粉末冶金摩擦材料-培训教材

粉末冶金摩擦材料（培训教材）中国粉末冶金验基地

中国粉末冶金实验基地—培训教材目

录1．

述2．末金擦料特3我国生的粉末冶摩擦材料4．末金擦料装5．末金擦料组6．末金擦料生7．摩料--

中国粉末冶金实验基地—培训教材1．

述摩擦材料是制动器（刹车制动合器（传递扭矩）使用的一种功能性材料，它对制动器离合器的工作起着重要的作用例如飞机的刹车片、汽车的刹车带、火车的制动闸瓦（闸片）等，是用做制动器中的摩擦材料。离合器片则是用在离合器中的摩擦材料。与摩擦材料一起摩擦进行工作的材料在飞机上称为对偶，或者叫作对摩材料；而在火车和汽车上则称为制动盘材料。摩擦材料和对摩材料构成一组摩擦副。尽管摩擦副的工作是由摩擦材料和对摩材料的共同性质所决定的，但是在其中起主要作用的、决定性作用的仍然是摩擦材料。制动就是强制运转的机器或机械减速和停止的过程。在制动器中，摩擦副吸收机器或机械的动能，并把它转化为热能。一部分热量发散到周围的环境中去，而另一部分为摩擦副所吸收，使摩擦副本身的温度升高。传递扭矩摩擦副的工作和制动摩擦副的工作没有什么本质的区别，同样都是摩擦副中摩擦材料和对摩材料的相对速度发生变化。工作开始时相对速度最大，而后逐渐减小到零的过程。区别是工作时间的长短（制动时间一般是从几秒到十几秒，传递扭矩的时间一般是十分之几秒到几秒）不同，吸收能量的大小不同，摩擦因数不同，因而摩擦副的工作温度也不同。摩擦副在工作过程中总是要吸收能量，使本身的温度升高。因此，摩擦材料不是在室温，而是在较高的温度下工作的。摩擦材料工作时的温度和升温速度，在结构一定的情况下，主要和摩擦副工作时必须吸收的能量大小、吸收这些能量的时间间隔有关。吸收的能量越大、时间间隔越短那么摩擦材料的温度越高升温速度也越大在某些情况下发生热冲击，也就是在很短的时间间隔之内，摩擦表面产生极高的温度。例如，飞机在着陆制动时，在～5种之内，摩擦材料工作表面温度可达到1000℃以上，体积温度高达400℃～600℃。在油中工作的离合器摩擦（称为湿式工作条件下工作时吸收的能量也很大，但由于有油的存在，一般工作表面的温度和整个摩擦材料的体积温度不超过200℃。摩擦材料是靠表面工作的。在工作中，摩擦材料的工作表面温度很快升高，而后靠传导作用，使整个摩擦材料的温度升高。因此，摩擦材料的工作表面温度和整-2

中国粉末冶金实验基地—培训教材个体积的温度相差很大。一般讲摩擦材料的温度特性，是指摩擦材料表面工作温度和体积温度。摩擦材料的摩擦—磨损性能、物理—力学性能，受温度的影响很大。任何摩擦材料都存在一个最高的工作温度，超过了这个温度，摩擦材料的摩擦—磨损性能急剧下降，也就是摩擦因数变得很低，磨损很快。这个温度一般叫做摩擦材料的极限工作温度。随着现代科学技术和工业生产的发展，飞机、汽车、工程机械等，机械运转的速度、负荷大幅度提高，要求摩擦副吸收的能量响应的增加很多，因而提高了对摩擦材料的要求。1.1摩材的要求：1、足够的擦因数及较高的热稳定性。2、耐磨性，使用寿命长。3、良好的合性。4、良好的卡滞性能，平稳的传递扭矩和制动。5、足够的度，能够承受较高的工作压力及速度。6、其他一特殊的要求，如耐腐蚀性能等。随着交通工具的不断发展和制动器结构的变化，摩擦材料由最早的天然材料发展到了下述五种类型，分别适应于不同的工作情况和热负荷的材料：1、聚合物摩擦材料（石棉树脂2、半金属机摩擦材料；3、粉末冶（金属陶瓷）摩擦材料；4、炭炭复合摩擦材料；5、陶瓷基擦材料。1.2面重绍末金擦料-3

中国粉末冶金实验基地—培训教材粉末冶金摩擦材料是伴随着工业发展而发展起来的一种新型摩擦材料。应该承认，目前实际应用的摩擦材料中，粉末冶金摩擦材料是很有前途的。特别是由于科学技术的进步，高速、重载机械的出现，给其他摩擦材料带来困难，而粉末冶金摩擦材料正是适应这种情况而发展起来的，因此它具有广泛使用的可能性。早在20纪二十年代末期由于机械能量的增大摩擦材料工作温度的提高使传统的摩擦材料在工作中发生热衰退寿命很短就促使研制性能更好的摩擦材料，于是粉末冶金摩擦材料诞生了。开始形成了以铜为主要成分的铜基粉末冶金摩擦材料和以铁为主要成分的铁基粉末冶金摩擦材料两大类。从工作条件来讲，把粉末冶金摩擦材料又分成了在空气中工作的干式和在油中工作的湿式两种摩擦材料。到六十年代，飞速发展的现代技术对摩擦材料的要求越来越高，特别是对航空用摩擦材料的工作温度要求提高了很多。这样，各国在寻找新型材料的组成方面进行了大量的工作，而且超出了铜基和铁基的概念，研究制造了其他金属或合金为基体的材料，特点是向多组元、复杂成分合金化的方向发展，以适应对摩擦材料多方面的要求。早在20纪五十年代我国就已经开始研究和生产粉末冶金摩擦材料经过了多年的努力，取得了显著的成绩，无论是铜基材料还是铁基材料都已达到了相当高的水平。不仅能生产各类航空、汽车、拖拉机、坦克、船舶、工程机械以及一般机械用的粉末冶金摩擦材料，还研究成功了湿式铁基粉末冶金摩擦材料，并在实际中得到应用。湿式铜、铁基粉末冶金摩擦材料具有使用性能好，摩擦因数高、机械强度好、不易产生翘曲及节约有色金属等优点，为我国粉末冶金摩擦材料的发展开辟了一条新路。在摩擦材料的摩擦性能测试方面，我国自行设计和制造了摩擦试验机及各类台架试验设备，为我国粉末冶金摩擦材料的发展打下了良好的基础。2．末金摩擦料特点粉末冶金摩擦材料已经成功应用在飞机的制动，汽车、坦克、拖拉机、船舶、工程机械和一般机械的制动和离合器上，经过长期的使用，证明粉末冶金摩擦材料具有以下的特点：2.1摩擦因高粉末冶金摩擦材料具有足够高的摩擦因数，耐高温，在不同的使用条件下比较-4

