基于正交试验对铜基轴瓦材料金相组织影响因素研究

胡有石 王翠萍 丁文捷 李壮楣

（1.甘肃省建材科研设计院有限责任公司宁夏分公司,宁夏 银川 750001；2.宁夏大学机械工程学院,宁夏 银川 750021）

随着造船和汽车工业的发展，人们对发动机的功率和转速指标要求越来越高，因而对轴瓦等耐磨零件的服役性能要求也越来越苛刻，同时对寿命的要求也大大提高[1-2]。滑动轴承既要传递作用力又要承受很高的表面速度，这就要求轴瓦材料既要具有软组分以获得良好的运行性能，如磨合性、顺应性以及尽可能小的咬合倾向，且不易被外来杂质所损伤；又要具有硬组分以获得良好的耐磨性和抗疲劳强度[3-4]。软、硬组分晶粒均匀分布的金相组织，可以提高轴瓦耐磨性和抗疲劳强度，进而延长轴承的使用寿命。因此，制造微观组织优良的轴瓦材料是提高轴承性能的有效途径[5-6]。本文通过不同影响因素对比试验，制造出了具有优良微观组织的轴瓦材料，为解决我国粉末冶金法工艺制取的工件致密度低、性能不稳定等问题提供了参考。

1 试验

1.1 工艺流程

以目前通用的合金轴瓦材料为例（CuPb24Sn球型粉末），原料钢板选择ST37-2G，改轧厚度2.20 mm，其生产工艺流程：钢板下料→表面处理→轧校→清洗→铺粉→初烧→一次轧制→复烧→二次轧制→成品。烧结保护气氛为氮氢混合气（4 : 1）。

1.2 试验方法

采用不同化学成分、不同物理性能的粉末进行金相对比试验，通过调整不同参数，探究一条合理有效的工艺提高轴瓦材料金相组织[7-8]。本试验采用100倍金相显微镜，依据《汽车发动机轴瓦铜铅合金金相标准》（QC/T 281-1999）的要求对合金层中铅分布的形态进行金相检查、评级并赋分。

2 试验结果与分析

2.1 筛选正交试验

经文献查阅及生产经验，粉末化学成分、粉末物理性能、初烧升温速度、初烧温度、初烧时间、一次轧制量、复烧温度、复烧时间这8个因素对铜基轴瓦材料金相组织有较大的影响，决定把它们列为本试验考察的对象[9-13]。同时，认为初烧升温速度与初烧温度、初烧温度与初烧时间、复烧温度与复烧时间因子之间存在交互作用，故共为筛选试验确定了11个试验因子，为了尽可能地降低试验成本，选定11因素2水平的正交表L12（211）。同时为了提高对试验因子的筛选灵敏度，选取各因子容许操作范围的较大值与较小值来作为因子的水平取值，可将该因子对试验指标的影响较好地反映出来同时确定因子的较优水平。如表1所示。

表1 筛选正交试验因子水平对照表

根据本试验轴瓦合金层中铅的形态为点、块状，故赋分规则如表2所示。

表2 显微组织情况赋分表

根据显微组织情况赋分规则，可得到本项目筛选正交试验正交的结果，同时通过对试验数据进行分析处理，可计算各水平的均值和极差，代入方差计算公式，计算结果列于表3。

表3 筛选正交试验结果计算表

比较各因子计算得到的F比，得出各因子对试验指标的影响程度，可以得出对铜基轴瓦材料金相组织影响较显著的因子分别是B、A、G、D，他们对试验指标的影响程度分别为46.44%、31.69%、14.84%、4.3%。从筛选正交试验得出的各因子较优的水平条件为Sn:2.0%、松装密度:5.3 g/cm3、70 ℃/min、820 ℃、20 min、8.5 g/cm3、820 ℃、40 min。

2.2 粉末化学成分

铜基轴瓦材料用合金粉末中合金元素的含量都有一定的范围，根据筛选正交试验粉末化学成分较优水平的取值Sn:2.0%，选择表4中有代表性的4种粉末，采用相同的烧结工艺生产，金相组织见图1。

表4 CuPb24Sn粉末化学成分表

从图1可以看出，锡含量高的铅颗粒趋向球化，锡含量低的铅颗粒呈不规则状，这是由于锡增加液相颗粒表面张力，使基体空隙球化所致，铅含量增加时容易出现铅的凝聚和枝状连接，因为铜合金的热导率和承载能力由于其高铅含量而降低。图1（1）金相组织最为理想，故选择铅含量低锡含量高的合金成分进行下一步试验。

图1 不同合金化学成分的轴瓦材料金相组织

2.3 粉末物理性能

选择成分为CuPb20Sn1.8的粉末继续试验，根据筛选正交试验粉末物理性能较优水平的取值松装密度:5.3 g/cm3，通过筛分得到粒度范围不同的四种粉末，如表5所示。以四种不同物理性能的粉末，采用相同的烧结工艺生产，金相组织见图2。

