（材料学专业论文）氧化锆对粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能影响的研究.pdf

钢铁研究总院硕士学位论文 摘要 随着我国高速列车的发展，对摩擦材料的性能要求越来越高，如何在使材料具 有较高和稳定摩擦系数的同时降低其磨损量，己成为摩擦材料研究的热点问题。 本论文利用m m 1 0 0 0 摩擦磨损试验机系统研究了摩擦组元氧化锆( z r 0 2 ) 在 粉末冶金摩擦材料中的作用和影响，并通过对材料显微组织和三种转速下摩擦磨损 数据的比较分析，着重探讨了不同含量氧化锆及其粒度对材料摩擦磨损性能的影 响，分析研究了孔隙度对材料摩擦磨损性能的影响，同时比较分析了舢2 0 3 和z r 0 2 对材料摩擦磨损性能的不同作用。研究结果表明： 1 在高转速摩擦条件下，添加8 氧化锆材料的摩擦系数较高，磨损量较小且 变化平稳，摩擦磨损性能是5 种氧化锆含量材料中最好的。 2 在低转速摩擦条件下，氧化锆粒度的减小可以提高材料的摩擦系数，随着 转速的上升，这种作用逐渐减弱，粒度的减小并不能有效提高材料在高转速下的摩 擦性能。 3 在低转速摩擦条件下，材料的摩擦系数随着孔隙度的下降而上升；在高转 ”速下，孔隙度为4 9 的材料摩擦性能最好。材料中存在适当的孔隙度可以改善材 料在高转速时的摩擦性能。 4 添加a 1 2 0 3 的材料在中低转速下可以显著提高摩擦系数，但在更高转速下， 摩擦系数较低且波动大，其磨损量在各种转速下均高于添加同样含量z r 0 2 的材料， 而且对偶磨损较大。 关键词：摩擦材料，氧化锆，摩擦系数，磨损，孔隙度 钢铁研究总院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dt r a i no fo u rn a t i o n ，t h ed e m a n df o rh i g hq u a l i t y o ff r i c t i o nm a t e r i a l si si n c r e a s i n g 。i ti sah o tq u e s t i o nw h i c hh o wt oi m p r o v et h ef r i c t i o n p r o p e r t yw h i l er e d u c et h ew e a rv o l u m e a sf r i c t i o n a lc o m p o n e n t ，t h er o l eo fz r 0 2i nt h ec o u r s eo ff r i c t i o na n dw e a ro f p o w d e rm e t a l l u r g yf i i c t i o nm a t e r i a lw a ss t u d i e db ym m - 10 0 0f r i c t i o nt e s t e ra n db y r e s e a r c h i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n df r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s w es t u d i e dt h ee f f e c to f t h ep e r c e n t a g eo fz r 0 2a n dm e s hs i z eo nf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s ，a l s oc o m p a r e dt h e d i f f e r e n te f f e c t so fa 1 2 0 3a n dz r 0 2o nm a t e r i a l sp r o p e r t i e s t h ef r i c t i o na n dw e a r p r o p e r t i e so fm a t e r i a l sh a v i n gv a r i o u sp o r o s i t i e sh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e dt o g e t h e ri n m i ss c i e n t i f i cd i s s e r t a t i o n t h er e s u l t ss h o w ： 1 a th i g hs p e e d ，t h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t yo ft h em a t e r i a la d d e d8 z r 0 2a r e b e a e rt h a no t h e r s ，a l s oi t ss t a b i l i t yo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sw e l l ，i ti st h eb e s ta m o n gt h e f i v em a t e r i a l sh a v i