中国粉末冶金实验基地—培训教材稳定。摩擦副在制动中的制动力矩和在离合器中传递的扭矩大小，以下式表示：M=上式中：M——力矩μ——摩擦因数n——摩擦副摩擦面数（一个动盘两个面）P——作用在摩擦副上的垂直压力；R——摩擦副的作用半径；由上面的公式可以清楚地看出，在设计结构一定的情况下，也就是、P、R一定的情况下，只有摩擦材料的摩擦因数足够高，才能刹车灵敏，传递扭矩迅速，不打滑。反过来讲，如果材料的摩擦因数足够高，就可以减小、P、R中的任何一个指标，或者都可以减小一些，使摩擦机构的尺寸减小。当然当摩擦机构一定时，对摩擦因数就有了一定的要求，低了不行，高了也不好。摩擦因数太高，会造成机械零件的破坏，而且摩擦副也不能平稳地工作。2.2耐高温在比较广泛的温度范围内，粉末冶金摩擦材料有比较平稳的摩擦因数；或者说在很高的温度下，摩擦因数仍然能够满足要求。表1

材料性能对比试验结果摩系

擦数

试验项目常温（120℃）变温（最低点）

树脂基材料0.550.40

粉末冶金摩擦材料0.530.55μ

高温（250℃）

0.42

0.55磨损mm/次

常高

温温

0.060.13

0.040.02注：⑴、试验是按照JG129-66部颁标准进行的。⑵、高温指，常温指120℃。⑶、磨损指半小时的磨损。从表1不难看出，粉末冶金摩擦材料在很高的工作温度下，仍有比较稳定的摩擦因数。树脂基材料，到300℃时就开始发生摩擦因数的衰退现象，温度再升高，出现一个摩擦因数较低但比较稳定的阶段。这主要是由于材料表面形成了一层比较-5-

中国粉末冶金实验基地—培训教材稳定的薄膜，膜层主要由氧化物、硫化物、磨损产物以及材料中粘结剂组织破坏产物等组成。这种薄膜能起较稳定的润滑作用，所以摩擦因数是较低的。当温度再继续升高时，由于材料表面的炭化作用而形成焦化层，使摩擦因数增高。而材料的剧烈分解和燃烧，使材料的磨损急剧增加，甚至造成彻底损坏。粉末冶金摩擦材料的摩擦因数对于不同的速度和工作压力的变化，也同样是比较稳定的。2.3耐磨性，用命对于摩擦材料来讲耐磨性也是十分重要的材料的耐磨性高使用寿命就长。如果使用期限一定，就可以将摩擦材料的厚度减小，减小摩擦副的尺寸。粉末冶金摩擦材料的寿命，一般比树脂基摩擦材料高～倍。汽车离合器片（吨汽车、单片干式）用粉末冶金摩擦材料代替树脂基材料，尽管粉末冶金摩擦材料的总面积只有树脂基材料总面积的57%，但其使用寿命仍比树脂基材料高约倍以上。在山西、四川使用的解放牌汽车吨车采用粉末冶金摩擦材料后，使用寿命比原用树脂基材料高（5倍以上在油中工作的铜基粉末冶金摩擦材料，寿命很长，磨损很小，一般一次离合磨损为10毫米。2.4良好的合磨合性一般是指摩擦副工作时，摩擦材料表面在压力和速度的作用下，以塑性变形和磨损的方式，增加摩擦副实际接触面积的特性。对于摩擦机构来讲，摩擦副获得最大可能的实际接触表面是很重要的。材料的磨合性好，便可以比较快的达到这种情况，也就是说比较快的达到最好达到工作状态。评价磨合性，最主要的是以实际接触面积与名义工作面积之比的大小，或者以制动力矩，传递扭矩达到平稳来估计。在实际应用中，摩擦副在进入实际运行之前，一般都需要进行磨合或者称为跑合跑合时间的长短就取决于材料的磨合性磨合性好跑合的时间就可以缩短，实际上提高了机器或机械的效率。-6

