架。

[关    键   词]  自润滑件;石墨骨架;激光烧结;工艺参数

[中图分类号]  TH117.2+1       [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2019）15-0029-03

铜基石墨自润滑件具有摩擦系数低、磨损小等优良性能。石墨颗粒在铜基体的分布会影响自润滑件的综合性能，如何实现石墨含量及其在铜基体中可控分布仍然是一个技术难题。本文通过预先设计并制备三维石墨骨架，实现对石墨含量在铜基体的可控分布，为获得综合性能优良的铜基石墨自润滑件提供可行条件。

一、三维石墨骨架的设计

根据固体润滑剂嵌入轴承的方式[1]，如图1所示。其中，A为泛用型;B适用于微动摩擦场合;C适用于轴固定而轴承转动的条件下;D则适用于轴作旋转和轴向移动双向运动时。在结构上，嵌入的固体润滑剂在摩擦方向上都保持了一定的交叠，因为固休润滑剂不能流动，交叠的排布能保证固体润滑剂在摩擦过程中形成覆盖整个摩擦表面的转移膜，达到润滑的效果，否则，在没有润滑剂的部位会出现咬伤，严重时将导致轴承迅速失效。

固体自润滑件镶嵌在金属基体内时，要按一定规律分布成若干圆柱，如图2所示。所有镶嵌孔沿运动方向交叉布置，在轴向或径向（以运动方向而论）各孔之间应有一定的切向重叠度ε，以保证轴承润滑剂覆盖整个滑动方向，形成完整的固体润滑膜[2]。

根据上述理论基础，设计石墨骨架底座尺寸为25mm×25mm×5mm，圆柱体设计尺寸为？椎4mm×5mm，圆柱分布方式采用图1的B图，在摩擦方向各圆柱之间的切向重叠度ε=1.25mm，为了减小圆柱底部的应力集中，在圆柱底部增加R1mm的倒圆角，具体分布方式如图3所示。

二、三维石墨骨架的快速制备

（一）实验设备

激光烧结设备：3D打印成型系统选用选择性激光烧结快速成型机HKS500，由武汉华科三维科技有限公司提供;激光器为CO2气体激光器，输出功率最大能达到55W，最大光斑直径为0.4mm，成型空间尺寸为500mm×500mm×400mm，分层厚度为0.05mm-0.25mm。后处理除尘装置、鼓风对流干燥箱均为3D打印成型系统的配套设备。

石墨3D打印原材料制备设备：振动筛和不锈钢干磨球磨机

（二）3D打印材料

石墨3D打印粉料由细鳞片石墨和热固性酚醛树脂粉末组成，按表1制作配方。

根据配方要求，使用振动筛筛选石墨粉末，按比例称取热固性酚醛树脂粉末，一起投入不锈钢干磨球磨机中，并按1∶3的球料比放入适量钢球，以45r/min的转速混合5小时（分阶段），获得混合均匀的石墨/酚醛树脂混合粉末原料将物料置于湿度低于40RH%的干燥环境（防止受潮）中备用。

三、三维石墨骨架选择性激光烧结成形工艺

在选择性激光烧结成型过程中，粉末所吸收的能量大小可用激光能量密度来描述，研究表明激光能量密度与激光功率P成正比，而与扫描间距L、扫描速度V成反比[3]，激光的能量密度E恰好能表达各个工艺参数之间的关系：E=fP/（LV）

上式中：E表示激光能量密度的大小，P为激光功率，V为扫描速度，L为扫描间距，f为修正系数，由具体的实验环境决定。可见，激光功率P、扫描速度V、扫描间距L是影响成型质量的主要可控的工艺参数。

由于石墨/酚醛树脂混合粉末导热性好，该混合粉末所吸收的能量除一部分散失到上方空气中外，大部分激光能量以热量形式通过传导方式传向周围松散粉末，使这些粉末温度升高，当其温度达到粉末结块温度时，便会在烧结件表面粘接一层非理想烧结层，从而形成次级烧结区，致使X、Y方向尺寸偏大;激光功率越大，能量密度越大，形成的次级烧结区越大，尺寸偏差也越大[4]。