n gd i f f e r e n tp e r c e n t so fz r 0 2 2 w i t ht h ei n c r e a s i n go fm e s hs i z eo fz r 0 2 ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta l s oi n c r e a s i n g a tl o w s p e e do fr o t a t i o n ，h o w e v e rt h ee f f e c tr e d u c i n gw h e ns p e e dr i s i n g 3 a tl o ws p e e d ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n tr i s ew i t hp o r o s i t yr e d u c e ，w h e na th i g hs p e e d ， p r o p e r t yo f t h em a t e r i a lt h a th y i n g4 9 p r o s i t yi st h eb e s t 4 t h ef r i c t i o nm a t e r i a la d d i n gt h es a l 2 l ea m o u n to fa 1 2 0 3i np l a c eo fz r 0 2h a v e g o o df r i c t i o np r o p e r t ya tl o w a n dm e d i u ms p e e d ，b u th a v eb a dp r o p e r t ya th i g hs p e e d ， b u ta l s ot h e i rw e a r ，p r o o fi sn o tg o o da st h eo n et h a ta d d i n gz r 0 2a ta l ls p e e d s k e yw o r d s ：f r i c t i o nm a t e r i a l s ，z i r c o n i u md i o x i d e ，f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n t ，w e a r ， p o r o s i t y i i 钢铁研究总院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 摩擦材料概况 摩擦材料是一种广泛应用于各种运输工具( 汽车、火车、飞机等) 以及各种机 器的制动、离合和传动的重要材料，根据( j b t 5 0 7 1 9 1 摩擦材料术语，以提高摩 擦磨损性能为目的，用于摩擦离合器与摩擦制动器摩擦部分的材料称为摩擦材料。 摩擦材料是利用其摩擦特性，用于摩擦离合器和摩擦制动器中，实现动力的传 递、阻断，运动物体的减速、停止等行为所用的材料【1 1 。它是利用摩擦使运动物体 的动能转化为热能，从而使物体减速停止或传递运动的一种多元复合材料。它的主 要特点是吸收动能，并转换为热能由材料吸收或传导出去 2 1 ，其质量的好坏直接影 响机器的可靠性和操作人员的生命安全。自从车辆发明以来，人们就开始了对摩擦 材料的研究。近2 0 年来，随着运输业的蓬勃发展，摩擦材料发展尤为迅猛，出现 了许多新型摩擦材料，广泛应用于各类工程机械和交通运输工具上。 例如，随着列车速度的不断提高，根据能量和速度的平方关系，列车速度提高 一倍，所需要释放的能量就是原来的四倍，这将导致大量热的产生和摩擦表面温度 的急剧上升，因此摩擦材料必须具备优异的综合性能：即除了要求有足够高的摩擦 系数，高温稳定性外，还要求其耐磨性好、强度高、导热性好、耐腐蚀、以及工作 中不发生粘结和咬合等现象【3 1 。 摩擦材料根据其使用环境不同可分为接触摩擦表面上没有添加润滑油的干式 摩擦材料和添加了润滑油的湿式摩擦材料两种。一般的摩擦材料为干式摩擦材料， 干式摩擦材料适用于轻负荷和中等负荷的传动装置以及中等负荷和重负荷的制动 器，摩擦系数一般为0 3 o 6 ；在润滑条件下使用的摩擦材料为湿式摩擦材料，湿 式摩擦材料常用于中等负荷及其以上的离合器和制动器中，其摩擦系数一般为 o 0 5 0 1 5 ，磨损小，寿命长，导热性好 4 1 。 摩擦材料可分为非金属基和金属基两大类，传统非金属基摩擦材料主要是石棉 摩擦材料，因其造成环境污染和高温稳定性不好，已逐渐被金属纤维、无机纤维和 有机纤维所取代，特别是近年来碳纤维复合材料的出现，大大拓宽了摩擦材料的应 用领域。金属基摩擦材料可分为熔锻金属和粉末冶金摩擦材料，前者主要有铸铁、 锻钢、青铜等，粉末冶金摩擦材料则主要是指铁基、铜基以及铁铜基摩擦材料。单 一1 一 钢铁研究总院硕士学位论文 体金属摩擦材料由于易粘结和高温高速下摩擦系数低等缺点已逐渐被淘汰，而粉末 冶金摩擦材料在材料配比方面具有特别的灵活性和广泛性，并且在高速、高负荷条 件下表现出了良好的摩擦磨损性能，因此其应用范围比较广泛。目前经常使用的摩 擦材料主要有：石棉摩擦材料、非石棉有机摩擦材料及半金属摩擦材料、粉末冶金 摩擦材料、碳纤维复合摩擦材料及陶瓷基( a 1 2 0 3 ，和s i 等) 摩擦材料等【5 1 。 