2222中国粉末冶金实验基地—培训教材22222.5良好的热铁基粉末冶金摩擦材料的导热因数约为10卡厘米·秒·度的数量级（铜基材料还要高一些树脂基材料大约为

卡厘米·秒·度，相差100倍之多。导热性能好，非常有利于散热，因而摩擦副的工作温度就比较低。这一特点对重负荷工作的摩擦副，将是非常有利的。由于摩擦副工作温度比较低，从而保护了对摩材料，使对摩材料不致由于过热而造成金相组织的改变，发生碎裂或翘曲等。试验指出：在相同的条件下，与树脂基材料相配对的铸铁对摩材料，发生了马氏体相变，相变深度为表面产生了热裂纹。而与粉末冶金摩擦材料相配的同样对摩材料，表面光亮，没有发生相边和产生裂纹。摩擦材料的摩擦因数随温度的升高而下降，摩擦副工作温度比较低，那么摩擦因数就可以比较高，这对摩擦副的工作也是有利的。由于粉末冶金摩擦材料的导热性能好，在汽车点盘式制动器中，摩擦材料靠近刹车油压活塞，容易造成油温过高而影响刹车，因此在设计时要考虑隔热的问题。2.6使用负高粉末冶金摩擦材料比树脂基材料具有更高的物理——机械性能，因此可以在更高的速度、更高的压力下工作。在比较高的冲击负荷下工作不碎裂、不破坏。粉末冶金摩擦材料允许使用的负荷高；还由于粉末冶金摩擦材料的摩擦因数随温度和工作压力的增加变化很小。从摩擦副传递扭矩和制动力矩的公式上还可以看出，总的压力提高，就可以减n，使摩擦机构的尺寸更为紧凑。如果是结构设计一定的摩擦副便可以减少粉末冶金摩擦材料的铺面对提高材料的磨合性也是有利的。一般树脂基材料允许的使用压力为1.5～，最高允许为1126kg/cm。而粉末冶金摩擦材料允许的使用压力为～40kg/cm，最高可以允许达到100kg/cm以上。2.7工作可性粉末冶金摩擦材料在极其苛刻的条件下变质小，效率高，因而是比较安全的。而且油水对粉末冶金摩擦材料的影响也比较小特别是由于装配清洗过水时，使摩擦材料表面沾上水或油的情况下，对粉末冶金摩擦材料的工作影响很小。粉末冶金摩擦材料有这样一些有利于工作的特点，所以世界各国都先后采用它，而-7

2中国粉末冶金实验基地—培训教材2且发展也是很快的。我国随着工业、农业、国防工业的现代化，粉末冶金摩擦材料的品种，产量增加很快，适用范围也越来越广。3．末金摩擦料应用目前正式投入生产的粉末冶金摩擦材料，包括铜基、铁基和铁铜基三大类，另外还有较少量的镍基、铝基等材料。既有作干式应用的，也有作湿式应用的。适用范围很广，从飞机的制动材料，到一般机械制动和离合器材料都有生产和应用，这里只介绍其中几个。3.1国产粉冶摩材我国现在生产的粉末冶金摩擦材料的牌号、成分、性能见参考文献。3.2用刹制的末金擦料应用于刹车制动的粉末冶金摩擦材料有

FB03CB01,全部都作干式应用。FB01铁基粉末冶金摩擦材料，主要应用在山区汽车的刹车，吨自卸汽车和60自卸汽车的刹车制动上。根据适用单位的反映，在山区运输的汽车，常因树脂基材料刹车片焦化碎裂而出现刹车不灵，影响行车安全。树脂基材料使用寿命低，维修工作量大。改FB01铁基粉末冶金摩擦材料之后，其优点是：制动和使用性能好。在正常情况下，装车后第一脚制动就能拖带。用减速仪测定，减速度为6-8m/s，制动可靠。3.2.2热稳定性好。山区汽车使用条件下，工作温度到500

o

C以上，摩擦因数变化不大，刹车正常，没有发生焦化碎裂现象。油、水对摩擦性能影响小。一般过水后，第一脚刹车有些软，第二或第三脚刹车就基本恢复正常。轴头甩油对制动性能影响也不大。司机反映粉末冶金刹车带在任何情况下都能刹车。使用寿命长。在山区汽车刹车改用基粉末冶金摩擦材料刹车带之后，使用寿命平均提高5倍以上。3.2.5FB01铁基粉末冶金刹车带用在20—60自卸汽车上，制动可靠，刹车-8

中国粉末冶金实验基地—培训教材带和刹车鼓的磨损都很小，按公称尺寸计算，刹车带一万公里的磨损只有毫米。3.3用干离器粉冶摩材应用于工程和机械中干式离合器的粉末冶金摩擦材料有、CH01、等。CB01铜基粉末冶金摩擦料，主要应用在推土机的离合器片和制动片，各种吨位的冲床离合器以及组合机床动力头离合器等。CH01铜基粉末冶金摩擦材料，主要应用在机床电器离合器、拖拉机转向离合器、摩擦压力机摩擦片剂冲床摩擦片。铁基粉末冶金摩擦材料，主要应用在汽车类离合器机制动上。铁基粉末冶金摩擦材料，主要应用在汽车、拖拉机的主离合器上。粉末冶金摩擦材料作为离合器，例如汽车的主离合器，具有以下的特点：传递扭矩迅速、平稳、不打滑。起步平稳，不抖不闯。换挡变速利索，接触快，无响声。据司机反映的闸箱漏油在离合器上车时有水洒在离合器片上，粉末冶金摩擦材料的离合器马上就能正常使用。使用寿命长，比树脂基材料高5～10倍以上。而且对擦材料表面光滑，平整。3.4用湿离器粉冶摩材应用于湿式离合器的粉末冶金摩擦材料主要有CB02、FB04CH02等，铜基粉末冶金摩擦材料，主要用于重型矿车，工程机械。如推土机离合器，装载机离合器，自卸汽车的离合器等。铁基粉末冶金摩擦材料，用于60吨自卸汽车离合器。CH02基粉末冶金摩擦材料主要用于ZF系列船用湿式齿轮箱离合器机床电器离合器摩擦片，自卸汽车液力机械变速器和推土机离合器等。粉末冶金湿式离合器使用的优点是：性能可靠，不打滑。使用寿命长，粉末冶金材料无脱落，磨损量很小，一般一次离合为10

