燒結(jié)金屬摩擦材料現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)

1、燒結(jié)金屬摩擦材料現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)1 前言燒結(jié)金屬摩擦材料是以金屬及其合金為基體，添加摩擦組元和潤(rùn)滑組 元，用粉末冶金技術(shù)制成的復(fù)合材料，是摩擦式離合器與制動(dòng)器的關(guān)鍵 組件。它具有足夠的強(qiáng)度，合適而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，工作平穩(wěn)可靠，耐 磨及污染少等優(yōu)點(diǎn) ，是現(xiàn)代摩擦材料家族中應(yīng)用面最大 、量最大的材料 。 用粉末冶金技術(shù)制造燒結(jié)金屬摩擦材料已有 70 年的歷史， 1929 年美 國(guó)開(kāi)始了這項(xiàng)工作的研究 ，30 年代末期首先將該材料用在了 D-7 、D-8 鏟運(yùn)機(jī)中的離合器片上 。發(fā)展到現(xiàn)在 ，所有載荷量高的飛機(jī) ，包括米格、 伊爾、波音 707 、747 和三叉戟等，其制動(dòng)器摩擦襯材料都采用了燒結(jié) 金

2、屬摩擦材料。在我國(guó)，特別是在 1965 年以后，燒結(jié)金屬摩擦材料的 科研、生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。迄今，我國(guó)已有十多個(gè)具有一定生產(chǎn)規(guī)模的 生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)銅基和鐵基摩擦制品約 850 萬(wàn)件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、 船舶、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、重型車(chē)輛等領(lǐng)域，基本滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)主機(jī)配 套和引進(jìn)設(shè)備摩擦片的備件供應(yīng)和使用要求。2 制造方法與工藝研究2.1 制造方法 目前，國(guó)內(nèi)外燒結(jié)金屬摩擦材料的生產(chǎn)仍主要沿用 1937 年美國(guó) S?K?Wellman 及其同事們創(chuàng)造的鐘罩爐加壓燒結(jié)法 (壓燒法 )，該方法的基本工序是：鋼背板加工f去油、電鍍銅層(或銅、錫層)；配方料混合f壓制成薄片f與鋼背板燒結(jié)成一體f加工溝槽及平面

3、。由于傳統(tǒng)的壓燒法存在著能耗大、生產(chǎn)效率相對(duì)低、原材料粉末利用率低、成本高等缺 點(diǎn)。因此，一些國(guó)家對(duì)傳統(tǒng)工藝作了一些改進(jìn)，同時(shí)十分注重新工藝的 研究，在改善或保證產(chǎn)品性能前提下探索和尋求提高經(jīng)濟(jì)效益的途徑。 新的制造工藝相繼問(wèn)世，其中最令人矚目的是噴撒工藝 (Sprinklingpowderprocedure) ，它以生產(chǎn)的高效率和顯著的經(jīng)濟(jì)效益 獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。噴撒工藝法以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)燒結(jié)金屬摩擦材料始于 70 年 代，美國(guó)的威爾曼、西德的奧林豪斯和尤里特、奧地利的米巴等企業(yè)擁 有這項(xiàng)技術(shù)。 80 年代中期，杭州粉末冶金研究所從奧地利米巴公司引 進(jìn)了該技術(shù)。噴撒工藝的基本流程是：鋼背板在溶劑(如四

4、氯化碳中脫脂處理 (或鋼背板電鍍)f在鋼背板上噴撒上混合材料f預(yù)燒f壓溝槽f終燒f精整。 與傳統(tǒng)的壓燒法相比，噴撒工藝主要有下列一些優(yōu)點(diǎn)： (1)實(shí)現(xiàn)了無(wú)加壓連續(xù)燒結(jié)，耗能低。 (2)采用松散燒結(jié) ，粉末還原充分， 可獲得高孔隙度的摩擦襯層，對(duì)提高摩擦系數(shù)極為有利。 (3)用功能覆蓋和冷壓方法替代切削加工制取油槽，經(jīng)濟(jì)而有高效。(4)采用精整平面取代切削加工，材料利用率高，產(chǎn)品厚度和平行度精度高 可以根據(jù)要求制取摩擦襯層極薄的摩擦片 (0.20.35mm)，而用其 它工藝則難以達(dá)到。已有的數(shù)據(jù)表明。噴撒工藝法較壓燒法可節(jié)約銅、錫、鉛等有色金屬粉 末約 45%，節(jié)電約 75% ，節(jié)省工時(shí)約 40

