燒結(jié)金屬摩擦材料現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)

燒結(jié)金屬摩擦質(zhì)料現(xiàn)狀與生長動態(tài)

1刖百

燒結(jié)金屬摩擦質(zhì)料是以金屬及其合金為基體，添加摩擦組元

和潤滑組元，用粉末冶金技能制成的復(fù)合質(zhì)料，是摩擦式離

合器與制動器的要害組件。它具有足夠的強(qiáng)度，符合而穩(wěn)定

的摩擦系數(shù)，事情平穩(wěn)可靠，耐磨及污染少等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代

摩擦質(zhì)料家屬中應(yīng)用面最大、量最大的質(zhì)料。

用粉末冶金技能制造燒結(jié)金屬摩擦質(zhì)料已有70年的歷史，

1929年美國開始了這項(xiàng)事情的研究，30年代末期首先將該

質(zhì)料用在了D-7、D-8鏟運(yùn)機(jī)中的離合器片上。生長到現(xiàn)在,

所有載荷量高的飛機(jī)，包羅米格、伊爾、波音707、747和

三叉戟等，其制動器摩擦襯質(zhì)料都接納了燒結(jié)金屬摩擦質(zhì)

料。在我國，特別是在1965年以后，燒結(jié)金屬摩擦質(zhì)料的

科研、生產(chǎn)得到迅速生長。迄今，我國已有十多個具有一定

生產(chǎn)范圍的生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)銅基和鐵基摩擦制品約850萬件,

遍及應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、工程機(jī)器、農(nóng)業(yè)機(jī)器、重型車輛等

領(lǐng)域，根本滿足了海內(nèi)主機(jī)配套和引進(jìn)設(shè)備摩擦片的備件供

給和使用要求。

2制造要領(lǐng)導(dǎo)工藝研究

2.1制造要領(lǐng)

目前，海內(nèi)外燒結(jié)金屬摩擦質(zhì)料的生產(chǎn)仍主要沿用1937年

美國S-K-Wellman及其同事們創(chuàng)造的鐘罩爐加壓燒結(jié)法（壓

燒法），該要領(lǐng)的根本工序是：鋼背板加工一去油、電鍍銅

層(或銅、錫層)；配方料混淆一壓制成薄片一與鋼背板燒結(jié)

成一體一加工溝槽及平面。由于傳統(tǒng)的壓燒法存在著能耗

大、生產(chǎn)效率相對低、原質(zhì)料粉末利用率低、本錢高等缺點(diǎn)。

因此，一些國度對傳統(tǒng)工藝作了一些革新，同時十分注重新

工藝的研究，在改進(jìn)或包管產(chǎn)物性能前提下探索和尋求提高

經(jīng)濟(jì)效益的途徑C

新的制造工藝相繼問世，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。噴撒工藝法以產(chǎn)業(yè)范圍生產(chǎn)燒結(jié)金

屬摩擦質(zhì)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(xiàng)技能。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)了該技能。

噴撒工藝的根本流程是：鋼背板在溶劑(如四氯化碳中脫脂

處置懲罰(或鋼背板電鍍)一在鋼背板上噴撒上混淆質(zhì)料一

預(yù)燒一壓溝槽一終燒一精整。

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)：

⑴實(shí)現(xiàn)了無加壓連續(xù)燒結(jié)，耗能低。

⑵接納松散燒結(jié)，粉末還原充實(shí)，可得到高孔隙度的摩擦

襯層，對提高摩擦系數(shù)極為有利。

⑶用功效籠罩和冷壓要領(lǐng)替代切削加工制取油槽，經(jīng)濟(jì)而

有高效。

(4)接納精整平面取代切削加工，質(zhì)料利用率高，產(chǎn)物厚度

寧靜行度精度高c

⑸可以憑據(jù)要求制取摩擦襯層極薄的摩擦片(0.2~

0.35mm),而用其它工藝則難以到達(dá)。

已有的數(shù)據(jù)表明c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虬

目前噴撒工藝法似乎主要用于制造厚度較薄的銅基摩擦質(zhì)

料，而用于制取鐵基摩擦質(zhì)料，僅見一例。

海內(nèi)外粉末冶金同行們還發(fā)明了20余種制取要領(lǐng)，投入應(yīng)

