烧结金属摩擦材料现状与发展动态

1、烧结金属摩擦材料现状与发展动态1 前言 烧结金属摩摩擦材料料是以金金属及其其合金为为基体，添添加摩擦擦组元和和润滑组组元，用用粉末冶冶金技术术制成的的复合材材料，是是摩擦式式离合器器与制动动器的关关键组件件。它具具有足够够的强度度，合适适而稳定定的摩擦擦系数，工工作平稳稳可靠，耐耐磨及污污染少等等优点，是是现代摩摩擦材料料家族中中应用面面最大、量量最大的的材料。 用粉末冶金金技术制制造烧结结金属摩摩擦材料料已有770年的的历史，119299年美国国开始了了这项工工作的研研究，330年代代末期首首先将该该材料用用在了DD-7、DD-8铲铲运机中中的离合合器片上上。发展展到现在在，所有有载荷量量高

2、的飞飞机，包包括米格格、伊尔尔、波音音7077、7447和三三叉戟等等，其制制动器摩摩擦衬材材料都采采用了烧烧结金属属摩擦材材料。在在我国，特特别是在在19665年以以后，烧烧结金属属摩擦材材料的科科研、生生产得到到迅速发发展。迄迄今，我我国已有有十多个个具有一一定生产产规模的的生产企企业，年年产铜基基和铁基基摩擦制制品约8850万万件，广广泛应用用于飞机机、船舶舶、工程程机械、农农业机械械、重型型车辆等等领域，基基本满足足了国内内主机配配套和引引进设备备摩擦片片的备件件供应和和使用要要求。 2 制造方方法与工工艺研究究 2.1 制制造方法法 目前，国内内外烧结结金属摩摩擦材料料的生产产仍主要

3、要沿用119377年美国国SKWelllmaan及其其同事们们创造的的钟罩炉炉加压烧烧结法(压烧法法)，该该方法的的基本工工序是：钢背板板加工去油、电电镀铜层层(或铜铜、锡层层)；配配方料混混合压制成成薄片与钢背背板烧结结成一体体加工沟沟槽及平平面。由由于传统统的压烧烧法存在在着能耗耗大、生生产效率率相对低低、原材材料粉末末利用率率低、成成本高等等缺点。因因此，一一些国家家对传统统工艺作作了一些些改进，同同时十分分注重新新工艺的的研究，在在改善或或保证产产品性能能前提下下探索和和寻求提提高经济济效益的的途径。 新的制造工工艺相继继问世，其其中最令令人瞩目目的是喷喷撒工艺艺(Spprinnkli

4、ing powwderr prroceedurre)，它它以生产产的高效效率和显显著的经经济效益益独具优优势。喷喷撒工艺艺法以工工业规模模生产烧烧结金属属摩擦材材料始于于70年年代，美美国的威威尔曼、西西德的奥奥林豪斯斯和尤里里特、奥奥地利的的米巴等等企业拥拥有这项项技术。880年代代中期，杭杭州粉末末冶金研研究所从从奥地利利米巴公公司引进进了该技技术。 喷撒工艺的的基本流流程是：钢背板板在溶剂剂(如四四氯化碳碳中脱脂脂处理(或钢背背板电镀镀)在钢背背板上喷喷撒上混混合材料料预烧压沟槽槽终烧精整。 与传统的压压烧法相相比，喷喷撒工艺艺主要有有下列一一些优点点： (1)实现现了无加加压连续续烧结

5、，耗耗能低。 (2)采用用松散烧烧结，粉粉末还原原充分，可可获得高高孔隙度度的摩擦擦衬层，对对提高摩摩擦系数数极为有有利。 (3)用功功能覆盖盖和冷压压方法替替代切削削加工制制取油槽槽，经济济而有高高效。 (4)采用用精整平平面取代代切削加加工，材材料利用用率高，产产品厚度度和平行行度精度度高。 (5)可以以根据要要求制取取摩擦衬衬层极薄薄的摩擦擦片(00.20.335mmm)，而而用其它它工艺则则难以达达到。 已有的数据据表明。喷喷撒工艺艺法较压压烧法可可节约铜铜、锡、铅铅等有色色金属粉粉末约445%，节节电约775%，节节省工时时约400%。 目前喷撒工工艺法似似乎主要要用于制制造厚度度较

