铜基粉末冶金摩擦材料基体及其摩擦磨损性能研究.pdf

摘要(基体作为粉末冶金摩擦材料的主要组元，其组织结构、物理-力 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。厂本论文通过对铜基粉末冶金摩擦材料基体显微组织、物理-力学 性能及其摩擦磨损性能的研究，探讨了 Cu-Sn合金基体性能的影响因 素在材料摩擦磨损过程中的行为及其机理；Fe及SiO2在基体摩擦磨 损过程中的作用机理；并对以Cu-Sn-Zn、Cu-Sn-Ni、Cu-Sn-Zn-Ni为 基体的摩擦材料的摩擦磨损性能进行了研究。结果表明：(1)铜锡合金基体的摩擦磨损性能与锡含量和转速有关，转速增 加，摩擦因数降低，磨损量增加；在中高转速时锡含量高的材料摩擦 因数大，耐磨性好；低转速下，材料磨损主要以粘着与犁削为主，高 转速下则出现剥层脱落与氧化磨损；氧化膜能减小材料摩擦因数，与 基体结合的强弱决定了材料的磨损量。(2)Fe、Si。?都可提高摩擦因数，但二者增摩效果不同，这与它 们自身的属性、与基体的结合能力、表面工作膜的形成以及在摩擦过 程中的作用机理不同有关；Si。?能较大地提高材料摩擦因数，但增加 了低转速条件下的磨损量。表层中的SiOz颗粒，在摩擦压力及微凸体 的冲击作用下被碾碎成小颗粒，产生磨粒磨损。(加入少量的Fe对提 高摩擦因数的作用不大，Fe含量增加，材料的摩擦因数及其稳定性 增加，但耐磨性降低：Fe的氧化膜上分布较多网状显微裂纹。，/(3)铜锡合金基体中加Zn能提高材料的摩擦因数和中高转速条 件下的耐磨性。随着Zn含量增加，摩擦因数会降低，其原因与基体 的微观结构及其性能有关；加Ni也能提高材料摩擦因数及耐磨性，随着Ni含量的增加，材料的耐磨性增加。基体中加Ni比加Zn更有 利于提高摩擦材料基体的综合性能。关键词：粉末冶金，铜基摩擦材料，摩擦因数，摩擦磨损ABSTRACTAs an important part of friction material,Matrix determines the mechanical properties,friction and wear properties,thermal stability and conductibility mainly by its micro-structure and mechanical properties.The mechanism about friction and wear of Cu-Sn based friction material and behavior of Fe and S1O2 in the course of matrixs friction and wear have been discussed by researching the micro-structure,physical and mechanical properties and friction and wear properties of matrix.The friction and wear properties of Cu-Sn-Zn,Cu-Sn-Ni and Cu-Sn-Zn-Ni based friction materials have also been discussed together in this scientific dissertation.The results show:(1)Sn content and rotational speeds have important effects on the friction and wear of matrix.With Sn content and speed increased,the wear volume increases but the frictional coefficient decreases.The rotational speed changes,then the wear mechanism changes also.At low speeds,adhesion and plough wear are the main mechanism,but flake and oxidation wear takes on priority at high speeds.Oxide film can make the frictional coefficient decrease,if its joint intensity with matrix is weak,then the wear volume increases.