人类最早使用的摩擦材料是一些诸如软木、木头、毛皮之类的天然材料，只适 用于干摩擦条件。二十世纪初，人们使用柏油或橡胶浸渍物构成的刹车片，后来为 了克服这种材料固有的易燃性，在汽车制动系统中开始使用石棉织物的刹车片【6 1 。 石棉摩擦材料是以石棉为主要增强纤维，酚醛树脂为基体，再配合各种填料的多组 元体系【玎，与早期的其他摩擦材料相比，石棉摩擦材料具有高而稳定的摩擦系数并 且耐磨，并且其制造工艺简单，成本低廉因而被广泛地应用于各种部件的制动中。 随着科学技术的发展，运输车辆和工程机械向着高速、重载和尖端技术的要求 方向发展，因而对制动能力的要求就更严格，要求摩擦部件能够在高温、高速、重 载、腐蚀介质和强辐射或真空等苛刻条件下工作，因此对各种摩擦材料在性能及其 制造技术上提出了越来越高的要求。但是，自从国际肿瘤医学会确认石棉及高温挥 发物属于致癌物后，国际上掀起一股禁止使用石棉摩擦材料的浪潮，另一方面，随 着车辆速度的不断提高，制动材料表面温度可达近千度。而石棉摩擦材料的导热性 和耐热性差，在4 0 0 。c 左右石棉将失去结晶水，5 5 0 c 时结晶水完全丧失，从而基本 失去其增强效果，而且石棉脱水后会造成摩擦性能不稳定、工作层材料变质、磨损 加剧，会出现明显的“热衰退”现象【8 】。由此可见，石棉有机摩擦材料己不适应现代 社会发展需求，将逐步被新的摩擦材料所取代。现在己相继出现了无石棉半金属摩 擦材料和粉末冶金摩擦材料以及碳纤维复合材料等。 上世纪7 0 年代初美国b e n d i x 公司等开发了以钢纤维或金属粉( 铸铁粉、海绵铁 粉、还原铁粉) 代替石棉纤维的无石棉摩擦材料【9 1 ，也称为半金属摩擦材料。所谓半 金属是指其中金属纤维和金属粉的用量达到材料的5 0 以上。半金属摩擦材料是由 高分子化合物多元共混的粘结剂、耐热增强金属纤维、摩擦改进剂金属粉、减磨剂 及填料配合高温压制而成的。半金属摩擦材料的性能介于石棉摩擦材料和粉末冶金 摩擦材料之间，一般可以在5 0 0 左右短时间使用，在2 6 0 - 5 0 0 温度范围内制动 一2 一 钢铁研究总院硕士学位论文 性能稳定，并且具有较好的耐热性、良好的导热性和耐磨性，且制造工艺简单，价 格较低，因而广泛应用在低速低载制动条件下【1 0 】。 半金属摩擦材料的组成是决定其摩擦学特性的主要因素。在组成半金属摩擦材 料的组分中，粘结剂、增强纤维和填料是主要成分。因为酚醛树脂耐热性、成型加 工性和成本方面都比较优越，因而是目前广泛使用的粘结剂。使用橡胶与酚醛树脂 共混物作为粘结剂以及用硅树脂、聚酞亚胺树脂、邻二甲酸二烯脂等树脂作为粘结 剂等还处在研究阶段【l 。半金属摩擦材料使用的增强纤维主要是钢纤维和铜纤维， 也有使用a 1 2 0 3 、s i c 等陶瓷纤维以及碳纤维。 但是半金属摩擦材料在使用中发现存在着一些缺点：钢纤维容易生锈，锈蚀 后出现粘着对偶的现象或者损伤对偶，使摩擦片强度降低，磨损加剧，摩擦系数稳 定性变差；由于半金属摩擦材料热传导率高，当摩擦温度高于3 0 0 时，一方面： 易于使摩擦材料与钢基板间的粘结树脂分解，加之温度差引起热应力分布不均匀， 甚至会出现剥落现象；另一方面：大量的摩擦热会迅速传递到活塞的液压施力机构 上，导致密封圈软化和制动液发生气化，从而造成制动失灵：半金属摩擦材料虽 然消除了石棉摩擦材料容易产生的高频噪音，却容易产生低速下的低频噪音。 粉末冶金摩擦材料是以金属粉末为基体添加适量润滑组分和摩擦组分所组成， 采用烧结方法制成的摩擦材料。由于粉末冶金摩擦材料是一种含有金属和非金属的 多种组分的复合材料，因此可在相当大的范围内调整材料的组成成分，并可通过改 变烧结工艺条件，使其成为具有优异综合性能的摩擦材料【l 引。 粉末冶金摩擦材料自1 9 2 9 年研制出来后，航空业是第一个使用粉末冶金摩擦 材料的用户。由于相比于传统的有机粘结材料具有以上优势，因此便迅速在不同的 应用领域和工作状况下得到应用，发展了船舶及工程机械用粉末冶金摩擦材料、列 车制动用粉末冶金摩擦材料和航空摩擦材料等【1 3 】。 基于航空航天工业需求而发展起来的碳碳复合材料，是以炭素粉或碳纤维为基 体，添加适量有机黏结剂及填料，采用热浸渍成形工艺制成的摩擦材料。世界上生 产碳碳复合材料的公司有美国g o o d y e a r 公司、英国d u n l o p 公司和法国s e p 公司 等【1 4 】。碳碳复合材料具有较低的密度、优良的摩擦性能和热物理性能，其最大特 点是在高温下具有较高的强度；而且由于比重小，具有很高的比强度；并且其结构 一3 一 钢铁研究总院硕士学位论文 强度随温度的升高而增大，直到2 0 0 0 ( 2 左右。但是碳碳复合材料的冲击韧性差， 并且制造工艺复杂，工艺周期长，制造成本昂贵，距离广泛使用还需要不断改进。 1 2 粉末冶金摩擦材料的组成及性能 粉末冶金摩擦材料又称烧结金属摩擦材料，是以金属及其合金为基体，添加摩擦 组元和润滑组元，用粉末冶金技术制成的复合材料，是摩擦式制动器的关键组件【1 5 】。 一般的粉末冶金摩擦材料是由金属基体，摩擦组元和润滑组元等组成的多元复合材 料。其中金属基体的主要作用是以机械结合方式将陶瓷成份和润滑剂保持在其中，形 成有一定强度的整体。