燒結(jié)金屬摩擦材料現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)(doc9)

1、.：.；燒結(jié)金屬摩擦資料現(xiàn)狀與開展動(dòng)態(tài)1 前言 燒結(jié)金屬摩擦資料是以金屬及其合金為基體，添加摩擦組元和光滑組元，用粉末冶金技術(shù)制成的復(fù)合資料，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，適宜而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，任務(wù)平穩(wěn)可靠，耐磨及污染少等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代摩擦資料家族中運(yùn)用面最大、量最大的資料。 用粉末冶金技術(shù)制造燒結(jié)金屬摩擦資料已有70年的歷史，1929年美國(guó)開場(chǎng)了這項(xiàng)任務(wù)的研討，30年代末期首先將該資料用在了D-7、D-8鏟運(yùn)機(jī)中的離合器片上。開展到如今，一切載荷量高的飛機(jī)，包括米格、伊爾、波音707、747和三叉戟等，其制動(dòng)器摩擦襯資料都采用了燒結(jié)金屬摩擦資料。在我國(guó)，特別是在1965年

2、以后，燒結(jié)金屬摩擦資料的科研、消費(fèi)得到迅速開展。迄今，我國(guó)已有十多個(gè)具有一定消費(fèi)規(guī)模的消費(fèi)企業(yè)，年產(chǎn)銅基和鐵基摩擦制品約850萬(wàn)件，廣泛運(yùn)用于飛機(jī)、船舶、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、重型車輛等領(lǐng)域，根本滿足了國(guó)內(nèi)主機(jī)配套和引進(jìn)設(shè)備摩擦片的備件供應(yīng)和運(yùn)用要求。 2 制造方法與工藝研討 2.1 制造方法 目前，國(guó)內(nèi)外燒結(jié)金屬摩擦資料的消費(fèi)仍主要沿用1937年美國(guó)SKWellman及其同事們發(fā)明的鐘罩爐加壓燒結(jié)法(壓燒法)，該方法的根本工序是：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(jié)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、消費(fèi)效率相對(duì)低、原資料粉末利用率低、本錢高

3、等缺陷。因此，一些國(guó)家對(duì)傳統(tǒng)工藝作了一些改良，同時(shí)非常注重新工藝的研討，在改善或保證產(chǎn)品性能前提下探求和尋求提高經(jīng)濟(jì)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)，它以消費(fèi)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)模消費(fèi)燒結(jié)金屬摩擦資料始于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，杭州粉末冶金研討所從奧地利米巴公司引進(jìn)了該技術(shù)。 噴撒工藝的根本流程是：鋼背板在溶劑(如四氯化碳中脫脂處置(或鋼背板電鍍)在鋼背板上噴撒上混合資料預(yù)燒壓溝槽終燒精整。 與傳統(tǒng)的壓燒法

4、相比，噴撒工藝主要有以下一些優(yōu)點(diǎn)： (1)實(shí)現(xiàn)了無加壓延續(xù)燒結(jié)，耗能低。 (2)采用松散燒結(jié)，粉末復(fù)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，資料利用率高，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)，而用其它工藝那么難以到達(dá)。 已有的數(shù)聽闡明。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%。 目前噴撒工藝法似乎主要用于制造厚度較薄的銅基摩擦資料，而用于制取鐵基摩擦資料，僅見一例。 國(guó)內(nèi)外粉末冶

5、金同行們還發(fā)明了20余種制取方法 ，投入運(yùn)用和有出路的主要有以下幾種： 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)入下面有帶狀保送帶的定量斗，自動(dòng)送入壓力機(jī)壓實(shí)成薄片，然后沖切成所需外形，燒結(jié)后即為廢品。該工藝延續(xù)加壓，不需壓模，粉層密度、強(qiáng)度均勻一致，粉層厚度調(diào)理方便；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。其缺陷是鋼帶進(jìn)爐燒結(jié)易變形，引起粉末層震動(dòng)移位，呵斥粉層厚薄不勻。為抑制這一缺陷，該專利提出，在鋼帶反面涂上炭黑，先進(jìn)入預(yù)氧化燒結(jié)爐，以15/s快速升到400(銅基)，然后再進(jìn)入慢升溫加熱爐(5/s)，在復(fù)原氣氛中燒結(jié)，可得到均勻的摩擦襯層。

