（机械制造及其自动化专业论文）cu基粉末冶金摩擦材料激光表面改性研究.pdf

文中 还从 微观角度和宏观角 度对上述变 化进行了 系统地分析。 包括a - c u 聚合 体边缘溶解机理，纳米晶体形成机 理， 烧结 致密化 机理， 摩擦材料的摩擦磨损机 理等。由 粉末冶金摩擦材料成份的复杂 性和激光表面改 性加热 和冷却的快速性， 导致了 微观结构的改 变， 而微观结构 的改变直接影响了 摩擦材料性能的变化。 关键词: 激光表面改 性， c u基 粉末冶金摩擦材 料， 微观组织结构，摩 擦系 数， 磨 损性能许用热负荷 abs tract n o w h e a v y - l o a d w e t c o p p e r - b a s e d p o w d e r m e t a l l u r g y ( c u - p m) f r i c t i o n m a t e r i a l p r o d u c e d i n c h i n a h as s o m e d e f e c t s , f o r i n s t a n c e , l o w e r fr i c t i o n c o e f fi c i e n t , h e a v i e r w e a r , l o w e r a l l o w a b l e h e a t - l o a d v a l u e a n d s o o n . t h u s , i t c a n n o t m e e t t h e c h a l l e n g e o f t h e n e w h e a v y - l o a d t r a n s m i s s i o n d e v i c e . t o s o l v e t h e a b o v e p r o b l e m s , t h i s p a p e r p r e s e n t s a p l a n t h a t l as e r s u r f a c e m o d i f y i n g t o t h e c u - p m f r ic t i o n m a t e r i a l s u s i n g t h e u n i q u e a d v a n t a g e s o f l as e r s u r f a c e m o d i f i c a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c h a l s o i s t h e i n n o v a t i o n . i n t h i s p a p e r , t h e i n v e s t i g a t i n g o b j e c t i s a h e a v y - l o a d c o p p e r p o w d e r me t al l u r g y fr i c t i o n p l a t e p r o d u c e d i n c h i n a n o w , a n d s u r f a c e t r e a t e d b y b r o a d - b e a m l as e r . o n t h e b asi s o f t h e n u m e r i c a l a n a l y s i s o f t e m p e r a t u r e f i e l d a n d t h e b a s i c t e c h n i c a l s t u d y , t h e m i c r o s t r u c t u r e , h a r d n e s s , d e n s i t y a n d t h e f r i c t i o n a n d w e a r c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o p p e r - b a s e d p o w d e r m e t a l l u r g y fr i c t i o n m a t e r i a l t r e a t e d b y l as e r s u r f a c e t r a n s f o r m a t i o n w e re s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d b y m e a n s o f s e m , t e m , e d s , x r d , m i c r o h a r d n e s s t e s t e r , b r i n e l l h a r d n e s s t e s t e r as w e l l as f r i c t i o n a n d w e a r t e s t e r . i n t h e e n d , t h e p e r f o