納米在噴撒摩擦片中的應(yīng)用研究(上報(bào)論文)

1、納米材料在噴撒摩擦片中的應(yīng)用研究許成法 黃海東杭州粉末冶金研究所 311203摘要：本文分析了噴撒摩擦片的特點(diǎn)及存在的問題，提出用納米材料改進(jìn)噴撒摩擦片性能的技術(shù)途徑。設(shè)計(jì)了含有不同納米的噴撒摩擦片配方，試制了樣品，進(jìn)行了臺架試驗(yàn)。確定了含有納米噴撒摩擦片配方。本文對納米在粉料中均勻分布途徑進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：納米 噴撒摩擦片1、前言 杭州粉末冶金研究所1984年引進(jìn)奧地利米巴公司噴撒生產(chǎn)線。噴撒法生產(chǎn)粉末冶金摩擦片曾榮獲機(jī)械工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎，并在其后的企業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了不可始料的作用。噴撒摩擦材料具有可干濕兩用、動摩擦系數(shù)高、熱負(fù)荷許用值大、熱穩(wěn)定性優(yōu)、耐磨損性好等特點(diǎn)。在生產(chǎn)上體現(xiàn)出成本

2、低（油槽模壓成型，無后續(xù)機(jī)加工）、效率高（生產(chǎn)線網(wǎng)帶式生產(chǎn)）、大批生產(chǎn)性能穩(wěn)定、生產(chǎn)周期大大縮短等優(yōu)勢。本所可生產(chǎn)340以下直徑的噴撒摩擦片，摩擦層厚度范圍為0.21.3。噴撒法生活粉末冶金摩擦片有如下工藝優(yōu)點(diǎn)：1.燒結(jié)摩擦材料層密度均勻；若摩擦材料層上有油槽時，油槽底部的材料密度也是均勻的，無凹口效應(yīng)，組織結(jié)構(gòu)無撕裂現(xiàn)象。2.不需要磨加工或其它機(jī)械加工，厚度即可達(dá)到精密公差，平行度好。3.鋼芯板兩面的摩擦材料層厚度均勻，不會因雙金屬效應(yīng)產(chǎn)生翹曲。4.用模壓成形法可經(jīng)濟(jì)地制造較窄的油槽，用覆蓋法可制造較寬的油槽。5.可獲得高孔隙度，從而有利于摩擦性能。6.鋼芯板與摩擦材料層間可有效地進(jìn)行聯(lián)結(jié)，

3、鋼芯板可不需鍍銅。7.燒結(jié)摩擦材料層的最小厚度為0.2，可節(jié)約材料。 目前噴撒工藝生產(chǎn)摩擦片存在問題是：配方中的碳含量受噴撒工藝的影響，不能提高。如D221配方（改進(jìn)），碳含量為7%，如果碳含量提高后會導(dǎo)致碳偏析；另一方面，碳形態(tài)是片狀的，這本身加劇了偏析現(xiàn)象。由于碳含量不高，因此，采用目前工藝和材料配方，要得到高能量負(fù)荷和耐熱性能好的摩擦片存在困難。 采用納米碳能夠提高噴撒工藝用的配方中碳的含量，因?yàn)榧{米碳的吸附性能比普通碳好，另一方面，通過特殊方法，將納米碳鑲嵌在銅顆粒中，使得碳的流動性提高，解決碳容易偏析的問題，使得新配方中的碳含量能夠提高，改善了材料配方的耐熱性能和承受高負(fù)荷載荷能力。

