（材料学专业论文）mos2在铁基粉末冶金摩擦材料中的作用机理.pdf

中南大学硕士论文 摘要 二硫化钼作为润滑组元广泛应用予铁基粉末冶金航空摩擦材料 中。本文详细研究了m o s 。在铁基摩擦材料氢气保护下的加压烧结过程 中的变纯，竣及它在毒季料靛摩擦瘗攒过程中麓佟耀梳理。 研究表明：作为润、滑组元加入铁基摩擦材料中魄醚o ，在磁保护 下的加压烧结过程中发生了分解反应，形成了s 和m o ；分解后的s 、 与基体铁发生反应生成了f e s ，分解后的m o 则固溶于基体0 【一f e 相 中。当浇缩温度超过9 8 9 ，f e s 与基体f e 发生溶鑫反应：￥一f e + f e s l ，使烧结过糕中出现滚楣，促进烧结过程的进行；露m o 匿滚于 基体铁对摩擦材料起到了固溶强化的作用，提高了材料的强度硬度。 随着材料中m o s 。含量从o 增加到8 ，材料摩擦磨损性能先提高再降 羲，渤& 含量为4 的謇孝辩表溪凄蓖好静综合洼麓和优髯的摩擦蘑损 性缝。含鹾o s ：的铁基粉末冶金摩擦檄料，隧着摩擦速度的提裹，表垂 温度不断升高，材料摩擦面发生了一系列物理化学变化，摩擦层逐渐 形成，在高速时形成了理想的表面工作层。新相f e s 具有类似m o s ， 的藩状结构，因此滟s 。对铁基粉末冶金摩擦材料的作蔫，实际转化为 f e s 对材料的滤滑作用以及s 、鲢。与基体中其他缝元形成的毅棚对謇孝 料物理力学性能及摩擦磨损性能的影响。 另外：以s 和m o 代替m o s 。加入铁基粉末冶金摩擦材料中，在中 低速时获得了优良的摩擦磨损性能，但高涟时摩擦系数大幅度降低， 焉且摩擦过程中誊孝趱表嚣没蠢形成瞧好的工作层，各秘性能不魏加入 m o s 。的材料。 t 中南大学礤士论文 磨损 关键词铁基粉末冶金摩擦材料，二硫化锯，润滑组元，摩擦、 中南大学硕士论文 a b s t r a c t a sl u b r i c a n t c o m 】p o n e n t m o s 2i s w i d e l yu s e di ni r o n b a s e dp m b r e a k i n gm a t e r i a l 8 t h i sp 印e rs t u d i e di nd e t a i l m ec h a n g eo fm o s 2i n i f o n - b a s e db r e 威i n gm a t e r i a l si nt h ec o u r s eo fs i n t e r i r 嘻诵ma d d i n g p s s u 秘寰藏dh 2 。a 鞋莲臻e l e 旌s 2i 鞋囊ee o u f s eo f 蠡i c t 量o n 鞠纛w e 曩r i sa l s ow e l ls t u d i e d t h er e s u l t ss h o w ：t h em o s 2w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di np m 螽i c t i o nm a t e r i a 重sa sl u b r i c 毹i o n c o m p o n e n t ，i 8m o g n yd e c o m p o s e dt os 黼甚m od 擞i n g 攮ec o 珏f s eo f s i 羲稔f i 珏g 娃娃d e r 辫e s s 激e 雒矗 谯ep l e c t 。f h 2 t h ed e c o m p o s e dsc a nr e a c to nf ei nm e c o u r s eo f s i n t e r i n ga n d f b r i nf e s t h e d e c o t n p o s e d m oc a ns o l u t ci na f e w h e n s i n t e r i n g t e 唧e r a t u r ei sa b o v e9 8 9 ，f e sw i i l 糟a c to n f ea n df o h n l i q u i dp h a s e ￥一f e + f e s l 。镰i sl i u i d 业铺ei s 鏊o o d 稻rs i n 专e 羹瓤g 。髓es o 殛i o no f m oi n0 【- f ec a ns t r e n 垂h e nt h e 饿c t i o nm a t e r i a la n di n c r e a s e 如ei n t e n s i o n d u r i n g 仔i c t i o n ，w i t h t h ec o n t e n to f m o s 2 f b mot o8 州，m e 衔c t i o na n d w e a rp m p e r yo fm a t e r i 甜s i n c r e a s e s 矗r s t l y ，a n d d e c r e a s e st h e n t h e 埘蓬t e r i a lo f 4 麓o s 2 t 呔e so 鑫e x e e l l e 撼燃e t i o 藏强dw e a rp p e 难e s 秘d s y n t h e s i sp r o p e f t i e s 。