r m a n c e c o n t r as t t e s t s h a v e b e e n d o n e b e t w e e n t h e l a s e r - t r e a t e d a n d u n t re a t e d c o p p e r - b a s e d p o w d e r m e t a l l u r g y f r i c t i o n p l a t e u s i n g t h e w e t c l u t c h d y n a m i c p e r f o r m a n c e t e s t e r . u s in g t h e n o n l i n e a r t r a n s i e n t h e a t c o n d u c t i o n d i ff e r e n t i a l e q u a t i o n s , t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e l ase r s u r f a c e h e a t t r e a t m e n t o f c o p p e r - b ase d p o w d e r m e t a l l u r g y f r i c t io n m a t e r i a l h a s b e e n e s t a b l i s h e d . a n d o n t h e b asi s o f h e a t p h y s i c a l p r o c e s s e s a n a l y s i s , t h e v e r t i c al s e c t i o n t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n m a p s a n d s u r f a c e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n r a ti t e s h a v e b e e n o b t a i n e d , u s i n g t h e a n s y s h e a t s i m u l a t i o n . t h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t a ft e r t h e l a s e r s u r f a c e m o d i f i c a t i o n u n d e r t h e l a s e r p o w e r i s 1 . 3 k w a n d t h e s c a n n i n g s p e e d i s 1 5 0 n i m / m i n , t h e l a tt i c e p a r a m e t e r s o f c u e n l a r g e 勿 0 . 5 4 % x , t h e a - c u a g g r e g a t e o c c u r s e d g e d i s s o l v e d a n d t h e l a r g e a g g r e g a t e s o f a - c u d i s m e mb e r t o s m a l l m ass , i n t h e a - c u a g g r e g a t e n a n o c ry s t a l s i s g e n e r a t e d . a n d u n d e r t h e a b o v e c o n d i t i o n s , t h e d e n s i ty o f fr i c t i o n m a t e r i a l i n c r e a s e s b y 6 0/ x , t h e h a r d n e s s i n c r e as e s b y 1 2 . 7 % , t h e w e a r r e s i s t a n t p e r f o r m a n c e i n c r e a s e s b y 4 5 % , t h e f r i c t i o n c o e ff i c i e n t e n l a r g e b y 1 % o . t h e w e t c l u t c h d y n a m i c p e r f o r m a n c e t e s t s s h o w t h a t a ft e r l as e r s u r f a c e m o d i f i c a t i o n t r e a t m e n t , c o m p a r e d w i t h o r i g i n a l u n t r e a t e d s t a t e , t h e s t a t i c f r i c t i o n c o e f f i c i e n t o f c o p p e r - b ase d p o w d e r m e t a l l u r g y fr i c t i o n p l a t e s i n c r e ase d f r o m 0 . 