6、薄的的铜基摩摩擦材料料，而用用于制取取铁基摩摩擦材料料，仅见见一例。 国内外粉末末冶金同同行们还还发明了了20余余种制取取方法 ，投入入应用和和有前途途的主要要有以下下几种： 2.1.11 冲切切法 一种工艺是是先冲后后烧，混混好的配配方粉料料从料斗斗经溜槽槽进入下下面有带带状输送送带的定定量斗，自自动送入入压力机机压实成成薄片，然然后冲切切成所需需形状，烧烧结后即即为成品品。该工工艺连续续加压，不不需压模模，粉层层密度、强强度均匀匀一致，粉粉层厚度度调节方方便；另另一种是是先烧后后冲，即即在钢带带上撒粉粉后先松松散烧结结，尔后后冲切成成形。其其缺点是是钢带进进炉烧结结易变形形，引起起粉末层层

7、震动移移位，造造成粉层层厚薄不不匀。为为克服这这一缺点点，该专专利提出出，在钢钢带背面面涂上炭炭黑，先先进入预预氧化烧烧结炉，以以15/s快快速升到到4000(铜基基)，然然后再进进入慢升升温加热热炉(55/s)，在还还原气氛氛中烧结结，可得得到均匀匀的摩擦擦衬层。 2.1.22 等离离子喷涂涂法 该法适用于于喷涂耐耐高温的的摩擦材材料。如如Co、MMg、TTi、WW、Crr以及碳碳化物、氧氧化物的的混合物物，保护护气氛为为含200%氢气气和800%氩气气的混合合气体，喷喷涂温度度高达11500020000，喷涂涂速度550010000g/h，所所得喷涂涂层硬度度10000HVV。该法法特别适

8、适用于制制取电磁磁离合器器与制动动装置摩摩擦片。 对于需要轻轻的摩擦擦组件，往往往以铝铝来替代代钢，但但铝不耐耐磨，在在其表面面喷涂一一层金属属陶瓷耐耐磨层，可可获得陶陶瓷硬而而耐磨与与金属延延展性好好及耐冲冲击二者者相结合合的优点点。陶瓷瓷与金属属的重量量比为885：115到775：225，只只要确保保在热喷喷涂中金金属能完完全熔化化(不能能超过金金属的气气化点)，就可可以保证证质量。 2.1.33 电解解沉积充充填法 先在金属或或石墨处处理过的的多孔材材料上用用电解沉沉积法形形成金属属骨架。多多孔材料料一般用用凝聚纤纤维，如如海绵、泡泡沫材料料。金属属骨架形形成后，多多孔材料料可以留留在内

9、部部，也可可以通过过加热熔熔化或烧烧除，再再用摩擦擦材料填填充金属属骨架间间隙，填填充的摩摩擦材料料可以是是金属，如如Pb、SSn等，也也可用热热固性树树脂。金金属骨架架只占整整个体积积的100%330%。填填充好摩摩擦材料料后成为为摩擦衬衬，可采采用锡焊焊或铜焊焊将其焊焊接到钢钢背上，也也可用环环氧树脂脂等粘结结剂粘贴贴到钢背背上。 2.1.44 电阻阻烧结法法 将钢背板镀镀上一层层焊料(Cu、CCu-SSn、CCu-ZZn、SSn或NNi)，再再将已压压制成形形的摩擦擦衬放置置到钢背背板预定定的位置置上，送送入加压压机，一一边加压压，一边边输入大大电流(1例为为52kkA，另另1例为为4k

10、AA)，维维持十几几秒钟，就就烧结好好了。此此法的优优点是钢钢背板不不受高温温影响，花花键与齿齿形部位位强度不不会降低低。 另一专利介介绍：在在压模中中设计有有电极，装装足粉后后，放上上经过电电镀的钢钢背板，然然后一边边加压，一一边通电电，电流流101000kA(5.4454AA/mmm2)，烧烧结155s即成成。有11例，摩摩擦衬面面积18840mmm2，摩摩擦衬层层厚4.6mmm，通电电流222kA，过过8s后后电流升升至388kA，加加压5.4MPPa，摩摩擦层相相对密度度达到887.88%。 2.1.55 感应应加热冲冲击法 工序是：将将摩擦材材料衬的的预烧结结坯放入入承受盘盘中，在在