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(jìn)入下

面有帶狀輸送帶的定量斗，自動送入壓力機(jī)壓實(shí)成薄片，然

后沖切成所需形狀，燒結(jié)后即為制品。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)治方便；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，引起粉末層震動移位,

造成粉層厚薄不勻。為克服這一缺點(diǎn)，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

400c（銅基），然后再進(jìn)入慢升溫加熱爐（5C/s）,在還原氣

氛中燒結(jié)，可得到均勻的摩擦襯層。

等離子噴涂法

該法適用于噴涂耐高溫的摩擦質(zhì)料。如Co、Mg、Ti、W、Cr

以及碳化物、氧化物的混淆物，掩護(hù)氣氛為含20%氫氣和80%

氤氣的混淆氣體，噴涂溫度高達(dá)1500?2000C,噴涂速度

500?1000g/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。

對付需要輕的摩擦組件，往往以鋁來替代鋼，但鋁不耐磨，

在其外貌噴涂一層金屬陶瓷耐磨層，可得到陶瓷硬而耐磨與

金屬延展性好及耐打擊二者相結(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（不能凌駕金屬的氣化點(diǎn)），就可以包管質(zhì)量。

電解沉積充填法

先在金屬或石墨處置懲罰過的多孔質(zhì)料上用電解沉積法形

成金屬骨架。多孔質(zhì)料一般用凝聚纖維，如海綿、泡沫質(zhì)料。

金屬骨架形成后，多孔質(zhì)料可以留在內(nèi)部，也可以通過加熱

熔化或燒除，再用摩擦質(zhì)料填充金屬骨架間隙，填充的摩擦

質(zhì)料可以是金屬，如Pb、Sn等，也可用熱固性樹脂。金屬

骨架只占整個別積的10%?30虬填充好摩擦質(zhì)料后成為摩擦

襯，可接納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。

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安排到鋼背板預(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)度不會低落。

另一專利介紹：在壓模中設(shè)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10~

100kA（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,摩擦層相對密度到達(dá)87.8%。

感到加熱打擊法

工序是：將摩擦質(zhì)料襯的預(yù)燒結(jié)坯放入蒙受盤中，在掩護(hù)氣

氛中感到加熱，溫度控制在916c以上，時間一般不少于

5mino從感到器中取出后即行單向打擊，使摩擦層與蒙受盤

形成鍵接。

氣相沉積法

一般的TiC質(zhì)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)臺上試溫，溫

升至1090℃質(zhì)料還無衰退跡象。載體用石墨而不消鋼，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)?/p>

化合物，（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lm/min的速度進(jìn)行環(huán)流,到

一定時間即成。

2.2工藝研究

燒結(jié)金屬摩擦質(zhì)料的工藝研究近年取得很大的進(jìn)展，申請的

專利許多。

專利［14,15］提出了革新現(xiàn)行工藝的要領(lǐng)，發(fā)起將含有Fe、

Mo元素的銅基摩擦質(zhì)料的燒結(jié)冷卻速度提高到100℃/min,

促使Fe-Mo相析出，因?yàn)镕e-Mo相的硬度大于700HV,可以

大大提高質(zhì)料的強(qiáng)度。

專利［16］發(fā)起將鐵基質(zhì)料置于S和Mn中進(jìn)行擴(kuò)散燒結(jié)，因

為S和Mn能向其外貌層擴(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，外貌硬度為

200-300HV,經(jīng)精整上升到600?700HV,從而提高了制品的

耐磨性。

專利［17］提出了預(yù)制粉末以得到最住粉末混淆料的耍領(lǐng)。提

出石墨在使用前需先進(jìn)行特殊處置懲罰：將選用的細(xì)晶粒石

墨粉先與5%?45%軟金屬（Cu、Sn、AhPb等）混淆，然后混

淆料在0.02~0.025Mpa的壓力下壓制成一定巨細(xì)的生坯，

再于掩護(hù)氣氛中加壓燒結(jié)（IMPa）。制得燒結(jié)坯后再經(jīng)破壞，

按所需顆粒尺寸過篩后再與摩擦質(zhì)料的其它組分混淆，經(jīng)過

這樣的處置懲罰，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)定性是制動或離合可靠與穩(wěn)定的