6、 2.1.2 等離子噴涂法 該法適用于噴涂耐高溫的摩擦資料。如Co、Mg、Ti、W、Cr以及碳化物、氧化物的混合物，維護(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，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)安裝摩擦片。 對(duì)于需求輕的摩擦組件，往往以鋁來替代鋼，但鋁不耐磨，在其外表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(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。陶瓷與金屬的分量比為85：15到75：25，只需確保在熱噴涂中金屬能完全熔化(不能超越金屬的氣化點(diǎn))，就可以保證質(zhì)量。 2.1.3 電解堆積充填法 先在金屬或石

7、墨處置過的多孔資料上用電解堆積法構(gòu)成金屬骨架。多孔資料普通用凝聚纖維，如海綿、泡沫資料。金屬骨架構(gòu)成后，多孔資料可以留在內(nèi)部，也可以經(jīng)過加熱熔化或燒除，再用摩擦資料填充金屬骨架間隙，填充的摩擦資料可以是金屬，如Pb、Sn等，也可用熱固性樹脂。金屬骨架只占整個(gè)體積的10%30%。填充好摩擦資料后成為摩擦襯，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(jié)劑粘貼到鋼背上。 2.1.4 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

8、，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。 另一專利引見：在壓模中設(shè)計(jì)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(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8s后電流升至38kA，加壓5.4MPa，摩擦層相對(duì)密度到達(dá)87.8%。 2.1.5 感應(yīng)加熱沖擊法 工序是：將摩擦資料襯的預(yù)燒結(jié)坯放入接受盤中，在維護(hù)氣氛中感應(yīng)加熱，溫度控制在916以上，時(shí)間普通不少于5min。從感應(yīng)器中取出后即行單向沖擊，使摩擦層與接受盤構(gòu)成鍵接。 2.1.6 氣相堆積法 普通

9、的TiC資料摩擦系數(shù)值很小，但用氣相堆積法制取，摩擦系數(shù)就很大，可達(dá)0.4，且耐高溫，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上試溫，溫升至1090資料還無衰退跡象。載體用石墨而不用鋼，石墨和TiC都很輕，適用于飛機(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)1050，氣氛為碳?xì)浠衔铮?可用甲烷)與TiCl，其中TiCl含量不能少于0.5%(體積分?jǐn)?shù)),甲烷與TiCl以1m/min的速度進(jìn)展環(huán)流,到一定時(shí)間即成。 2.2 工藝研討 燒結(jié)金屬摩擦資料的工藝研討近年獲得很大的進(jìn)展，懇求的專利很多。 專利14，15提出了改良現(xiàn)行工藝的方法，建議將含有Fe、Mo元素的銅基摩擦資料的燒結(jié)冷卻速度提高到100/min

10、，促使Fe-Mo相析出，由于Fe-Mo相的硬度大于700HV，可以大大提高資料的強(qiáng)度。 專利16建議將鐵基資料置于S和Mn中進(jìn)展分散燒結(jié)，由于S和Mn能向其外表層分散并促使鐵基體中奧氏體穩(wěn)定。分散燒結(jié)的鐵基制品表層構(gòu)成較多的硫化物，外表硬度為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(yù)制粉末以獲得最正確粉末混合料的方法。提出石墨在運(yùn)用前需先進(jìn)展特殊處置：將選用的細(xì)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，再于維護(hù)氣氛中加壓燒結(jié)(1MPa)。制得燒結(jié)坯后再經(jīng)粉碎，

