铜镍基自润滑摩擦材料的脱脂工艺
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作者:王振东 赵小健
摘 要：本文主要研究了含自润滑材料CaF2的铜镍粉末生坯的脱脂过程对烧结体的影响。首先通过TGA仪器测试商用型号1788的PVA的热失重规律。进一步根据热失重数据，和真空烧结时炉内气压变化特点，设计脱脂工艺路线中的升温速度和保温时间，同时考虑生坯密度参数的变化，指出脱胶工艺参数的调整方向。试验结果表明，PVA的TGA曲线只是设计脱脂工艺的参考内容之一，脱脂工艺设计中升温速率和保温时间还要充分考虑生坯密度和生坯的含胶量。
关键词：摩擦材料 自润滑 脱脂工艺 聚乙烯醇
中图分类号：TQ127.11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0072-03
铜镍合金具有较良好的导电性，高的耐腐蚀性，高温时较高强度等优异性能，这为合金的广泛应用奠定了使用基础[1]。为解决因铜镍熔点相差较大，熔炼法易产生枝晶偏析的现象，大部分合金冶炼工艺采用粉末共渗法[2]。粉末共渗法的出现为制备材料成分均匀的结构体提供了新的路径，其烧结温度依据Cu-Ni合金相图而定[3]。金属基固体自润滑材料能够满足真空中使用的苛刻要求[4]，本文所提到铜镍基固体自润滑材料[5]制备方法为粉末共渗法，由于固体润滑剂的加入，需在压制前的混料阶段进行造粒，使材料首先达到物理均匀状态。
自润滑材料制备一般采用粉末混合—造粒—压制—烧结等典型的工艺过程。造粒的目的主要是提高粉末材料流动性，使得自动化压制更加平稳流畅，生坯制品一致性更高。而在造粒阶段加入的胶剂也要在烧结前期经脱脂工艺脱除。实践发现脱脂情况直接影响最终烧结体的几何尺寸和金属机械性能。所以整个烧结工艺，要保证烧结体尺寸，还要保证合金材料具有一定的硬度，就必须保证脱脂工艺满足实际需要。
在实际生产中，模压制备的生坯必须具有一定的强度，防止转运过程中生坯形状损坏，所以都趨向于提高生坯密度，而生坯密度提高又会影响烧结体的几何尺寸。为系统地研究脱脂工艺设计所需要参考的相关因素，首先考量PVA自身的失重特点以及批量生产时炉内气压变化特点，其次考量含胶量，生坯密度，对脱胶工艺设计的影响。
1 试验
1.1 试样准备
纯度99.6%铜粉（<500目）、纯度99.6%镍粉<500目）和纯度99%氟化钙粉（<800目），按质量比38：52：10的比例经充分混合后分别加入粉料重量0.67%、0.87%、1.07%、1.27%和1.47%的聚乙烯醇（PVA）和50%的蒸馏水配成浆料在球磨机内进行研磨，时间设置为2h，再经离心造粒后，过80目筛选下料再进行Ф10mm×2.4mm生坯压制，模具使用盖压式（属于单向压制）。
1.2 热失重试验
采用TGA热分析仪，对PVA进行热失重分析，样品在空气中加热，空气流量为100mL/h，加热速度5℃/min。
1.3 烧结工艺
试验样品采用型号为SY-KVTS300300600-72-5的真空脱脂烧结一体炉，1250℃烧结2h，并在850℃保温10min。
2 实验结果及讨论
2.1 PVA热失重试验
PVA是典型的水溶性胶剂，主体是水溶性树脂，其特点是亲水[6]，本文在离心造粒阶段加入商用分子量为1700，水解度为88%聚乙烯醇为造粒剂。为定制脱脂工艺，本文首先对PVA进行了热失重试验[7]（如图1）。热失重试验显示自80℃～550℃质量损失率约为92.28%，而失重速率在350℃左右最高。数据结果显示可以在80℃～550℃这个温度段设计的脱脂工艺。
2.2 脱脂工艺设计
为实际观察升温和保温状态对烧结体的影响，材料使用含胶量为1.07%，生坯密度为5.32g/cm2的生坯。本文中设计出三种脱脂工艺路线，主要考虑因素涉及脱脂与烧结工艺的时间因素、PVA不同温度时的气化速率和炉体真空泵的抽空速率。根据PVA的失重曲线，脱脂工艺主要在80℃～550℃之间设计，包含两个方面，升温速度和保温时间。