1 3 6 t o 0 . 1 4 6 , i n c r e as e d 衍 7 .4 % , t h e s l i d i n g fr i c t i o n c o e f f i c i e n t i n c r e as e d fr o m 0 . 0 6 5 t o 0 . 0 7 1 , i n c re as e d b y 9 .2 %, a n d t h e f r i c t i o n c o e f f i c i e n t i s s t a b l e a n d l e s s c h a n g e s w i t h s p e e d . a t t h e s a me t i m e , t h e w e a r e x t e n t d e c r e a s e s fr o m 0 . 0 0 9 m m d o w n t o 0 . 0 0 6 m m , d e c r e a s e d b y 3 3 %, w e a r r a ta; d e c r e a s e s fr o m 6 .4 9 x 1 0 m 3/ j t o 3 .2 7 x 1 0 - m 3/ j , d e c r e as e d b y 4 9 .6 % , th e w e a r res i s t a n c e i mp r o v e s o b v i o u s l y . a n d t h e a l l o w a b l e h e a t - l o a d v a l u e i n c r e ase s fr o m 3 . 3 3 t o 4 .6 7 , i n c r e ase d b y 4 0 0/ o , a n d t h e h e a t r e s i s t a n c e h a s b e e n m a r k e d l y i m p r o v e d . i n t h i s p a p e r , t h e c h a n g e s a b o v e h a v e b e e n s y s t e m a t i c a n a l y s i s f ro m m i c r o s c o p i c a n d 巾 a c r o s c o p i c v i e w a n g l e s . i n c l u d i n g t h e a - c u a g g r e g a t e e d g e d i s s o l v e d m e c h a n i s m , r a n o c rys t a l s g e n e r a t e d me c h a n i s m , s i n t e r i n g d e n s i f i c a t i o n k i n e t i c s m e c h a n i s m a n d fr i c t i o n w e a r o f p m m e c h a n i s m . t h e c h a n g e s o f m i c r o s t r u c t u r e i s d u e t o t h e c o m p o s i t i o n c o m p l e x i t y o f p m a n d t h e h e a t i n g a n d c o o l i n g r a p i d i t y o f l a s e r m o d i f i c a t i o n , a n d t h e c h a n g e s o f m i c r o s t ru c t u r e i n fl u e n c e t h e c h a n g e s o f m a c r o s c o p i c p e r f o r m a n c e . k e y w o r d s : l a s e r s u r f a c e mo d i fi c a t i o n , c o p p e r - b a s e d p o w d e r m e t a l l u r g y f r i c t i o n m a t e r i a l , ma c r o s t r u c t u r e , f r i c t i o n c o e f f i c i e n t , we a r p e r f o r m a n c e , al l o wa b l e he a t - l o a d 长春理工大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的博士学位论文，a c s 基粉末冶金摩擦材料激光表面 改性研究 是本人在指导 教师的 指导下， 独立进行研究 工作所取得的成果。 