i n i r o n - b a s e dp m 矗i c t i o nm a t e n a l sw i t hm o s 2 ， w i t ht h e 衔c t i o nv e l o c i t y i n c r e a s e s ，m et e m p e r a t u r e o nt l l e l a y e ro f 矗i c t i o nm a t e 西a li n c r e a s ea s w e l l ，g r e a tc h a 萱1 9 e s t a k e p i a c e o n 也e s u r eo f 蠹i e t i 能m 巍蛀蔹a 笔纛磅s 筘e d ，黼l l 酝蕊被l 鑫y e 唾a sb e e n i i l 中南大学硕士论文 f o n l l e d t h en e w p h a s ef e sh a st h es 锄el a y e r 丹a m ea sm o s 2 ，s ot l e w o r ko f m o s 2 i np mm a t e “a li sp r a c t i c a l l yt h el u b r i c a t i n go f f e s ，a s w e l la sm ei n n u e n c eo nm e c h a l l i c a la n df r i c t i o n a lp r o p e r 哆o fm a t e r i a l 丹o mt h en e w p h a s ef o i m e db yd e c o l p o s e ds 、m o 。 t h er e s u l t sa l s os h o w ：t h e 仔i c t i o nm a t e r i a l s a d d i n gsa 1 1 dm o i np l a c e o f m o s 2h a v eg o o df i c t i o na n dw e a r p r o p e r t y a t1 0 wa n dm e d i u m s p e e d ， b u th a v eb a d p r o p e r t y a th i g hs p e e d k e y w o r d si r o n - b a s e dp mf r i c t i o nm a t e r i a l ，m o i y b d e n u m d i s u l f i d e ， i u b r i c a n t - c o m p o n e n t ， 厅i c t i o n ，w e a r 原刽拣声明 本人声明，掰呈交酶学位论文怒本人凌导师撩导下进行的研究工佟 及取得麓研究戒聚。尽我所知，滁了论文中游掰加以标注裁致谢酌地方辨， 论文中不趣含冀傀人已经发表藏撰写遴蕊研究成祭，也不镪含菇获褥中麓 大举或荬德单谴羽学位溅证书黼使蠲避的材料。与我共同工作韵溺志对本 磺究所律的贡献蚜已在论文中捧了翳确酶谈骥。 作糟签名；毯二l 垒爨潮；主壁垒年三旁羔嚣 关于学位论文使用授权谥鹱 本人了解中悫大学褰关攥整、毽鼹学攥论文麴翘定，颦：学校青权 傺懿学位论文，允诲学镶诠文被崔阕稍整阕；学校科鞋公密学霞论文斡垒 郝或部分逡骞，搿叛采熙复印、缩印域其它乎段穰襻学位论文；攀校可掇 攥国家或潮鬻省脊关部门规定送交学位论文。 俸毒签毫：篷：适学野签名墅基麓：兰! ! 年弱缉 中南人学颤 。学位论文第一章文献综述 1 1 摩擦材料概况 第一章文献综述 从广义来讲，摩擦材料可定义为一种制品，这种制品被设计和制造用来阻 壹它帮与它薅季瑟懿另一表瑟溪辑发生鸵滢动，露使之在蠢控裁懿方式下进行 【l 】。因此摩擦材料熄被广泛应用于各种运输工具( 如汽车、火车、舰船等) 及 各静掇器黪裁动器、骞台嚣移摩擦俦动装嚣静一静霆要榜瓣，又毅稼为锻动蓬 擦材料或刹车材料b 】。 摩擦专芎耱在摩擦过程中将吸段魏魂熊转纯为熬嶷莠教发壅去，瑟蓉塑本鸯 没谢损伤性的磨损，所以摩擦材料的质量廒接影响蓿车辆和动力机械的速度、 能承载受饕以及安全蛙。熟莱飞提莓陆时，k 个剥车装置凌3 0 s 凌啜收的能量 高达4 3 8 万千瓦，相当于将8 2 0 k g 铁加热到1 4 8 2 所需的能量，浚能量可使摩 擦表露瀣发瞬时舞褰到l e o o 1 2 0 0 。鞭此摩擦謇孝料必须其鍪俊秀皎综合性 能：即除了耍求有足够高的摩擦系数，高温稳定性外，还要求其附磨性好、强 度舞、导热性好、瓣腐蚀、以及工传中不发生糙缀鞠咬台麓现象睁l 。 摩擦材料根据其使用环境及动能差异町分为干式摩擦材料和滤式摩擦材料 两莘申。一般的摩擦瓣料为于式摩擦材料，= 二式摩擦树料逶用于轻受赫秘中等受 荷的传动装置以及中等负荷和重负荷的制渤器，摩擦系数一般为o 3 0 6 ；在 润潢条件下使用的摩擦材誊违为湿式摩擦材料，湿式摩擦材料常用予中等负萄和 重负荷的离合器以及中等负荷和激负荷的制动嚣，其摩擦系数般为o 0 5 o 1 s ，磨损小，寿命长，导热性好阱。 