(2)Fe and S1O2 can increase frictional coefficient,but their mechanism are different in friction because of their different property,nijoint intensity with matrix and surface state.Si02 increases coefficient more than Fe,while those lie in the surface are often crushed into many small debris,so debris wear is happened.When Fe content increase,Frictional coefficient and wear volume increase also,there are many micro-cracks on the oxide film,it can reduce the intensity of these films.(3)Zn and Ni can increase the friction and wear property by adding itself into Cu-Sn alloy material,when the Zn content increases,the frictional coefficient of matrix decreases,while wear-proof can be better with Ni content increasing.Ifs better to improve material properties with Ni than with Zn element.KEY WORDS：powder metallurgy,Cu-based friction material,frictional coefficient,friction and wearIV中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论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20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。21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，已逐渐被金属纤维、无机纤 维和有机纤维所取代，特别是近些年来炭炭复合材料的出现，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支 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、炭炭复合摩擦材料及陶瓷基（A12O3 SisH和SiC等）摩擦材料61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：摩擦因数稳定，压力、速度、温度对其影响要小，动静摩擦因数的差值小；耐热性高，导热性好；耐磨性高，不损伤对偶面，并有良好的抗咬合性能；使用 中制动均匀，接合平稳；良好的机械强度，使用中应能承受离心力、剪切力及其 它的作用力而不破坏；良好的抗腐蚀性能。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。中南大学硕士学位论文第一章绪论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 器的关键组件网。为了提高摩擦材料的摩擦因数和热稳定性，其摩擦添加剂在一 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、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、银基、铝基、钺基 等摩擦材料皿，这些材料不常用，一般用于条件比较特殊的场合。1.2.1 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。(D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”叫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Cu、Fe、Ni、Mn、Ti、Sn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：Sn、Ak Fe、Zn、Ni、Ti、Mo、W、V、Si 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“支 铜基摩擦材料主要是以Cu-Sn合金和Cu-Pb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Al、Zn、Ni、Ti、Si、V等作为辅助强化组元；而美国、日本则常以Zn、Si、Ti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Sn和石墨可改善其摩擦性能，加入Mn、Al、Co及Cr可减轻与 偶件的粘着网。