除文 中已 经注明引 用的内容 外， 本论文不 包含 任何其他 个人 或集体己 经发表或撰写过 的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作 者 狐沙井年 6 p is p 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 “ 长春理工大学硕士、 博士学位论文版 权使用规定” ，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全 部或部 分内容 编入有关数 据库进行检索， 也可 采用影印、 缩印 或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名: _年一 月_ 日 指导 导师签名:年 一 月 _ 日 第一章 绪论 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 擦式离合器与制动 器的 关键组件。粉末冶 金摩擦材料具 有足够的强 度，合适而稳定 的摩擦系数，工 作平稳可靠，耐磨及污染少等优点，是现代摩擦材料家族中应用面最广、使用量 最大的 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。 目前 各种机器、 机构的 能力、 速度及负 荷在迅速增大，因 此对摩擦材料的要 求不断 提高。 我国现生 产的 大负载湿式铜基 粉末冶金摩擦片性能 远不能满足新型 传动装置对摩擦材料的 要求， 存在 着摩擦系数低， 磨 损严重， 耐 热系数低等缺点， 因此pt x 待开展这方面的研究工作。 激光表面改性技术是一种新型的材料表面改性方法，它是利用高功率密度的 激光 束作用于被处理材 料表面， 使之发生物 理或化学的变化，从 而达到使被处理 材料 在几何形 状、 组织结构、 热力学性能等方 面发 生改变的目 的。 激光表面改性 技术融合了光学、机械、电子、材料、物理、化学等许多学科的知识，是当今激 光技术应用的一个重要方面。 激光表面改性技术的出现为军民品生产提供了一种经济效益、社会效益、军 事效益显著的先进制 造技术。 美国、 德国、日 本等先进工 业国家己 将激光加工技 术广泛应用于军民工生产，并己取得显著的综合效益。 充分利用激光表面改 性技术的独 特优点， 将其应用于铜基 粉末冶金摩擦片表 面处理， 改善摩擦片的 摩擦性能、耐磨 性能 和耐 热性能，提高摩 擦片的可靠性， 延长使用寿命，这是本项 目 的创新之处。 粉末冶金摩擦材料 1 . 1 . 1 摩擦材料概况 摩擦材料是各种 机械设 备的 制动 器、离 合器和摩擦传动装置中 不可缺少的材 料之一，是利用摩擦 使运动物体的动能 转化为热能， 从而使 物体减速或停 止运动 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，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， 就开始了摩擦材料的 研究。 近2 0 年来， 随着汽车 和航空工业的 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， 并广泛应用于各类工程 机械和交通 运输工具上. 2 1 世纪科技发展的 趋势是高速、 环保和节能， 为适应这 一新形势发展的 需要， 必然对摩 擦材料的 综合性能提出更高 的要求。 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，己逐渐被金属纤维、无机纤 维和有机纤维所 取代， 特别是近 些年来c / c 复合材料的出 现， 拓宽了 摩擦材料的 应用领域。 金 属基摩擦材料分为单体金属 和粉末冶金摩 擦材料， 前 者主 要是指钢、 铸铁、 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。 单体金属摩擦材 料由 于易粘结和高温高速 下摩擦因数低等缺点 而被其它材料所取 代，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，且在高速、 高负荷条 件下表现出良 好的摩擦磨损性能， 因此其应 用范围 较其它材料广泛。目 前使用的摩 擦材料主要有:石棉有机摩 擦材料、非石棉有机 摩擦材料及混杂摩擦 材料、半金属摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、 c / c复合摩擦材料及陶瓷基摩擦材 料等等。 尽管摩擦材料种类之多，分类各异，但各种摩擦材料都要求具有如下的共同 性能: 1 、较高 而稳定的摩擦因数。 条件的变 化如湿气、 油和其它物质的 污染、滑动速度、 压力的 变化， 使用温 度的变化等，都 应当 保证摩擦因数在一定的 范围内。 