須要條件。近年來對提高摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性的研究主要從

選用符合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-Si04部門或全部取代SiO2或A12城,認(rèn)

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）,耐磨性也有改進(jìn)（磨損:銅基2.l*10-8cm3/J,

鐵基2.5*10-8cm3/J）。文獻(xiàn)［19］認(rèn)為Zr-Si04作為摩擦質(zhì)點(diǎn),

不但可以提高摩擦系數(shù)，并且可以淘汰對偶的磨損。另外，

在銅基或鐵基中參加Ti02或再參加多元氧化物（如Zr02>

MgO、Cr203、BeO、CaO）以及玻璃陶瓷粉作為摩擦組元，使

摩擦外貌生成氧化膜，以穩(wěn)定在高速工況下的摩擦系數(shù)。對

付摩擦組元的選擇，前蘇聯(lián)在銅基質(zhì)料中參加難熔金屬（W、

Cr等）的硼化物，得到了滿意的效果。德國則更多的是在質(zhì)

料中參加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(dá)0.4,并且導(dǎo)熱性能很好。

在鐵基質(zhì)料中遍及使用MoS2、WS2、BN來調(diào)解摩擦系數(shù)，改

進(jìn)抗擦傷性能。對高溫重載工況，則更多接納BaS04、CaF2

等來提高摩擦系數(shù)穩(wěn)定性。

3.2提高質(zhì)料耐磨性的研究

將石墨、MoS2、Pb、Sn、Be等作為潤滑組元以提高質(zhì)料的耐

磨性得到了普遍肯定。以BN作為潤滑組元已引起遍及的興

趣。在燒結(jié)歷程中，BN十分穩(wěn)定，既不會剖析又不會被燒損,

在摩掠歷程中保持良好的潤滑，促使形成薄膜，改進(jìn)了耐磨

性。已被遍及用作潤滑組元的硫及硫化物，對耐磨性能的改

進(jìn)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(jié)摩擦質(zhì)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

℃,具有優(yōu)良的高溫固體潤滑特性。

憑據(jù)對質(zhì)料性能的差別要求，石墨添加量的范疇很大，最高

達(dá)30%,其顆粒形態(tài)、巨細(xì)、粒度組成及其在質(zhì)料基體中的

漫衍狀態(tài)，對質(zhì)料性能產(chǎn)生很大的影響，對鐵基摩擦質(zhì)料的

影響尤甚。

質(zhì)料中大量的游離石墨在摩掠歷程中不?；\罩摩擦界面，形

成穩(wěn)定的潤滑事情層，防備了摩擦副的咬合，也起到了很好

的減摩作用。

關(guān)于石墨的含量、形態(tài)對耐磨性能的影響已有不少的論著，

文獻(xiàn)［24］對參加之石墨劃定：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60~800umo

3.3改進(jìn)質(zhì)料基體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的研究

基體強(qiáng)度是質(zhì)料承載能力的反應(yīng)，而基體強(qiáng)度在很大水平上

取決于基體身分、結(jié)構(gòu)和力學(xué)物理性能?，F(xiàn)代機(jī)器向高速重

載生長，對摩擦質(zhì)料的高溫性能提出了更高的要求?？偟膩?/p>

說，各國的質(zhì)料研究者主要從兩個方面入手改進(jìn)質(zhì)料基體結(jié)

構(gòu)和強(qiáng)度。

用合金元素固溶強(qiáng)化基體是改進(jìn)質(zhì)料基體結(jié)構(gòu)的重要手段

之一。對付鐵基質(zhì)料，通常以參加Ni、Cr、Mo、W、Mn來強(qiáng)

化基體或活化燒結(jié)歷程。參加Ni、Cr、Mo則對提高質(zhì)料的

高溫性能有利。文獻(xiàn)［25］接納CaSi2、Si、SiC及能Si2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

元素參加鐵基質(zhì)料中，基體強(qiáng)化效果顯著，適用于高溫工況。

外洋系統(tǒng)地研究了Sn的含量對銅基質(zhì)料性能的影響，認(rèn)為

Sn的理想?yún)⒓恿吭?%?12虬不外，烏克蘭科學(xué)院質(zhì)料研究

所用鋁青銅取代錫青銅，在高負(fù)荷工況下，鋁青銅質(zhì)料的強(qiáng)