为了能精确控制自润滑件中石墨的含量，必须要计算圆柱的设计尺寸与打印尺寸的比值。为此，实验中用0.1mm的分层厚度，采用正交试验研究了扫描间距L、激光功率P、扫描速度V对烧结件坯体尺寸精度的影响规律，各参数取值如表2所示。

每组试样一次性烧结3个，采用游标卡尺（精度为0.02mm）在同一高度测量烧结件坯体的直径，取平均值并统计，用实测直径减去基本尺寸求得尺寸偏差，再用尺寸偏差除以基本尺寸获得尺寸相对误差值。正交试验表及直径测量结果如表3所示（见附表）。

四、正交实验结果的分析与讨论

根据正交实验结果，当激光能量密度小于等于0.067J/mm2时，无法获取结构完整试样（如图4所示）;而当激光能量密度大于0.167J/mm2时，试样在X轴方向出现粘接或者“扰动”（如图5所示）。只有当激光能量密度在0.075～0.150J/mm2范围内变化时，才能获得结构完整的试样，且随着激光能量密度的增加，试样的相对误差值也随之增大。这是因为在石墨/酚醛树脂混合粉末选择性激光烧结成型过程中，当激光能量密度偏低时，混合粉末所吸收的能量少，不足以使其中的酚醛树脂粉末固化，导致层间连接强度不够而无法获取石墨成型件。随着激光能量密度不断增大，大部分酚醛树脂粉末吸收足够的能量得以固化，增加了层间连接强度，改善了成型工艺性。如果激光能量密度过大，石墨和酚醛树脂粉末会部分烧失。

采用极差分析法对同一因素的几个实验值相加，得到该因素的K1、K2、K3值，求得K1、K2、K3中最大值与最小值之差为该因素的极差R，R值越大，说明该因素在实验过程中的影响越大。

结合表4可知，影响试样直径相对误差的主次因素为：激光功率>扫描间距>扫描速度。为保证试样直径相对误差最小，应选取A1B3C3工艺参数组合，即激光功率为15W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.2mm，即表3中的第九组参数。利用第九组参数打印出来的试样图片如图6所示。

由图6可知，利用第九组参数打印试件时，中间试件出现了比较明显的次级烧结。也就是说由表4确定的工艺参数并不是最佳的，之所以会出现这种比较矛盾的结果，是因为在制作表4时，由于部分试样取样失败以致部分数据缺失所致。例如扫描间距为0.1mm的相对误差数据有9组，而扫描间距为0.2mm的相对误差数据只有5组，扫描间距为0.15mm的相对误差数据有6组;激光功率和扫描速度的计数数据也是如此。

虽然由表4确定的工艺参数不是最佳的，但可以用来作参考。通过观察表3可知，1、4、9組试样的打印尺寸相同，均为5.7mm。通过对比三组试样的图片，如图7所示，根据图片可知，相比第四组和第九组，利用第一组参数打印的试样出现了比较明显的Z轴盈余;相比第一组和第四组，利用第九组参数打印的试样出现了比较明显的次级烧结区域，因此第四组参数比较合理。

综上所述，选择第四组参数进行骨架的烧结制备。利用第4组参数打印的试样图片如图8所示。将第4组参数作为本实验3D打印的工艺参数，如表5所示。

经测量，打印出来的试样的直径在椎5.9mm～椎6.1mm之间取值，平均值为椎6mm。

五、结论

根据摩擦磨损理论，结合固体润滑剂嵌入轴承的方式，设计了交错分布的石墨骨架结构，通过合理分配3D打印材料中酚醛树脂含量40wt%、酚醛树脂粒径75μm，通过正交试验确定分层厚度0.1mm、扫描速度1500mm/min、扫描间距0.1mm、激光功率20W的工艺参数，成功制备了铜基石墨的三维石墨骨架。

参考文献：

[1]李同生.镶嵌固体润滑剂轴承的研究与应用[J].固体润滑，1989（2）：69-77.

[2]肖跃加，马黎，陈国清.镶嵌型固体自润滑轴承及其设计[J].锻压机械，1995（2）：22-25.

[3]吴海华，鄢俊能，李腾飞，等.石墨/酚醛树脂混合粉末选择性激光烧结成型精度实验研究[J].激光与光电子学进展，2017，54（8）.

编辑 冯永霞