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Ni、Cr、Mo、W、Mn来强 2中南大学硕士学位论文第一章绪论化基体或活化烧结过程，加入W、Ni、Cr、Mo对提高材料的高温性能也有利。对 于铜基材料，则以Sn、Al、Ni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网。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口叫因为粉末冶金摩擦材料中含有大量的非金属颗 粒，它们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闾。（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（Fe、Cr及Mo）粉末、金属氧化物（Fe2（）3、A1A，Cr203 MgO、TiOz及ZrOz）、氮化物（TiN和ZrN）、碳化物（TiC和ZrC）、硼化物以 及石棉、Si02和SiC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。如同时添加Si02.SiC、B4c作为摩擦剂的材料比单独添加Si02 SiC或SiO24-SiC的材料综合性能要优异得多口丹。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；不与其它组分及 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Si02、石棉和AI2O3,重载下则可使用SiC和B。添加SiO2的材 中南大学硕士学位论文第一章结论料，烧结过程中不易出现塌陷缺陷，质量稳定。加2。3熔点高、热强性高、硬度 高、热稳定性和化学稳定性良好。Sic是一种硬度很高的碳化物，常用作摩擦剂，SiC含量的增加，材料的摩擦因数增加，加入适量SiC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Pb、Sn、Bi等）、固体润滑剂（如石墨、M0S2、云母、SbS、WS2和CuS）、以及金属（Fe、Ni及Co）的磷化物、氮化硼、某些氧化物，铁基中还有硫酸韧、硫酸亚铁等等。在所有的 润滑组元中，以层片状石墨和M0S2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mi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。M0S2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。M0S2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。硫酸领则在烧结过程中被碳全部还原成硫化领3，从而 起到减小摩擦的作用。1.2.2 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,4中南大学硕士学位论文第一章绪论适应拉、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2Q久1.2.3 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-铁基三种 常用类型，另外也有学者提出以铝、锲、钺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，由于在一些文献上也曾有报道，在此一并加以 总结。（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，添加铜或镰等金属粉末和石 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叫 表1-1为国外几 种广泛应用的铁基摩擦材料的物理力学性能。（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 1929年，材料是含少量的铅、锡和石墨的铜基合金【叫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 70年代之后。前苏联于1941年后成功地研制了一批铜基摩擦材料，广泛应用于 5中南大学硕士学位论文第一章绪论汽车和拖拉机上。