11、按所需顆粒尺寸過篩后再與摩擦資料的其它組分混合，經(jīng)過這樣的處置，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)與配方研討 3.1 提高并穩(wěn)定摩擦系數(shù)的研討 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。近年來對(duì)提高摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性的研討主要從選用適宜的摩擦組元和探求新的摩擦與抗咬合添加劑入手。文獻(xiàn)18贊成以Zr-SiO4部分或全部替代SiO2或Al2O3，以為這對(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以為Zr-SiO4作為摩擦質(zhì)點(diǎn)

12、，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，在銅基或鐵基中參與TiO2或再參與多元氧化物(如ZrO2、MgO、Cr2O3、BeO、CaO)以及玻璃陶瓷粉作為摩擦組元，使摩擦外表生成氧化膜，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)在銅基資料中參與難熔金屬(W、Cr等)的硼化物，得到了稱心的效果。德國(guó)那么更多的是在資料中參與TiC、ZrC、ZrO2等來提高摩擦系數(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。 在鐵基資料中廣泛運(yùn)用MoS2、WS2、BN來調(diào)整摩擦系數(shù)，改善抗擦傷性能。對(duì)高溫重載工況，那么更多采用BaSO4、CaF2等來提高摩擦系數(shù)穩(wěn)定

13、性。 3.2 提高資料耐磨性的研討 將石墨、MoS2、Pb、Sn、Be等作為光滑組元以提高資料的耐磨性得到了普遍一定。以BN作為光滑組元已引起廣泛的興趣。在燒結(jié)過程中，BN非常穩(wěn)定，既不會(huì)分解又不會(huì)被燒損，在摩擦過程中堅(jiān)持良好的光滑，促使構(gòu)成薄膜，改良了耐磨性。已被廣泛用作光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)此作了大量的研討。 石墨作為一種固體光滑劑，似乎是一切燒結(jié)摩擦資料必加的組元。在高溫下，石墨具有極高的強(qiáng)度，運(yùn)用溫度可達(dá)3500，具有優(yōu)良的高溫固體光滑特性。 根據(jù)對(duì)資料性能的不同要求，石墨添加量的范圍很大，最高達(dá)30%，其顆粒形狀、大小、粒度組成及其在資

14、料基體中的分布形狀，對(duì)資料性能產(chǎn)生很大的影響，對(duì)鐵基摩擦資料的影響尤甚。 資料中大量的游離石墨在摩擦過程中不斷覆蓋摩擦界面，構(gòu)成穩(wěn)定的光滑任務(wù)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、形狀對(duì)耐磨性能的影響已有不少的論著，文獻(xiàn)24對(duì)參與之石墨規(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 改善資料基體構(gòu)造和強(qiáng)度的研討 基體強(qiáng)度是資料承載才干的反映，而基體強(qiáng)度在很大程度上取決于基體成分、構(gòu)造和力學(xué)物理性能?，F(xiàn)代機(jī)械向高速重載開展，對(duì)摩擦資料的高溫性能提出了更高的要求。總的來說，各國(guó)的資料研討者主要從兩個(gè)方面入手改善資料基體構(gòu)

15、造和強(qiáng)度。 用合金元素固溶強(qiáng)化基體是改善資料基體構(gòu)造的重要手段之一。對(duì)于鐵基資料，通常以參與Ni、Cr、Mo、W、Mn來強(qiáng)化基體或活化燒結(jié)過程。參與Ni、Cr、Mo那么對(duì)提高資料的高溫性能有利。文獻(xiàn)25采用CaSi2、Si、SiC及FeSi2使Si與Ca和基體鐵構(gòu)成合金。西德與英國(guó)那么用W-Fe作為合金元素參與鐵基資料中，基體強(qiáng)化效果顯著，適用于高溫工況。 國(guó)外系統(tǒng)地研討了Sn的含量對(duì)銅基資料性能的影響，以為Sn的理想?yún)⑴c量在7%12%。不過，烏克蘭科學(xué)院資料研討所用鋁青銅替代錫青銅，在高負(fù)荷工況下，鋁青銅資料的強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、耐蝕性能和運(yùn)用性能均超越了錫青銅，當(dāng)基體中含鋁為10%11%時(shí)，摩