基体具有金属性，其组织结构，物理化学性能在很大程度上决 定了金属陶瓷的摩擦磨损性能及热稳定性，力学性能及导热性能【1 6 1 。 有时为了提高摩擦材料的摩擦系数和热稳定性，其摩擦添加剂在一些材料中己 达到相当多的比例，材料几乎变成了金属陶瓷【1 7 】，因此这些摩擦材料有时也称作金 属陶瓷摩擦材料。粉末冶金摩擦材料主要为铁基和铜基摩擦材料，为充分利用二者 性能优势又发展了铁铜基摩擦材料。另外还有一般用于条件比较特殊的场合的金属 基摩擦材料，如铝基、镍基、钼基和铍基等摩擦材料m 。2 0 1 。 1 2 。1 粉末冶金摩擦材料的组成 ( 1 ) 基体成份 粉末冶金摩擦材料的基体具有金属特性，其组织结构、物理和化学性能在很大 程度上决定了摩擦材料的力学性能、摩擦磨损性能、热稳定性和导热性等整体性能 的发挥。金属基体的主要作用是以机械结合方式将摩擦颗粒和润滑剂保持于其中， 形成具有一定力学性能的整体。基体不仅作为载体，将互相分离的各种添加物与自 身结为一体，使它们各自发挥作用，而且是承受载荷和热传导的主体，是摩擦热逸 散的主要通道，具有足够的抗磨、耐热能力2 1 1 。 粉末冶金摩擦材料的基体可以是单一金属，也可以是它们与其它元素形成的合 金，如c u 、f e 、n i 、m n 、t i 、s n 等及其合金。单一金属基体由于强度不高，因此 大多数粉末冶金摩擦材料基体金属中都添加有合金元素，用以形成固溶体来强化基 体。铜合金是最常用的基体组元，即使是在铁基摩擦材料中，也部分采用铜或铜合 金作为粘结刹2 2 1 。铜基摩擦材料主要是以c u s n 合金和c u p b 合金作为基体，另外 对以铝青铜为基体的摩擦材料也有较多的研究。铜基摩擦材料导热性好，摩擦性能 一4 一 钢铁研究总院硕士学位论文 稳定且磨损小；铁基摩擦材料则有较好的高温强度、耐热性、热稳定性和经济性， 但摩擦性能不如前者，且易与对偶件粘着，但加入s n 和石墨可改善其摩擦性能， 加入m n 、a i 、c o 及c r 可减轻与对偶件的粘着。 在铁基基体中一般添加一定量的合金元素c u 、w 、n i 、p 、c r 、m o 和s i 等来提高 基体的性能。添加的合金元素会同基体中的f e 形成碳化物相或金属间化合物相，提高 了基体的高温强度和抗氧化能力，并可降低材料的磨损量 2 3 , 2 q 。 铜基粉末冶金刹车材料基体中加入合金元素有z n 、n i 、a i 、t i 、m o 和s n 等。 合金元素z n 、n i 对铜基体的增强作用主要是体现在烧结过程中，合金元素z n 、n i 和基体元素c u 之间发生了相互扩散，这些合金元素通过扩散进入铜晶格后形成了 c u z n 、c u n i 口固溶体。合金元素对材料基体的强化效果与其在基体中的固溶 度有关，合金元素在基体中的固溶度越大，材料的硬度就越高，因此随合金元素含量的 提高，材料硬度也不断提高至峰值。但合金元素在基体c u 中的溶解度有限，存在各自 的固溶度极限，当合金元素含量超过这一极限后，多余的合金元素便以游离形式存在 于基体中，此情况下，合金元素对材料基体的固溶强化作用不但不会增加，反而会由于 过多游离金属元素的存在而削弱了基体元素间的联结作用，导致材料硬度的降低。 铜基粉末冶金刹车材料中加入少量的z n 能提高材料的摩擦系数，降低材料的磨损 量，但z n 含量过多则反而会降低材料的摩擦磨损性能。z n 溶入基体，对基体起到了固溶 强化作用。 铜基粉末冶金刹车材料中加入少量的n 冶皂提高材料的摩擦系数和耐磨性能；n i 在基体中起到了固溶强化作用和细晶强化作用，改善了材料的显微结构和物理性能，从 而提高了材料的摩擦磨损性能【2 5 】。 乌克兰科学院材料研究所用铝青铜代替锡青铜，在高负荷工况下，铝青铜材料 的强度、高温强度、耐腐蚀性能和使用性能均超过了锡青铜，当基体中含铝1 0 一- - 11 时，摩擦性能具有最大的摩擦系数、最小的磨损量，综合性能优异i l 5 1 。 除了用合金元素强化金属基体外，另一项强化手段是纤维强化，如在较软的基 体中加入具有较高强度的金属纤维或碳素纤维，加入钢纤维后使材料强度和塑性大 大提高，碳素纤维对材料比强度、比模量、耐热性和抗疲劳性能有利，但因成本高、 制造工艺复杂，目前主要应用于航空航天等尖端领域【2 6 1 。 一5 一 钢铁研究总院硕士学位论文 基体的组织结构、物理和化学性质决定了粉末冶金摩擦材料的强度、耐磨性、 耐热性，因而在研究摩擦材料基体时除基体本身的组织结构及性能外，还要注意下 面的一些问题：基体是否能形成连续而牢固的金属连接，这是评价粉末冶金摩擦 材料组织结构优劣的首要因素【2 7 1 。因为粉末冶金摩擦材料中含有大量的非金属颗 粒，它们与金属的相互作用很小，润湿性很差，结合强度不高，它们的存在分隔开 了基体金属之间的连接，只有当基体之间形成连续而牢固的金属连接时，基体乃至 整个材料才是完整的有机统一体，才能保证足够的强度而使其发挥应有的功能。因 此在成分设计时要考虑好主体金属的用量和工艺的准确性以保证基体形成整体金 属连接。基体与陶瓷粒子的润湿性及结合强度如何。金属与陶瓷粒子的结合强度 也直接影响着摩擦材料的使用性能，在摩擦过程中，如果硬质的陶瓷颗粒和金属基 体结合力不足，颗粒会从表面脱落，从而加剧材料磨粒磨损f 2 6 2 8 2 9 1 。 ( 2 ) 摩擦组元 摩擦组元亦称增摩剂，是由多种固态陶瓷粉末颗粒或高熔点金属及其化合物组 成，它们均匀地分布在基体中，起着摩擦、抗磨、耐热、耐蚀等作用，既可提高摩 擦系数，弥补润滑组元造成的材料摩擦系数的降低，又可去除低熔点金属的粘附， 消除与对偶之间的材料转移，使摩擦副工作表面具有最佳啮合状态。摩擦组元应具 有高硬度和良好的高温稳定性，且对摩擦表面擦伤要小。其含量和粒度对材料的摩 擦磨损性能有很大的影响，含量过多就会成为磨粒而加剧磨损，造成对偶材料的严 重磨损。 常用的用来起增磨作用有高熔点的金属( f e 、c r 及m o ) 粉末、金属氧化物( f e 2 0 3 ， a 1 2 0 3 ，c r 2 0 3 ，m g o ，t i 0 2 及z r 0 2 ) 、氮化物( t i n 和z r n ) 、碳化物( t i c 和z r c ) 、硼化 物以及s i c 等，在粉末冶金摩擦材料中通常采用多种摩擦组元加以组合来满足其综 合性能。 一般认为，在铁基烧结摩擦材料中以s i c 颗粒作摩擦剂较为合适，而在c u 基摩擦 材料中加入s i 0 2 为好【3 。 s i 0 2 对提高摩擦系数，降低磨损有一定作用。有研究表明，随着s i 0 2 含量增 加，摩擦系数增加，含量较小时，材料及对偶的磨损量是随含量的增加而减小的， 但含量较大时，磨损量反而增加，因此s i 0 2 含量不能太大，否则容易造成基体强度 一6 一 钢铁研究总院硕士学位论文 的降低和对偶的磨损加大。 s i c 硬度很高，熔点高，高温下不与基体发生化学反应。研究表明随着s i c 含 量的增加，摩擦系数增加，适当的含量可以降低磨损量，过量的s i c 会破坏基体的 强度，易发生剥落，从而加剧材料的磨损。 a 1 2 0 3 可稳定摩擦系数，烧结时无晶形转变，能提高材料的热稳定性【2 3 ，2 4 3 2 1 。 b 4 c 在铁基摩擦材料加压烧结过程中，能与f e 作用，生成一种新相f e 2 b 。在 摩擦磨损过程中，并不是b 4 c 直接起到摩擦组元的作用，而是通过加压烧结过程中 f e 与b 4 c 反应生成的f e 2 b 起到摩擦组元的作用。在一般负荷工作条件下，f e 2 b 主 要起摩擦组元的作用，在重负荷工作条件下，当工作温度超过11 0 0 以上时，f e - - f e 2 b 共晶体还可起到润滑组元的作用【3 1 1 。 对于摩擦组元应满足以下要求：具有较高的熔点和离解热，以及足够高的机械强 度和硬度；从室温到烧结或使用温度区间不发生晶型转变；不与其它组分及烧结中 的保护气氛起反应；与基体具有良好的润湿性和牢固的结合性【2 1 。摩擦组元的选择 要考虑材料的使用条件及粒度组成等因素。一般轻载和中等载荷工作条件下，可选 用s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，重载下则可使用s i c 和b 4 c 等。 ( 3 ) 润滑组元 为了提高材料的抗擦伤性和耐磨性，需要在材料成份中加入润滑组元，通常加入 的润滑组分有：低熔点金属( p b 、s b 、b i ) ，非金属固体润滑剂( 石墨、m o s 2 ) ，六 方b n 和b a s 0 4 等。 石墨是粉末冶金材料中起固体润滑作用的主要组元之一，对材料的耐磨性及刹 车平稳性起着很重要的作用。石墨在材料中以化合态和游离态两种形式存在，部分 和f e 中形成碳化物或金属间化合物，部分和其它合金元素形成化合物；片状游离 石墨具有层状六方晶体结构，层间原子间结合键能低，易滑移，而层内原子间结合 力强，滑移时平面层不会剥落，由于石墨能在金属表面形成牢固的转移膜，因此具 有优良的润滑性【3 2 1 。 石墨与c u 、f e 、s n 间不互溶，它基本均匀分布于金属基体之间，烧结过程中石 墨对金属原子间的扩散起阻碍作用，阻碍烧结颈的形成，增大材料的孑l 隙度。孔隙常 出现在石墨与金属的界面处，且呈狭长的扁孔，易引起应力集中。 一7 一 钢铁研究总院硕士学位论文 作为润滑组元的易熔金属如p b 、b i 等一般以游离态存在于材料中。在干摩擦条件 下，当摩擦表面温度超过易熔金属的熔点时，易熔金属将发生熔化，在干摩擦表面生成 润滑膜。润滑膜降低了摩擦因数，同时也降低了表面温度。而随着摩擦表面温度的降 低，熔融的金属凝固，摩擦因数恢复到原来水平。表面液体润滑膜的形成促使滑动平稳， 这一点可用于减轻高温下金属基体的粘结和卡滞倾向【3 3 】。 m o s 2 作为固体润滑剂广泛应用于粉末冶金摩擦材料中。同石墨类似，其结构 为六方晶系层状结构，层与层之间相对位移时所需切向应力不大，易于滑动旧。 在h 2 气氛保护下烧结的粉末冶金铁基摩擦材料中，作为润滑组元加入的m o s 2 , 在 烧结过程中发生了分解反应。m o s 2 分解后的s ，一部分与保护气氛h 2 发生反应生成h 2 s 气体排出，一部分s 与f e 生成了f e s 硫化物，对材料起润滑作用。分解后的m o 一部分溶入 基体f e 形成0 l 固溶体，一部分溶入渗碳体中形成( f e ，m o ) 3 c 等合金渗碳体。 分解后的m o 、s 活性很大，通过与基体中其他组元的相互作用，或产生液相，加速 扩散、位移等过程的进行，降低烧结活化能，促进烧结致密化过程，提高烧结产品的综 合性能【3 4 3 丌。 