燒結金屬摩擦材料現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)

1、燒結金屬摩擦材料現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)1 前言 燒結金屬摩擦材料是以金屬及其合金為基體，添加摩擦組元和潤滑組元，用粉末冶金技術制成的復合材料，是摩擦式離合器與制動器的關鍵組件。它具有足夠的強度，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，是現(xiàn)代摩擦材料家族中應用面最大、量最大的材料。 用粉末冶金技術制造燒結金屬摩擦材料已有70年的歷史，1929年美國開始了這項工作的研究，30年代末期首先將該材料用在了D-7、D-8鏟運機中的離合器片上。發(fā)展到現(xiàn)在，所有載荷量高的飛機，包括米格、伊爾、波音707、747和三叉戟等，其制動器摩擦襯材料都采用了燒結金屬摩擦材料。在我國，特別是在1965年以后，燒

2、結金屬摩擦材料的科研、生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。迄今，我國已有十多個具有一定生產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)銅基和鐵基摩擦制品約850萬件，廣泛應用于飛機、船舶、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、重型車輛等領域，基本滿足了國內(nèi)主機配套和引進設備摩擦片的備件供應和使用要求。 2 制造方法與工藝研究 2.1 制造方法 目前，國內(nèi)外燒結金屬摩擦材料的生產(chǎn)仍主要沿用1937年美國SKWellman及其同事們創(chuàng)造的鐘罩爐加壓燒結法(壓燒法)，該方法的基本工序是：鋼背板加工去油、電鍍銅層(或銅、錫層)；配方料混合壓制成薄片與鋼背板燒結成一體加工溝槽及平面。由于傳統(tǒng)的壓燒法存在著能耗大、生產(chǎn)效率相對低、原材料粉末利用率低、成本高等缺點。

3、因此，一些國家對傳統(tǒng)工藝作了一些改進，同時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)濟效益的途徑。 新的制造工藝相繼問世，其中最令人矚目的是噴撒工藝(Sprinkling powder procedure)，它以生產(chǎn)的高效率和顯著的經(jīng)濟效益獨具優(yōu)勢。噴撒工藝法以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)燒結金屬摩擦材料始于70年代，美國的威爾曼、西德的奧林豪斯和尤里特、奧地利的米巴等企業(yè)擁有這項技術。80年代中期，杭州粉末冶金研究所從奧地利米巴公司引進了該技術。 噴撒工藝的基本流程是：鋼背板在溶劑(如四氯化碳中脫脂處理(或鋼背板電鍍)在鋼背板上噴撒上混合材料預燒壓溝槽終燒精整。 與傳統(tǒng)的壓燒法相比，噴

4、撒工藝主要有下列一些優(yōu)點： (1)實現(xiàn)了無加壓連續(xù)燒結，耗能低。 (2)采用松散燒結，粉末還原充分，可獲得高孔隙度的摩擦襯層，對提高摩擦系數(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。 (5)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)省工時約40%。 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，僅見一例。 國內(nèi)外粉末冶金同行們還

5、發(fā)明了20余種制取方法 ，投入應用和有前途的主要有以下幾種： 沖切法 一種工藝是先沖后燒，混好的配方粉料從料斗經(jīng)溜槽進入下面有帶狀輸送帶的定量斗，自動送入壓力機壓實成薄片，然后沖切成所需形狀，燒結后即為成品。該工藝連續(xù)加壓，不需壓模，粉層密度、強度均勻一致，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，爾后沖切成形。其缺點是鋼帶進爐燒結易變形，引起粉末層震動移位，造成粉層厚薄不勻。為克服這一缺點，該專利提出，在鋼帶背面涂上炭黑，先進入預氧化燒結爐，以15/s快速升到400(銅基)，然后再進入慢升溫加熱爐(5/s)，在還原氣氛中燒結，可得到均勻的摩擦襯層。 等離子噴涂法 該法適

6、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，保護氣氛為含20%氫氣和80%氬氣的混合氣體，噴涂溫度高達15002000，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裝置摩擦片。 對于需要輕的摩擦組件，往往以鋁來替代鋼，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擊二者相結合的優(yōu)點。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(不能超過金屬的氣化點)，就可以保證質(zhì)量。 電解沉積充填法 先在金屬或石墨處理過的多孔材料上用電解沉積法形成金屬骨架。

7、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，也可用熱固性樹脂。金屬骨架只占整個體積的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)氧樹脂等粘結劑粘貼到鋼背上。 電阻燒結法 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定的位置上，送入加壓機，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，就燒結好了。此法的優(yōu)點是鋼背板不受高溫影響，花鍵與齒形部