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75%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、锲、铁等元素强化基体口3表 1-2为国外广泛使用于摩擦条件下的铜基摩擦材料，表中绝大多数材料为典型的 锡青铜基摩擦材料。表I-1国外典型铁基摩擦材料的物理-力学性能性能0M K-llMKB-50ACMK-80密度/kg/mJ(103)6.05.05.7拉伸强度/MPa49.。68.629.4-39.2剪切强度/MPa78.498.065.7-83.363.778.4压溃强度/MPa294343147206196245硬度/HB80-1008010080-100导热系数k19.2646.0518.8427.2120.9029.31表1-2 干摩擦条件使用的铜基摩擦材料成分(wt%)序号CuSnPbFe石墨Si02其它成分国别161-626786Zn-5,莫来石-7美国2758541-20SiC-0.75,Zn-6美国370.96.310.97.44.5美国46212784美国57078一87TiOi-10日本662 7261061246594.58日本762-716106-24.5859Si-4.06.0日本86090至10至10至18至102日本9253一一一5玻璃料-40,石棉-30德国10基体一515至25Sb-4*8德国1167 805127-11至867至4.5苏联1268 768-10793568苏联!3725947一SiC-3苏联148610至4一一Zn-至 2苏联1567.265.319.36.627.084.43英国166887764英国中南大学硕士学位论文第一章绪论(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磔1。(4)其它金属基粉末冶金摩擦材料a.铝基粉末冶金摩擦材料铝基摩擦材料重量轻、耐腐蚀、不导磁、具有高导电和导热性、比强度高，且可以采用弥散强化手段来强化基体，因此对其研发工作备受关注。例如由铝合 金雾化粉末快速固化发展出的新型高温、高强摩擦材料具有热稳定弥散相，比传 统时效硬化材料更优越，可在较高温度下使用，另外通过ALZr和AkMn弥散相 和晶粒细化还可进一步提高力学性能口叫所有这些特点,赋予铝基摩擦材料广阔 的发展前景。目前AlSi基高级铝合金摩擦材料也已经问世。但铝基摩擦材料因 制造工艺复杂，费用昂贵，未能普遍推广应用，这种材料主要用于航空、宇航的 摩擦材料部件2纥b.银基粉末冶金摩擦材料镇是一种耐高温的金属，能在高于一般金属熔点的温度中工作。银基摩擦材 料具有良好的滑动特性，可压制得到较高的密度，加入特种添加剂烧结时不产生 裂纹。曾有学者研究过一种摩擦材料，材料成分及组成如下：NI47%,A1A20%,石墨28%,PbW045%o这种材料具有较好的高温摩擦磨损特性，四氧化鸨铅与银 的比例为0.015时，摩擦因数能保持在0.3的水平。对银基摩擦材料来说，石墨 是最理想的润滑添加剂，四氧化铝铅是高温工况下良好的添加剂。c.铝基粉末冶金摩擦材料曾有学者研究过一种包含50%的金属间化合物(钻-铜硅)的指基材料，这 种材料显示出良好的摩擦磨损性能，该材料一般具有较低的摩擦因数，在高载荷 下(3.77X10W)具有较小的磨损0.005g),因此材料必须在较高的压力、载荷下制动才能得到相同的刹车力矩。这种材料低的磨损性能和该金属间化合物 相对高的成本阻碍了其应用【川。d.钺基粉末冶金摩擦材料被基粉末冶金摩擦材料曾在美国大型军用运输机上应用，该材料以被为基 体，添加B、Mg,Ti及它们的氧化物或碳化物组成。镀的密度小，比热大(0.51 卡/克C)，单位重量吸收的热为钢的四到五倍。但因成本高且氧化镀有毒，其 应用也受到了限制【12107中南大学硕士学位论文第一章绪论1.3 粉末冶金摩擦材料的发展及应用1.3.1 粉末冶金摩擦材料发展概况粉末冶金摩擦材料具有摩擦因数稳定，耐磨性好，耐高温，无噪声，啮合平 稳，污染小，机械强度高等优点，广泛应用于飞机、船舶、工程机械、农业机械、重型车辆等领域，尤其是在高负荷、冲击载荷这两种使用场合下，现有的其它材 料都难以替代。运用粉末冶金技术制造粉末冶金摩擦材料已有70年的历史，粉 末冶金摩擦材料首先在美国问世，30年代末期已将该材料用在了 D 7、D8铲 运机中的离合器片上，发展到现在，大部分载荷量高的飞机，包括米格、伊尔、波音707和三叉戟等，其制动器摩擦材料都采用了粉末冶金摩擦材料。我国粉末 冶金摩擦材料生产始于二十世纪五十年代后期，六十年代后开始工业规模投产。迄今为止我国生产的粉末冶金摩擦材料制品已基本满足了国内主机配套生产和 引进设备配件供应和使用要求。近几年来，国家在工业领域做了重大战略调整，确定把发展粉末冶金摩擦材料作为当前高新技术产业化重点来优先发展网。目前，无论国内还是国外，铜基摩擦材料和铁基摩擦材料仍然是粉末冶金摩 擦材料的两大主要系列，又以烧结青铜基和烧结碳钢基的材料应用最多。