毫米。承受的负载高，一般可以达到2740公斤/厘米-9

2

，甚至更高。

中国粉末冶金实验基地—培训教材工作中变形量不大，本身强度好，抗咬合性能好。合能迅速起动能迅速脱开。3.5用飞刹装中粉摩材4．末金摩擦料装配粉末冶金摩擦材料的装配，与传统的摩擦材料有很大的区别。在联结方式上，粉末冶金摩擦材料除了采用传统摩擦材料的铆接形式外，还可以采用烧结的方式联结。在材料的配置上，基于粉末冶金摩擦材料与传统的摩擦材料有不同的特点，因而差别很大。4.1粉冶摩材的结式联结方式大体上有四种：摩擦材料烧结在芯板上钢芯板是整体的结构件于湿式工作的摩擦副来讲，由于材料片的厚度比较小，一般都在毫米以下，主要采用这种烧结联结。只有在极个别的情况下，采用粘结剂粘结。对于干式应用的，如果材料片的厚度比较小，也可以采用烧结联结的，如波音飞机刹车的动盘。摩擦片用铆钉或螺栓固定在刹车盘骨架上音737767MD82飞机刹车。摩擦材料铆接在圆盘上这类联结方式主要用于干式要求材料的厚度较大。摩擦材料用埋头螺钉或铆钉固定在制动器钢带上。(3)两种形式采用哪一种，主要取决于所需要的摩擦材料的厚度。只要条件允许，以采用）的连接方式为好，更换方便，钢芯板或圆盘能够长期应用，只要更换摩擦材料就可以1）的联结方式，钢芯伴随着摩擦材一起烧结，钢芯板基本上只能使用一次，另外也影响钢芯板的性能。4.2粉冶摩材的置粉末冶金摩擦材料的配置和传统的摩擦材料的区别最大，而且干式与湿式的应用也有很大的不同。干式应用的粉末冶金摩擦材料的装配，见图—和图6。粉末冶金摩擦材料在制动器上或离合器骨架上的配置，有一个特殊的要求，就是片-10

中国粉末冶金实验基地—培训教材与片之间要留有缝隙而不应该像传统的摩擦材料那样整个铺满于铺面的大小，目前尚无定论，但不应该铺满则是肯定的。最后铺面的大小应由实验来定。减少铺面或者说留有缝隙有以下一些好处：增加了磨合性，改善了接触性能。增加了磨合性往往容易理解，铺面不连续自然容易使摩擦材料和对摩擦材吃附增加了磨合性对于接触性能，如果把摩擦材料铺的满满的，看起来似乎与对摩材料的接触面大。而实际工作中，真实接触的面积并不高，有很大一部分面积处于接触不实，或者根本没有接触的状态。而减少铺面，看起来接触面积是小了，但实际上是使那些接触不实或者根本没有接触上的部分减少了，从而改善了接触性能。如果减少得当的话，甚至可以做到接触面积增加，改进摩擦副的工作性能。由粉末冶金摩擦材料的特点所决定设计结构一定擦材料选定之后，传递的扭矩和制动力矩与所附加的正压力成正比。只要正压力不变，所得到的力矩不会发生变化。就是说，不会由于减少了铺面而影响力矩，但是单位面积上的压力增加了，因而工作温度也增加了一些。而粉末冶金摩擦材料的摩擦性能，受压力和温度的影响很小(见表1)，因而不会影响传递的扭矩，甚至还有些好处。粉末冶金摩擦材料本身的重量较树脂基材料要大一倍左右减少铺面就可以减轻重量，降低成本。对于盘式结构的摩擦副，粉末冶金摩擦材料的形状也有不同，主要有三种（见图6第一种是全盘式，即将整个工作面铺满，这种形式目前虽然也有采用的，但由于上述的原因，除了在一些体积小，力矩也很小的地方采用外，已很少采用。第二种是纽扣式。这种结构形式对维修、拆换都很方便，而且传递的扭矩也比较平稳磨损也不大但是由于内圆的滑动速度相差很大往往造成磨损不均匀，因此逐步为第三种形式所代替。第三种形式是扇形式，也有做成台式的（第四种在湿式应用中，全盘式的摩擦材料表面要开各种油槽，开油槽的目的在于提高摩擦因数和使工作更加平稳。油槽的形状有放射形，螺旋形以及他们的各种组合。至于开怎样的油槽适合于哪种设备，以及油槽的大小、间隔，则由经验或试验最后确定。图7油槽的形状对摩擦因数和滑磨功的影响。粉末冶摩材料的成-11