六方b n 作为润滑组元在烧结过程中可以很好地与基体相结合，并且在摩擦过程 中拖敷形成润滑层，降低了刻划、犁削作用的程度，六方b n 比二硫化铝和石墨具有 更好的热稳定性，因而在高温工况下具有更优良的润滑性能【3 8 】。 1 2 2 粉末冶金摩擦材料的性能 粉末冶金摩擦材料具有类似于金属的物理力学性能，又因其含有较多的非金属组 元，因此，和其它摩擦材料相比，它具有一系列优异的使用特性：( 1 ) 高的机械强度。 在工作温度下，可以适应拉伸、压挤、弯曲、剪切等不同载荷的作用，而其它材料不 能同时都具备这些特性，特别是在重载和冲击载荷条件下：( 2 ) 高的使用温度。基体 金属熔点高，使材料在较高的温度下使用仍能保持稳定的机械强度和摩擦磨损性能， 例如，现在的高速列车刹车时摩擦面的瞬时温度可达1 0 0 0 。c ，在如此高的温度下，目 前其他的摩擦材料显然难以胜任；( 3 ) 大的热容量。材料的比热容和密度大，单位体 积内能吸收较多的摩擦热量，这对易产生“尖峰负荷”的运行工况来说是相当重要的。 因为尖峰负荷产生的巨大热量不可能在短时间内导出、散发，如果材料自身能将摩擦 表面的热量较多地吸收，则表面温度将迅速降低，就不会导致摩擦面的材质和性能变 一8 一 钢铁研究总院硕士学位论文 坏、甚至于出现烧损失效；( 4 ) 优良的导热性能。铜、铁等金属具有良好的导热能力， 摩擦表面的热量，一方面很快地传向对偶钢片，被其吸收和散发，另一方面向内传导 进入摩擦层和钢板并被其吸收、散发，摩擦面温度能始终保持在允许的范围内，使材 料可以长期稳定地工作，这在重载工况下非常重要；( 5 ) 较高的抗腐蚀能力。粉末冶 金摩擦材料在油和水中不易破坏，对环境介质的适应能力强，因而可在湿式、干式及 二者混合型工况下工作；( 6 ) 优良的抗磨损性能。较小的磨损量，可使粉末冶金摩擦 材料具有较长的工作寿命；( 7 ) 稳定的摩擦特性。粉末冶金摩擦材料的摩擦稳定性好， 当摩擦面的温度升高时，摩擦系数及其稳定性不会明显下降，冷却后再使用时的回复 能力强；( 8 ) 可以制成薄型摩擦材料。这样可减小材料体积，使用在不同的机械设备 中【3 9 4 0 1 。 1 3粉末冶金摩擦材料的材质研究和制备工艺 1 3 1 粉末冶金摩擦材料的材质研究 ( 1 ) 提高材料基体强度的研究 基体的强度是材料承载负荷能力的反映，而基体强度取决于基体的成分、组织 结构和物理、力学性能。改善材料基体结构和强度主要从两个方面入手，用合金元 - 素固溶强化基体是改善材料基体结构的重要手段之一。对于铁基材料，通常以加入 n i 、c r 、m o 、w 和m n 等来强化基体或活化烧结过程，加入n i 、c r 、m o 则可提高 材料的高温性能。前苏联曾采用c a s i 、s i 、s i c 及f e s i 2 来使s i 与c a 和基体铁形 成合金。西德与英国则用w - f e 作为合金元素加入铁基材料中，基体强化效果显著， 适用于高温工况。国外系统地研究了s n 的含量对铜基材料性能的影响，认为s n 的 理想加入量在7 - - - ，1 2 。不过，乌克兰科学院材料研究所用铝青铜代替锡青铜， 在高负荷工况下，铝青铜材料的强度、高温强度、耐蚀性能和使用性能均超过了锡 青铜，当基体中含铝为1 0 1 1 时，摩擦材料具有最大的摩擦因数，最小的磨损 量，综合性能优异。另一项强化手段是纤维强化。在较软的基体中加入具有较高强 度的金属纤维或碳素纤维，如加入钢纤维( 拉拔状态的钢纤维抗拉强度可达4 1 0 0 m p a ) 后使材料强度和塑性大大提高。碳素纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、 高耐热性和抗疲劳性能，但因成本高、制造工艺复杂，目前还未实际应用到高速列 车的摩擦制动领域。 一9 一 钢铁研究总院硕士学位论文 ( 2 ) 提高摩擦系数及其平稳度的研究 较高的摩擦系数及其稳定性是摩擦制动部件可靠与工作平稳稳定的必要条件。 近年来对提高摩擦系数及其稳定性的研究主要从选用合适的摩擦组元或探索新的 增磨与抗咬合添加剂入手。有人赞成以z r s i 0 4 部分或全部代替s i 0 2 或a 1 2 0 3 ，认为 这对重载下提高摩擦因数特别有利，耐磨性也有改善，还可以减少对偶的磨损。另 外，在铜基或铁基中加入z i 0 2 或再加入多元氧化物( 如z r 0 2 、m g o 、b e o 、c a o ) 以 及玻璃陶瓷粉等作为摩擦组元，使摩擦表面生成氧化膜，来稳定高速制动条件下的 摩擦系数。对于摩擦组元的选择，前苏联在铜基材料中加入难熔金属( w 、c r 等) 的 硼化物，得到了满意的效果。德国则更多的是在材料中加入t i c ，、z r c 、z r 0 2 等来 提高摩擦系数，而且导热性能很好。在铁基材料中广泛使用m o s 2 、w s 2 、b n 来调 整摩擦系数，改善抗擦伤性能。对高温重载工况，则更多采用b a s 0 4 、c a f 2 等来提 高摩擦因数稳定性。 ( 3 ) 提高材料耐磨性的研究 普遍用来提高材料的耐磨性的润滑组元有石墨、m o s 2 、p b 、s n 、b e 等。以b n 作为润滑组元也引起了广泛的兴趣。b n 在烧结过程中非常稳定，既不分解又不会 被烧损，在摩擦过程中保持良好的润滑，促使形成薄膜，改良了耐磨性。