铜基摩 擦材料通常用于较轻负荷的工作条件，既可用于干摩擦条件下也可用于有液体润 滑的工作条件中。铁基摩擦材料则常用于重负荷或超重负荷的工作条件，而且一 般在干摩擦下使用。铁基摩擦材料较铜基摩擦材料的制造成本低。1.3.2 粉末冶金摩擦材料的应用(1)使用要求摩擦材料的主要性能包括摩擦因数的稳定性、摩擦因数的大小、高温下的耐 磨性、摩擦副表面质量及其抗咬死能力等。这些性能因使用条件的不同而发生变 化，因此对不同的材料其使用要求不尽相同。对于粉末冶金摩擦材料，其基本使 用要求为：a.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。b.磨合快。摩擦副零件表面的宏观与微观不平度是造成真实面积远远 小于名义接触面积的根源。经过跑合或磨合后，表面真实接触面积增加，在摩擦 力矩不变的情况下,摩擦表面的温度会有下降，因此摩擦材料要求能够尽快磨合。c.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。d.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 8中南大学硕士学位论文第一章绪论与制动过程后，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。e.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。(2)粉末冶金摩擦材料在航空上的应用航空刹车材料是飞机制动器中用来保证飞机安全着陆的一种关键耗损组件。其作用在于将飞机着陆时的大部分动能,通过刹车材料吸收与消散,转换成热能，从而起到制动的作用。现代航空用刹车材料均是采用粉末冶金制成的金属陶瓷材 料，它具有耐磨性、磨合性、抗粘性和导热性好，使用负荷高，工作可靠等优点 27对于飞机刹车用摩擦材料所需性能要求如下：在不同温度、载荷和速度下，具有足够的摩擦因数和良好的摩擦稳定性；良好的耐磨性；足够的机械强度；良 好的热物理性能，即高的导热率、尽可能大的比热、尽可能小的热膨胀系数和良 好的抗热震性，良好的抗粘着和抗卡滞性能，良好的磨合性和工作平稳性等。粉末冶金摩擦材料从20世纪50年代开始应用于航空飞机上，但其研究则从 40年代开始。早期应用的粉末冶金航空刹车材料采用典型的粉末冶金工艺制造，主要为铁基材料，至今仍广泛使用在各种飞机上。铁基刹车材料的优点是耐高温、承受负荷大、价格便宜。但与钢铁对偶材料配对使用时，由于具有亲和性，易发 生粘结。采用加入其它元素的方法，使铁合金化以降低铁的塑性，提高其强度、屈服极限和硬度，在很大程度上可以克服这一缺陷。此外还发展了以粉末冶金材 料作为对偶的新型刹车组件.铜基刹车材料由于其良好的导热性，与钢对偶材料 作用时摩擦因数高，耐磨性好，也被广泛应用于各种飞机制动装置中，前苏联研 制开发的飞机多采用这类材料。为了综合利用铁、铜基材料的优异性能，又发展 了铁、铜比例几乎相等的铁铜基刹车材料。英国邓录普(Dunlo p)公司在发展粉 末冶金航空刹车材料方面一直引人注目。从50年代起，主要采用以铁为主的铁 基粉末冶金刹车材料，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，主要应用于安24、伊尔-62和图-154飞机上。美国在铜基和铁一 铜基摩擦材料的研究上较为突出，1962年，奔迪克斯公司(Bendex)开发出了铁 一铜基粉末冶金刹车材料，这种材料目前还广泛应用在Bo eing-737及DC-9等先 进的民航飞机上。国内粉末冶金航空刹车材料的研究起步于60年代。在短短的 几十年的发展中，不仅先后装配在多种国产军民用飞机上，而且为进口飞机如安-24、伊尔-64和图-154以及英美的三叉戟、Bo eing-737和MD-82等飞机刹车组 件的国产化作出了贡献磔3久9中南大学硕士学位论文第一章绪论为适应各类飞机发展的需要，目前粉末冶金航空刹车材料的研究工作应着重 解决以下这几个方面的问题：I）高速高能制动条件下的摩擦磨损机理。需要研究 的内容主要有：表面层破损的机理；抗卡滞剂作用机理；各种摩擦剂的作用机理 及综合应用；摩擦过程中磨损产物的物理状态及行为等。2）材料的优化设计。摩 擦材料的组元种类较多，其含量也不尽相同，为保证材料在飞机刹车时具有高速 滑动速度及高温、高压复杂恶劣条件下的良好综合性能，必须运用最优化原理和 计算机技术进行材料的优化设计，从而得到最佳性能的成分配比。3）制造工艺的 创新设计。为了进一步提高航空刹车材料的竞争力，降低生产成本，必须在现有 的制造工艺上有所创新闻。（3）粉末冶金摩擦材料在铁道车辆上的应用随着国民经济的快速发展，铁路客货运输量迅速增加，铁路运输的高速化已 成为必然的发展趋势。20世纪90年代初日、法、德等铁路运输发达国家就己开 通了时速300km以上的高速列车，而我国在“八五”期间才开通了时速160km 的准高速列车，“九五”期间已研制出时速达200km的高速列车，目前己开始进 行时速达300km高速列车的研究和筹建工作。