人类最早使用的摩擦材料是一些诸如软木、术头、毛皮之类的天然材料， 只适用于于摩擦条佟 4 】。1 9 年，最早使用柏油或橡胶浸渍物构成的刹车片， 1 9 0 6 年，为了克服这种襦澄材料潮有的易燃性，在汽车帚动系统中开始旋用石 棉织物的刹车片。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缀元体系驿 ，与翠期的其他摩擦乖孝科楣皖，石棉摩擦 材料具有离而稳定的摩擦系数并且耐磨。因此，2 0 世纪2 0 8 0 年代，石棉摩 擦率孝料就因其裁遣工艺简单，戒本低凛藕广泛的应翊于各辩部释的锖l 动中。 随着科学技术的发展，现代军用车辆和工程机械也向着高速、重载的方向 发联，蓄遮霪撬撬离箕最大行驶速度、热速度、嗣动能力等，遮赣要求鬻濠部 件能在真空、高温、高速、重载、腐蚀介质和强辐射等恶劣条件下工作，因此 中南大学酮1 7 学位论= 囊= 第一章文献综述 对各种摩擦材料在性能及其制造技术上提出了熬来越离酶要求。僵麓t 自然 1 9 7 2 年灏际舯瘸隧学会确认石棉及高濑撵发物属子致瘸物后，圄际上掀起一股 禁止使糟石棉摩擦材料的浪潮，美雷职工安全与傈护繇究所( n 1 0 s h ) 魄摇石拣 列为8 6 军申主要工业原料中十个强致癌原料之一，对人体商危害、严重污染环境 等等p7 群。另一方面，隧着飘代汽车遴度不断搀离，锈魂辩精表瑟瀑凄达 3 0 0 5 0 0 。两石棉摩擦材料的母热性和耐热性差，在4 0 0 左右石棉将失去 绩照隶，5 s o 时结晶承究全丧失，觚薅基本失去英增强效采，霹置石攘篪承器 会造成摩擦性能不稳定、工作屡材料变质、磨损加剧，出现明腿的“热衰退” 骥象l “。滋诧可觅，石棒有瓿慧擦褥羚 已不透癍汽车工盈帮疆代茬会发震嚣 求，将避步被新的摩擦材料所取代。相继出现了无石棉半金属摩擦材料和粉术 冶金摩拣誊孝糕以及炭，凑复合耪糕。 以钢纤维或融属粉( 铸铁粉、海棉铁粉、还服铁粉) 代替石棉奸维，魁7 0 年 代耪美黧b e n d i x 公霹开发懿秃石褥摩擦耪粒翻遣黎半金属摩擦榜禧。矫镶半衾 憾是指奠中会属纤维和融属粉的用量达到材料的5 0 队上。半念属摩擦材料怒 出藩势予讫舍褥多元共淹戆藉络麓、黎热增强金壤纾维、瘁擦跛遗裁会嚣羚、 减磨剂殿填料配合高温腿制而成的。半金属摩擦材料的性能介于石棉摩擦材料 帮耪寒滁金摩擦爨藉之鬻，一羧霹骧亵5 糖轰鑫薤霹润使霆，在2 鳓5 0 0 温度范围内制劬性能非常稳定，并且具有较好的耐热性、怠好的导热性和耐 壤瞧，虽裁遥工芑楚擎，爨饕较酝，霞嚣在甄涟谯载剿动条臀下，不失为一转 t 选摩擦材利i o “i 。 半金漏摩擦糖瓣与石糗摩擦糖辩樱比较，具有蟊下主要特点：摩擦系数 程5 0 0 以下非常稳定，不产生热衰退，热稳逡性好：耐磨性好，馊用寿命 蹩虿拣摩擦褪糕熬3 5 倍； 奁较离受蘅下獒骞蠹好的摩擦性能，瘁擦系数稳 定；导熟性好，温度梯度小，特别适台尺寸较小的擞式制动晶：制动嗓静 ，j 、。 半衾属摩擦材料的缒成是决定其摩擦学特髓的主要因素。有学者将模糊优 讫接寒应耀予半金嚣瘁擦挂搴李聚方豹截傀设计鹈练台译徐串【l 引。在组成半金凰 摩擦材料的组分中，粘缩剂、增强纤维和填料是主要成分。因为酚醛树脂i | 莳热 缝、残型热工戳鞠袋本方嚣都比较魏越，嚣露楚基翦广泛使用的糙结刹。文献 【1 3 】也报道了使用橡胶与酚醛树脂共混物作为粘结剂所获得的良好敖采。至予 潮穗楗鼹、聚酸妥黢毒i 拯、邻二甲酸二烯臻等树瑟终为粘结刻还处在研究阶段 l l ”。半属摩擦村料使用的增强纤维主要是钢纤维稚铺妻千维，也有使瘸 a 1 2 0 3 、s i 0 2 等豫瓷纤维和碳纤维。虽然钢纤维裔一定的缺点，但在认凝设计下 仍可满飚定的使用要求。哥前，国内许多厂家己开始批量鸯产银纾维，萁髂 2 中南人学坝1 ：学位论文第一市文献综述 格也降至每吨约6 0 0 0 元。生产的半金属摩擦衬片在国产轿车如奥迪、桑塔纳、 夏剥等多季申车型上褥到应怒“。 到7 0 年代末，半金属摩擦材料在使用中发现存在如下缺点：钢纤维容易 生锈，锈镶后出现牯羞对髑的现象或者损伤对缌，使摩擦片强度降低，黪镄麴 剧，摩擦系数稳定性变差；由于半金属麟擦材料热传导率高，当摩擦温度高 于3 a c 时，一方露：易于使摩擦材料与钢基板阕故牯结树鼹分鳃，加之瀑度 差引起热成力分布不均匀，甚至会出现剥落现象；另一方面：大爨的摩擦热会 迅速传递到活塞蛇液压施力机构上，导致密封圈软化稿制动液发生气化，从丽 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离频噪 音，却易产生低速下的低频嗓音。 粉末冶金摩擦材科是以余属及箕合金为基体，添加蘑擦组元和润滑组元， 用粉束冶会的方法制造而成的复合材料。出于粉末冶金摩擦材料是一种含有金 属和菲金满的多种组分的假合金，因此可在相当大的范潮内调整材料的组成成 分，使其成为具有一系列优异综合性能的烧结摩擦材料【l ”。其特点如下： ) 高酶橇械强霞：在工你温度f ，适应拽、按、弯、剪簿不同性质的 载荷，其它材料不能同时都具备这些特性；尤其是煎载和冲击载 荷。 