中国粉末冶金实验基地—培训教材粉末冶金摩擦材料，能够比较好的达到现代机械对摩擦材料的多种性能要求，甚至有些是互相矛盾着的要求。这主要是由粉末冶金工艺的特点和粉末冶金摩擦材料组成的特点来保证的。粉末冶金摩擦材料一般由三部分组成构成基体金属的组元润滑组元和摩擦组元。5.1构基金骨的元简基组）基体组元由基本组元和辅助组元两部分组成。基本组元在成分中占的比重最大，并以基本组元来称呼摩擦材料的基体。在铁基中，基本组元是铁。在铜基中，基本组元是铜。辅助组元和基本组元形成合金，从而改善基本组元的性能。辅助组元在铁基摩擦材料中有二硫化钼、镍、铬、钼、铜及磷等。在铜基摩擦材料中主要是锡、铅、锌及磷等。粉末冶金摩擦材料的性能特点在很大程度上取决于基体组元的化学成分、结构和物理机械性能。基体组元保证了材料的承载能力、热稳定性及耐磨性。一般在粉末冶金摩擦材料中体组元占铁基材料的50铜基材料的60～90%近年来铁基粉末冶金摩擦材料的发展很快。主要是由于它节省有色金属，在高温负荷下显示出更加优良的磨擦性能，机械强度高，能够承受比较大的压力，因而它具有广阔的发展前途。铜基粉末冶金摩擦材料具有工艺性能好、摩擦因数稳定、抗粘结、抗卡滞性能好的特点，特别是在湿式条件下工作时，具有很高的耐磨性，因而在油中工作的粉末冶金摩擦材料，基本上都是铜基材料。铁基摩擦材料的基本组元中，加入镍、铬、钼，主要目的在于提高材料机械——物理性能和耐热耐腐性能。加入磷能提高材料的强度，提高耐磨性；加入二硫化钼，能提高材料的机械性能，有利于材料的强度。铜基粉末冶金摩擦材料中，加入锡、锌、铅，它们能与铜基体形成固溶体，从而提高了材料的机械——物理性能和摩擦性能，对抗腐蚀性能也有很大的好处。下面分别介绍二硫化钼和铜对铁基粉末冶金摩擦材料性能的影响。二硫化钼是作为铁基材料的基本组元的辅助组元加入的，主要作用是通过在烧结过程中，与基本组元铁发生相互作用，从而改善材料基体的性能，进一步的提高了材料的物理—机械性能和摩擦性能。因此，二硫化钼作铁基摩擦材料的辅助组元加入是很普遍的。我国生产的铁基粉末冶金摩擦材料，几乎全都加入二硫化钼。在铜基材料中，由于烧结温度低，对二硫化钼的烧结行为还没有完全搞清楚，对二硫-12

中国粉末冶金实验基地—培训教材化钼的作用还存在争论。但无论如何，是难于把二硫化钼划为基体组元的。而且从试验的角度看，二硫化钼的作用也不明显。因此在铜基材料中加入二硫化钼是很不普遍的。二硫化钼在铁基材料的烧结中（一般烧结温度为1000~1100C会发生分解，析出硫和钼。分解的过程，伴随着硫化铁型的硫化物产生。由二硫化钼还原出来的钼，使铁合金化，材料的物理——机械性能发生变化。硫化铁有润滑减摩作用，而且还原出来的钼，还能与碳发生反应，形成碳化钼。加入二硫化钼提高了材料的硬度抗压强度提高了摩擦因数降低了磨损。图8、图9是二硫化钼对铁基粉末冶金摩擦材料性能的影响。铁基粉末冶金摩擦材料中加入铜，在烧结过程中，只有一小部分溶入铁中，形成固溶体，其余呈游离状态存在。加入铜，增加了材料的导热性能，在高速、高负荷条件下工作是有利的。加入铜，也有利于材料的物理——机械性能。提高了材料的密度。铁基摩擦材料中加入铜，特别是含铜超过的时候，使材料的耐磨性降低，增加了磨损。铜是有色金属，成本较贵，应该节约使用，在铁基材料中，应尽量少用铜或不用铜。实践也证明，无论是航空材料，还是一般机械用的铁基粉末冶金摩擦材料，都已经研制出无铜而性能良好的材料。值得注意的是在FB03中，加入了的锡和1.5%的铜。尽管加入的这两种元素的含量并不高，但使整个材料的烧结性能得到改善，使材料的烧结温度降低。这对于生产设备是一项很大的节约，而且缩短了烧结周期，提高了劳动生产率，并且使材料在烧结过程中造成的脱碳、渗碳现象也有所减轻，是一个在生产中很受欢迎的材料。5.2滑元无论是铁基材料还是铜基材料，一般用石墨和铅作润滑组元，也有用铋来代替铅作润滑组元的。润滑组元一般占摩擦材料重量的～25%粉末冶金摩擦材料中加入的润滑组元，应满足以下的要求：具有较高的润滑能力，相对于金属基体来讲是不活泼的，在烧结温度和实际采用的烧结介质中部分分解，或分解产物具有良好的润滑性能。润滑组元的加入，有利于材料的抗卡滞性能，抗粘结性能，提高了材料的耐磨性。特别是有利于对摩材料的耐磨性，使摩擦副的工作更加平稳，但降低了材料的-13

中国粉末冶金实验基地—培训教材强度和摩擦因数。铁基材料与对摩材料（铸铁和钢）的焊接倾向大，工作中容易造成不平稳。因此，一般来讲，铁基材料中的润滑组元，比铜基材料占的比例要大些。下面分别介绍石墨和铅对材料性能的影响。石墨是粉末冶金摩擦材料中的最主要的润滑组元料的物理——机械性能、摩擦性能和工艺性能都有重大的影响。石墨对粉末冶金摩擦材料的影响，与加入的含量、存在的状态有关。摩擦材料中加入的石墨量总是比较大的，一般都在以上。在烧结过程中，一部分石墨被烧损，绝大部分呈游离状态存在。对铁基材料来讲，尚有一部分溶解在铁中，形成铁—碳合金，增加了材料的强度。石墨的烧损量与石墨的含量、烧结温度、保温时间和烧结时的保护气氛有关。还和加入的其他金属材料的氧化程度有关。一般来讲，对铁基粉末冶金摩擦材料，烧损大约为2%溶解于铁中的碳大约为1.5%，其余呈游离态存在。加入石墨能提高材料的耐磨性，特别是能提高对摩材料的耐磨性，提高摩擦副的抗焊接、抗卡滞能力，有利于平稳的工作。少量的石墨尚能提高铁基材料的强度和摩擦因数。加入石墨量过多，将会使摩擦材料的机械强度、摩擦因数下降。铅能提高材料的磨合性、抗粘结性及耐磨性，但对摩擦因数没有好处。只是对稳定摩擦因数有些帮助。铅的熔点很低，摩擦材料工作时产生的热可以使铅熔化。熔化了的铅，在工作表面形成一种特殊的金属润滑剂，对稳定摩擦因数，提高耐磨性有很大的作用。铅的比重很大般填加少量的铅材料的强度影响不大此铅在烧结时，形成液相，减少了材料的空隙，由于铅无论和铁还是铜，都没有明显的溶解作用，因此在材料中起隔离作用因此增加铅的含量会使材料的物理机械性能下降。铅有毒，因此有用铋代替铅的意见。5.3擦元加入摩擦组元能提高摩擦因数提高耐磨性和防止焊接摩擦材料在工作时，尤其是在摩擦工作表面温度比较高的时候。在摩擦表面发生一系列的复杂的物理—化学变化。摩擦组元与润滑组元一起，成为摩擦表面薄膜的一部分，使摩擦副具有很高的耐磨性、稳定性和抗焊接性能。作为摩擦组元，应满足以下的要求：具有更高的熔点和分解热；从室温到烧结-14

