采用电子显微镜研究石墨颗粒形态对铜基喷撒片性能的影响

张银华 张秋萍

【关键词】电子显微镜;石墨;铜基喷撒片;摩擦磨损性能

一、引言

石墨的不同形态如天然磷片石墨、人造颗粒石墨、焦炭等被广泛应用在粉末冶金摩擦材料中，人们就鳞片石墨含量和粒度组成对压烧法摩擦材料性能的影响进行了大量的研究[1][2][3][4]，但有关石墨的种类及粒度分布对粉末冶金铜基喷撒摩擦材料（以下简称铜基喷撒片）性能影响的对比研究报道几乎没有。本文通过扫描电子显微镜等方式研究了不同种类（天然磷片石墨、人造颗粒石墨）和粒度组成的石墨对铜基喷撒片性能的影响，为高性能铜基喷撒片的研制提供理论依据。

二、试验方法

试验选用几种不同形态的石墨（天然磷片石墨和人造颗粒石墨），通过电子显微镜扫描观察其在喷撒片配方中的含量均为8%（质量分数），材料中其他成分及含量保持不变，所有试样均先经混料、喷撒-预烧结、压槽，然后在分解氨气体保护下进行二次复烧，最后使用精整电压机压成精整至成品尺寸。摩擦磨损性能试验在HF-85WT的湿式试验台位上进行，对偶钢片材料为65Mn，硬度为HRC48-53。试验按照JB/T7909-1999《湿式烧结金属摩擦材料摩擦性能试验台试验方法》进行，试验条件为：动、静摩擦系数在接合500次、1000次、1500次及2000次下测得，取平均值，磨损率在接合2000次情况下测得，能量许用负荷值在转速1200r/min，逐级增加压力和（或）增加转速的情况下测得。

三、不同形态石墨的物理性能及筛选

（一）不同形态石墨的形貌

由于制造工艺的差异，不同形态石墨粉末的形貌也千差万别。通过高位二次电子SEI模式电镜扫描，可以发现图片1（a）为LG（-）100-99的天然磷片石墨，石墨呈规则层片状堆积。图1（b）-图1（f）均为人造石墨，图1（b）石墨微粒细小，表面粗糙，而当粒度达到150，微粒大小变得不均匀，形貌也不规则，图1（c）石墨形状为颗粒状，整体较粗较规则，+100目以上颗粒大约有13%左右，图1（d）微粒大小很不均匀，但形貌较规则，图1（e）形貌较规则，但颗粒大小较粗，图1（f）所示的石墨，粒度比较细且均匀。

（二）不同石墨形态及粒度的松装密度

松装密度是粉末自然堆积的密度，它取决于颗粒间的粘附力、相对滑移的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程度。不同形态石墨的松装密度如表1。可以看出，在同一类型的石墨（人造颗粒石墨）中，随粉末粒度的变小，其松装密度也随着变小。这是因为，虽然粒度变小，粉末自我填充增加，但粉末越细，流动性越差，颗粒间越容易形成拱桥孔洞。“拱桥”和相互粘附，妨碍了颗粒相互移动，故松装密度减少。

（三）不同形态石墨的粒度分布

不同形態及颗粒的石墨粒度分布如表2。从表2可看出，KS-150、D20-100及D80-0粒度组成较窄且较粗，+100目分别达到98.6%、97.4%和55.4%;KS-75则粒度组成较窄且较细，-200目达到90.9%。而LG（-）100-99、#5019-A粒度组成相对比较均匀，而且粒度基本集中在-100+240目之间。

（四）石墨的筛选

铜基粉末冶金喷撒片由三大组元组成：基体组元（铜，锡与铜在高温进行合金化反应，起强化基体的作用）、摩擦组元（铁、氧化物、碳化物、硅化物）和润滑组元（铅、石墨、硫化物）[5]。