11、保护气气氛中感感应加热热，温度度控制在在9166以上，时时间一般般不少于于5miin。从从感应器器中取出出后即行行单向冲冲击，使使摩擦层层与承受受盘形成成键接。 2.1.66 气相相沉积法法 一般的TiiC材料料摩擦系系数值很很小，但但用气相相沉积法法制取，摩摩擦系数数就很大大，可达达0.44，且耐耐高温，在在试验台台上试温温，温升升至10090材料还还无衰退退迹象。载载体用石石墨而不不用钢，石石墨和TTiC都都很轻，适适用于飞飞机。它它的制法法是 ：把用石石墨制成成的的载载体置入入一容器器中，加加热温度度高达110500，气氛氛为碳氢氢化合物物，(可可用甲烷烷)与TTiCll，其中中TiCC

12、l含量量不能少少于0.5%(体积分分数),甲烷与与TiCCl以11m/mmin的的速度进进行环流流,到一一定时间间即成。 2.2 工工艺研究究 烧结金属摩摩擦材料料的工艺艺研究近近年取得得很大的的进展，申申请的专专利很多多。 专利144，155提出出了改进进现行工工艺的方方法，建建议将含含有Fee、Moo元素的的铜基摩摩擦材料料的烧结结冷却速速度提高高到1000/miin，促促使Fee-Moo相析出出，因为为Fe-Mo相相的硬度度大于7700HHV，可可以大大大提高材材料的强强度。 专利166建议议将铁基基材料置置于S和和Mn中中进行扩扩散烧结结，因为为S和MMn能向向其表面面层扩散散并促使使

13、铁基体体中奥氏氏体稳定定。扩散散烧结的的铁基制制品表层层形成较较多的硫硫化物，表表面硬度度为20003300HHV，经经精整上上升到66007000HV，从从而提高高了制品品的耐磨磨性。 专利177提出出了预制制粉末以以获得最最佳粉末末混合料料的方法法。提出出石墨在在使用前前需先进进行特殊殊处理：将选用用的细晶晶粒石墨墨粉先与与5%45%软金属属(Cuu、Snn、All、Pbb等)混混合，然然后混合合料在00.0220.0255MPaa的压力力下压制制成一定定大小的的生坯，再再于保护护气氛中中加压烧烧结(11MPaa)。制制得烧结结坯后再再经粉碎碎，按所所需颗粒粒尺寸过过筛后再再与摩擦擦材料的

14、的其它组组分混合合，经过过这样的的处理，摩摩擦衬层层组分不不易偏析析、分层层，加工工性能好好，与钢钢背板的的粘结良良好。 3 材质与与配方研研究 3.1 提提高并稳稳定摩擦擦系数的的研究 足够高的摩摩擦系数数和热稳稳定性是是制动或或离合可可靠与稳稳定的必必要条件件。近年年来对提提高摩擦擦系数和和热稳定定性的研研究主要要从选用用合适的的摩擦组组元和探探索新的的摩擦与与抗咬合合添加剂剂入手。文文献118赞赞成以ZZr-SSiO44部分或或全部代代替SiiO2或或Al22O3，认认为这对对重载下下提高摩摩擦系数数特别有有利(摩摩擦系数数：铜基基0.330，铁铁基0.42)，耐磨磨性也有有改善(磨损：

15、铜基22.1*10-8cmm3/JJ，铁基基2.55*100-8ccm3/J)。文文献119认认为Zrr-SiiO4作作为摩擦擦质点，不不仅可以以提高摩摩擦系数数，而且且可以减减少对偶偶的磨损损。另外外，在铜铜基或铁铁基中加加入TiiO2或或再加入入多元氧氧化物(如ZrrO2、MMgO、CCr2OO3、BBeO、CCaO)以及玻玻璃陶瓷瓷粉作为为摩擦组组元，使使摩擦表表面生成成氧化膜膜，以稳稳定在高高速工况况下的摩摩擦系数数。对于于摩擦组组元的选选择，前前苏联在在铜基材材料中加加入难熔熔金属(W、CCr等)的硼化化物，得得到了满满意的效效果。德德国则更更多的是是在材料料中加入入TiCC、Zrr