中国粉末冶金实验基地—培训教材温度的整个范围之内，不存在多型性转变；与基体金属不发生相互作用；足够高的机械强度和硬度；能为基体金属所浸润或与基体金属具有很强的粘结能力。一般常用的摩擦组元有二氧化硅棉化硅氧化二铝铅红柱石(Al232SiO)及氮化硅等。•2过量的摩擦组元将导致对摩材料的过度磨损影响摩擦副工作的平稳程度低材料的强度。二氧化硅是最常用的摩擦组元，通常叫做石英砂，来源方便，成本很低。摩擦材料采用的是含94%以上二氧化硅的天然棱状结晶石英砂。粉末冶金摩擦材料中的三个组成部分，要有一个合适的搭配。根据不同的使用要求，有不同的比例关系。就一般而言，干式应用中的润滑组元比例要大一些；湿式应用中的摩擦组元要多一些；高负荷工作的摩擦材料，基体要强一些，摩擦组元要多一些，而且摩擦组元要选择那些熔点更高，硬度更高的材料，以保持在更高的温度有较高的摩擦因数。粉末冶摩材料的产粉末冶金摩擦材料生产的主要特点，是采用粉末冶金的工艺方法，因此它的原材料必须是粉状的，而且对粉末的颗粒度有一定的要求。粉末冶金摩擦材料生产的主要工序有粉末的混合，压制、烧结及成品的后续加工。生产过程中，必须严格按照工艺规范执行。粉末冶金材料的生产工艺流程如下图所示。混合料检验原材料复验

配粉、混合

压

制组装钢背加工加压烧结

钢背电镀机械加工

综合检验

入库图粉冶金刹车材料的生产工艺流程-15

中国粉末冶金实验基地—培训教材6.1末混粉末冶金摩擦材料是由各种成分的材料混合粉制造的。制品的最终性能在很多方面和粉末混合的质量有关，也就是和混合的均匀程度（每一组元在混合料中分布的均匀程度）有关。因此，粉末的混合工艺（又称为混粉）是整个工艺流程中最基本的操作之一。为了保证获得具有已知性能的产品，必须仔细地混合加入其中的材料。粉末混合之前首先要检查原材料是否合乎工艺要求要是化学成分和粒度，也有一些对粉末的形状提出要求的。一般来讲，对于构成基本金属骨架的组元，粒度要求都以比较细的为好摩擦组元润滑组元的粒度要求根据配方不同而不同，总的来讲都比较粗。这主要是由于构成金属基体骨架的组元，在烧结过程中，要发生一系列的物理——化学变化，粉末粒度细是有利的。而摩擦组元和润滑组元正相反，在烧结过程中不希望它们发生任何变化，它们是以独立的、单独起作用的镶嵌物而存在，因此粒度粗些。对原粉末材料的纯度，也有不同的要求。总的来讲，由于摩擦材料中组元多，性能差异大，一般要求不高，有些要求是从工艺角度提出来的。我国生产的铁粉，主要是以还原法生产的。从化学成分上讲，含有不同的碳、硅、氧化物和其他一些元素。从理论上讲，这些杂质元素对材料最终性能没有多大的影响，但在实际上，这些杂质如果不控制在一定的范围之内，就会造成产品性能的不稳定。例如，如果氧含量不同，不仅影响压制性能，而且使产品在烧结时碳的烧损增加，影响产品的稳定性。当然，如果适当的补充含量，也可以作到最终的碳含量稳定但这是很麻烦的而且也很难做到特别是原粉末材料有变化的情况下，更难做到。表4粉末冶金摩擦材料一些主要添加组元的化学成分的一般要求。二氧化硅采用的天然石英砂，单个粒子的形状最好是多边形的棱状结晶。石棉是由三级以上石棉绒或保温石棉板经950~1000煅烧、破碎、过筛得到的。但是，由于石棉是强致癌物质，现在已经比较少用。原材料粉准备好之后，按成分给出的比例进行称量，放入混料机中进行混合。在把原材料粉称好放入混料机之前，预先进行手混，目视均匀之后，再放入混料机中混合，可以缩短混料时间。目前，我国常用的混料机主要有V”型锥”型以及它们的变种。装在混料机料筒中的粉末总体积，不要超过混料机容积的2/5。一般说来，装粉量过多，-16

