烧结金属摩擦材料现状与发展动态34274142847.docx

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.烧结金属摩摩擦材料现现状与发展展动态1 前言 烧结金属摩摩擦材料是是以金属及及其合金为为基体，添添加摩擦组组元和润滑滑组元，用用粉末冶金金技术制成成的复合材材料，是摩摩擦式离合合器与制动动器的关键键组件。它它具有足够够的强度，合合适而稳定定的摩擦系系数，工作作平稳可靠靠，耐磨及及污染少等等优点，是是现代摩擦擦材料家族族中应用面面最大、量量最大的材材料。 用粉末冶金金技术制造造烧结金属属摩擦材料料已有700年的历史史，19229年美国国开始了这这项工作的的研究

2、，330年代末末期首先将将该材料用用在了D-7、D-8铲运机机中的离合合器片上。发发展到现在在，所有载载荷量高的的飞机，包包括米格、伊伊尔、波音音707、7747和三三叉戟等，其其制动器摩摩擦衬材料料都采用了了烧结金属属摩擦材料料。在我国国，特别是是在19665年以后后，烧结金金属摩擦材材料的科研研、生产得得到迅速发发展。迄今今，我国已已有十多个个具有一定定生产规模模的生产企企业，年产产铜基和铁铁基摩擦制制品约8550万件，广广泛应用于于飞机、船船舶、工程程机械、农农业机械、重重型车辆等等领域，基基本满足了了国内主机机配套和引引进设备摩摩擦片的备备件供应和和使用要求求。 2 制造方方法与工艺艺

3、研究 2.1 制制造方法 目前，国内内外烧结金金属摩擦材材料的生产产仍主要沿沿用19337年美国国SKWelllman及及其同事们们创造的钟钟罩炉加压压烧结法(压烧法)，该方法法的基本工工序是：钢钢背板加工工去油、电电镀铜层(或铜、锡锡层)；配配方料混合合压制成薄薄片与钢背板板烧结成一一体加工沟槽槽及平面。由由于传统的的压烧法存存在着能耗耗大、生产产效率相对对低、原材材料粉末利利用率低、成成本高等缺缺点。因此此，一些国国家对传统统工艺作了了一些改进进，同时十十分注重新新工艺的研研究，在改改善或保证证产品性能能前提下探探索和寻求求提高经济济效益的途途径。 新的制造工工艺相继问问世，其中中最令人瞩

4、瞩目的是喷喷撒工艺(Spriinkliing ppowdeer prroceddure)，它以生生产的高效效率和显著著的经济效效益独具优优势。喷撒撒工艺法以以工业规模模生产烧结结金属摩擦擦材料始于于70年代代，美国的的威尔曼、西西德的奥林林豪斯和尤尤里特、奥奥地利的米米巴等企业业拥有这项项技术。880年代中中期，杭州州粉末冶金金研究所从从奥地利米米巴公司引引进了该技技术。 喷撒工艺的的基本流程程是：钢背背板在溶剂剂(如四氯氯化碳中脱脱脂处理(或钢背板板电镀)在钢背板板上喷撒上上混合材料料预烧压沟槽终烧精整。 与传统的压压烧法相比比，喷撒工工艺主要有有下列一些些优点： (1)实现现了无加压压连续

5、烧结结，耗能低低。 (2)采用用松散烧结结，粉末还还原充分，可可获得高孔孔隙度的摩摩擦衬层，对对提高摩擦擦系数极为为有利。 (3)用功功能覆盖和和冷压方法法替代切削削加工制取取油槽，经经济而有高高效。 (4)采用用精整平面面取代切削削加工，材材料利用率率高，产品品厚度和平平行度精度度高。 (5)可以以根据要求求制取摩擦擦衬层极薄薄的摩擦片片(0.220.335mm)，而用其其它工艺则则难以达到到。 已有的数据据表明。喷喷撒工艺法法较压烧法法可节约铜铜、锡、铅铅等有色金金属粉末约约45%，节节电约755%，节省省工时约440%。 目前喷撒工工艺法似乎乎主要用于于制造厚度度较薄的铜铜基摩擦材材料，