16、C、ZZrO22等来提提高摩擦擦系数，如如含有TTiC、ZZrO22时，其其摩擦系系数可达达0.44，而且且导热性性能很好好。 在铁基材料料中广泛泛使用MMoS22、WSS2、BBN来调调整摩擦擦系数，改改善抗擦擦伤性能能。对高高温重载载工况，则则更多采采用BaaSO44、CaaF2等等来提高高摩擦系系数稳定定性。 3.2 提提高材料料耐磨性性的研究究 将石墨、MMoS22、Pbb、Snn、Bee等作为为润滑组组元以提提高材料料的耐磨磨性得到到了普遍遍肯定。以以BN作作为润滑滑组元已已引起广广泛的兴兴趣。在在烧结过过程中，BBN十分分稳定，既既不会分分解又不不会被烧烧损，在在摩擦过过程中保保持

17、良好好的润滑滑，促使使形成薄薄膜，改改良了耐耐磨性。已已被广泛泛用作润润滑组元元的硫及及硫化物物，对耐耐磨性能能的改善善有较大大作用。中中国、日日本、前前苏联对对此作了了大量的的研究。 石墨作为一一种固体体润滑剂剂，似乎乎是所有有烧结摩摩擦材料料必加的的组元。在在高温下下，石墨墨具有极极高的强强度，使使用温度度可达335000，具有有优良的的高温固固体润滑滑特性。 根据对材料料性能的的不同要要求，石石墨添加加量的范范围很大大，最高高达300%，其其颗粒形形态、大大小、粒粒度组成成及其在在材料基基体中的的分布状状态，对对材料性性能产生生很大的的影响，对对铁基摩摩擦材料料的影响响尤甚。 材料中大量

18、量的游离离石墨在在摩擦过过程中不不断覆盖盖摩擦界界面，形形成稳定定的润滑滑工作层层，防止止了摩擦擦副的咬咬合，也也起到了了很好的的减摩作作用。 关于石墨的的含量、形形态对耐耐磨性能能的影响响已有不不少的论论著，文文献224对对加入之之石墨规规定：人人造石墨墨(电极极石墨)占8%，天然然石墨(鳞片状状)占77%，两两者粒度度均为6608800uum。 3.3 改改善材料料基体结结构和强强度的研研究 基体强度是是材料承承载能力力的反映映，而基基体强度度在很大大程度上上取决于于基体成成分、结结构和力力学物理理性能。现现代机械械向高速速重载发发展，对对摩擦材材料的高高温性能能提出了了更高的的要求。总总

19、的来说说，各国国的材料料研究者者主要从从两个方方面入手手改善材材料基体体结构和和强度。 用合金元素素固溶强强化基体体是改善善材料基基体结构构的重要要手段之之一。对对于铁基基材料，通通常以加加入Nii、Crr、Moo、W、MMn来强强化基体体或活化化烧结过过程。加加入Nii、Crr、Moo则对提提高材料料的高温温性能有有利。文文献225采采用CaaSi22、Sii、SiiC及FFeSii2使SSi与CCa和基基体铁形形成合金金。西德德与英国国则用WW-Fee作为合合金元素素加入铁铁基材料料中，基基体强化化效果显显著，适适用于高高温工况况。 国外系统地地研究了了Sn的的含量对对铜基材材料性能能的影

20、响响，认为为Sn的的理想加加入量在在7%12%。不过过，乌克克兰科学学院材料料研究所所用铝青青铜代替替锡青铜铜，在高高负荷工工况下，铝铝青铜材材料的强强度、高高温强度度、耐蚀蚀性能和和使用性性能均超超过了锡锡青铜，当当基体中中含铝为为10%111%时，摩摩擦材料料具有最最大的摩摩擦系数数，最小小的磨损损量，综综合性能能优异。 另一项强化化手段是是纤维强强化。在在较软的的基体中中加入具具有较高高强度的的金属纤纤维或碳碳素纤维维，如加加入钢纤纤维(拉拉拔状态态的钢纤纤维抗拉拉强度可可达41100MMPa)后使材材料强度度和塑性性大大提提高。碳碳素纤维维及其复复合材料料具有高高比强度度、高比比模量、