中国粉末冶金实验基地—培训教材就得增加混粉时间，甚至增加时间也无法混合均匀。装粉太少，降低了混料机组的生产效率，也是一种浪费。混料机合适的转速，可以采用试验的方法来确定。一般生产用的双锥型混料机的转速为转/分钟，而如果混料机料筒较小，也可以采用60~80转/分的比较高的转速。混粉时间是混粉过程中最重要的因素之一。组元分布的均匀程度，与混粉时间直接有关。一般采用双锥形混料机混粉，转速为2转/时，混粉时间4~7时。混粉时间达到之后从制备的混合料中选出工艺样品确定粉末混合的质量。在料筒的三个不同的地方选取样品进行化学成分的分析来判断混合料的均匀性。如果每一组元分析的含量三个样品中的最大差值小于此组元含量的的话，就可以认为混合料的质量是合格的如果不能满足此要求则应继续延长混粉时间。为了分析简单，一般只分析碳含量是否合格，而不再对每一组元进行分析。当然，如果混合料三组样品差值合格而三组样品的平均值与成分的含量值大于10%话，那就说明材料的配比不合适，需要补充原材料，继续进行粉末混合，一直到合乎要求为止。制取的混合料应尽快的转入下道工序——压制。如果不能马上进行压制，应将混合料放在密封的桶中。另外，在混粉时可以加0.5~1%的煤油或机油以减少压制时粉末的飞扬。加入以下的机油和煤油，一般不影响粉末的混合。汽油和酒精由于挥发太快，成本也高，一般很少使用。6.2压压制是工艺流程中的基本操作。经过压制，无形的混合粉获得了完全确定的制品外形和赋予一定的机械强度，保证在转入下一道工序时不被破坏。粉末冶金摩擦材料，一般都在以上的油压机上进行压制。这是因为制品按面积来讲是比较大的，而且有的还是双层的。双层结构的意义在于，粉末冶金摩擦材料的强度不高因此需要把摩擦材料烧结在钢背或钢芯板上也有不要钢背的铁基粉末冶金摩擦材料来讲为了工艺简单起见用铁粉来代替钢背所谓压制中有双层的，就是有一层纯铁粉，一起压制而成的（铁粉中可以加入1%的机油这层铁粉烧结之后，就成了强度很好的钢背。-17

中国粉末冶金实验基地—培训教材为了保证压制的几何尺寸和密度，装入压模中混合料的重量需要计算。（1）按压制件的几何尺寸来计算它的体积（要考虑到收缩（2）烧结后的粉末冶金摩擦材料的相对密度一般为理论密度的85~95%。（3）完全致密混合料的密度（理论密度）按下式计算：

n

100n..式中：n、-----混合料中各组元重量的百分含（）1ρ、ρ1

2

混合料中各组元的密度（g/cm（4）重量按下式计算H=V··ρ式中：V计算元件的体积ρ—混合料密度；η—相对密度，一般取90~95%。装粉两种基本的方法重量法和容量法这两种方法都各有优点也都有不足，重量法比较精确，但效率比较低。容量法速度快，适于自动化，缺点是精度差。目前，在我国这两种方法都有采用的。粉末冶金摩擦材料的压制，一般采用单向压制结构。因为压块的高度相对于它的面积来讲是很小的，压块的质量没有问题，也就是说，在压块高度上密度没有变化。压制比压的选择，一般铜基材料为2~4吨/厘米

2

，铁基材料为4~6吨厘米

2

。压制比压过低，压制件的强度很低，容易造成损坏，而且在烧结时变形太大。压制比压过高，对模具和操作人的安全都是不利的，而且压制件也容易造成分层裂纹。压制中废品的类型有：分层碎裂；个别区域松散剥落；高度尺寸超差等。造成压制件碎裂的原因主要有：压制比压过高，脱模不正确，压机垫铁不平，模具结构不合理，模具钢性太差及粉末压制性不好等。造成个别区域松散剥落的原因主要有：粉末压制性动性太差铺粉不平；模具结构不合适等。因为粉末冶金摩擦材料的烧结时采用所谓加压烧结，因此压制件的微裂纹可以认为不是废品，因为在烧结中可以消除部分微裂纹，产品最终质量不受影响。对于-18

oo#中国粉末冶金实验基地—培训教材oo#出现的微裂纹片是否可用，必须经技术鉴别。在粉末冶金摩擦材料的压制过程中，一般采用控制总压力吨位的办法进行，而不采用限位的办法，因为采取控制压力的办法更安全，更可靠。6.3烧烧结是粉末冶金摩擦材料生产中最关键的工序。经过烧结，制备的元件最终达到所需要的物理——机械性能和摩擦性能。摩擦材料的烧结，一般服从多元学烧结的基本规律。但是，由于加压，又有一些不同的特点。首先是烧结温度比较低，其次是制品的横向尺寸一般不发生收缩，甚至胀大，而且高度减小。烧结一般采“井式加压烧结炉“钟罩式加压烧结炉结的制品应放在炉子的恒温区中，恒温区允许的温度波动范围，要视烧结材料的要求而定，对工程机械用刹车片，一般在

C左右。对飞机刹车片，要求15

C左右。制品在烧结之前，首先放入烧结箱中，在放入烧结箱之前，要将制品进行适当的装配前面已经说过粉末冶金摩擦材料的强度不高需要铜背或钢芯板来支持。为了把钢背和摩擦材料在烧结过程中牢固的联结起来，对钢背或钢芯板必须进行处理。钢背一般选择低碳钢结构钢或根据需要用纯铁粉与材料一次性压制成型。此纯铁粉层在烧结之后代替钢（对铁基材料而言芯板应根据需要来选择多采用、，或某些型号的不锈钢，不管采用什么钢号，一般讲含碳量高是不利的。将钢带或钢板冲裁成所需要的钢背或钢芯板之后，然后要对其表面进行电镀。一般进行镀铜、铜—锡合金或镀镍处理。镀层厚度一般为毫米。在装配之前再用酒精清洗除污铜基材料镀铜或铜—锡合金铁基材料镀镍的效果较好。实践证明：对于一般工作条件下的摩擦材料不用电镀，只是用酸洗，除油、洒铜粉（铁基材料洒镍粉样获得了粘结牢固的满意效果只是在工艺上特别是在装配上带来了一些麻烦。因此，采用不采用电镀的方法，应视具体情况来定。粉末摩擦材料压坯和钢背放好之后，一层层的叠起来，直到允许的高度。此高度由烧结炉的恒温区高度而决定，不能超过恒温区所允许的范围，并需要考虑热膨胀或热收缩因素。为了防止材料之间的相互粘结，它们之间需要加隔层材料，常用的隔层材料是石墨、氧化铝、耐火涂料等。-19