列车高速化对制动摩擦材料提出 了更高的要求，发达国家对列车制动摩擦材料的研制经历了铸铁、合成闸片/瓦、铁基和铜基烧结闸片/瓦阶段，并已向铝合金基复合材料及C/C复合材料闸片/瓦 阶段发展，其中技术最成熟、应用最广泛的是粉末冶金制动闸片/瓦。在我国，高速列车制动闸片材料的研究起步较晚，对高速列车用粉末冶金摩擦材料的研究 仍处于较低水平由331。用于高速列车制动的摩擦材料应满足下列要求：（1）应具有高而稳定的摩擦 因数，即使受雨雪或酷热条件的影响，摩擦因数也不降低。（2）增粘效果好，难 以发生滑移。（3）抗热裂性和耐磨性好，以延长使用寿命。（4）对车轮踏面不产生 异常磨损和其它形式的损伤，（5）制动火花少，以防发生火灾事故。（6）价格便宜。目前，各国应用于列车的摩擦材料有很多种，大体可归纳为铸铁摩擦材料、有机 合成摩擦材料、粉末冶金摩擦材料和炭炭复合材料附 3%粉末冶金闸片/瓦由原料粉末经混和、压制、烧结而成。它具有摩擦因数不 受天气气候影响的优点，并且耐磨性和导热性都好。列车在制动时其制动组件的 体积温度将达到500C以上，闪点温度甚至可达1000C,在这种情况下，粉末冶 金制动闸片/瓦仍能保持良好的摩擦性能。瑞典、加拿大等国的高速列车，大功 率机车，日本的新干线，德国ICE2高速列车和法国TGV-A高速列车等均使用这 种闸瓦【363叱且都取得了优异的制动效果。目前，用于制备粉末冶金闸片/瓦的 材质主要有铁基与铜基两大体系。铁基材料的选择是在Fe-C系成分的基础上，添加对Fe具有良好强韧化效果的Ni基合金元素，从而形成Fe-Ni-C系合金基体,中南大学硕士学位论文第一章绪论通过控制Ni基合金元素的质量分数和改善烧结工艺获得所需组织和性能。铜基 材料虽然较贵，但铜基粉末冶金闸片比铁基具有更好的综合性能。日本高速列车 所采用的铜基粉末冶金闸片成分为：Cu60%70%,Sn5%15%,另加入少量 摩擦稳定剂。先将它们搅拌均匀，后高压成型，再与镀银的补强板粘合在一起进 行烧结。用低合金铸铁、低合金锻钢及铝基复合材料制备出的制动圆盘都可配用 铜基、铜-铁基粉末冶金闸片。最近，日本开发了一种新的铜基粉末冶金闸片ML 其主要成分为：铜40%60%,铁+镁2%20%,陶瓷8%15%,石墨16%15%,锡2%7%。该合金以铜、铁、银为基体，大大提高了耐热温度，增加陶瓷与石墨的添加量，可进一步提高耐磨性、耐热性和润滑性，可用于 350km/h的列车上，其摩擦因数相当稳定。但粉末冶金闸瓦对车轮的磨损较为严 重，成本比铸铁及有机合成闸瓦高，这些方面尚有待进一步研究与改进3971（4）粉末冶金摩擦材料在汽车及工程机械方面的应用汽车用摩擦材料是汽车制动器、离合器和摩擦传动装置中的关键材料，它的 性能好坏直接关系着系统运行的可靠性和稳定性。随着各个发达国家汽车工业的 发展和现代社会环保意识的提高，摩擦材料的运行条件越来越苛刻，对它的性能 要求也越来越高。我国汽车用粉末冶金摩擦材料的开发研究始于70年代末期，主要应用于沙漠车、重型载货车、公共汽车、矿山运输工具和一些军用车上 43】。粉末冶金摩擦片的使用寿命长，工作可靠性高。但由于其生产成本高，以及 与对偶的兼容性（匹配性）不理想，因而未能获得大规模生产和应用。汽车用摩擦材料必须具备下列性能：（1）具有足够高而稳定的摩擦因数，其 静摩擦因数和动摩擦因数之差要小，且摩擦因数基本上不随外界条件而变化；（2）具有良好的导热性、较大的热容量和一定的高温力学强度；。）具有良好的耐磨 性和抗粘着性，且不易擦伤对偶件表面，无噪声，低成本，对环境无污染；（4）原材料来源充足，制造工艺较简单易行，造价较低四4纥粉末冶金摩擦材料在工程上的应用也很广泛，如机械压力机、锻压机、矿山 机械以及重型建筑机械用的离合器和刹车装置上。工程机械大都是在野外或露天 作业，恶劣的工作条件以及笨重的作业对象，要求工程机械的离合器与制动器能 传递很大的力矩，并具有良好的制动力矩，因此所采用的摩擦材料必须具有足够 的摩擦因数。从工程机械的使用条件和功能要求来看，摩擦材料应具有以下功能:（1）高而稳定的摩擦因数；（2）高的导热性；（3）高的耐磨性；（4）具有较大的比热容 和密度；（5）较高的工作温度，有足够的强度。（6）较低的热膨胀系数，（7）不易燃 烧；（8）良好的抗油、水和热腐蚀能力；（9）较高负荷作用时，不论冷态还是热态 均具有良好的抗粘着性。不会与对偶件发生粘结和涂抹现象；（10）良好的阻尼性,保证在工作频率范围内不出现共振；（11）良好的制造工艺，成本较低四-49）。中南大学硕士学位论文第一章绪论1.3.3 粉末冶金摩擦材料未来发展趋势现代科学技术和工业的迅速发展对摩擦材料提出了越来越高的要求，为了适 应这种需要，完善和探索新的摩擦材料的研究工作着重在以下各个方面：提高决 定制动装置能载大小的材料耐热性，提高决定制动装置使用寿命的材料耐磨性，获