2 、耐磨 性好。 耐磨性是决 定摩擦材料工作 质量的重 要指标。 可以根据 整台 机器的 技术经济 要求、摩擦副的基本结构和工作条件确定耐磨性。 3 、热 物理性能好。 粉末冶金 摩擦材料耐热疲劳性很重要， 摩擦时巨 大的热 冲击使表层产生温度 梯度和热应力， 摩擦表面产生的热量要迅 速传出 去以 免摩 擦零件过热产生变形。 因 此摩擦材料要 有高的 导热性、大的热容 量和尽可能小的热 膨胀系数。 在制动过 程中与制动过程后，摩擦材料与其磨损产物不应燃烧、冒烟、放出难闻的气味。 摩擦材料应有高的化学稳定性，耐湿气、抗腐蚀。 4 、 足够的机械强 度。 摩擦零件一 般受离心力、 剪 切力、 刹车压力及安装使用 中各种应力的作用， 要保证材料在这 些力作用下有效 工作而不发生破坏， 必须要 求具有足够的机械强 度。 摩擦材料不 得开 裂、 分层、 从钢背上脱落及产生其它形 式的机械破坏， 不允 许严重损伤对偶 件， 保证后者的 磨损率应在规定的范围内， 啮合平稳、无振动啸叫. 摩擦材料要同时 具有以 上多方面 性能， 依赖于单 一材料是难以 满足的， 故一 般多用强度高，导 热性好，熔点高的 金属或非金属作 为基体材料，往其中 加入调 整摩 擦因数的陶 瓷颗粒以及抗咬 合、 提高耐磨性能的 润滑组元，混 合而 成具有良 好综合性能的非均质复合材料。 1 . 1 . 2 粉末冶金摩擦材料 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 摩擦式离合器与制动 器的 关 键 组 件。 为 了 提 高 摩 擦 材 料 的 摩 擦因 数 和 热 稳 定 性 ， 其 摩 擦 添 加 剂 在 些 材料中已 达到相当多的比 例， 材料几乎 变成了 金属陶瓷，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 擦材料具有足够的强 度， 合适而稳定的 摩 擦因数， 工作平稳可 靠， 耐磨及污染少 等优点，是现 代摩擦材料家族中应用面 最 广、使用量最大的 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 有铝基、 镍基、铝基、 被基 等摩 擦材料， 这些材料不常用， 一般用于条件比 较特殊的 场合。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 1 - 7 2 1 . 1 . 3 粉末冶金 摩擦材料的 组成 粉末冶金摩 擦材料主要由 三大部分组成: 基体组元、摩擦组元和 润滑组元。 ( 1 )基体组元 粉末冶金摩擦材料基体具有金属特性，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. 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，常 用的 合金强化元素有s n , a 1 , f e , z n , n i , t i , m o , w , v , s i 等。 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 粘结剂。 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，原苏 联通常以a 1 , z n , n i , t i , s i , v 等作为辅助强化组元: 而美国、 日 本则 常以z n , s i , t i 作为 辅助强化组元。 铜 基摩擦材料导热性好， 摩 擦性能 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 1 , c 。 及c r 可减轻与 偶件的 粘着。 基体强度是材料承载能力的 反映， 而基体强 度在很大程度上取决于基体成分、 结构和力学物理性能。改善材料基体结构和强度主要从两个方面入手，一是用合 金元素固 溶强化基体。对于 铁基材料， 通常以加 入n i , c r , m o , w , m n 来强 化基 体 或活化烧结过程， 加入w , n i , c r , m o 对提高材料的高 温性能也有利。对于 铜 基材料， 则以s n , a 1 , n i 等合金元 素强化为主。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 应用仅限于航 天航空等尖端领域。 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。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述 一些问 题: 1 ) 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。因为粉末冶金摩擦材料中含有大量的非金属颗粒， 创门 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。 