oo2o中国粉末冶金实验基地—培训教材oo2o目前我国采用较多的有石墨水墨—水玻璃溶液和石墨耐火涂料等几种。石墨—水玻璃溶液配好：石

墨

60水玻璃水

75升100升经搅拌成均匀的乳浊液后，用喷枪均匀的喷涂或刷涂到垫板上，烘干或晾干后即可使用。石墨—耐火涂料配比（重量用石墨加水）石

墨

10~20%耐火泥水

余量适量把涂料搅拌成糊状，均匀的涂在纸上，作为摩擦材料之间的隔层材料。石墨要求以粗大的鳞片状为好。另外，在烧结铜基材料时，也不会发生粘结。但不锈钢因氢脆容易失效。烧结规范（包括升高速度结温度、保温时间、烧结比压及保护气氛等，不同的粉末冶金摩擦材料材料有不同的要求。一般讲，铜基材料的烧结温度为750~950，烧结比压为5~20kgf比压为10~30kgf。

2

；铁基材料的烧结温度为，烧结对于具体某一材料的烧结，其烧结温度与烧结比压，因为和很多因素有关，一般采用试验的方法最终确定。一般选择烧结保温时间为小时。保温时间太短，可能造成部分产品不能完成烧结过程。升温速度，即产品从升温开始到达到烧结温度的时间，应该有所控制，特别是装载产量大的炉子。因为升温速度很高，在整个炉膛中可能造成不均匀。这个因素的影响是不好的，在炉膛中不同的位置，引起巨大的温度差。对于温度低的区域，减少了等温保温的时间。在这个区域，有可能完成不了烧结过程。因此，在烧结大量的摩擦材料时，一般都规定在加热过程中有均温段，或者采用较慢的升温速度。一般选择为50~200小时的范围。升温速度太慢也是不好的，这不但使设备的生产能力下降，而且容易造成铜背严重渗碳等缺陷。烧结工序的冷却速度，一般受设备限制，很难控制。因此，工艺规程中应对降-20

oo中国粉末冶金实验基地—培训教材oo温过程作出吊烧结箱或吊罩时的温度范围有所要求。一般铜基材料的吊出温度为600~750，铁基材料为700~900C粉末冶金摩擦材料的烧结和其他粉末冶金制品的烧结一样，需要在保护气氛中进行。目前我国常用的是氢气、分解氨和木炭。在用木炭保护时，要特别注意木炭只能使用一次，第二次使用只能利用一小部分用过的，大部分用新的，否则将起不到保护作用。烧结时发生的废品最常见的有：（1过这是由于烧结温度超过了材料的允许的温度范围轻微的过烧在材料与铜背的边界处周围析出金属液滴通常叫“发汗重的过烧现象在整个制品的侧面发生“发汗”现象，液滴汇集成一堆一堆的。特别值得注意的是，有时“发汗”现象不是在整个制品上发生，而只在某一确定的区域发生。这就是说，只有在这个区域超过了烧结温度的上限。这就要求对烧结炉进行调整，使温度更加均匀。一般说来，如果“发汗”不甚严重，汗滴为分散的小滴，其直径小于毫米的话，对于一般使用的粉末冶金摩擦材料，可以认为是成品。如果液滴过大，确实影响使用性能的，就只能作为最终废品。（2烧是由于烧结温度低于材料允许的温度范围现为材料变形较小，或者根本不发生变形。强度低，最根本的检验办法是测量其硬度。硬度低，就说明材料欠烧。发现材料欠烧要进行复烧。允许复烧至多两次。由于烧结时造成的各种化学成分的变化，多次复烧会影响材料的性能，特别是碳的烧损、脱碳和钢背的渗碳。（3）过压：这是由于在烧结时，所加的比压超过了材料所允许的压力所致。表现为制品高度方向降低很多，侧面凸出很多，且有放射状裂纹。（4）摩擦材料偏离了钢背的正确位置：主要原因是由于工作不够细心，造成片与背错位。这样造成的废品是最终废品。解决的办法，可以采取钢背上冲定位孔与材料上压出定位台阶的办法进行定位。也可以采用机械固定的办法，如胶片固定。有些工厂采用在钢背局部位置涂少量水玻璃，将材料粘上的办法。实践证明此方法是很有效果的。（5硬度过高或过低料的硬度在成分确定之后和密度或者说孔隙率有重大的关系而孔隙率在很大的程度上决定了制品的性能其中也包括摩擦性能因此，对于摩擦材料制品来讲，又完全确定的允许的硬度值。在允许的硬度范围内，材料-21

中国粉末冶金实验基地—培训教材具有最好的摩擦性能。在一般工作中，硬度较高是可以允许的，可以不作为废品处理。硬度过低是不允许的，需要采用复烧加以校正。造成硬度过低的原因有欠烧，加压不足，保温时间过短等。（6擦材料与钢背连接强度不够其表现是摩擦材料容易从钢上脱落下来，而不留任何痕迹。造成的原因主要是烧结压力不足，或者根本没有加上压力。其次是镀层不牢固表面清洗的不干净还有的是材料本身造成的如石墨含量过高等。（7）摩擦制品的翘曲超过了允许的范围：这主要是由于垫板的翘曲过大造成的。应该修制垫板。再有是垫板上放的摩擦材料层数过多。如果有条件，对要求严的产