硫及硫化 物对材料耐磨性能的改善有很大的作用，中国、日本、前苏联对此作了大量的研究。 石墨作为一种固体润滑剂，是所有粉末冶金摩擦材料必加的组元，在高温下石墨具 有极高的强度，使用温度可达3 5 0 0 ，具有优良的高温固体润滑性能。根据对材料 性能的不同要求，石墨添加量的范围很大，最高的可达3 0 ，其颗粒形态、大小、 粒度组成及其在材料基体中的分布状态，对材料性能产生很大的影响，对铁基摩擦 材料的影响尤甚。材料中大量的游离石墨在摩擦过程中不断覆盖摩擦接口，形成稳 定的润滑工作层，防止了摩擦副的咬合，也起到了很好的减摩作用【”】。少量m o s 2 能提高材料的机械性能，其原因主要是钼的固溶强化作用，同时少量的m o s 2 的加 入使含铜和石墨的铁基摩擦材料基体的珠光体组织增多并且细化。由于珠光体的硬 度比铁素体的硬度高，且综合性能好，尤其是细片状珠光体，因而也提高了材料机 械性能，但是m o s 2 的添加量不宜过高1 2 j 。 一1 0 钢铁研究总院硕士学位论文 1 3 2 粉末冶金摩擦材料的制备工艺 目前，国内外粉末冶金摩擦材料的生产仍主要沿用1 9 3 7 年美国s k w e l l m a n 及其同事们创造的钟罩炉加压烧结法，该方法的基本工序是：钢背板加工_ 去油、电 镀铜层( 或铜、锡层) ；配方料混合_ 压制成薄片- 与钢背板烧结成一体一加工沟槽 及平面。由于这种加压烧结方法存在着能耗大、生产效率相对低、原材料粉末利用 率低、成本高等缺点，因此，一些国家对传统工艺作了一些改进，同时注重新工艺 的研究，在改善或保证产品性能前提下探索和寻求提高经济效益的途径。 ( 1 ) 喷撒工艺法( s p r i n k l i n gp o w d e rp r o c e d u r e ) 用喷撒工艺法以工业规模生产粉末冶金摩擦材料始于上世纪7 0 年代，喷撒工 艺的基本流程是：钢背板在溶剂( 如四氯化碳) 中脱脂处理( 或钢背板电镀) 一在钢背板 上喷撒混合材料- 预烧_ 压沟槽_ 终烧- 精整。与传统的压烧法相比，喷撒工艺主 要有下列一些优点：( 1 ) 实现了无加压连续烧结，耗能低；( 2 ) 采用松散烧结，粉末还 原充分，可获得高孔隙度的摩擦衬层，对提高摩擦因数极为有利；( 3 ) 用冷压方法替 代切n j n - r , i j 取油槽，经济而又高效：( 4 ) 采用精整平面取代切削加工，材料利用率 高，产品厚度和平行度精度高；( 5 ) 可以根据要求制取摩擦衬层极薄的摩擦片( o 2 0 3 5 r a m ) 。目前喷撒工艺法主要用于制造厚度较薄的铜基摩擦材料，用于制取铁基 摩擦材料则较少。 ( 2 ) 冲切法 根据冲切与烧结的工艺顺序，可以分为两类：一类是先冲后烧，混好的配方粉料 进入定量斗，自动送入压力机压成薄片，然后冲切成所需形状，烧结后即为成品。 该工艺连续加压，不需压模，粉层密度、强度均匀一致，粉层厚度调节方便；另一 类是先烧后冲，即在钢带上撤粉后先松散烧结，然后冲切成形。其缺点是钢带进炉 烧结易变形，引起粉末层震动移位，造成粉层厚薄不匀。为克服这一缺点，可以在 钢带背面涂上炭黑，先进入预氧化烧结炉，以1 5 。c s 快速升温到4 0 0 ( 2 ( 铜基) ，然 后再进入慢升温加热炉( ( 5 s ) ，在还原气氛中烧结，可得到均匀的摩擦衬层。 ( 3 ) 电解沉积充填法 先在金属或石墨处理过的多孔材料上用电解沉积法形成金属骨架。多孔材料一 般用凝聚纤维，如海绵、泡沫材料。金属骨架形成后，多孔材料可以留在内部，也 钢铁研究总院硕士学位论文 可以通过加热熔化或烧除，再用摩擦材料填充金属骨架间隙，填充的摩擦材料可以 是金属，如p b 、s n 等，也可用热固性树脂。金属骨架只占整个体积的1 0 3 0 。 填充好摩擦材料后成为摩擦衬，可采用锡焊或铜焊将其焊接到钢背上，也可用环氧 树脂等粘结剂粘贴到钢背上。 ( 4 ) 等离子喷涂法 该方法适用于喷涂耐高温的摩擦材料。如c o 、m g 、t i 、w 、c r 以及碳化物、 氧化物的混合物，保护气氛为含2 0 氢气和8 0 氩气的混合气体，喷涂温度高达 1 5 0 0 - - 2 0 0 0 c ，喷涂速度5 0 0 - l o o o # ，所得喷涂层硬度达1 0 0 0 h v 。该法特别适 用于制取电磁离合器与制动装置摩擦片。对于需要轻的摩擦组件，往往以铝来替代 钢，但铝不耐磨，在其表面喷涂一层金属陶瓷耐磨层，可获得陶瓷的硬而耐磨特性 与金属的延展性好及耐冲击相结合的优点。只要确保在热喷涂中金属与摩擦层的结 合面能完全熔化，但不能超过金属的气化点，就可以保证质量。 ( 5 ) 电阻烧结法 将钢背板镀上一层焊料( c u 、c u s n 、c u - z n 、s n 或n i ) ，再将已压制成形的摩 擦衬放置到钢背板预定的位置上，送入加压机，一边加压，一边输入大电流进行烧 结。此法的优点是钢背板不受高温影响，花键与齿形部位强度不会降低。也可在压 模中设计有电极，装足粉后，放上经过电镀的钢背板，然后一边加压一边通电烧结 而成。 上述这些方法尽管各有其特点，但都是在压烧法的基础上发展而来，采取其它 的方法来代替或改进压制和烧结工艺。除这些方法外，人们还对一些具体工艺进行 了改进，也取得了一定的成果。