5、%。目前噴撒工藝法似乎主要用于制造厚度較薄的銅基摩擦材料 ，而用于制 取鐵基摩擦材料，僅見(jiàn)一例。國(guó)內(nèi)外粉末冶金同行們還發(fā)明了 20 余種制取方法，投入應(yīng)用和有前途 的主要有以下幾種：2.1.1 沖切法一種工藝是先沖后燒 ，混好的配方粉料從料斗經(jīng)溜槽進(jìn)入下面有帶狀輸 送帶的定量斗，自動(dòng)送入壓力機(jī)壓實(shí)成薄片，然后沖切成所需形狀，燒 結(jié)后即為成品 。該工藝連續(xù)加壓 ，不需壓模 ，粉層密度 、強(qiáng)度均勻一致， 粉層厚度調(diào)節(jié)方便；另一種是先燒后沖，即在鋼帶上撒粉后先松散燒 結(jié)，爾后沖切成形。其缺點(diǎn)是鋼帶進(jìn)爐燒結(jié)易變形，引起粉末層震動(dòng)移 位，造成粉層厚薄不勻。為克服這一缺點(diǎn)，該專(zhuān)利提出，在鋼帶背面涂 上炭黑

6、，先進(jìn)入預(yù)氧化燒結(jié)爐，以 15 C /s快速升到400 C (銅基)，然 后再進(jìn)入慢升溫加熱爐(5 C /s)，在還原氣氛中燒結(jié)，可得到均勻的摩 擦襯層。2.1.2 等離子噴涂法該法適用于噴涂耐高溫的摩擦材料。如Co、Mg 、Ti、W 、Cr 以及碳化物、氧化物的混合物，保護(hù)氣氛為含 20% 氫氣和 80% 氬氣的混合氣 體，噴涂溫度高達(dá)15002000 C,噴涂速度5001000g/h，所得噴 涂層硬度 1000HV 。該法特別適用于制取電磁離合器與制動(dòng)裝置摩擦 片。對(duì)于需要輕的摩擦組件，往往以鋁來(lái)替代鋼，但鋁不耐磨，在其表面噴 涂一層金屬陶瓷耐磨層 ，可獲得陶瓷硬而耐磨與金屬延展性好及耐沖

7、擊 二者相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。陶瓷與金屬的重量比為 85：15 到 75：25，只要 確保在熱噴涂中金屬能完全熔化 （不能超過(guò)金屬的氣化點(diǎn) ），就可以保證 質(zhì)量。2.1.3 電解沉積充填法 先在金屬或石墨處理過(guò)的多孔材料上用電解沉積法形成金屬骨架 。多孔 材料一般用凝聚纖維，如海綿、泡沫材料。金屬骨架形成后，多孔材料 可以留在內(nèi)部，也可以通過(guò)加熱熔化或燒除，再用摩擦材料填充金屬骨 架間隙，填充的摩擦材料可以是金屬，如 Pb 、Sn 等，也可用熱固性樹(shù) 脂。金屬骨架只占整個(gè)體積的10%30%。填充好摩擦材料后成為摩擦襯，可采用錫焊或銅焊將其焊接到鋼背上，也可用環(huán)氧樹(shù)脂等粘結(jié)劑 粘貼到鋼背上。2.1.4

8、電阻燒結(jié)法 將鋼背板鍍上一層焊料（Cu、Cu-Sn、Cu-Zn、Sn或Ni），再將已壓制 成形的摩擦襯放置到鋼背板預(yù)定的位置上，送入加壓機(jī)，一邊加壓，一 邊輸入大電流 （1 例為 52kA ，另 1 例為 4kA） ，維持十幾秒鐘，就燒結(jié) 好了。此法的優(yōu)點(diǎn)是鋼背板不受高溫影響，花鍵與齒形部位強(qiáng)度不會(huì)降 低。另一專(zhuān)利介紹：在壓模中設(shè)計(jì)有電極，裝足粉后，放上經(jīng)過(guò)電鍍的鋼背板，然后一邊加壓，一邊通電，電流10100kA（5.454A/mm2），燒結(jié) 15s 即成。有 1 例，摩擦襯面積 1840mm2 ，摩擦襯層厚 4.6mm ，通電流22kA，過(guò)8s后電流升至38kA，加壓5.4MPa，摩擦層相對(duì)