铜基喷撒片是利用特定的装置将一定组份的配方材料松散地喷撒在钢芯板上，而后进行槽形压制、二次烧结（合金化反应）和精整，它具有工序和工装少且简单、材料利用率高和周期短效率高的特点，适合大批量生产。

由于铜基喷撒片松散烧结的特点，原材料三大组元的粒度组成不同于铜基压烧片，它的粒度组成有一定的比例，并且必须粗细合批均匀，这样才能保证有合适的松装密度和流动性，确保摩擦材料有一定的密度和撒粉均匀性，以满足产品物理机械性能及几何尺寸精度的要求。据此，KS-150、D20-100 粒度组成太窄、太粗，不利于摩擦材料有一定的松装密度，同时粉末落到振动筛后，不能落到钢芯板上，达不到-80目的要求;同样KS-75粒度组成太细，粉末在喷撒时流动性太差，难以在料筒中自然降落，因此这三种牌号的石墨不适合用于铜基喷撒片。而D80-0将+80目的石墨过筛后，-80+240目的粒度在剩余粉末中仍有71.3%，还是比较符合铜基喷撒片的粒度组成要求。所以将LG（-）100-99、#5019-A及过筛80目后的D80-0作为本研究项目的对象。

（五）石墨的种类及粒度变化对铜基喷撒片摩擦磨损性能的影响

在使用电子显微镜扫描和性能测试等试验条件下获得的不同石墨形态对铜基喷撒片的动摩擦系数及磨损性能影响见表3及图2，平均功率密度及能量负荷许用值对比见表4、表5。从表3-表5和图2可看出，虽然配方成份都不变，只改变石墨的种类及形态，但摩擦系数、磨损率、平均功率密度和能量负荷许用值还是有明显差距。从图表可看出，使用牌号为#5019-A和D80-0的人造颗粒石墨的铜基喷撒片各项性能指标要明显优于天然磷片石墨铜基喷撒片，而同样是人造颗粒的#5019-A和D80-0，含有相对较细颗粒的#5019-A铜基喷撒片各项性能指标要优于相对较粗颗粒的D80-0。这是由于喷撒是松散烧结，配方材料以自然落体形式降落，天然磷片石墨由于自身比重较轻，以磷片飘浮状存在于摩擦材料表面，当产品从冷却段出来以后，飘浮于表面的磷片石墨实际作为废粉的形式被抖落。而人造颗粒石墨在喷撒过程中与其它组份混合在一起，以均匀分布于基体的形式存在于摩擦材料层，实际烧损量要比磷片石墨小得多，表6可以反映出产品预烧后摩擦材料层的实际含碳量。#5019-A粒度分布相对较细，体积百分比含量在铜基喷撒片中要比D80-0多7.5%，在摩擦磨损性能测试上表现为摩擦系数略高且稳定、承受更大的比压及线速度、更耐磨和更耐热。表3-表6及图表2说明了这一点。

四、结论

（一）通过电子显微镜扫描和性能测试得知：

1、采用不同方法制造出的不同形态石墨在外观形态上存在显著区别。

2、不同牌号、形态的石墨在自身性能如松装密度、粒度组成等方面存在较大的差别，从而影响到铜基喷撒片的密度和孔隙度。在配方成份不变、工艺不变的情况下，人造颗粒石墨体现了良好的摩擦磨损性能。

3、天然磷片石墨以磷片飘浮状存在于摩擦材料表面，最后以作为废粉的形式被抖落。而人造颗粒石墨在喷撒过程中与其它组份混合在一起，均匀分布于摩擦材料中，最终烧损要比天然磷片石墨小得多。

4、在铜基喷撒片中，采用#5019-A人造颗粒石墨，具有优越的摩擦磨损性能。其综合性能堪比工程机械铜基压烧片，动摩擦系数μd、静摩擦系数μj、磨损率δ达到JB/T12718-2016《铜基粉末冶金喷撒摩擦片技术条件》中湿式工况要求，能量负荷许用值超过Ca>16000要求。