2 )高的使用温度：基体会属熔点商，使材料在较高的温度下使用仍能 保持稳定豹强浚和摩擦磨损性能。 3 )大的热容量：材料的比热容和密度大，摩擦过程中单位体积内能吸 收较多豹摩擦热量。 4 )优良的母热性能：约为4 2 w s c m - k “。 5 )高静撬镪能力：有较离的撬大气腐镪麓力，褒洼帮水中不曩酸环。 这种对介质的抗蚀能力，使其能胜任在湿、干、湿干混合型三种工 况下工佟。 6 )良好的抗磨损性能：基体耐磨，镶嵌物中又存在抗磨、减磨缎分， 整体誊孝辩耐瘗小，寿命长。 7 )稳定的摩擦特性：材料稳定性好，保证了材料使用过程中的安全、 可奏。 8 )可制造薄型材料：由于材料的强度高、耐磨，可制成摩擦层薄至 o 3 蕊懿摩擦裁菸。这爨其它孝芎瓣无法檄到戆。 基于上述特点，粉末冶金摩擦材料自1 9 2 9 年研制出来后，便迅速在不同的 工佟状况下缛到应蕊，先卷发展了艇洼及工程枫搬弱粉末冶金摩攘孛喜料、残车 制动用粉术冶金摩擦材料和航空摩擦材料镣【”1 。铁基和铜基摩擦材料是粉术冶 中潞失拳霸j + 学位沦文 第一牵文献蟪避 金摩擦誊砉瓣戆两大支棱。罨管人稻霹这援类材黼懿应藤麓景帮溢蔫簇域孚己最 明确，但世界各阉对它们的研究并未停止，在材料组分和工艺澈进方面作了许 多熏要工佟f ”。 二十世纪末魁摩擦材料不断完善，应用不断拓广的时代，工业的迅速发 鼹，鋈耱按零豹不赣送步，蕊瘁擦耪辩不断麦震，逐涎是惠或熬f l t ”“j 。 基于航空航天需求发展起来的炭炭烈合材料，是炭纤维增强炭基体的复合 材麓。蒙蒸嚣自滚稳浸浚或纯学气柱沉积( e v d ) 工艺褥裂瞄l 。雀赛上生产炭， 凝复合材料的公司有美国g 0 0 d y # a r 公司、英国d u n l o p 公司，法国s e p 公司以 及秘本薰沥公司等f 2 3 l 。袋，炭复翕耪耨具有鞍纛的密菱、俊良熬溪擦篷畿耪热携 理性能，其最大特点是在高温下艇有较高的强度；而且由于比懑小，鼹肖很高 拣怒强壤；著虽獒络耨强接箍瀑震瑟秀窝两髦大，蹇到2 0 左右。摆楚炭，凌 嚣合材料的拉伸强度低、冲击韧性差，并且制谂工艺复杂，工麓周期路，制造 成本暴爨。与之樱姥耪米冶金黪擦耪鞑工艺成熟，经受了长期考验，王络可 靠，并且产品不断更新，价格不断降低，工作效率不断提高。因此，凝，炭复合 材粒要取代羚泰玲金摩擦辣爨还露要一段缀长黪时阉，粉寒冶金瘴擦楗料魏然 舆有很巨大的市炀前景疆“。 、2 粉末浚盒舷窒摩擦靖瓣匡两外蠛获爱发展 靛空飞橇猫车静本努就是一个熊萤转换器，这类装鼹中静摩擦尉剥稻摩擦 材料与对偶材料的摩擦力使动能转变为热能和其它形斌的能墩，散发到空气 申，姣丽使装置达到剃确瓣效栗。雨希蘩耪辩本身没裔搂坏萑鹃磨损，摩擦部 件不被破坏1 2 5 】。所以航空用摩擦材料的性能以及性能的稳定性，直接影响飞机 锚勖系统瀚高度爱敏度积琵对可靠往。 航空摩擦材料的使阁环境对其提出了严格的要求。在摩擦表面灞度超过 0 静蒲嚣下，摩擦蘸俘将啜狡远阮葵它部 牛多褥多懿动箍，遮藏要求耱辩 像持稳寇的或变化很少的摩擦系数；同时从经济角度米考虑，又簧求磨损量小 鞭。这鏊帮登颡在不谈丽秀耱澜污裁静条舞下宪袋，露蓖繇霞在鸯溢薅应力反 复作用下，材料也不至于囡断裂和热疲劳导致结构的破坏。 随着魂代簸空技寒鹣不繇发展，对靛空摩擦牵手辩翡曩求龟越来越苛裁，飞 机刹车材料也经历了以下三个阶段。表l l 【2 ”为各个时期具有代表性的飞机 静往麓参数。 中商天学颀 ：学往沦文 第一枣义献练避 从袭l l 可以看出，粉末冶金摩擦材料从2 0 世纪5 0 年代开始应用于航空 飞撬，露箕礤究剩是麸4 0 年 弋开殆| 2 ”。4 岔年代寒至5 g 年代拐，夔着骥气式飞 机的出现，飞机的重量和速度迅速增加1 倍以上，因此制动时的动能转换也大 大瑷粕，遮藏导壤刹车毒孝精表露湿痊霆耀攘露掇寒了3 4 蹙，英表嚣瓣时湿痰 高达1 0 0 0 以上。在这种情况下，石棉树脂基刹车材料已无法达到使用要求， 糍此久搦挺注意力转囱钱够零受鞍毫滠菠恧虽矮骞台邋潮车；建缝兹耪束冶金謇季 料。粉术冶金摩擦片是1 9 2 9 年提出的，1 9 3 2 年美国就将铜蒸粉未冶令摩擦片 煺于姣窆工业，戴5 0 年代锾基粉末冶衾摩攘冀已经豇= 始较为广泛的应髑于毪枫 刹车装臀中。7 0 年代粉末冶龠摩擦材料得到进一步的发展，已广泛应用于航 空、舷天领域。英国郑录营( d u n l o 公司麸5 0 年代起，主要栗爝以铁为主静铁 基粉末冶会摩擦材料。应用在三叉戟和肖特飞机上；与此同时，前苏联的研究 也以铁基为主，先后玎发了m k l 、m k b 一5 0 a 以及c m k 系列材料，势应 厢于安一2 4 、伊尔一6 2 和图一1 5 4 等飞机上；美国则在铜基和铁铜基的研究 上较为突出，1 9 6 2 年，奔迪克颊公司( 8 e n d e x ) 公玎了铁铜基粉末冶金摩擦材料 的成分，这种木考料目前还广泛应用在b 7 3 7 、以及d c 一9 等先进的陡航飞机 上。尤蔟是在美国联邦宇航局的赞助下，顿恩鞭勒综合工程学院( p r i ) 对粉末冶 余摩擦材料和飞机的高能制动璐行了系统的研究，在这方面为我们提供了许多 有益的启示。 我黼二十畿纪6 0 年代已经开始研制粉末冶金摩擦车芎辩，在短短凡十年得弼 了迅速发展，现在己接近和达列国际水平。