21、高高耐热性性和抗疲疲劳性能能，但因因成本高高、制造造工艺复复杂，目目前应用用似仅限限于航天天航空等等尖端领领域。 3.4 对对偶材料料对摩擦擦性能影影响的研研究 和前三种研研究相比比，这方方面的研研究较薄薄弱。早早年的资资料表明明，在干干式应用用中，灰灰口铸铁铁是首选选的对偶偶材质。在在热负荷荷较大的的工况下下，该材材料因其其耐高温温性能差差而易生生产龟裂裂，所以以往往采采用合金金铸铁、铸铸钢或合合金钢。在在湿式工工况中，对对偶材料料采用铸铸铁对摩摩擦系数数没有多多大的影影响，主主要是使使用寿命命不及钢钢对偶。 4 发展方方向 现代科学技技术和工工业的迅迅速发展展对摩擦擦材料提提出了越越来越高

22、高的要求求，为了了适应这这种需要要，机理理研究和和基础试试验工作作一直没没有停顿顿过，对对新型摩摩擦材料料的研究究也将是是今后摩摩擦材料料发展的的重点，主主要是发发展性能能优异、造造价低廉廉的新型型材料。 4.1 摩摩擦磨损损理论与与表面破破坏机理理的研究究 摩擦与磨损损是摩擦擦学研究究的两个个中心问问题，学学派甚多多。当前前较为广广泛流行行的摩擦擦理论是是分子-机械械理论。近近年来，对对摩擦过过程中摩摩擦表面面的破坏坏也颇有有研究，证证明磨损损的产生生是氧化化、磨粒粒磨损、转转化反应应和层面面疲劳的的综合作作用，只只是在一一定条件件下，某某一因素素突出，成成为主要要磨损原原因。 摩擦发生在在

23、两个接接触表面面，接触触表面的的“膜”的力学学、理化化性能，特特别是其其与基体体材料的的粘结强强度等都都决定着着摩擦偶偶的摩擦擦磨损性性能。880年代代以来 ，对产产生在摩摩擦表面面的润滑滑膜和氧氧化膜作作了更为为深入的的研究，取取得了一一些成果果。特别别是借助助于现代代测试手手段来进进一步探探测表面面层的组组织与结结构，观观测其形形成与破破坏，系系统地研研究了表表面破坏坏机理。摩摩擦接触触面上同同时产生生的三种种相互关关联过程程，即表表面相互互作用、固固体表层层和表面面膜在摩摩擦力作作用下的的变化和和表层破破坏对摩摩擦副性性能的影影响、周周围介质质的性质质和实际际工作状状态相互互之间的的作用

24、和和影响，所所有这些些细节，将将会更进进一步地地深入研研究下去去。 4.2 新新型摩擦擦材料的的研究 一个值得注注意的趋趋势是为为了适应应不同的的工况，已已研制和和发展了了一些新新型摩擦擦材料，如如纸基、半半金属、碳碳基等摩摩擦材料料。虽然然这些材材料不属属于粉末末冶金范范畴，但但是它们们同属于于摩擦材材料领域域。因为为这些材材料的制制造设备备、制造造工艺、测测试方法法、设计计依据、所所用原材材料等有有相通和和类似之之处，所所以已有有越来越越多的粉粉末冶金金摩擦制制品企业业突破了了现有的的粉末冶冶金行业业界线，逐逐步地向向摩擦制制品，即即按大产产品分类类的格局局发展。 4.2.11 发展展用金属属纤维强强化的复复合材料料 用金属纤维维强化，大大大提高高了基体体的强度度，改善善了基体体的导热热性能，对对阻止表表面裂纹纹的扩展展起到了了很好的的作用。这这类材料料是大有有发展前前途的。 用耐高温并并且有高高摩擦系系数的金金属陶瓷瓷作复合合相，或或用难熔熔化合物物粉末作作复合相相，两者者均可满满足一些些特殊工工况的应应用。 4.2.22 发展展半金属属摩擦材材料 半金属材料料是由高高碳铁粉粉、石墨墨、二硫