如在粉料预处理方面，可将细颗粒的石墨粉与铜、 铅、锡、铝等软金属粉末混合然后压制成坯，随后再破碎成粗颗粒粉末，再进行混 粉。也可在石墨粉表面化学镀铜，提高石墨与金属基体的粘结强度。材料中的各种 纤维也可通过涂上一层熔化的金属来强化结合强度。在压制工艺方面，有采用热压 的方法制取摩擦片的，也有采用粉末轧制法直接轧制成很薄的制品的。在烧结工艺 方面，主要是加热方式的多样性，有加压和无压烧结的区别。另外在提高性能方面 也所发展，如生产具有减震层的摩擦材料，在铜基摩擦面与钢背之间，夹有一层减 震层，能消除噪声【l 引。 一1 2 钢铁研究总院硕士学位论文 1 4 粉末冶金摩擦材料的发展趋势 现代科学技术和工业的迅速发展对摩擦材料提出了越来越高的要求，为了适应 这种需要，完善和探索新的摩擦材料的研究工作着重在以下各个方面：提高摩擦制 动材料的耐热性，提高摩擦制动材料的耐磨性来延长使用寿命，获得足够高而稳定 的摩擦系数，以保证制动和传动装置工作的可靠性和平稳性。 摩擦材料的耐热性基本上可用高温抗氧化性和金属基体的高温强度两个性能 指标来表征【2 】，而材料耐磨性的问题，同样可以采用更复杂合金化提高摩擦材料金 属基体的强度以及探讨新的摩擦、润滑组元来解决。为达到更高的工作温度，摩擦 材料正向更难熔的金属、更复杂的合金化方向发展。 近年来，国内外对粉末冶金摩擦材料及制造工艺进行了大量的研究工作，并研 制了不少新的材料及制造工艺，对新型摩擦材料的研究将是今后摩擦材料发展的重 点，未来发展的探讨目前主要集中在以下一些方面： ( 1 ) 加强摩擦磨损理论和表面破坏机理的研究 摩擦与磨损是摩擦学研究的两个中心问题，学派甚多。当前较为广泛流行的摩 擦理论是分子一机械理论。近年来，对摩擦过程中摩擦表面的破坏也颇有研究，证 明磨损的产生是氧化、磨粒磨损和层面疲劳的综合作用，只是在一定条件下，某一 因素突出成为磨损的主要原因。摩擦发生在两个接触表面，接触表面的“膜”的力学、 理化性能，特别是与基体的粘结强度等都决定着摩擦偶的摩擦磨损性能。借助于现 代测试手段可以进一步探测表面层的组织与结构，观测其形成与破坏，可以系统地 研究表面破坏机理和摩擦接触面上同时产生的三种相互关联过程，即表面相互作 用、固体表层和表面膜在摩擦力作用下的变化和表层破坏对摩擦副性能的影响、周 围介质的性质和实际工作状态相互之间的作用和影响。 ( 2 ) 加强对摩擦材料表面后续处理的研究【4 i j 可通过表面渗氮、渗硼、硼铬共渗达到对摩擦材料表面的后续处理。此外，还 可对摩擦材料的表面进行处理以形成氧化膜，例如，在铜基材料摩擦片的表面通过 气体烧嘴或感应电流加热，使温度高于8 0 0 。c ( 但低于基体金属的熔点) ，保温l o m i n ， 则在摩擦片的外表形成厚度大于2 0 0 9 m 的氧化膜。 一1 3 钢铁研究总院硕士学位论文 ( 3 ) 利用纳米技术改善粉末质量，制备纳米摩擦材料 纳米摩擦材料是选用纳米材料，通过控制不同形态多相组分的纳米效应，使纳 米摩擦材料获得比现有摩擦材料更好的综合性能，能同时兼顾强度和韧性，高温摩 擦与磨损等。这对改善和提高摩擦材料的热性能、摩擦磨损性能和结构强度提供了 新的技术途径，具有特别重要的科学意义和技术经济意义。 ( 4 ) 探索新工艺，利用多层烧结摩擦材料的工艺，研究功能梯度摩擦材料 通过提高粉末层与骨架的粘结强度来提高制品的质量，在钢骨架上，通过气热 喷涂制取粉末涂层，涂层由8 5 - - 9 0 c u 和10 - - - 15 碱金属卤化物基熔剂组成。 然后在钢背上压上粉末混合物，将摩擦片在保护气氛中加压烧结。对钢背采用气热 镀铜，同时采用铜粉和熔剂混合物，这样可以显著提高粉末层与铜基体的粘着强度。 根据这一思路，可以结合摩擦材料的不同用途来研制梯度功能摩擦材料。 ( 5 ) 制取多孔弹性摩擦材料 用金属粉末、碳和有机粘结剂的混合物制备成生坯，加热坯件以清除粘结剂同 时使粉末部分熔融，形成多孔中间体，然后渗入熔点比中间体低的金属蒸汽而形成 合金。从而得到多孔弹性摩擦材料。这种材料适宜于重载运输工具的离合器片和刹 车带，能量吸收能力高。 ( 6 ) 新型摩擦材料的研制 a 发展金属纤维强化的复合材料。 用金属纤维强化，大大提高了基体的强度，改善了基体的导热性能，对阻止表 面裂纹的扩展起到了很好的作用。用耐高温并且有高摩擦因数的金属陶瓷作复合 相，或用难熔化合物粉末作复合相，两者均可满足一些特殊工况的应用。另外，通 过在碳纤维或其它纤维上涂一层熔化的金属来强化复合物以制取摩擦材料也是一 种很好的发展方向。 b 发展铝基摩擦材料和镍基摩擦材料。 铝基摩擦材料发展缓慢是有它的一些特殊原因的，但铝重量轻、耐腐蚀、不导 磁、高导电导热性、比强度高，而且可以采用弥散强化手段来强化基体，所以其研 发工作备受关注。由雾化粉末快速固化铝合金发展出的新型高温、高强摩擦材料具 有热稳定弥散相，比传统时效硬化材料更优越，可在3 5 0 以上使用，通过a 1 3 z r 1 4 - 钢铁研究总院硕士学位论文 和a 1 6 m n 弥散相和晶粒细化还可进一步提高力学性能。所有这些特点，赋予铝基摩 擦材料广阔的发展前景。 镍是一种耐高温的金属，能在高于一般金属熔点的温度中工作。镍基摩擦材料 具有良好的滑动特性，可压制得到较高的密度，加入特种添加剂烧结时不产生裂纹。 主要用于高温工况，如原子反应堆内。曾有学者