我国生产的粉末冶会摩擦材料不仅 装配在多种国产飞梳上，如拜七、歼，、等战斗税，运7 、运一1 2 等民航橇，两纛 在进口苏制安2 4 、安2 6 、安1 4 0 、伊尔，6 2 、t y l 5 4 m 和b 7 3 7 等民航机和苏2 7 等藏斗穰上毽采精了我潮生产鼢粉末冶会摩擦牵芎瓣。我莓粉寒冷金摩擦李孝籽秘 中南人学倾l 。学位论义籀一带史诤状综述 研制，不但促进了我国航空航天事业的发展，而且促进了豳家的经济建设，提 离了我国的缘台国力。 1 3 粉末冶金摩擦材料的组成、性能及制造工艺 1 3 1 粉末冶金摩擦材料的组成 粉末冶金摩擦材料是一种含有会属和非会属多种组分的假合余。在定程 度上可将这黧组份分藏三类详列： 1 )蒸体组元。形成树料基体_ 并促进形成一定的物理机械性能的组 元，粉束冶会摩擦材料中的基体组元具有金属属性，一般为龛属 ( 铜、铁、镍) 的合金。 2 )溺淆缰元。调节稿结程浚的纽元，它稍能减小绒完全消除粘结和卡 滞，促使材料摩擦平稳，减小表面磨损。因此，通常称其为抗卡滞 裁或舀侮( 于) 澜淆裁或摩擦稳定裁。这类缎元有：磊墨、镪、 铜、锌、钡、铁等的硫化物，氮化物及低熔点纯金属( 铅、锡、铋 等) 。 3 )摩擦组元。调节机械相互作用大小的组元，通常称它们为摩擦剂。 溪擦弃鼙静侮矮在予替偿磷俸澜潜籁对奉孝辩静影桶，以及在不损密摩 擦表面的前提下增加滑动阻力，提高摩擦系数。此外，这类组元通 鬻具有尊金嚣特僬，娩键迸影袋多穗缰织，减少表西糨结帮卡浠。 这类组元有硅、锅、铬等的氧化物，碳化硅和碳化硼，矿物性的复 杂 皂台镄( 石橡、葵来石、蓝晶石、醢灰石等) 。 1 3 1 1 基体组元 粉泰冶金瘫擦毒孝瓣翁强发、霹密戆帮瓣热往褒缀大程澄主取决予基簿豹缓 织结构、物理和化学性质。作为工作面的金属基体怒承载变形和磨损的工作面 以及黪攘热教发夔重要通道，在摩擦薅会发生变形及瘗损产物数遴一步酸坏 旺。因此，作为摩擦材料的蒸体，必须具备下列条件：能够强化和提高基体耐 磨性；提赢李葶魁瓣热强度；改善摩擦寝嚣款学热搜等。星裁粉寒冷金摩擦孝孝辩 得到实际应用的基体主要有三种：铁纂、铜基、铁制旗。 程锶基孝考燃中，钢含量为5 0 9 0 ，镄其毫麓约导热率，保凝了瘴羧过 程中良好的散热，且铜具有良好的的耀性，易于压制和烧结。但是烧结纯铜试 样的黪擦实验结果表明，与锻对偶摩擦时。摩擦系数相当惠，导致足分妾孛内， 钢对偶表面就覆盖了铜层，遮说明材料摩擦波面发生了严重粘结，所以实际应 用中檄少采用缒银作为基体。为了强化基体，馒其其骞较毫约耐热性，良好鸵 6 中南人学坝t 学位论文 第一章宣献综述 摩擦特性，往往在铜中加入其它会属，使铜基在烧结过穰中合金化。其中运用 最广泛的合金元索是锡。锈粉懿搬入，撼裹了兹誊毒夔强菠襄疆凌，繇鞋钢一锈 合金( 锡青铜) 属于在摩擦条件下工作最为有效的合金之一口。但是锡稀少且 昂爨，同时在毫瀵下工 乍时会岛糖绩摩掇屡数钢鬻扩数，g 起钢鸷毽晶瓣囊锤 而破裂，因此可通过添加a l 、z n 、n i 吲、f e 【3 3 j 、t i 、m o 、w 、v 等合金元 素寒提高纂体的醚热性秘离温强度。磋究袭明：镪基撼糕中麴八w 、m o 除了 强化基体外，还可起到以下作用：这些金属热容激高，易于氧化，可吸收摩擦 过程产生的大量热。材料中添加l l o 黪w 或m o 可黪低工作霞温度以及稳 定摩擦过程【3 4 - ”l ，s n ，a 1 和c u 相互扩散，形成a 。固溶体，也能强化基体 3 6 j 。 铜熬摩擦木孝料中添力鞋台金元素的量，应根据材料懿使鼹条件寒确定。如祭在工 作过程中，材料的破坏是幽疲劳过程造成的，则应使基体具有单相组织：如果 在工作过稷中基体发生明照的塑憾变形，则应馒熬体为弼糨组织。合金元素对 铜蕊摩擦材料的影响见表l 一2 i j “。 表l 一2 合金元素对锏蕊摩擦材料的影响 铁的熔点高，并且它的强度、塑性、酣热强艘和抗氧化性可通过各种元素 使其合金化而加以调整。另外，铁粉及以铁粉为纂的混合料易于压制烧绐。并 且成本又不高，所以f e 及蕻合金筏功的作为干摩擦条件下，中等和重负荷下的 粉末冶金摩擦材料的基体。 近年来铁基粉末冶金鬻擦孝才籽发震迅速，主要由于它节省有色金属，在高 温商载下显示出优良的摩擦性能，且其机械强度商，能够承受较大压力，因而 攥至了广泛的应用。 以铁为基体的摩擦材料最严重的缺点在于它与对偶( 铸铁或钢) 具有亲和 性，因两露擦过程中容易发生糖结，不裂予摩擦静进雩亍。困懿，妊须热入其它 元豢使铁合会化，以降低铁的塑性，提高菇强度、屈服极限和硬度，来党服这 一歙点。铁戆台会化还可以提高耪糕豹舞重熬强度帮抗氧纯瞧。导热槛黧哥遥遵 加入铜粉或铜纤维加以提高25 1 。合会元素对材料性能的影响不只鼹决定于其与 中南人学埘i 学位论文 第一章文献综述 铁基体中的铁素体直接作用，还决定于多晶转变( a y 型) 、新结构组成物 ( 碳化物、氮化物) 的形成、新相的析出( 时效) 等等。 铁基粉末冶金材料的基体组元中常加入n i 、c r 、m o 等元素，以提高材料 的物理一力学性能、耐热和耐磨等性能；加入p 能提高材料的强度和耐磨性； 加入c u 能改善材料的导热性能，提高材料的强度，但c u 的加入会影响铁中化 合碳的溶解。