8、位強度不會降低。 另一專利介紹：在壓模中設計有電極，裝足粉后，放上經(jīng)過電鍍的鋼背板，然后一邊加壓，一邊通電，電流10100kA(5.454A/mm2)，燒結15s即成。有1例，摩擦襯面積1840mm2，摩擦襯層厚4.6mm，通電流22kA，過8s后電流升至38kA，加壓5.4MPa，摩擦層相對密度達到87.8%。 感應加熱沖擊法 工序是：將摩擦材料襯的預燒結坯放入承受盤中，在保護氣氛中感應加熱，溫度控制在916以上，時間一般不少于5min。從感應器中取出后即行單向沖擊，使摩擦層與承受盤形成鍵接。 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0.4，且耐高

9、溫，在試驗臺上試溫，溫升至1090材料還無衰退跡象。載體用石墨而不用鋼，石墨和TiC都很輕，適用于飛機。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1050，氣氛為碳氫化合物，(可用甲烷)與TiCl，其中TiCl含量不能少于0.5%(體積分數(shù)),甲烷與TiCl以1m/min的速度進行環(huán)流,到一定時間即成。 2.2 工藝研究 燒結金屬摩擦材料的工藝研究近年取得很大的進展，申請的專利很多。 專利14，15提出了改進現(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冷卻速度提高到100/min，促使Fe-Mo相析出，因為Fe-Mo相的硬度大于700HV，可以大大提高材料的強

10、度。 專利16建議將鐵基材料置于S和Mn中進行擴散燒結，因為S和Mn能向其表面層擴散并促使鐵基體中奧氏體穩(wěn)定。擴散燒結的鐵基制品表層形成較多的硫化物，表面硬度為200300HV，經(jīng)精整上升到600700HV，從而提高了制品的耐磨性。 專利17提出了預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行特殊處理：將選用的細晶粒石墨粉先與5%45%軟金屬(Cu、Sn、Al、Pb等)混合，然后混合料在0.020.025MPa的壓力下壓制成一定大小的生坯，再于保護氣氛中加壓燒結(1MPa)。制得燒結坯后再經(jīng)粉碎，按所需顆粒尺寸過篩后再與摩擦材料的其它組分混合，經(jīng)過這樣的處理，摩擦襯層組分不易偏析

11、、分層，加工性能好，與鋼背板的粘結良好。 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)定性是制動或離合可靠與穩(wěn)定的必要條件。近年來對提高摩擦系數(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18贊成以Zr-SiO4部分或全部代替SiO2或Al2O3，認為這對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19認為Zr-SiO4作為摩擦質(zhì)點，不僅可以提高摩擦系數(shù)，而且可以減少對偶的磨損。另外，在銅基或鐵基中加入TiO2或再

12、加入多元氧化物(如ZrO2、MgO、Cr2O3、BeO、CaO)以及玻璃陶瓷粉作為摩擦組元，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，得到了滿意的效果。德國則更多的是在材料中加入TiC、ZrC、ZrO2等來提高摩擦系數(shù)，如含有TiC、ZrO2時，其摩擦系數(shù)可達0.4，而且導熱性能很好。 在鐵基材料中廣泛使用MoS2、WS2、BN來調(diào)整摩擦系數(shù)，改善抗擦傷性能。對高溫重載工況，則更多采用BaSO4、CaF2等來提高摩擦系數(shù)穩(wěn)定性。 3.2 提高材料耐磨性的研究 將石墨、MoS2、Pb、Sn、Be等作為潤滑組元以提

13、高材料的耐磨性得到了普遍肯定。以BN作為潤滑組元已引起廣泛的興趣。在燒結過程中，BN十分穩(wěn)定，既不會分解又不會被燒損，在摩擦過程中保持良好的潤滑，促使形成薄膜，改良了耐磨性。已被廣泛用作潤滑組元的硫及硫化物，對耐磨性能的改善有較大作用。中國、日本、前蘇聯(lián)對此作了大量的研究。 石墨作為一種固體潤滑劑，似乎是所有燒結摩擦材料必加的組元。在高溫下，石墨具有極高的強度，使用溫度可達3500，具有優(yōu)良的高溫固體潤滑特性。 根據(jù)對材料性能的不同要求，石墨添加量的范圍很大，最高達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)，對材料性能產(chǎn)生很大的影響，對鐵基摩擦材料的影響尤甚。 材料中大量的游