4、 采用納米SiO2能夠使納米SiO2顆粒進(jìn)入基體合金晶粒界面，提高合金抗剪切強(qiáng)度，從而增加了材料耐磨損性能，另一方面，納米SiO2作為摩擦材料中的硬質(zhì)點(diǎn)均勻的分布在基體中，改善與對偶材料的表面接合狀態(tài)，減少了對對偶表面的損傷。 目前，杭齒集團(tuán)船用齒輪箱中摩擦片還存在一些燒片現(xiàn)象，盡管這些現(xiàn)象不僅僅是由于材料本身的原因，它與整個設(shè)計(jì)有關(guān)，包括油路系統(tǒng)，離合器接排系統(tǒng)和齒輪箱裝配質(zhì)量有關(guān)，如果通過納米銅基摩擦材料在噴撒工藝中的應(yīng)用研究成果，提高了材料本身的耐熱和耐磨性能，也許能夠減少燒片的現(xiàn)象，這也是我們這個項(xiàng)目研究目的。2、試驗(yàn)方法2.1試驗(yàn)用原材料技術(shù)條件見表1 材料名稱技術(shù)條件銅粉錫粉鋅粉鉛

5、粉鐵粉石墨硅酸鋯長石粉粒度（目）-200-200-200-200-100-100-150-100純度（%）9999999998.599ZrO含量5598粉末種類電解霧化霧化還原片狀天然南非產(chǎn)鉀長石人造顆粒試驗(yàn)用納米材料技術(shù)條件見表2納米材料平均粒徑/ nm長徑比松裝密度/（gcm-3）純度/ %晶型n-SiO230-99.0-2.2噴撒試驗(yàn)工藝流程配料 混料 噴撒予燒結(jié) 壓槽 燒結(jié) 精整按試驗(yàn)方案配方進(jìn)行配料，混料在V型混料機(jī)混合1小時。噴撒予燒結(jié)在噴撒網(wǎng)帶爐里進(jìn)行，予燒帶溫度650-700，燒結(jié)段溫度810-830，予冷段溫度800-810。燒結(jié)溫度760+10，粘結(jié)層粉重40.5g，摩擦層

6、粉重211g。網(wǎng)帶速度850-1000轉(zhuǎn)/分鐘。2.3 性能檢測 噴撒予燒結(jié)摩擦片摩擦層與鋼芯板粘接強(qiáng)度檢測是用鏟削方法進(jìn)行判別，經(jīng)鏟削后摩擦片鋼芯板表面須粘有一層摩擦層顆粒；鏟削下來的摩擦層呈卷狀。摩擦性能檢測在濕式摩擦片試驗(yàn)臺上按JB/T7909濕式燒結(jié)金屬摩擦材料摩擦性能試驗(yàn)臺試驗(yàn)方法進(jìn)行。 3、試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1配方設(shè)計(jì) 噴撒摩擦片配方設(shè)計(jì)與普通壓燒摩擦片相比，有一定特點(diǎn)。首先考慮的是混合粉流動性，流動性不好直接影響撒粉均勻性和摩擦片最終的平行度。其次，混合粉松裝燒結(jié)工藝性。第三，解決撒粉時石墨漂浮和壓制時石墨聚集造成的廢品。第四，也是最重要的一點(diǎn)，保證摩擦片摩擦磨損性能，與原D22

7、1配方摩擦片相比有一定的提高。摩擦片成本相當(dāng)或有一定的降低。根據(jù)上述對噴撒摩擦片配方特點(diǎn)的分析，結(jié)合噴撒摩擦片材料的工況條件和性能技術(shù)指標(biāo)，確定材料配方的基本思路分析如下。1）材料必須有高的基體強(qiáng)度，以滿足其高耐磨損性能、承受高的比壓和抗沖擊載荷能力的要求。決定采用錫、鋅、鋁、錳等合金組元對銅基體進(jìn)行強(qiáng)化。2）材料只能含有較低含量的非金屬組元，以保證其有足夠的的塑性，滿足壓槽工藝和精整的要求。3）為改善摩擦片外觀質(zhì)量，減少撒粉時石墨漂浮和壓槽時石墨聚集造成的廢品。配方設(shè)計(jì)時減少石墨含量。材料在大量減少石墨、氧化物等非金屬組元的含量后，其摩擦磨損性能將會有較大損失。為滿足其高的摩擦磨損性能要求，