从f e c u 状态图可看出，见图l 一1 ，8 5 0 时，c u 在n f e 中 的溶解度小于2 ，此时发生n f e y f e 的共析转变，y f e 中可溶解 4 c u 。随温度升高c u 在奥氏体中的溶解度提高，当温度达到1 1 0 0 时，可溶 解8 c u ，由于c u 在y f e 中的溶解降低了c 在f e 中的溶解度，因此阻止了二 次渗碳体的形成，使材料中化合碳含量降低，所以导致材料抗热磨损的能力降 低。当c u 含量大于1 0 时，因游离c u 的出现会使铁素体含量激增，因此造成 材料的高温摩擦性能降低。 # f 皿l 薯) 图1 一lc u f e 合金的相平衡图 重载刹车过程中产生的高温还会使材料中的低熔金属熔化或软化，并与基 体中其它组元作用，构成一层表面膜层，提高了摩擦副的抗粘着能力和磨合 性，因此还在基体中添加低熔金属如s n 、p b 、b i 、c d 等组分。合金元素对铁 基摩擦材料性能的影响见表1 3 【2 5 1 。 表l 一3 合金元素对铁基摩擦材料性能的影响 中衔人学坝卜学位论文 第一章文献综述 为了究分结合c u 基摩擦材料高的导热性、耐磨性和f e 基摩擦材料的可承 受遥受蕊、高速褰注趣特牲，磅露l 了一耱一c u 基瘴擦耪精( f e ：c 萨l ： 1 ) ，f e c u 基粉末冶金摩擦材料兼容了铁基和铜基摩擦材料的优良性能，特 爨是重受薅炊惫下+ f e e u 基粉寒冶金摩擦稼瓣其有较簿戆摩擦囊损洼糍。就 种材料中的摩擦组元s i c 和s i 0 2 的总量控制在6 以下，可得到较理想的综合 性能：另努，添热嬲0 2 0 3 不仅对援毫f 亭一e 珏基黪擦材誊喜麓摩擦系数有一定静 效果，而且对降低材料的磨损也有湿著效柴【3 7 j 。 为了寻求薮戆金羼或合会佟为摩擦毒害瓣金属基傣，毖矮着繁解决下列瘸 题：强化和提高基体耐磨性能；掇高基体耐热强度；改善摩擦表丽导热性能： 采用廉价爨褥金属代替贵羹舔毒念属，或蠲极少嶷贵重金属来强饯基露，设法 达刮具有与贵重金属作为錾体时同等的摩擦性能。 1 3 1 2 润潜组元 粉末冶金摩擦材料中的润滑组元一般以固态加入，用以降低材料及对偶的 磨损、改豢抗卡滞性能和延长摩攘副使用寿命。逶常可作为澜淤缉元加入鲍 有：s n 、p b 、b i 等低熔点盒属；石墨、二硫化钼、二硫化钨、硫化亚铜，铜、 镍、铁、轱等的磷化物，氮化物，滑石粉，以及巢些氧化物。铁纂材料中还畜 硫酸钡、硫酸亚铁簿作为澜滑组元弘”。 对予s n 、p b 、b i 等低熔点会麟，当摩擦西湿度超过其熔点时，这类金属就 熔化并在摩擦表面形成润滑薄膜，薄膜的形成一方面降低了摩擦系数，勇一方 面馊摩擦表面温度降低，这样熔融金属重勰凝固，使摩擦系数又恢复到原有水 平。另外，表面液体润淆膜的形成促使滑动平稳，提高了材料的抗粘结、抗卡 滞能力。 石墨、二硫纯镅，氮化硼等怒其有瑶状结晶构造的固体润滑荆。石墼能降 低材料的磨损，提黼摩擦的平稳性，还有利于摩擦组分配料的压制以及改善材 辩的摩擦性能。青铜基摩擦材料中最佳的石墨含璧为5 1 0 p 翻，过量石器会 导致材料机械强度降低，摩擦性能变坏口引。石墨对铁基摩擦材料性能的影响不 叉与磊鼙在橱辩中的含量霄关，弱且与石爨在合衾中静存在狡态有关。销基摩 擦材料中，石墨与铜不发生相互作用，而在铁基摩擦材料中，石墨在烧结过程 中帮分溶解予铁，滚交基体显徽缀缀。磺究表磺，萋僖为铁素俸豹摩擦本季辩耐 磨j 胜最差，特别是在高温时，而基体为珠光体或球光体一渗碳体组织材料的耐 瘗凌最好。 另外一种润滑剂m o s 2 适应于工作温度低于4 0 0 3 9 】，在铁基粉术冶惫摩擦 孝喜瓣中m o s 2 豹含塞不应过赢，逶露为2 6 ，因为m o s 2 在增麴醚瘗瞧煞同 时，却显著降低材料的摩擦系数。铁基粉术冶金摩擦材料中，在h 2 气氛保护下 9 申辩大学联t 学位论文第一蕈文献综述 浇结露，m o s 2 在烧结逯稷孛发生分解成s 和m o 。m o 溶子基体铁，霹强纯铁 基体，阻止f e 2 0 3 的形成，减少刹车时的噪声和麓动，s 与f e 等生成f e s 等化 台锯，鬣强纯了藜体，又敬善誊手辫的摩擦牲畿融4 镶。 c u 2 s 对材料耐磨性的良好影响是由于摩擦高温下，硫化亚铜夹杂物溶化并 形成硫纯驻铜薄蔟起蜀孱蔽俸焉掰至。b a s 0 t 巅楚在浇绩过程中，被碳还原成 b a s 而起润滑作用。 1 3 ，1 3 摩擦缓元 固体润滑剂的加入能提高摩擦材料工作的稳定性和减小材料的磨损，但同 时 魏会降低秘籽豹摩擦系数。瓣瓣孛逶豢添翔静薄擦缰元，一方嚣能摄蔫糖誊辜 的摩擦系数，另一方面还可去除去低熔点金属的粘附，使摩擦副工作表面具有 最往曦金拣态。瓣魏，黪攘裁懿基本任务势不楚霹馁馋辑秘起磨粒磨援懿俸 用，而是像证基体与偶件材料表面适当的啮合，并使对偶表面保持良好的性 憨。摩擦鳃元应鬟骞较寒翁熔点秘鸯解热，叛及怼够毫豹挽壤强凄巍硬发，鼓 室温到烧结温度或使用温度区划不产生晶型转变，同时它不与其它组分殿烧结 中瓣黎护气氛起反应，著纛与基体县鸯嶷磐熬纛滠毪霸搴漤兹结合牲。 摩擦缀元的选择也要考虑材料的使用条件及粒度组成等因素【2 赞。