6、而用用于制取铁铁基摩擦材材料，仅见见一例。 国内外粉末末冶金同行行们还发明明了20余余种制取方方法 ，投投入应用和和有前途的的主要有以以下几种： 2.1.11 冲切法法 一种工艺是是先冲后烧烧，混好的的配方粉料料从料斗经经溜槽进入入下面有带带状输送带带的定量斗斗，自动送送入压力机机压实成薄薄片，然后后冲切成所所需形状，烧烧结后即为为成品。该该工艺连续续加压，不不需压模，粉粉层密度、强强度均匀一一致，粉层层厚度调节节方便；另另一种是先先烧后冲，即即在钢带上上撒粉后先先松散烧结结，尔后冲冲切成形。其其缺点是钢钢带进炉烧烧结易变形形，引起粉粉末层震动动移位，造造成粉层厚厚薄不匀。为为克服这一一缺点，

7、该该专利提出出，在钢带带背面涂上上炭黑，先先进入预氧氧化烧结炉炉，以155/s快速速升到4000(铜基)，然后再再进入慢升升温加热炉炉(5/s)，在在还原气氛氛中烧结，可可得到均匀匀的摩擦衬衬层。 2.1.22 等离子子喷涂法 该法适用于于喷涂耐高高温的摩擦擦材料。如如Co、MMg、Tii、W、CCr以及碳碳化物、氧氧化物的混混合物，保保护气氛为为含20%氢气和880%氩气气的混合气气体，喷涂涂温度高达达1500020000，喷涂速速度500010000g/hh，所得喷喷涂层硬度度10000HV。该该法特别适适用于制取取电磁离合合器与制动动装置摩擦擦片。 对于需要轻轻的摩擦组组件，往往往以铝来

8、替替代钢，但但铝不耐磨磨，在其表表面喷涂一一层金属陶陶瓷耐磨层层，可获得得陶瓷硬而而耐磨与金金属延展性性好及耐冲冲击二者相相结合的优优点。陶瓷瓷与金属的的重量比为为85：115到755：25，只只要确保在在热喷涂中中金属能完完全熔化(不能超过过金属的气气化点)，就就可以保证证质量。 2.1.33 电解沉沉积充填法法 先在金属或或石墨处理理过的多孔孔材料上用用电解沉积积法形成金金属骨架。多多孔材料一一般用凝聚聚纤维，如如海绵、泡泡沫材料。金金属骨架形形成后，多多孔材料可可以留在内内部，也可可以通过加加热熔化或或烧除，再再用摩擦材材料填充金金属骨架间间隙，填充充的摩擦材材料可以是是金属，如如Pb、

9、SSn等，也也可用热固固性树脂。金金属骨架只只占整个体体积的100%300%。填充充好摩擦材材料后成为为摩擦衬，可可采用锡焊焊或铜焊将将其焊接到到钢背上，也也可用环氧氧树脂等粘粘结剂粘贴贴到钢背上上。 2.1.44 电阻烧烧结法 将钢背板镀镀上一层焊焊料(Cuu、Cu-Sn、CCu-Znn、Sn或或Ni)，再再将已压制制成形的摩摩擦衬放置置到钢背板板预定的位位置上，送送入加压机机，一边加加压，一边边输入大电电流(1例例为52kkA，另11例为4kkA)，维维持十几秒秒钟，就烧烧结好了。此此法的优点点是钢背板板不受高温温影响，花花键与齿形形部位强度度不会降低低。 另一专利介介绍：在压压模中设计计

10、有电极，装装足粉后，放放上经过电电镀的钢背背板，然后后一边加压压，一边通通电，电流流101100kAA(5.4454A/mm2)，烧结115s即成成。有1例例，摩擦衬衬面积18840mmm2，摩擦擦衬层厚44.6mmm，通电流流22kAA，过8ss后电流升升至38kkA，加压压5.4MMPa，摩摩擦层相对对密度达到到87.88%。 2.1.55 感应加加热冲击法法 工序是：将将摩擦材料料衬的预烧烧结坯放入入承受盘中中，在保护护气氛中感感应加热，温温度控制在在916以上，时时间一般不不少于5mmin。从从感应器中中取出后即即行单向冲冲击，使摩摩擦层与承承受盘形成成键接。 2.1.66 气相沉沉积

11、法 一般的TiiC材料摩摩擦系数值值很小，但但用气相沉沉积法制取取，摩擦系系数就很大大，可达00.4，且且耐高温，在在试验台上上试温，温温升至10090材料还无无衰退迹象象。载体用用石墨而不不用钢，石石墨和TiiC都很轻轻，适用于于飞机。它它的制法是是 ：把用用石墨制成成的的载体体置入一容容器中，加加热温度高高达10550，气氛为为碳氢化合合物，(可可用甲烷)与TiCCl，其中中TiCll含量不能能少于0.5%(体体积分数),甲烷与与TiCll以1m/min的的速度进行行环流,到到一定时间间即成。 2.2 工工艺研究 烧结金属摩摩擦材料的的工艺研究究近年取得得很大的进进展，申请请的专利很很多。