14、離石墨在摩擦過程中不斷覆蓋摩擦界面，形成穩(wěn)定的潤滑工作層，防止了摩擦副的咬合，也起到了很好的減摩作用。 關于石墨的含量、形態(tài)對耐磨性能的影響已有不少的論著，文獻24對加入之石墨規(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 改善材料基體結構和強度的研究 基體強度是材料承載能力的反映，而基體強度在很大程度上取決于基體成分、結構和力學物理性能?，F(xiàn)代機械向高速重載發(fā)展，對摩擦材料的高溫性能提出了更高的要求?？偟膩碚f，各國的材料研究者主要從兩個方面入手改善材料基體結構和強度。 用合金元素固溶強化基體是改善材料基體結構的重要手段之一。對于鐵基材料，通常以

15、加入Ni、Cr、Mo、W、Mn來強化基體或活化燒結過程。加入Ni、Cr、Mo則對提高材料的高溫性能有利。文獻25采用CaSi2、Si、SiC及FeSi2使Si與Ca和基體鐵形成合金。西德與英國則用W-Fe作為合金元素加入鐵基材料中，基體強化效果顯著，適用于高溫工況。 國外系統(tǒng)地研究了Sn的含量對銅基材料性能的影響，認為Sn的理想加入量在7%12%。不過，烏克蘭科學院材料研究所用鋁青銅代替錫青銅，在高負荷工況下，鋁青銅材料的強度、高溫強度、耐蝕性能和使用性能均超過了錫青銅，當基體中含鋁為10%11%時，摩擦材料具有最大的摩擦系數(shù)，最小的磨損量，綜合性能優(yōu)異。 另一項強化手段是纖維強化。在較軟的基

16、體中加入具有較高強度的金屬纖維或碳素纖維，如加入鋼纖維(拉拔狀態(tài)的鋼纖維抗拉強度可達4100MPa)后使材料強度和塑性大大提高。碳素纖維及其復合材料具有高比強度、高比模量、高耐熱性和抗疲勞性能，但因成本高、制造工藝復雜，目前應用似僅限于航天航空等尖端領域。 3.4 對偶材料對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，在干式應用中，灰口鑄鐵是首選的對偶材質(zhì)。在熱負荷較大的工況下，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，對偶材料采用鑄鐵對摩擦系數(shù)沒有多大的影響，主要是使用壽命不及鋼對偶。 4 發(fā)展方向 現(xiàn)代科學技術和工業(yè)

17、的迅速發(fā)展對摩擦材料提出了越來越高的要求，為了適應這種需要，機理研究和基礎試驗工作一直沒有停頓過，對新型摩擦材料的研究也將是今后摩擦材料發(fā)展的重點，主要是發(fā)展性能優(yōu)異、造價低廉的新型材料。 4.1 摩擦磨損理論與表面破壞機理的研究 摩擦與磨損是摩擦學研究的兩個中心問題，學派甚多。當前較為廣泛流行的摩擦理論是分子-機械理論。近年來，對摩擦過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、轉化反應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)生在兩個接觸表面，接觸表面的“膜”的力學、理化性能，特別是其與基體材料的粘結強度等都決定著摩擦偶的摩擦磨損性能

18、。80年代以來 ，對產(chǎn)生在摩擦表面的潤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)代測試手段來進一步探測表面層的組織與結構，觀測其形成與破壞，系統(tǒng)地研究了表面破壞機理。摩擦接觸面上同時產(chǎn)生的三種相互關聯(lián)過程，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摩擦副性能的影響、周圍介質(zhì)的性質(zhì)和實際工作狀態(tài)相互之間的作用和影響，所有這些細節(jié)，將會更進一步地深入研究下去。 4.2 新型摩擦材料的研究 一個值得注意的趨勢是為了適應不同的工況，已研制和發(fā)展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域。因為這些材料的制造設備、制造工藝、測試方法、設計依據(jù)、所用原材料等有相通和類似之處，所以已有越來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，逐步地向摩擦制品，即按大產(chǎn)品分類的格局發(fā)展。 發(fā)展用金屬纖維強化的復合材料 用金屬纖維強化，大大提高了基體的強度，改善了基體的導熱性能，對阻止表面裂紋的擴展起到了很好的作用。這類材料是大有發(fā)展前途的。 用耐高溫并且有高摩擦系數(shù)的金屬陶瓷作復合相，或用難熔化合物粉末作復合相，兩者均可滿足一些特殊工況的應用。 發(fā)展半金屬摩擦材料 半金屬材料是由高碳鐵