8、只有一條途徑：提高材料的氣孔率，利用邊界摩擦，提高材料的摩擦系數(shù)。4）高的氣孔率使材料具有能進(jìn)行內(nèi)部油微循環(huán)的連通孔隙，它可以把材料在摩擦過程中產(chǎn)生的熱迅速熱帶走，有效抑制界面溫升，提高材料的能量負(fù)荷和功率負(fù)荷。但高的氣孔率會使材料的基體強(qiáng)度下降，可能導(dǎo)致磨損的增加；另一方面，高的氣孔率有利于摩擦界面油模的形成，可以使材料處于邊界摩擦，避免半干摩擦，減少材料的磨損。因此需對材料的氣孔率進(jìn)行重點(diǎn)試驗(yàn)，選擇一個合適的氣孔率（或密度）范圍。3.2配方組成1） 基體組元基體采用銅合金基體。為使其在高氣孔率條件下具有高的耐磨損性能和抗沖擊載荷能力，決定采用錫、鋅強(qiáng)化的黃銅基體作為一種基體，加6-8%的鋅

9、，3-6%錫。銅含量取余量。2） 潤滑組元潤滑組元采用是常用的最常用的石墨和鉛。石墨具有最好的抗粘滑的性能，使摩擦系數(shù)穩(wěn)定，降低磨損。D221配方在米巴公司采用的斯里蘭卡產(chǎn)隱晶質(zhì)石墨，由火山作用所產(chǎn)生的，其反應(yīng)式為CH4+OC+H2O，這種石墨為顆粒狀，流動性很好，特別適合噴撒摩擦片生產(chǎn)。但很難買到。我所現(xiàn)用D221配方采用天然鱗片石墨。流動性不好，噴撒時石墨易發(fā)生漂浮。因此研制配方石墨采用人造顆粒石墨?？朔慎[片石墨造成的摩擦片的相關(guān)缺陷。3） 摩擦組元隨著納米材料制備工藝的完善和微觀摩擦學(xué)的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)，納米技術(shù)可使許多傳統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)生根本性的改變。在摩擦學(xué)領(lǐng)域，納米材料由于具有小尺寸效應(yīng)、

10、表面效應(yīng)等特殊性能，對降低材料的摩擦系數(shù)、提高材料的耐磨性能、改善材料的致密性能和實(shí)現(xiàn)材料的自修復(fù)性能具有顯著作用，被廣泛的應(yīng)用于潤滑油、金屬基納米復(fù)合材料和聚合物基納米復(fù)合材料。如作為納米潤滑添加劑的納米Al2O3、六方BN、球形WS2納米顆粒、具有良好的抗磨損性能，高承載能力，對磨損表面具有一定補(bǔ)償修復(fù)功能的潤滑添加劑是摩擦學(xué)領(lǐng)域近年來的重要前沿課題。利用納米無機(jī)材料(例如蒙脫土、納米Al2O3、納米CaCO3、納米SiO2、納米TiO2、納米Si3N4、納米SiC)填充改性聚合物（聚乙烯PTFE、丁腈橡膠NBR、尼龍等），能大幅提高材料的摩擦磨損性能。由于納米增強(qiáng)相具有大的表面積和強(qiáng)的界

11、面相互作用，在銅基體中引入納米分散相（納米氧化物、納米碳化物，納米氮化物、碳納米管等，部分納米顆粒性能見表2）進(jìn)行復(fù)合，通過彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等作用，可使銅基納米復(fù)合材料保持優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的前提下，極大改善力學(xué)性能，其中最突出的作用是大幅度提高材料的高溫強(qiáng)度和基體的軟化溫度99。目前，納米材料增強(qiáng)銅基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于電極、觸頭材料、電樞換向器、電氣機(jī)車的架空導(dǎo)線、氣割槍噴嘴等要求高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性和耐磨性的元器件100-102。表3 納米顆粒的主要性能103, 104納米顆粒密度/gcm-3熔點(diǎn)/彈性模量/GPa熱膨脹系數(shù)/K-1Al2O33.982 0503792.8910