12、 专利144，15提出了改改进现行工工艺的方法法，建议将将含有Fee、Mo元元素的铜基基摩擦材料料的烧结冷冷却速度提提高到1000/minn，促使FFe-Moo相析出，因因为Fe-Mo相的的硬度大于于700HHV，可以以大大提高高材料的强强度。 专利166建议将将铁基材料料置于S和和Mn中进进行扩散烧烧结，因为为S和Mnn能向其表表面层扩散散并促使铁铁基体中奥奥氏体稳定定。扩散烧烧结的铁基基制品表层层形成较多多的硫化物物，表面硬硬度为20003000HV，经经精整上升升到60007000HV，从从而提高了了制品的耐耐磨性。 专利177提出了了预制粉末末以获得最最佳粉末混混合料的方方法。提出出石

13、墨在使使用前需先先进行特殊殊处理：将将选用的细细晶粒石墨墨粉先与55%455%软金属属(Cu、SSn、All、Pb等等)混合，然然后混合料料在0.0020.025MMPa的压压力下压制制成一定大大小的生坯坯，再于保保护气氛中中加压烧结结(1MPPa)。制制得烧结坯坯后再经粉粉碎，按所所需颗粒尺尺寸过筛后后再与摩擦擦材料的其其它组分混混合，经过过这样的处处理，摩擦擦衬层组分分不易偏析析、分层，加加工性能好好，与钢背背板的粘结结良好。 3 材质与与配方研究究 3.1 提提高并稳定定摩擦系数数的研究 足够高的摩摩擦系数和和热稳定性性是制动或或离合可靠靠与稳定的的必要条件件。近年来来对提高摩摩擦系数和

14、和热稳定性性的研究主主要从选用用合适的摩摩擦组元和和探索新的的摩擦与抗抗咬合添加加剂入手。文文献188赞成以以Zr-SSiO4部部分或全部部代替SiiO2或AAl2O33，认为这这对重载下下提高摩擦擦系数特别别有利(摩摩擦系数：铜基0.30，铁铁基0.442)，耐耐磨性也有有改善(磨磨损：铜基基2.1*10-88cm3/J，铁基基2.5*10-88cm3/J)。文文献199认为ZZr-SiiO4作为为摩擦质点点，不仅可可以提高摩摩擦系数，而而且可以减减少对偶的的磨损。另另外，在铜铜基或铁基基中加入TTiO2或或再加入多多元氧化物物(如ZrrO2、MMgO、CCr2O33、BeOO、CaOO)以

15、及玻玻璃陶瓷粉粉作为摩擦擦组元，使使摩擦表面面生成氧化化膜，以稳稳定在高速速工况下的的摩擦系数数。对于摩摩擦组元的的选择，前前苏联在铜铜基材料中中加入难熔熔金属(WW、Cr等等)的硼化化物，得到到了满意的的效果。德德国则更多多的是在材材料中加入入TiC、ZZrC、ZZrO2等等来提高摩摩擦系数，如如含有TiiC、ZrrO2时，其其摩擦系数数可达0.4，而且且导热性能能很好。 在铁基材料料中广泛使使用MoSS2、WSS2、BNN来调整摩摩擦系数，改改善抗擦伤伤性能。对对高温重载载工况，则则更多采用用BaSOO4、CaaF2等来来提高摩擦擦系数稳定定性。 3.2 提提高材料耐耐磨性的研研究 将石墨

16、、MMoS2、PPb、Snn、Be等等作为润滑滑组元以提提高材料的的耐磨性得得到了普遍遍肯定。以以BN作为为润滑组元元已引起广广泛的兴趣趣。在烧结结过程中，BBN十分稳稳定，既不不会分解又又不会被烧烧损，在摩摩擦过程中中保持良好好的润滑，促促使形成薄薄膜，改良良了耐磨性性。已被广广泛用作润润滑组元的的硫及硫化化物，对耐耐磨性能的的改善有较较大作用。中中国、日本本、前苏联联对此作了了大量的研研究。 石墨作为一一种固体润润滑剂，似似乎是所有有烧结摩擦擦材料必加加的组元。在在高温下，石石墨具有极极高的强度度，使用温温度可达33500，具有优优良的高温温固体润滑滑特性。 根据对材料料性能的不不同要求，