9、密 度達(dá)到 87.8% 。2.1.5 感應(yīng)加熱沖擊法 工序是：將摩擦材料襯的預(yù)燒結(jié)坯放入承受盤(pán)中，在保護(hù)氣氛中感應(yīng)加熱，溫度控制在916 C以上，時(shí)間一般不少于 5min。從感應(yīng)器中取出 后即行單向沖擊，使摩擦層與承受盤(pán)形成鍵接。2.1.6 氣相沉積法一般的 TiC 材料摩擦系數(shù)值很小，但用氣相沉積法制取，摩擦系數(shù)就很大，可達(dá)0.4，且耐高溫，在試驗(yàn)臺(tái)上試溫，溫升至 1090 C材料還無(wú)衰退跡象。載體用石墨而不用鋼，石墨和 TiC 都很輕，適用于飛機(jī)。它 的制法是：把用石墨制成的的載體置入一容器中，加熱溫度高達(dá) 1050c,氣氛為碳?xì)浠衔?，（可用甲烷）與TiCI，其中TiCI含量不能少于0.

10、5%（ 體積分?jǐn)?shù) ）,甲烷與 TiCl 以 1m/min 的速度進(jìn)行環(huán)流 ,到一定時(shí)間即 成。2.2 工藝研究 燒結(jié)金屬摩擦材料的工藝研究近年取得很大的進(jìn)展，申請(qǐng)的專(zhuān)利很多。 專(zhuān)利14 ， 15 提出了改進(jìn)現(xiàn)行工藝的方法，建議將含有 Fe、Mo 元素 的銅基摩擦材料的燒結(jié)冷卻速度提高到 100 c /min ，促使 Fe-Mo 相析 出，因?yàn)?Fe-Mo 相的硬度大于 700HV ，可以大大提高材料的強(qiáng)度。專(zhuān)利16建議將鐵基材料置于 S和Mn中進(jìn)行擴(kuò)散燒結(jié)，因?yàn)镾和Mn 能向其表面層擴(kuò)散并促使鐵基體中奧氏體穩(wěn)定 。擴(kuò)散燒結(jié)的鐵基制品表 層形成較多的硫化物，表面硬度為 200300HV，經(jīng)精整上

11、升到600 700HV，從而提高了制品的耐磨性。專(zhuān)利 17 提出了預(yù)制粉末以獲得最佳粉末混合料的方法 。提出石墨在使 用前需先進(jìn)行特殊處理：將選用的細(xì)晶粒石墨粉先與 5% 45% 軟金屬 （Cu、Sn、AI、Pb 等）混合，然后混合料在 0.02 0.025MPa 的壓力下 壓制成一定大小的生坯，再于保護(hù)氣氛中加壓燒結(jié) （1MPa） 。制得燒結(jié) 坯后再經(jīng)粉碎，按所需顆粒尺寸過(guò)篩后再與摩擦材料的其它組分混合， 經(jīng)過(guò)這樣的處理，摩擦襯層組分不易偏析、分層，加工性能好，與鋼背 板的粘結(jié)良好。3 材質(zhì)與配方研究3.1 提高并穩(wěn)定摩擦系數(shù)的研究 足夠高的摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性是制動(dòng)或離合可靠與穩(wěn)定的必要條件

12、 。近 年來(lái)對(duì)提高摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性的研究主要從選用合適的摩擦組元和 探索新的摩擦與抗咬合添加劑入手 。文獻(xiàn)18 贊成以 Zr-SiO4 部分或全 部代替 SiO2 或 Al2O3 ，認(rèn)為這對(duì)重載下提高摩擦系數(shù)特別有利 （摩擦 系數(shù)：銅基 0.30 ，鐵基 0.42） ，耐磨性也有改善 （磨損：銅基 2.1*10-8cm3/J ，鐵基 2.5*10-8cm3/J） 。文獻(xiàn) 19 認(rèn)為 Zr-SiO4 作為 摩擦質(zhì)點(diǎn)，不僅可以提高摩擦系數(shù)，而且可以減少對(duì)偶的磨損。另外， 在銅基或鐵基中加入 TiO2 或再加入多元氧化物 （如 ZrO2 、MgO 、 Cr2O3 、BeO、CaO） 以及玻璃陶瓷粉