12、-6SiO22.661 713733.9410-9ZrO25.892 690834.3810-6TiC4.933 250350-NbC7.823 5003457.2110-6Cr2C36.651 895194-WC15.62 8007223.9010-6SiC3.212 8273241.9710-6TiB24.452 6002604.6010-6MgB22.102 430-AlN3.262 2003104.8410-6TiN5.212 950-9.3510-6因而，將納米材料和技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的摩擦材料制備中，用納米級粉末取代傳統(tǒng)填料，通過控制不同形態(tài)的納米材料及其納米效應(yīng)，有望制備新型的納米摩

13、擦材料，同時兼顧強(qiáng)度和韌性、高溫摩擦與磨損等，以獲得比現(xiàn)有摩擦材料更好的綜合性能，特別是高溫綜合性能。目前，納米摩擦材料的研究已在有機(jī)摩擦材料和C/C摩擦材料領(lǐng)域逐步展開并獲得良好效果。曹獻(xiàn)坤等92采用有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合技術(shù)，研制了新型高性能有機(jī)摩擦材料。劉軼群等93, 94用納米級粉末橡膠替代傳動橡膠（丁苯和丁腈橡膠），可明顯改善摩擦材料的抗沖擊性能、耐熱性以及磨損性能。周振中等97將具有優(yōu)異力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性與傳導(dǎo)性能的納米碳管（CNTs）復(fù)合到C/C摩擦材料中，使CNTs/C/C復(fù)合摩擦材料獲得更加優(yōu)異的摩擦學(xué)和熱傳導(dǎo)性能。本項(xiàng)目除采用傳統(tǒng)的硅酸鋯、SiO2、微米級粉料作為摩擦組元外還將

14、納米SiO2、納米鐵應(yīng)用于銅基濕式噴撒摩擦材料，希望顯著提高了銅基摩擦材料的耐磨性和耐熱性。根據(jù)上述分析，進(jìn)行了3輪試驗(yàn)。第一輪試驗(yàn)1、試驗(yàn)方案表4 %樣品編號CuSnFePbZrSiO4石墨Ni/n-SiO2n-SiO2Cu/n-CCu/C0（D221）1396-86-1146-88C2/25-233.756-86-1146-88-C1/30-386-86-1146-84-C3/60-4226-86-1146-8-C4/505-6-86-1146-8-C2/25-C4/50626-86-1146-8-C1/30-C5/407-6-86-1146-8-C3/60C5/208636-86-114

15、6-8819683-53-54長石-4-79Zn-62、納米復(fù)合粉制備方案表5序號成份含量（%）Cu含量（%）C1納米二氧化硅2.597.5C2Ni-nSiO2496C3納米石墨粉2.597.5C4199石墨粉1684C5199石墨粉2080球料比：5：1球磨時間：2小時試驗(yàn)設(shè)備：QMP-40L3、制備試驗(yàn)片，進(jìn)行臺架試驗(yàn)。臺架試驗(yàn)結(jié)果見下表、摩擦系數(shù)與磨損率檢測條件表6平均功率密度75W/2接合頻率3次/min潤滑油種類8液力傳動油給油量8cm3/( cm2.min)接合時間10.1S進(jìn)口處油溫805、檢測結(jié)果1、磨損率、能量負(fù)荷許用值 表7試樣編號檢測結(jié)果接合次數(shù)0#2#3#4#9#6#7

16、#8#磨損率 (10-83/J)摩擦片3.712.63.076.80.462.122.40.53鋼片能量負(fù)荷許 用 值Ca156601462791331567516539190241777614742、動、靜摩擦系數(shù)（慣量2.76kg.m2,轉(zhuǎn)速1200轉(zhuǎn)/分）表8試樣編號檢測結(jié)果接合次數(shù)0#2#3#4#9#6#7#8#500動0.0760.0750.0710.0680.0540.0700.0570.055靜0.1250.1270.1220.1170.1110.1110.1040.1011000動0.0780.0750.0710.0630.0560.0660.0500.053靜0.1350.1