17、石石墨添加量量的范围很很大，最高高达30%，其颗粒粒形态、大大小、粒度度组成及其其在材料基基体中的分分布状态，对对材料性能能产生很大大的影响，对对铁基摩擦擦材料的影影响尤甚。 材料中大量量的游离石石墨在摩擦擦过程中不不断覆盖摩摩擦界面，形形成稳定的的润滑工作作层，防止止了摩擦副副的咬合，也也起到了很很好的减摩摩作用。 关于石墨的的含量、形形态对耐磨磨性能的影影响已有不不少的论著著，文献24对对加入之石石墨规定：人造石墨墨(电极石石墨)占88%，天然然石墨(鳞鳞片状)占占7%，两两者粒度均均为60800uum。 3.3 改改善材料基基体结构和和强度的研研究 基体强度是是材料承载载能力的反反映，而

18、基基体强度在在很大程度度上取决于于基体成分分、结构和和力学物理理性能。现现代机械向向高速重载载发展，对对摩擦材料料的高温性性能提出了了更高的要要求。总的的来说，各各国的材料料研究者主主要从两个个方面入手手改善材料料基体结构构和强度。 用合金元素素固溶强化化基体是改改善材料基基体结构的的重要手段段之一。对对于铁基材材料，通常常以加入NNi、Crr、Mo、WW、Mn来来强化基体体或活化烧烧结过程。加加入Ni、CCr、Moo则对提高高材料的高高温性能有有利。文献献25采用CaaSi2、SSi、SiiC及FeeSi2使使Si与CCa和基体体铁形成合合金。西德德与英国则则用W-FFe作为合合金元素加加入

19、铁基材材料中，基基体强化效效果显著，适适用于高温温工况。 国外系统地地研究了SSn的含量量对铜基材材料性能的的影响，认认为Sn的的理想加入入量在7%12%。不过，乌乌克兰科学学院材料研研究所用铝铝青铜代替替锡青铜，在在高负荷工工况下，铝铝青铜材料料的强度、高高温强度、耐耐蚀性能和和使用性能能均超过了了锡青铜，当当基体中含含铝为100%111%时，摩摩擦材料具具有最大的的摩擦系数数，最小的的磨损量，综综合性能优优异。 另一项强化化手段是纤纤维强化。在在较软的基基体中加入入具有较高高强度的金金属纤维或或碳素纤维维，如加入入钢纤维(拉拔状态态的钢纤维维抗拉强度度可达41100MPPa)后使使材料强度

20、度和塑性大大大提高。碳碳素纤维及及其复合材材料具有高高比强度、高高比模量、高高耐热性和和抗疲劳性性能，但因因成本高、制制造工艺复复杂，目前前应用似仅仅限于航天天航空等尖尖端领域。 3.4 对对偶材料对对摩擦性能能影响的研研究 和前三种研研究相比，这这方面的研研究较薄弱弱。早年的的资料表明明，在干式式应用中，灰灰口铸铁是是首选的对对偶材质。在在热负荷较较大的工况况下，该材材料因其耐耐高温性能能差而易生生产龟裂，所所以往往采采用合金铸铸铁、铸钢钢或合金钢钢。在湿式式工况中，对对偶材料采采用铸铁对对摩擦系数数没有多大大的影响，主主要是使用用寿命不及及钢对偶。 4 发展方方向 现代科学技技术和工业业的

21、迅速发发展对摩擦擦材料提出出了越来越越高的要求求，为了适适应这种需需要，机理理研究和基基础试验工工作一直没没有停顿过过，对新型型摩擦材料料的研究也也将是今后后摩擦材料料发展的重重点，主要要是发展性性能优异、造造价低廉的的新型材料料。 4.1 摩摩擦磨损理理论与表面面破坏机理理的研究 摩擦与磨损损是摩擦学学研究的两两个中心问问题，学派派甚多。当当前较为广广泛流行的的摩擦理论论是分子-机械理理论。近年年来，对摩摩擦过程中中摩擦表面面的破坏也也颇有研究究，证明磨磨损的产生生是氧化、磨磨粒磨损、转转化反应和和层面疲劳劳的综合作作用，只是是在一定条条件下，某某一因素突突出，成为为主要磨损损原因。 摩擦发