2 ) 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。 ( 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 高摩擦因数， 弥补润滑组元 造成的材料摩 擦因数 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。增摩 剂应具有高硬度和良 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 增摩剂 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 a 1 2 0 c r ,0 m g o , t i o z 及z r o , )、 氮化 物 ( t i n 和z r n ) 、 碳化物 ( t i c 和z r c )、 硼化 物以 及石棉、 s i 0 1 和s i c 等， 在粉末冶金摩擦材 料中通常采用多 种增摩剂加以 组 合来满足其综合性能。 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 处 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。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 o 2 、 石棉和a 1 八， 重载下则可使 用s i c 和 b , c 。 添加s i 0 2 的材未 卜 烧结 过程中 不易出 现塌陷 缺陷， 质量稳定。 a 1 2 0 。 熔点高、 热强 性高、 硬度高、热 稳定性和化学稳定 性良 好。 s i c是一种硬度很高的 碳化物， 常用作摩擦剂， s i c 含量的增加，材料的摩擦因数增加，加入适量s i c 可降低材料的磨损，但过量则 会加剧材料的磨损。 ( 3 )润滑组元 润滑组 元又 称作减摩剂，主要 起固 体润滑作 用， 它能提高摩 擦材料的工作 稳 定 性、 抗擦伤性、 抗咬合性、 抗粘接性和耐磨性， 特别有利于降 低对偶材料的 磨 损， 并使摩擦副工作平稳。润滑 组元的含量对材 料的摩擦磨损性能影响 较大， 含 量越多， 材料的 耐磨性能越好， 摩擦因数也越小， 但过量的润滑组 元会使材料的 摩擦因数和机械强度降低。 粉末冶金摩擦材料中通常 使用的润滑组元有 低熔点金属( 如p b , s n , b i 等) 、 固体润滑剂 ( 如石墨、 m o s 2 、 云母、 s b s , w s z 和c u s )以 及金属 ( f e , n i 及c o ) 的磷化物、氮化硼、某 些氧化物， 铁基中 还有硫酸钡、 硫酸亚 铁等等。 在所有的 润滑组元中，以层片 状石墨 和m 0 %的应 用最 广， 二者都是由许多 层或片所组成， 层内 原子间结合力都很强， 而层与层之间的结 合则很弱，因此 抗压能力 很强， 抗 剪切能力都较弱， 适宜用 作固 体润滑剂。尽管 二者结构相似， 但它们的 摩擦 机理 不同， 一般认为石墨能减小 摩擦是因为石墨晶体 各层之间结合较弱， 层与层 之间 很容易 相互滑动， 从而减小了 摩擦。 但也有研究 表明， 摩擦之所以小，一部分原 因是 片晶 棱边上吸附有很薄的 氧气和水蒸气层， 如果去掉这些吸附膜，摩擦因数 就会提高。因 此在这些吸 附膜易去除的工况下，需考虑掺入 其它 润滑材料。 m o s t 也是一种具有层片状结构的材料，它与石墨相比，优点是在摩擦因数低时与有无 吸附 膜无关。 m o s : 在高温下易 被还原成m 。 粉而 变成磨粒， 从而加剧磨损。 易 熔金 属一般以 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。而摩擦表面温度的降低，熔融的金属又会凝固， 从 而使摩擦因 数又恢复到原 来水平。 表面液体 润滑膜的 形成促使摩擦平稳， 这一 点可 用于 减轻高 温下金属基体的 粘结和卡滞倾向。 材料中加入硫酸亚铁，在高 温 时 被分解成为氧化铁和二 氧化 硫， 二氧化硫与材 料中的 铁和铜发生反应生成相应 的 硫化物。 硫酸钡则在烧结 过程中 被碳全部还原 成硫化钡， 从而起到减小摩擦的 作用。 1 . 1 . 4 粉末冶 金摩擦材料的 特性 粉末冶金摩擦材料虽具 有类似于金属的物理 力学性能，但因含有较多的非金 属颗粒，由 于其分散隔离作 用， 其量值要远低于 致密 金属。 尽管如此，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， 适应拉、挤、 弯、 剪等不同性 质载 荷， 其它材料不能同时都 具备这一特性，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 强度和摩擦磨 损性能; ( 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，不会导致摩擦面的材质和性能变坏、 甚至烧损失效。 ( 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质芯板并被其吸收、 散发， 摩擦面温度能始终保持在允许的范围内， 使材料长期稳定地工作， 这对重 载工况尤其重要。 ( 5 )高的抗腐蚀能力 在油和水中不易破坏， 这种对环境介质的强适应能力， 使其唯一能胜任在湿、 干及二者混合型工况下工作。 ( 6 ) 优良 的抗磨损性能 ( 7 ) 稳定的摩擦特性 由于材料的稳定性好，当摩擦面的温度升高时，摩擦因数和耐磨性能不会明 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， 减小材料体积。 1 . 1 . 5 粉末冶金摩擦材料种类 根据基体的类型一般可把粉末冶金摩擦材料分为铁基、铜基及铜一铁基三种 常用类型，另外也有学者提出以铝、镍、被等金属及一些化合物为基体的粉末冶 金摩擦材料，但这些材料不常用。 ( 1 ) 铁基粉末冶金摩擦材料 铁基粉末冶金摩擦材料是以 铁粉为主要成分， 添加铜或镍等金属粉末和石墨、 二氧化硅等粉末组成。铁的 熔点较高，其强度、硬度、塑性、耐热强度和抗氧化 性等可通过添加合金元素加以调整。铁基摩擦材料比铜基摩擦材料较容易粘合， 摩擦因数的变动较大。此外，导热性较差，滑动面温度容易上升， 对对偶件的损 伤也较大。但铁基摩擦材料成本较低，经济性较好. 其主要应用于干式条件下， 在俄罗斯、美国等国家的军、民用飞机上已广泛使用. ( 2 ) 铜基粉末冶金 摩擦材料 铜基粉末冶金 摩擦材 料是以 铜粉为主要 成分， 此外含有润滑组元 石墨和 摩擦 组元陶瓷颗粒以 及强化铜 基体的合金元素 等多 种组分。 铜基摩 擦材料 最早出 现于 1 9 2 9 年， 材料是 含少量的铅、 锡和石墨的 铜基合金。 铜基粉末冶金摩擦材料 在飞 机、 汽车、船舶、工程机 械等刹车装置上的应用发展较快， 使用较成熟是在 7 0 年代之后。 前苏联于1 9 4 1 年后成功地研制了一 批铜基 摩擦材料， 广泛应用于 汽车 和拖 拉机上。 美国 对铜基摩 擦材料的 研究也较多，主要是 致力 于基体强化， 从而 提高 材料的高 温强 度和耐磨性。二 十世纪初，铜基摩擦 材料大多 用在干摩擦条件 下工作，五十年代以后，大约 7 5 % 的铜基摩擦材料，均在润滑条件下工作。这些 摩擦材料都是以青 铜为 基，以 锌、 铝、 镍、 铁等元素强 化基体。 ( 3 )铁铜 基粉末冶金摩擦材料 铁铜基粉 末冶 金摩擦材料中 铁和铜的 含量基本相当， 兼 有铁、 铜优异的 力学、 电学、导热性能和耐磨性能，既具有铁基材料的高摩擦因数又具有铜基摩擦材料 耐磨性好的优点， 在湿式和干式条 件下 都能 应用。 1 . 1 . 6 粉末冶金摩擦材料发 展概况 早期的摩擦材料多是 干式的， 它直 接采用树皮、 软木、皮革或棉麻织物。1 9 世纪初， 橡胶工业的发展 和酚醛树脂的出 现， 人们得以 采用橡胶或树脂粘结 棉、 麻、 石棉等编织或缠绕制成当时 新颖的千式 摩擦材料， 其中 某些干式材料至今 仍 在 采用。随 着机器制造工业的不断 发展，各种 机器和 机构的 工作性能、 速度及负 荷迅速增大， 对摩擦材料的要 求亦不断地提高， 早期的 摩擦材料己 不能满足使用 要求。 钢对 钢， 铸铁对钢， 青铜对 钢的 金属摩擦副也有 一定 应用。 它们的 缺点是: 摩 擦系数随 着温度和滑动速 度的 增高而急剧减小和不 稳定: 在高 温下有胶合的倾 向 ;在油中工作， 摩擦系数过小。 粉末冶金摩 擦材料 是在粉末冶金多 孔轴承的基础上发展起来的。 摩擦材料和减 摩材料都是用于 摩擦工作条件下， 其特点是具有高的耐 磨性， 与 配对零件摩擦面不粘 结、 不擦伤， 有良 好的 磨合性及在高温、高 压和高 滑动速 度下保持其综合性能的特性。 摩擦材料和减摩材 料之间 没有确定的 严格界限， 设定与铸铁或 钢配对时， 在 没有润滑条件下工作， 摩擦系数大于 0 . 2 0 -0 . 2 5 及在润滑条件下工作， 摩擦系数 大 于0 . 0 5 的 材料都属于摩 擦材料的 范畴。 摩擦系数 较小的材料认 为是减摩材料。 由 于摩擦系数值与组成摩 擦副的 材料相关，所以这 种划分方法 也并 不完善。 通常 是 按用途来区分的， 用于 制造制动和传动装置及保险 离合器用 摩擦零件的材料属 于 摩擦材料。 用于制造滑 动轴承， 希望通过它 将耗费 于摩 擦的 功减少到最小值的 材料属于减摩材料。 科学家在粉末冶金减摩材料的金属或合金基体、固体润滑剂的组成上通过添 加摩擦剂开发摩擦材料，发现粉末冶金摩擦材料的摩擦性能远远比石棉基优越， 更重要的是粉末冶金摩擦材料在高温 ( 4 0 0 -8 0 0 1c)、高负荷下仍保持有稳定的 摩擦性能。经此发 现， 各国 均加强了这 方面的 研究， 在2 0 世纪3 0 年代中期美国 科学家就有关粉末冶金摩擦材料申请了专利，而后相继研究发展了铜基、铁基、 镍基和钨基等粉末冶金摩擦材料. 