17、290.1340.1080.1200.1030.1010.1041500動0.0740.0730.0650.0570.0550.0660.0520.052靜0.1300.1330.1340.1070.1210.1030.1000.1032000動0.0560.0660.0630.0590.0590.0670.0450.045靜0.1260.1250.1320.1060.1260.1050.1010.1051號、5號配方由于噴撒時工藝性較差，沒有繼續(xù)試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果看，添加納米SiO2的6、7號配方，磨損率及能量負(fù)荷許用值與0號即生產(chǎn)中正在使用的D221配方有明顯的提高，但摩擦系數(shù)較低。本輪試驗(yàn)

18、證明配方設(shè)計(jì)時分析基本可行，但須進(jìn)一步試驗(yàn)，提高噴撒片性能。為此又進(jìn)行了兩輪試驗(yàn)。第二輪試驗(yàn)，配方中添加了納米鐵。配方見下表：表9 摩擦材料配方(wt%)CuSn改性n-Fe310改性n-Fe311PbFeZrSiO4人造石墨天然石墨球磨人造石墨n-SiO2Ni/n-SiO21余量7.510-4-6.5-8-0.75-2余量7.5-104-6.5-8-0.75-3余量7.55456.544-14余量7.5-104-6.5-8-5余量7.5-10Zn-36.0-440.5-注：混粉時加料順序，納米SiO2與銅粉一起加，后加石墨。復(fù)燒溫度780790。按配方進(jìn)行配料，制備摩擦片樣品進(jìn)行臺架試驗(yàn)。試

19、驗(yàn)條件與第一輪相同。試驗(yàn)結(jié)果如下：1、磨損率、能量負(fù)荷許用值 表10試樣編號檢測結(jié)果接合次數(shù) 12345磨損率 (10-83/J)0.63 1.33- 0.711.03能量負(fù)荷許 用 值Ca2200523688-20498221982、動、靜摩擦系數(shù)（慣量2.76kg.m2,轉(zhuǎn)速1200轉(zhuǎn)/分）表11試樣編號檢測結(jié)果接合次數(shù)12345500動0.0750.0630.0860.0720.078靜0.1180.1030.1170.1170.1161000動0.0690.074-0.0680.076靜0.1130.101-0.1160.1191500動0.0630.071-0.0650.075靜0.

20、1090.112-0.1170.1192000動0.0630.074-0.0660.073靜0.1110.113-0.1170.119從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加納米鐵顯著提高摩擦片磨損率，能量負(fù)荷許用值比D221提高較多。但摩擦系數(shù)較低。5號配方采用Zn強(qiáng)化基體，同時添加納米硅酸鋯綜合性能較高。同時試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，摩擦片性能波動較大，對偶有明顯的拉傷痕跡。需進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)。第3輪試驗(yàn)，配方設(shè)計(jì)時石墨采用人造和天然兩種形態(tài)，5號配方與D221相比，改動較大，突破了原來的思路。增加了合金元素Zn強(qiáng)化基體，Pb含量增加了50%，將鐵全部取消，摩擦組員采用SiO2，含量增加較多，目的提高摩擦系數(shù)，為保持摩

21、擦片耐磨性，添加0.5%納米SiO2。為改善石墨及納米分撒均勻性，采用球磨方法進(jìn)行了粉末預(yù)處理。試驗(yàn)方案見下表表12 摩擦材料配方(wt%)樣品編號成分CuSnFePbZrSiO4人造石墨球磨天然石墨球磨人造石墨n-SiO2n-C1余量7-98-1146-88-0.75-2余量7-98-1146-8-1#-16-0.75-3余量7-98-1146-8-2#-400.75-4余量7-98-1146-8-3-251#-14-0.5CuSnZnCSiO2Pb余量5-73-6-85-8注：1#為50%石墨，其余為Cu，球料比5：1，球磨4小時。2#為20%人造石墨，其余為Cu，球料比5：1，球磨4小時。臺架試驗(yàn)結(jié)果見表13、表141、磨損率、能量負(fù)荷許用值 表13試樣編號檢測結(jié)果接合次數(shù)1-12-23-24-25-1磨損率 (10-83/J)摩擦片0.61-1.75-0.54鋼片能量負(fù)荷許 用 值