表5 CuPb24Sn粉末物理性能表

从图2可以看出，原始粉末粒度分布越窄、细颗粒所占比重越多，烧结后铅颗粒越细小、均匀地分布在铜基固溶体上。故选择粒度组成如d的粉末继续试验。

图2 粉末物理性能不同的轴瓦材料金相组织

2.4 初烧升温速度

轴瓦材料的烧结工艺属于粉末松装烧结，故预烧结升温的速度对合金粉末的成形至关重要。根据筛选正交试验初烧升温速度较优水平的取值70 ℃/min，选择50℃/min、70℃/min、90℃/min三种升温速度，820℃保温10分钟后下轧做金相，金相组织见图3。

图3 不同升温速度的轴瓦材料金相组织

以50 ℃/min的速度升温，铅是以断续的点块状存在的，因为粉末间有足够的时间通过固相扩散反应形成一些中间相，减少反应放热使显微组成不理想，致密化程度比较低。以90 ℃/min升温，铅已经聚集成块状和网状，并且发现组织中已经出现孔洞缺陷，因为升温速度太快，粉末反应剧烈，波动较大，容易产生气孔，同时造成颗粒粗化，合金层致密度急剧下降。从上图可以看出第二种升温速度得到的显微组织比较理想，所以升温速度选择70 ℃/min左右比较合适。

2.5 初烧温度

以70 ℃/min的升温速度进行预烧结，根据筛选正交试验初烧温度较优水平的取值820 ℃，分别在800℃、820 ℃、840 ℃保温，保温时间10分钟，初烧后下轧直接做金相，金相组织如图4。

图4 不同初烧温度下轴瓦材料金相组织

由图4可以看出800 ℃保温，粉末颗粒没有足够的扩散能，孔隙收缩程度小；温度达840 ℃时铜锡合金基体出现粗化造成孔隙变大即俗称合金龟裂现象。在820 ℃可以得到较理想的显微组织，细小的铅颗粒均匀地分布在铜基体上。故选择820 ℃初烧温度进行下一步试验。

2.6 一次轧制量

轴瓦材料初烧后必须通过轧制增加粉末颗粒表面之间的接触，这样复烧后才能得到致密度高的材料，究竟以多大的变形量下轧才能使材料致密而且有优良的显微组织。根据筛选正交试验一次轧制量较优水平的取值8.5 g/cm3，分别按8.0 g/cm3、8.3 g/cm3、8.5 g/cm3、8.8 g/cm3四种密度进行轧制，复烧温度830 ℃，时间20分钟，金相组织如图5。

由图5可以看出按8.0 g/cm3轧制的，由于铜颗粒接触面积小，在830 ℃孔隙收缩比较小，铅颗粒向下沉积；按8.8 g/cm3进行轧制的，复烧时出现“铅汗”，铅颗粒出现积聚张大现象；按8.3 g/cm3、8.5 g/cm3两种密度轧制，可以得到较均匀的显微组织结构。

图5 不同轧制量下轴瓦材料金相组织

2.7 复烧温度

一次轧制密度采用8.3 g/cm3、8.5 g/cm3，根据筛选正交试验复烧温度较优水平的取值820 ℃，复烧温度分别为810 ℃、830 ℃、840 ℃，保温时间20分钟，显微组织如图6、图7。

图6 按8.3 g/cm3 轧制不同复烧温度的金相组织

图7 按8.5 g/cm3 轧制不同复烧温度的金相组织

从图6、图7中可以看出按8.3 g/cm3轧制、840 ℃复烧和按8.5 g/cm3轧制、830 ℃复烧两种条件下金相组织均达到1级。按8.3 g/cm3轧制、830 ℃复烧和按8.5 g/cm3轧制、810 ℃复烧两种条件下金相组织为2级。考虑到生产的连续性以及节能降耗的要求，选择8.5 g/cm3的轧制密度，复烧温度830 ℃的条件生产。

2.8 烧结时间

烧结时间对轴瓦材料金相组织的影响比烧结温度小得多。升高5 ℃产生的致密化效果，可能要延长60分钟或更长的烧结时间才能达到。合金层厚度或钢背厚度增加时需适当延长烧结时间。生产过程中应尽量减少烧结时间，在保证合金致密化的同时提高生产效率。

3 结论

经过上述的试验，通过选择合适化学成分及物理性能的粉末，控制烧结的温度、时间以及一次下轧量，可以使轴瓦材料的金相组织达到最佳。通过研究试验确定稳定的生产工艺，并得出以下结论：

（1）锡含量高的铅颗粒趋向球化，锡含量低的铅颗粒呈不规则状；原始粉末粒度分布越窄、细颗粒所占比重越多，烧结后铅颗粒越细小、均匀分布在铜基固溶体上。

（2）升温速度在70 ℃/min左右时，反应较温和，合金层致密化程度适中；初烧温度在820 ℃可以得到较理想的显微组织，细小的铅颗粒均匀地分布在铜基体上。

（3）按8.3 g/cm3轧制、840 ℃复烧和按8.5 g/cm3轧制、830℃复烧两种条件下金相组织均达到1级。考虑到生产的连续性以及节能降耗的要求，选择8.5 g/cm3的轧制密度，复烧温度830 ℃的条件生产。

（4）烧结时间对轴瓦材料金相组织的影响比烧结温度小得多。升高5 ℃产生的致密化效果，可能要延长60分钟或更长的烧结时间才能达到。生产过程中应尽量减少烧结时间，在保证合金致密化的同时提高生产效率。