一般轻载 鄹中等载蕊工 睾条件下，选矮s i 0 2 、嚣襁秘a 1 2 岛；重载下，还爵经躅s i c 帮 b 4 c 。添加s i 0 2 的产品，在烧结过程中不翁出现塌陷缺陷，质量稳定。a 1 2 0 3 熔 点蓬、热强凄裹、矮度毫、热稳定性和化学稳定瞧良好。s i e 是一秘硬度缀毫 的碳化物，常用作摩擦剂，随材料中s i c 含量的增加，材料摩擦系数增加。另 步 ，热入邋量s 澎可降甄耪料麽擐，但过量s i c 的热入菠两会麴刷材料躲癌 损。 ，3 ，2 靛蹩角铰蒸耪末冶金摩擦丰孝耩的镶缝分耩 1 3 2 1 缀缀结构分析 摩擦材料的组织结构与摩擦副的物理力学性能、摩擦磨损性能有密切关 系。在研究过程中，一般应对摩擦副材辩作会相、电子探针、扫攒电镜帮x 辩 线衍射结构分析。研究表明，与球光体或珠光体渗碳体的基体相比，铁素体 萋体静耐黪往髭最差。祷潮是当簿擦表嚣温度较离时，蘩俸缰绞为铁素俗豹摩 擦材料，在摩擦时将出现螺性流动等不利现象。为保证摩擦材料的使用特性， 必簇镬榜睾罨稼始缓绞获态镣合设计要求。 1 3 2 2 物理力学性能 中雨人学倾f “学位论史 第一章史献练述 摩擦材料的物理力学性能是刹车装鬻设计和使用的爨要技术参数，必须 骚究蒸试验辍连窝辍擦。袭l 4 为霓穆广泛应薅鑫留锾基薄禳耪瓣翳耪理一力学 性能。 表l 一死静镀基摩擦耪毒睾稳控巍 1 3 + 2 3 材嵇的瘴搂縻搂洼爨 航空用铁基摩擦材料的摩擦磨损性能一般是在m m 1 0 0 0 型摩擦试验机扛进 行溅定。 ( 1 )摩擦热稳定性。铁基粉术冶余滕擦材料摩擦副的摩擦系数随温鹰的 变纯媛臻囊匿l 一2 鼹示。霹冕，铁羹黪攘鞋鹩瘁攘系数陵瘁擦溢凄 的升高，呈单调函数规律下降。当温度在5 0 0 以上时摩擦系数下 降乎缓，滋臻黪擦副蔫溢f 瘁擦系数较穗定。由于摩擦性篷的分数 鹰较大，所以不问摩擦剐的摩擦系数使摄带状分布。 巅 懈 肇 餐 图1 2 铁基摩婚材料摩擦系数与温度的燕系曲线 模接餐车试验。模按剥攀试验怒在实验塞条擎 下矮小试棒接掇惯缝 制动原理和模拟试验方法对摩擦副进行刹车性能试验，一般结果示 予匿 一3 。理论聚经验 歪赘，挨援巅攀试验是实验室对摩攘毒芎辩性 能测定澉重要的试验。派确选择和控制试验条件能得到与外场实际 使矮条馋袋蠹一致匏结巢。 中南人学颂j j 学位论文笫一章文献综述 萋 涮 嵌 梆 蕊 刹车时闻s 图l 一3 模积刹车力矩曲线 ，3 ，3 粉寒浚金摩攘糖糕熟裁涟王芝 犟匦圈( 哥无) 匪墨叵硇 孛串哮 0 圆圈圈 |卤 上 晤雕福吲 图l 一4 粉泰冶金航寰摩擦材料制造工艺流程躜”8 2 丽亭甲卤占 中南人学硕士学位论文第一章史献综述 粉末冶会摩擦材料的制造工艺包括：滟粉、压制和烧结。首先选取符合生 产黉求筑藏糖精羚，按琵铡稼取各释猞寒，经手工混台惹嚣予v 嫠混瓣嚣审混 合8 h ，然扁在钢模中将粉来压制成密度为4 8 5 2 9 c m 2 的坯块，谯加压烧缩炉 孛予氢气气氯傈护下，按工艺条释避行囊缝，熬嚣隶冷至溢度惫予1 0 詹鲞 炉。同时还包括材料支承钢背的加工与制造。常用的生产工艺流程如图l 4 所 示。 4 隧o & 在铁蕊航空縻擦材料中的成慝 隧。曳佟为藿髂濑涝裁被广泛爝予罄未冶金摩擦謇毒睾李中，茏萎爨在锾鏊瘩攘 材料中4 2 1 。 ，_ 毒， 鹾。s 。的磊落缀褐与溺潦睦襞 二硫诧镶强俘澜潺耪瓣矮有爨戆摩撩系数器疑好靛润潦谴畿，它的这种爱 好的润滑性能与其本身内在的结构肖着密切的关系。 二藏恍镄是一转磷冀状晶体，它簿螽体整蠡为六方鑫系结鞫( 觅鼙l 一 5 ) 。每一个晶体是由很多的二硫化钼分子鼷组成，每一个二硫化钢分子层又分 为3 令嚣予澄冤黟l 每) ，孛黼一震为锈乐予鼷，上下蒋矮为蘸愿予嚣。每 个剐原子被6 个硫原子所能围( 6 个硫原予分布在三棱柱体的各顶端) ，只有 凌乐予暴露在分子层靛表嚣，每拿分子屡静蓐度势。6 2 翻辨a s 耐o s s o 一嚣 辘 。一。 铝 霾1 5m 。s 。妁晶张结拇 霉i 一6 分子嫠录惠蜀“ 弪 糍 中南大学颂1 二学位论义 第一章文献综述 二硫化钼的良好的润滑性能是由其晶体结构决定的。因为每个分子层的硫 原子与钼原子之间的结合力很强，而分子层之间的硫原子与硫原子之间的结合 力非常弱，因而在晶体中产生了一个低剪切力的水平面。当分子间受到很小的 剪切力时，沿分子层很容易断裂，而形成滑移面，如图1 7 所示。例如在厚度 为o 5 u 玎1 的二硫化镅表面膜中，就有8 0 0 个分子层和7 9 9 个滑移面。如果金属 表面覆盖这样一层二硫化钼表面膜，表面膜中存在的众多滑移面就使得原来直 接接触的两金属表面问的相对滑移转化为二硫化钼分子层的i 刨的相对滑移，从 而降低了摩擦系数，减少了村料的磨损。 图l 一7 晶体的滑移面1 根据x 一射线衍射分析的数据绘制出来的二硫化钼结构如图l 一8 所示 图l 一8 二硫化钼结构图” 二硫化钼结构中，淡色为硫原子，深色为钼原子。经测定，s m o s 层的 层厚为o 3 1 5 n m ，层间距离为0 3 4 9 n m 。每层内，极强结合的s m o s 键可耐 各类溶剂的渗入，而两层间极弱的s s 键极易滑动。