度、高溫強(qiáng)度、耐蝕性能和使用性能均凌駕了錫青銅，當(dāng)基

體中含鋁為10%?11%時，摩擦質(zhì)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(xiàng)強(qiáng)化手段是纖維強(qiáng)化。在較軟的基體中參加具有較高

強(qiáng)度的金屬纖維或碳素纖維，如參加鋼纖維（拉拔狀態(tài)的鋼

纖維抗拉強(qiáng)度可達(dá)4100MPa）后使質(zhì)料強(qiáng)度和塑性大大提高。

碳素纖維及其復(fù)合質(zhì)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、制造工藝龐大，目前應(yīng)用似僅

限于航天航空等尖端領(lǐng)域。

3.4對偶質(zhì)料對摩擦性能影響的研究

和前三種研究相比，這方面的研究較單薄。早年的資料表明,

在干式應(yīng)用中，灰口鑄鐵是首選的對偶材質(zhì)。在熱負(fù)荷較大

的工況下，該質(zhì)料因其耐高溫性能差而易生產(chǎn)龜裂，所以往

往接納合金鑄鐵、鑄鋼或合金鋼。在濕式工況中，對偶質(zhì)料

接納鑄鐵對摩擦系數(shù)沒有多大的影響，主要是使用壽命不及

鋼對偶。

4生長偏向

現(xiàn)代科學(xué)技能和產(chǎn)業(yè)的迅速生K對摩擦質(zhì)料提出了越來越

高的要求，為了適應(yīng)這種需要，機(jī)理研究和底子試驗(yàn)事情一

直沒有停頓過，對新型摩擦質(zhì)料的研究也將是今后摩擦質(zhì)料

生長的重點(diǎn)，主要是生長性能優(yōu)異、造價低廉的新型質(zhì)料。

4.1摩擦磨損理論與外貌破壞機(jī)理的研究

摩擦與磨損是摩擦學(xué)研究的兩其中心問題，學(xué)派甚多。當(dāng)前

較為遍及流行的摩擦理論是分子一機(jī)器理論。近年來，對摩

掠歷程中摩擦外貌的破壞也頗有研究，證明磨損的產(chǎn)生是氧

化、磨粒磨損、轉(zhuǎn)化反響和層面疲勞的綜互助用，只是在一

定條件下，某一因素突出，成為主要磨損原因。

摩擦產(chǎn)生在兩個打仗外貌，打仗外貌的“膜”的力學(xué)、理化

性能，特別是其與基體質(zhì)料的粘結(jié)強(qiáng)度等都決定著摩擦偶的

摩擦磨損性能。80年代以來，對產(chǎn)生在摩擦外貌的潤滑膜

和氧化膜作了更為深入的研究，取得了一些結(jié)果。特別是借

助于現(xiàn)代測試手段來進(jìn)一步探測外貌層的組織與結(jié)構(gòu)，觀察

其形成與破壞，系統(tǒng)地研究了外貌破壞機(jī)理。摩擦打仗面上

同時產(chǎn)生的三種相互關(guān)聯(lián)歷程，即外貌相互作用、固體表層

和外貌膜在摩擦力作用下的變革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(shí)際事情狀態(tài)相互之間的作用和

影響，所有這些細(xì)節(jié)，將會更進(jìn)一步地深入研究下去。

4.2新型摩擦質(zhì)料的研究

一個值得注意的趨勢是為了適應(yīng)差別的工況“已研制和生長

了一些新型摩擦質(zhì)料，如紙基、半金屬、碳基等摩擦質(zhì)料。

雖然這些質(zhì)料不屬于粉末冶金領(lǐng)域，但是它們同屬于摩擦質(zhì)

料領(lǐng)域。因?yàn)檫@些質(zhì)料的制造設(shè)備、制造工藝、測試要領(lǐng)、

設(shè)計依據(jù)、所用原質(zhì)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)物分類的格式生長。

生長用金屬纖維強(qiáng)化的復(fù)合質(zhì)料

用金屬纖維強(qiáng)化，大大提高了基體的強(qiáng)度，改進(jìn)了基體的導(dǎo)

熱性能，對阻止外貌裂紋的擴(kuò)展起到了很好的作用。這類質(zhì)

料是大有生長前途的。

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