从合金的烧结情况看，如图2第三种工艺烧结合金保持几何形状最好。脱脂工艺2，由于在350℃保温30min，所以已经进行了部分脱脂，但是脱脂并没有完毕，随着继续快速升温，PVA残留物继续气化，造成合金明显鼓包。脱脂工艺3，虽然保温温度不符合PVA热失重曲线，但是由于其升温速度较小，并未造成合金明显变形。从以上几个脱脂工艺烧结结果可以看出，降低升温速度，在合适的温度设置保温时间是设置脱脂工艺的关键。同时考虑炉体内热电偶测温位置与加热电极和烧结位置较近，气化温度与名义温度相比存在一定的滞后，具体特点如图3所示，当测试温度达到480℃左右时，炉内气压达到最高，而此时PVA气化速率对应350℃左右，这说明真空脱脂时必须合理考虑脱脂工艺设计时升温速度名义值和真实值之间的差异，即名义值比真实值较快的达到设计温度。故升温时，适当地设置保温，可以保证充分脱脂的同时还可以保证炉体内部各部分真实温度均匀性，以及与名义温度的一致性，所以具体工艺如图3本文采用升温速度5℃/min，180℃和550℃保温30min，在300℃～400℃之间升温速度3℃/min，550℃～850℃升温速度7℃/min，850℃保温10min，850℃～1250℃升温速度7℃/min。 2.3 脱脂工艺与生坯参数
为进一步研究生坯与脱脂工艺的关系，本文采用上文确定的脱脂工艺和烧结工艺。烧结结果如图4所示。在脱脂工艺确定的情况下，胶含量在0.67%～1.47%范围内，以生坯密度为5.14g/cm2生坯为例，含胶量越低，径向收缩率越低，而轴向收缩率越高，进而有利于硬度的提高结果，如图5。而针对于同于胶含量的生坯，在生坯密度5.0g/cm2～5.7g/cm2范围内，随生坯密度提高径向和轴向收缩率均出现降低趋势，进而不利于提高烧结体的密度，硬度也呈现下降趋势。同时还可以看出，随着含胶量低到一定程度，烧结后合金硬度几乎不受生坯密度影响，这一方面说明脱脂工艺的重要性，另一方面也说明含胶量发生变化时必须可虑脱脂工艺的调整。生坯密度一定时可以认为气体溢出速度是一定的，增加含胶量，相当于需要增加脱脂时间，同样提高生坯密度，也相当于降低气体溢出速度，也相当于增加脱脂时间。即生坯密度提高，胶含量增加均要适当延长脱脂时间或降低升温速度。
3 结语
（1）PVA胶剂的TGA曲线是设计脱脂工艺的基础，在保温温度和时间上，要考慮炉体内部大空间名义温度与实际温度的差异，而升温速率要考虑PVA气化速率影响。
（2）本文采用升温速度5℃/min，180℃和550℃保温30min，在300℃～400℃之间升温速度3℃/min，550℃～850℃升温速度7℃/min，850℃保温10min，850℃～1250℃升温速度7℃/min的脱脂工艺获得几何形状良好的烧结体。
（3）在生坯密度和含胶量增加时，可以降低脱脂工艺中升温速度和设置保温温度和延长保温时间等几个重要参量，达到最优化的脱脂工艺。
参考文献
[1] 郑明新.工程材料[M].北京：清华大学出版社，1991.
[2] 戴志强，李运刚，齐艳飞，等.Cu-Ni合金的研究现状[J].合成材料老化与应用，2015，44（2）：136-140.
[3] 宋玉强，李世春.Cu-Ni合金的粉末共渗制备法[J].有色金属，2004，56（1）：1-3.
[4] 胡艳艳，刘耀，张建波，等.金属基固体自润滑复合材料研究现状及展望[J].有色金属材料与工程，2016，37（4）：165-171.
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[6] 刘锋.水溶性胶粘剂在粉末冶金和铸造中的应用[J].粘结，2005，26（4）：37-38.
[7] 胡昌旭，倪东惠，郑军君，等.流动温压成型铁基粉末冶金复杂件的脱脂工艺[J].北京科技大学学报，2010，32（3）：336-339.
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