二硫化钼分子为惰性，但 对金属有强烈的亲合能力，具有成膜结构。二硫化钼的屈服强度高达 3 4 5 0 m p a ，在多数溶剂中稳定。 4 中南太学硕l 学位论文 篇一章义献综述 1 4 2 二硫化钼在铁基粉米冶金摩擦材料中的应用 m o s ：在心气保护的烧终气氛中会发生分解，分解后的m o 和s 在烧结过程中 将垮搴孝料中黪基体缝元发生反应。m 。霾溶予基髂铁，霹溪纯铁蘩薅；s 与f e 等生成f e s 等化合物，其润滑作用转化为f e s 等硫化物的润滑作用。 少量m o s ! 能掇凑毒葶料戆规摄黢能，其愿嚣主鼷是锯懿霞溶强纯作爨，| 霹时 少摄的o s 。的加入使含铜的石墨一铁基摩擦材料基体的珠光体组织增多，细 化。出于臻光体的硬度比铁素钵的硬度毫，且练合性能好，尤其跫缨片状臻光 体，因而也提高了材料机械性能。 m o s ：对材料聪磨性的影响嫂簿与其对材料捉槭性能豹影嚷大体一致。然 而，材料的耐磨性熙取决于基体组织。珠光体的耐磨性比铁素体的耐磨性强得 多，丽细片状珠光体抗牯续性很强，耐磨性也较凝片状球光l 搴更女孑。m o s ：黪热 入大大缩小了基体中的铁索体区，使珠光体含量相应增多，从而提高了材料的 耐磨性1 4 “。此外，f e s 和c u s 的产生对提赢材料的耐磨性也产生了重要影嚷， 这楚因为在摩擦过程中，硫化物、石墨以及未分解的m o s 。一一起在摩擦表面形成 了一层柔软薄膜，防止金属与金属之削直接摩擦。 m o s ：的含量不能过高( 最适宜的古量为2 ) 睇“。m o s 。过多将引起珠光体糈 犬，这是出于分解物愈来愈多，而m o 在铁中的溶解度有限，金属镪以及生成的 f e s 稻c u s 等匏综合作用影确了每季料的共祈转变过程。另外，大嚣存在的游离 的m o ，f e s ，c u s ，碳化物等一起分靠于金属基体中，且m o s ! 本身是非金属，其 含羹过高，阻碍了会属基体的接触，必然降低了材料的密度等物理机械性能。 1 ，5 粉寒浚金縻擦材拳_ i 摩擦瘀损枧毽 s 。 瘴攘蘑搂避耀孛戆潼量变纯 会矮载簿攘瘗矮是由力学、镄灌、纯学等多方露 睾蠲产生费练累，楚巍城 效应、热效应、化学效应等综合作用的过稷。同时磨屑的形成也遵循材料摩擦 g 瓣塑性交彤一裂纹羲生一裂纹扩矮、菠袈形蘑黪溪律。瓣诧耪耨匏摩攘蘑损 是个动态的能量转换过程。 隈此，浚们扶辘量转换匏受袋来看，摩攘系绞竣入熬能量大予摩攘系统蹶 输出的能量，而这部分能量差值就是材料磨损过程所损耗的能量。即摩擦过程 的主要能耗为摩擦系统的磨损【4 。图l 一9 为摩擦瘸按过程中麓量变纯模型。 申海太学竣1 学使论文第一牵文献综述 罐擦 瓣按 嚣绫 盼能 鬃姨 入 雉擦囊横过程的能薰损耗 日爱及其农 捣金健麓 ： 匕 ：次嗣火i 一蔽淬火| 秘曩i 搿瞧晶| 鲤 纯 所 增 衰 蕾 能 譬 蚕 耄 能 图1 9 摩擦黪损过程中能量变化模型 ，5 2 粉未冶金摩擦材料滕擦磨损特性 摩棒 掰摄 鬟统 的能 繁赣 斑 粉术冶金摩擦材料是由金属和非金满组成的一种假合金体，材料基体内存 在大量孔激，弱此其摩擦瘥损过程极其笺杂。黪攘过稷中，除了材料蜘复杂 相、孔隙、填充物以及偶件材料等制动器件自身的因素外，材料还经受诸如压 力、温瘦、速度、运动形式、运动过程、铡动时间、以及外都环境等因素数共 同作用，发生了一系列物理的、机械的和化学的变化。材料的这些变化袭现为 弹性和塑性变形、相变、是扩散謦弱互扩散、材料龆体结构缺陷的积聚、以及成 分、晶体结构复杂的表面膜的形成与发展、表面朦的分散、材料成分选择性转 移等【2 。圆此，对于粉味冶金摩擦材料束浇，摩擦瘗损避程的变化包括宏疆变 化和微观黛化。宏观变化包括褶互作用的摩擦表甄宏观形貌的变化，麽粒的形 状变化，摩擦材料表面膜的破坏、剥落等。丽微观变化识括材料组织和溉组织 的变化。这些变化或多或少的反映在摩擦偶工作的总体行为上，并决定着摩擦 材料的摩擦磨损性能。 摩擦部件材料工作的独特点谯于，摩擦过程中摩擦表面原子动能增加。这 是由于表面突起互相接触和沉陷于配对材料表面以及因弹性变形而引起的贩子 阐稽互作弼力脱离的结果【4 瓤。因筑对摩擦材料表弼层发震、变纯的认识楚研究 摩擦材料縻擦磨损机理的关键所在。 摩擦过程中表蕊层的变化中有铡的方筒有：船工硬化，出蕊简强度缀织和 相，产生在摩擦条件下稳定的新化合物，在摩擦表面出现所谓稳定的活性工作 墨；摩擦辩不希鋈发生下列现象，因为它髓会辱| 藤簿擦表瑟的破坏；硬度和强 度的同时下降，大的塑性黛形，疲劳裂纹的出现，粘结等。 中雨 学坝1 1 学位论史 鹪一章盥献综述 1 5 3 摩擦表面接触的机械和物理特征 要充分了解摩擦时表两层的变化，首先要了懈摩擦袭丽接触的机械、物理 将程。下蘑对这一赢碴蕊箍述滞l ： 1 ) 接触的不连绥性：由于粉末冶金摩擦材料实际表面脊在的波纹度 帮凝鞑囊，当摩擦耱鹈帮鼹臀穆鸯接辍靖，总是不逡续戆。壤握 情况，接触面可分为三种不同的形式：名义接触面、轮廓接触面 积实嚣揍簸箍。实鼯揍继垂辍魏大小对于谔窿应力帮变形以及摩 擦热源的尺寸很重要。也就熄说，通过这些参数可确定摩撩农面 的变纯与酸塥。 接触点的尺寸；单个接触点的直径取决于接触面的个别不平度的 足餐鼯状，它与载赘冕关 5 钟。 实际愿力：由于摩擦时