13、作為摩擦組元，使摩擦表面生成 氧化膜，以穩(wěn)定在高速工況下的摩擦系數(shù)。對(duì)于摩擦組元的選擇，前蘇 聯(lián)在銅基材料中加入難熔金屬 （W 、Cr 等）的硼化物，得到了滿(mǎn)意的效 果。德國(guó)則更多的是在材料中加入 TiC、ZrC、ZrO2 等來(lái)提高摩擦系數(shù)， 如含有 TiC、 ZrO2 時(shí)，其摩擦系數(shù)可達(dá) 0.4 ，而且導(dǎo)熱性能很好。 在鐵基材料中廣泛使用 MoS2 、WS2 、BN 來(lái)調(diào)整摩擦系數(shù)，改善抗擦 傷性能。對(duì)高溫重載工況，則更多采用 BaSO4 、CaF2 等來(lái)提高摩擦系 數(shù)穩(wěn)定性。3.2 提高材料耐磨性的研究將石墨、 MoS2 、Pb 、Sn、Be 等作為潤(rùn)滑組元以提高材料的耐磨性得 到了普遍肯

14、定。以 BN 作為潤(rùn)滑組元已引起廣泛的興趣。在燒結(jié)過(guò)程 中， BN 十分穩(wěn)定，既不會(huì)分解又不會(huì)被燒損，在摩擦過(guò)程中保持良好 的潤(rùn)滑，促使形成薄膜，改良了耐磨性。已被廣泛用作潤(rùn)滑組元的硫及 硫化物，對(duì)耐磨性能的改善有較大作用。中國(guó)、日本、前蘇聯(lián)對(duì)此作了 大量的研究。 石墨作為一種固體潤(rùn)滑劑，似乎是所有燒結(jié)摩擦材料必加的組元。在高 溫下，石墨具有極高的強(qiáng)度，使用溫度可達(dá)3500 C,具有優(yōu)良的高溫固體潤(rùn)滑特性。 根據(jù)對(duì)材料性能的不同要求，石墨添加量的范圍很大，最高達(dá) 30% ， 其顆粒形態(tài)、大小、粒度組成及其在材料基體中的分布狀態(tài)，對(duì)材料性 能產(chǎn)生很大的影響，對(duì)鐵基摩擦材料的影響尤甚。 材料中大量

15、的游離石墨在摩擦過(guò)程中不斷覆蓋摩擦界面 ，形成穩(wěn)定的潤(rùn) 滑工作層，防止了摩擦副的咬合，也起到了很好的減摩作用。 關(guān)于石墨的含量、形態(tài)對(duì)耐磨性能的影響已有不少的論著，文獻(xiàn) 24 對(duì)加入之石墨規(guī)定：人造石墨 （電極石墨 ）占 8%，天然石墨 （鱗片狀 ）占 7%，兩者粒度均為 60800um。3.3 改善材料基體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的研究 基體強(qiáng)度是材料承載能力的反映 ，而基體強(qiáng)度在很大程度上取決于基體 成分、結(jié)構(gòu)和力學(xué)物理性能?，F(xiàn)代機(jī)械向高速重載發(fā)展，對(duì)摩擦材料的 高溫性能提出了更高的要求。總的來(lái)說(shuō)，各國(guó)的材料研究者主要從兩個(gè) 方面入手改善材料基體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。用合金元素固溶強(qiáng)化基體是改善材料基體結(jié)構(gòu)的重要

16、手段之一 。對(duì)于鐵 基材料，通常以加入 Ni 、Cr、Mo 、W、Mn 來(lái)強(qiáng)化基體或活化燒結(jié)過(guò) 程。加入 Ni 、 Cr、Mo 則對(duì)提高材料的高溫性能有利。文獻(xiàn) 25 采用 CaSi2、Si、SiC及FeSi2使Si與Ca和基體鐵形成合金。西德與英國(guó) 則用 W-Fe 作為合金元素加入鐵基材料中，基體強(qiáng)化效果顯著，適用于 高溫工況。國(guó)外系統(tǒng)地研究了 Sn 的含量對(duì)銅基材料性能的影響，認(rèn)為 Sn 的理想 加入量在7%12%。不過(guò)，烏克蘭科學(xué)院材料研究所用鋁青銅代替錫 青銅，在高負(fù)荷工況下，鋁青銅材料的強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、耐蝕性能和使 用性能均超過(guò)了錫青銅，當(dāng)基體中含鋁為 10%11%時(shí)，摩擦材料具 有