22、生在在两个接触触表面，接接触表面的的“膜”的力学、理理化性能，特特别是其与与基体材料料的粘结强强度等都决决定着摩擦擦偶的摩擦擦磨损性能能。80年年代以来 ，对产生生在摩擦表表面的润滑滑膜和氧化化膜作了更更为深入的的研究，取取得了一些些成果。特特别是借助助于现代测测试手段来来进一步探探测表面层层的组织与与结构，观观测其形成成与破坏，系系统地研究究了表面破破坏机理。摩摩擦接触面面上同时产产生的三种种相互关联联过程，即即表面相互互作用、固固体表层和和表面膜在在摩擦力作作用下的变变化和表层层破坏对摩摩擦副性能能的影响、周周围介质的的性质和实实际工作状状态相互之之间的作用用和影响，所所有这些细细节，将会

23、会更进一步步地深入研研究下去。 4.2 新新型摩擦材材料的研究究 一个值得注注意的趋势势是为了适适应不同的的工况，已已研制和发发展了一些些新型摩擦擦材料，如如纸基、半半金属、碳碳基等摩擦擦材料。虽虽然这些材材料不属于于粉末冶金金范畴，但但是它们同同属于摩擦擦材料领域域。因为这这些材料的的制造设备备、制造工工艺、测试试方法、设设计依据、所所用原材料料等有相通通和类似之之处，所以以已有越来来越多的粉粉末冶金摩摩擦制品企企业突破了了现有的粉粉末冶金行行业界线，逐逐步地向摩摩擦制品，即即按大产品品分类的格格局发展。 4.2.11 发展用用金属纤维维强化的复复合材料 用金属纤维维强化，大大大提高了了基体

24、的强强度，改善善了基体的的导热性能能，对阻止止表面裂纹纹的扩展起起到了很好好的作用。这这类材料是是大有发展展前途的。 用耐高温并并且有高摩摩擦系数的的金属陶瓷瓷作复合相相，或用难难熔化合物物粉末作复复合相，两两者均可满满足一些特特殊工况的的应用。 4.2.22 发展半半金属摩擦擦材料 半金属材料料是由高碳碳铁粉、石石墨、二硫硫化钼、无无机纤维(石棉纤维维等)及一一定数量的的热固性树树脂，通过过热压制成成的。该材材料摩擦系系数高、耐耐磨性好，适适合汽车使使用，但由由于其耐热热性差，不不能用于高高负荷工况况。 自19722年国际肿肿瘤医学院院研究会确确认石棉为为致癌物质质后，西方方国家纷纷纷采取措

25、施施，对石棉棉树脂摩擦擦材料加以以限制，规规定了使用用年限。据据此，必须须尽快找到到新型的符符合安全环环保标准的的高性能材材料来取代代石棉树脂脂和含石棉棉的半金属属摩擦材料料，于是研研制出了以以钢纤维、矿矿物纤维、玻玻璃纤维和和有机纤维维来代替石石棉纤维。 80年代中中期以后，世世界汽车工工业急速向向高速、轻轻型化方向向发展，制制动系统相相应不断改改进和完善善，针对前前期推出的的半金属型型材料存在在的诸如钢钢纤维容易易锈蚀、易易粘着或损损伤对偶以以及热传导导率高引起起粘结剂分分解而使摩摩擦衬与钢钢背板出现现分离等缺缺点加以改改进。为此此，美国BBendiix公司投投入1亿美美元用于专专项质量改

26、改进。欧洲洲的主要工工业国家也也在解决材材料性能、生生产工艺、制制造成本等等相关问题题上投入了了不少的资资金。 4.2.33 发展铝铝基摩擦材材料 铝基摩擦材材料发展缓缓慢是有它它的一些特特殊原因的的，但铝重重量轻、耐耐腐蚀、不不导磁、高高导电导热热性、比强强度高，而而且可以采采用弥散强强化手段来来强化基体体，所以其其研发工作作备受关注注。 由雾化粉末末快速固化化铝合金发发展出的新新型高温、高高强摩擦材材料具有热热稳定弥散散相，比传传统时效硬硬化材料更更优越，可可在3500以上使用用，通过AAl3Zrr和Al66Mn弥散散相和晶粒粒细化还可可进一步提提高力学性性能。所有有这些特点点，赋予铝铝基摩擦材材料广阔的的发展前景景。AlSSi基高级级铝合金摩摩擦材料已已经问世。