粉末冶金摩擦材料是 1 9 2 9 年提出的。 施瓦尔茨科普夫提出用粉末冶金原理制 造铜基粉末冶金摩擦材料。 1 9 3 2 年美国通用金属粉末公司组织生产了铜基粉末冶金离合器片， 摩擦片以 纽扣状机械联结在 支承金属盘的两面， 航空 工业是粉末冶金 摩擦片的第一 个用户。 1 9 3 7 -1 9 4 1年间粉末冶金摩擦材料领域的 基本工艺原理被美国 维尔曼 及其 同 事们取得了专利. 专利采用锡青铜 作为摩擦材料的金 属基体，锡青铜能用 锌补 充合金化， 加入 铁粉和二氧化硅粉 末提高 摩擦系数， 加 入石墨粉和铅 粉作为 润滑 组分。粉末冶金 摩擦材料本身强 度低， 它必须粘结在钢 背 ( 或芯板)上。 为了 达 到很 好的结 合， 钢背 ( 或芯板) 表面电 镀一层铜， 摩擦 片的 烧结规定 在钟罩 炉中 进行，钢背与粉末冶金粉片叠在一起进行加压烧结. 1 9 3 5 年美国 粉末冶金摩 擦材料零件主要生产单位 有维尔曼公司， 稍后有石墨 青铜公司、曼哈 顿拉斯别斯托克公司、 拉斯别斯托克公 司分部. 粉末冶 金摩擦材料比 传统的 有机粘结材料具有以 下的优越性能:能 在相当 高 的温 度和单 位压力下工作; 有较高的 耐磨性;有油或 水存在时 性能稳 定; 能抗冲 击负 荷; 受气候寒冷和炎 热、 大气湿度变化影响小; 不用改变 摩擦装置的 设计可 以代替 其他类型的 摩擦材料和 减少工作时的能耗，因 此在离合器 和制动器中 得到 广泛应用 。 1 9 3 9 年美国 粉末冶金摩 擦材料工 业的 总产值不低于二百 万美元， 到 1 9 4 4 年 生 产总值已 达二千万美 元， 近年来，已 占世界 摩擦材料生产量的巧%。 1 9 5 0 年以前， 粉末冶金摩 擦材料 大部分用于干摩 擦条 件下。 从 1 9 5 0 年开始 粉末冶金摩擦材料 在汽车自 动传动中得到 应用。 其在润滑条 件下工作摩擦系数降 低， 摩擦部 件结构复杂化， 但寿命 提高了 很多， 现在大约8 0 %的 摩擦零件均在油 中工作。 粉末冶金摩擦 材料在工业上应用领域 不断 扩大， 例如: 近年来在旅客车厢、 中型 和重型载重汽车、 公共汽车、 拖拉机、 农业机械、挖掘 机、 锻压设备和金属 切割机床及其他设备的 遥控离合器 ( 电磁离 合器、 液力离合器、 气动离合器) 中 都 广泛采用粉末冶金 摩擦材料。 二次世界大战 后， 在美国、法国、德国、日 本、 捷克斯洛 伐克、 波兰、 罗马 尼亚等国 家，粉末冶 金摩擦材料的 研究和 生产开 始急速发展。 开始， 所有粉 末冶金摩 擦材料 均以 铜合金为基体，随后， 研制了 适用于千摩 擦条件下中 等和重负 荷工作的铁及其合 金为基 体的粉 末冶金 摩擦材料。2 0世纪 5 0 - 6 0 年 代前苏 联、 美国 、 英国、 德国、 捷克斯洛伐克开 始创立铁基粉末冶金摩 擦材料。 1 9 5 1 - 1 9 5 2年美国本 迪克斯航空公司用于汽车屐式制动器制动片 和片式制 动器的摩擦零件取得了专利，制成了锡、锌、铁强化的铜基或黄铜屑强化的铜一 铅 ( 3 5 %p b , 6 5 % c u ) 合金基 材料。为了 改善摩擦和磨 损性能， 合金中加人二氧 化硅 ( 5 %)、石墨 ( 1 %-6 %)、氟化钙 ( 4 % - 2 6 %)、莫来石、红柱石、硅 线石。 用这种材料 制成的制 动片 制动效率比 有机材料高5 0 %， 耐磨性比有机材料 大4 倍， 寿命提高了9 倍。 1 9 5 9 年该公司研制了 含秘 ( 7 . 5 % - 1 5 . 0 %) 和锑 ( 5 %) 的 新材料， 除铜外， 用铁、 镍和锑作金属基体。 材 料还含 有石墨( 7 . 5 %) 、 锌 ( 7 . 5 %) 、 莫来石( 2 0 % 3 0 %) 、氧 化铝、 二 氧化硅或氧化镁 达 1 5 %) 。 这种材料在载重汽车的制 动器中不 产生粘结， 延长了 使用寿 命。 1 9 6 2 年该公司取得了另一烧结材料专利。这种材料用重碳氢化合物 ( 石油、 沥青)分 解的 产物作薪结剂。 材料 成分为 8 4 . 5 % 铜、 4 . 5 % 锡、6 %莫来石、 5 % 石油 焦。 在对 偶件磨损极小条 件下， 其耐磨性比有 机材料高2 0 多倍。 在铜、 铁或 其他金属基粉末冶金 摩擦材料中加入 石油焦 也可以 改进它们的 性能。 1 9 5 6 年前苏 联研制了(d m k - 1 1 重负 荷制动粉末冶金材料。 它的组成是9 % 石 墨、3 %石棉、6 %重晶石、1 5 %铜、余为铁。 1 9 5 8 年，前苏 联发表了 新型粉 末冶金铁基摩擦材料。 k - 8 的 试验结果外，它 的组成除铁加有铬、镍、钨合金成分及硫、石墨非金属添加剂组成。 1 9 6 3年前苏联乌克兰科学院材料学问题研究所研制出 m k b - 5 0 a烧结铁基材 料， 它含有5 % 硫酸铁与5 %硅和硼的 碳化物， 在重负 载片 式制动器中 运转具 有较 高的摩擦系数和较低的磨损率。 从 7 0年代中期， 各国的研究主要是对锡青铜基和铁基粉末冶金摩擦材料的成 分进行一些调整或改变。