16、擦資料具有最大的摩擦系數(shù)，最小的磨損量，綜合性能優(yōu)良。 另一項(xiàng)強(qiáng)化手段是纖維強(qiáng)化。在較軟的基體中參與具有較高強(qiáng)度的金屬纖維或碳素纖維，如參與鋼纖維(拉拔形狀的鋼纖維抗拉強(qiáng)度可達(dá)4100MPa)后使資料強(qiáng)度和塑性大大提高。碳素纖維及其復(fù)合資料具有高比強(qiáng)度、高比模量、高耐熱性和抗疲勞性能，但因本錢高、制造工藝復(fù)雜，目前運(yùn)用似僅限于航天航空等尖端領(lǐng)域。 3.4 對(duì)偶資料對(duì)摩擦性能影響的研討 和前三種研討相比，這方面的研討較薄弱。早年的資料闡明，在干式運(yùn)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，該資料因其耐高溫性能差而易消費(fèi)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)偶資料采

17、用鑄鐵對(duì)摩擦系數(shù)沒有多大的影響，主要是運(yùn)用壽命不及鋼對(duì)偶。 4 開展方向 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的迅速開展對(duì)摩擦資料提出了越來越高的要求，為了順應(yīng)這種需求，機(jī)理研討和根底實(shí)驗(yàn)任務(wù)不斷沒有停頓過，對(duì)新型摩擦資料的研討也將是今后摩擦資料開展的重點(diǎn)，主要是開展性能優(yōu)良、造價(jià)低廉的新型資料。 4.1 摩擦磨損實(shí)際與外表破壞機(jī)理的研討 摩擦與磨損是摩擦學(xué)研討的兩個(gè)中心問題，學(xué)派甚多。當(dāng)前較為廣泛流行的摩擦實(shí)際是分子-機(jī)械實(shí)際。近年來，對(duì)摩擦過程中摩擦外表的破壞也頗有研討，證明磨損的產(chǎn)生是氧化、磨粒磨損、轉(zhuǎn)化反響和層面疲勞的綜協(xié)作用，只是在一定條件下，某一要素突出，成為主要磨損緣由。 摩擦發(fā)生在兩個(gè)接觸外表，

18、接觸外表的“膜的力學(xué)、理化性能，特別是其與基體資料的粘結(jié)強(qiáng)度等都決議著摩擦偶的摩擦磨損性能。80年代以來 ，對(duì)產(chǎn)生在摩擦外表的光滑膜和氧化膜作了更為深化的研討，獲得了一些成果。特別是借助于現(xiàn)代測(cè)試手段來進(jìn)一步探測(cè)外表層的組織與構(gòu)造，觀測(cè)其構(gòu)成與破壞，系統(tǒng)地研討了外表破壞機(jī)理。摩擦接觸面上同時(shí)產(chǎn)生的三種相互關(guān)聯(lián)過程，即外表相互作用、固體表層和外表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、周圍介質(zhì)的性質(zhì)和實(shí)踐任務(wù)形狀相互之間的作用和影響，一切這些細(xì)節(jié)，將會(huì)更進(jìn)一步地深化研討下去。 4.2 新型摩擦資料的研討 一個(gè)值得留意的趨勢(shì)是為了順應(yīng)不同的工況，已研制和開展了一些新型摩擦資料，如紙基、

19、半金屬、碳基等摩擦資料。雖然這些資料不屬于粉末冶金范疇，但是它們同屬于摩擦資料領(lǐng)域。由于這些資料的制造設(shè)備、制造工藝、測(cè)試方法、設(shè)計(jì)根據(jù)、所用原資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)界限，逐漸地向摩擦制品，即按大產(chǎn)品分類的格局開展。 4.2.1 開展用金屬纖維強(qiáng)化的復(fù)合資料 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)阻止外表裂紋的擴(kuò)展起到了很好的作用。這類資料是大有開展出路的。 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，兩者均可滿足一些特殊工況的運(yùn)用。 4.2.2 開展半金屬摩擦資料 半金屬資料是由高碳鐵