17、最大的摩擦系數(shù)，最小的磨損量，綜合性能優(yōu)異。另一項(xiàng)強(qiáng)化手段是纖維強(qiáng)化 。在較軟的基體中加入具有較高強(qiáng)度的金屬 纖維或碳素纖維，如加入鋼纖維 （拉拔狀態(tài)的鋼纖維抗拉強(qiáng)度可達(dá) 4100MPa） 后使材料強(qiáng)度和塑性大大提高。碳素纖維及其復(fù)合材料具有 高比強(qiáng)度、高比模量、高耐熱性和抗疲勞性能，但因成本高、制造工藝 復(fù)雜，目前應(yīng)用似僅限于航天航空等尖端領(lǐng)域。3.4 對(duì)偶材料對(duì)摩擦性能影響的研究和前三種研究相比，這方面的研究較薄弱。早年的資料表明，在干式應(yīng)用中，灰口鑄鐵是首選的對(duì)偶材質(zhì)。在熱負(fù)荷較大的工況下，該材料因其耐高溫性能差而易生產(chǎn)龜裂，所以往往采用合金鑄鐵、鑄鋼或合金鋼。在濕式工況中，對(duì)偶材料采用

18、鑄鐵對(duì)摩擦系數(shù)沒(méi)有多大的影響，主 要是使用壽命不及鋼對(duì)偶。4 發(fā)展方向現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)摩擦材料提出了越來(lái)越高的要求 ，為了適應(yīng)這種需要，機(jī)理研究和基礎(chǔ)試驗(yàn)工作一直沒(méi)有停頓過(guò)，對(duì)新型摩擦材料的研究也將是今后摩擦材料發(fā)展的重點(diǎn)，主要是發(fā)展性能優(yōu)異、 造價(jià)低廉的新型材料。4.1 摩擦磨損理論與表面破壞機(jī)理的研究摩擦與磨損是摩擦學(xué)研究的兩個(gè)中心問(wèn)題，學(xué)派甚多。當(dāng)前較為廣泛流 行的摩擦理論是分子 - 機(jī)械理論。近年來(lái)，對(duì)摩擦過(guò)程中摩擦表面的破 壞也頗有研究，證明磨損的產(chǎn)生是氧化、磨粒磨損、轉(zhuǎn)化反應(yīng)和層面疲 勞的綜合作用 ，只是在一定條件下 ，某一因素突出 ，成為主要磨損原因。摩擦發(fā)生在兩個(gè)

19、接觸表面，接觸表面的“膜”的力學(xué)、理化性能，特別80 年是其與基體材料的粘結(jié)強(qiáng)度等都決定著摩擦偶的摩擦磨損性能 代以來(lái)，對(duì)產(chǎn)生在摩擦表面的潤(rùn)滑膜和氧化膜作了更為深入的研究，取 得了一些成果 。特別是借助于現(xiàn)代測(cè)試手段來(lái)進(jìn)一步探測(cè)表面層的組織 與結(jié)構(gòu)，觀測(cè)其形成與破壞，系統(tǒng)地研究了表面破壞機(jī)理。摩擦接觸面 上同時(shí)產(chǎn)生的三種相互關(guān)聯(lián)過(guò)程，即表面相互作用、固體表層和表面膜 在摩擦力作用下的變化和表層破壞對(duì)摩擦副性能的影響 、周?chē)橘|(zhì)的性 質(zhì)和實(shí)際工作狀態(tài)相互之間的作用和影響，所有這些細(xì)節(jié)，將會(huì)更進(jìn)一 步地深入研究下去。4.2 新型摩擦材料的研究 一個(gè)值得注意的趨勢(shì)是為了適應(yīng)不同的工況 ，已研制和發(fā)展

20、了一些新型 摩擦材料，如紙基、半金屬、碳基等摩擦材料。雖然這些材料不屬于粉 末冶金范疇，但是它們同屬于摩擦材料領(lǐng)域。因?yàn)檫@些材料的制造設(shè) 備、制造工藝 、測(cè)試方法 、設(shè)計(jì)依據(jù) 、所用原材料等有相通和類(lèi)似之處， 所以已有越來(lái)越多的粉末冶金摩擦制品企業(yè)突破了現(xiàn)有的粉末冶金行 業(yè)界線(xiàn)，逐步地向摩擦制品，即按大產(chǎn)品分類(lèi)的格局發(fā)展。4.2.1 發(fā)展用金屬纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料 用金屬纖維強(qiáng)化，大大提高了基體的強(qiáng)度，改善了基體的導(dǎo)熱性能，對(duì) 阻止表面裂紋的擴(kuò)展起到了很好的作用。這類(lèi)材料是大有發(fā)展前途的。 用耐高溫并且有高摩擦系數(shù)的金屬陶瓷作復(fù)合相 ，或用難熔化合物粉末 作復(fù)合相，兩者均可滿(mǎn)足一些特殊工況的應(yīng)用。4.2.2 發(fā)展半金屬摩擦材料半金屬材料是