粉末冶金摩擦材料原料作用分析

高铁粉末冶金刹车片用原材料作用分析粉末冶金摩擦材料的问世距今已有近百年的历史，尤其在近几年发展尤为迅猛。粉末冶金工艺可以将金属和非金属组分的不同性能很好地配合于一种材料中，已有逐渐代替有机物粘结高分子材料的趋势。粉末冶金摩擦材料一般由三部分组成：构成基体金属骨架的组元、润滑组元和摩擦组元。是一种含有金属和非金属多种组分的假合金。1构成基体金属骨架的组元简称基体组元。常用铜、铁、二硫化钼、镍、钛、铬、钼、钨、磷、锡、铝、锌等。基体组元由基本组元和辅助组元两部分组成，基本组元在成分中占的比重最大。在铁基中，基本组元是铁。在铜基中，基本组元是铜。辅助组元与基本组元形成合金，从而改善基本组元的性能，或者是赋予基本组元以某种所需要的性能。辅助组元在铁基材料中有二硫化钼、镍、铬、钼、铜及磷等。在铜基中主要是锡、铝、锌及磷等。粉末冶金摩擦材料的性能、工艺特点在很大程度上取决于基体组元的化学成分、结构和物理机械性能。基体组元保证了材料的承载能力、热稳定性、耐磨性，以及在高温工作时保持住摩擦剂和润滑剂颗粒的能力。一般在粉末冶金摩擦材料中，基体组元占铁基材料的50%~70%，占铜基材料的60%~90%。1.1铁近年来铁基粉末冶金摩擦材料的发展很快，主要是由于它节省有色金属，在高温高负荷下显示出更加优良的摩擦性能，机械强度高，能够承受比较大的压力，因而它应用在很多领域。但是，由于铁与对偶具有很强的亲和性，有利于粘结过程的发展，因此需加入大量的其他元素使铁合金化以降低铁的塑性，提高其强度、屈服极限和硬度，以克服次缺点，但同时也提高了成本和加工工艺复杂度。铁基材料的基体组元中，加入镍、铬、钼，主要目的在于提高材料机械-物理性能和耐热耐腐性能。加入磷，能提高材料的强度，提高耐磨性。加入二硫化钼，能提高材料的机械性能和摩擦性能。加入铜，能提高材料的导热性能，有利于材料的强度。1.2铜铜基粉末冶金摩擦材料具有工艺性能好，摩擦系数稳定，抗粘结、卡滞性能好，导热快等特点，在中高速制动方面使用比较多，比如高铁刹车片基本都是铜基材料。此外，在湿式条件下工作，也具有很高的耐磨性，因而在油中工作的粉末冶金摩擦材料，基本上都是铜基材料。铜基粉末冶金摩擦材料中，加入锡、锌、铝，它们能与铜基体形成固溶体，从而提高了材料的机械物理性能和摩擦性能，对抗腐蚀性能也有很大的好处。此外，铜不仅可以作为基本组元，也可以作为铁基材料的辅助组元。铁基粉末冶金摩擦材料中加入铜，在烧结过程中，只有一小部分溶入铁中，形成固溶体，其余呈游离状态存在。加入铜，增加了材料的导热性能，在高速、高负荷下工作是有利的。加入铜，也有利于材料的机械物理性能。提高了材料的密度。但当含铜超过10%的时候，使材料的耐磨性降低，增加了磨损，且成本会提高。1.3锡在铜做基本组元时，加入4~12%的锡可以使基体具有很高的耐热性、强度和硬度，烧结过程很容易合金化，且压坯强度很高，提高了工艺性。锡也可以防止铜与钢对偶摩擦时，摩擦表面的粘结。但在高温工作时，加入锡会使摩擦系数不稳定，一般加入石墨，二氧化硅等组分能明显提高摩擦性能。锡在高温工作时，会向粘结摩擦层的钢背扩散，引起钢背因晶间腐蚀的破裂。1.4铝铜铝合金具有很高的机械物理性能和减摩性能，比铜锡合金在强度、耐热性、耐蚀性、抗粘结方面好很多。1.5钨、钼、锌、钛这些金属的加入可以强化基体，且这些金属的热容量高，易于氧化，可吸收摩擦过程产生的大量的热。但成本高、加工不方便。此外，钼还可以组织基本组元的氧化，减少了制动中的噪音和振动。1.6二硫化钼二硫化钼是作为铁基材料的基体组元的辅助组元加入的，主要作用是通过在烧结过程中，与基体组元铁发生相互作用，从而改善材料基体的性能，进一步的提高了材料的机械物理性能和摩擦性能。因此，二硫化钼作铁基材料的基体组元加入是很普遍的。我国生产的铁基粉末冶金摩擦材料，几乎全都加入二硫化钼。在铜基材料中，由于烧结温度低，二硫化钼在烧结中的行为很复杂，但作用不明显，并不作为基体组元。二硫化钼在铁基材料的烧结中（一般烧结温度为1000~1100℃），发生分解，析出硫和钼。分解的过程，伴随着硫化铁型的硫化物产生。由二硫化钼还原出来的钼，使铁合金化，材料的机械物理性能发生变化。硫化铁有润滑减摩作用，而且还原出来的钼，还能与碳发生反应，形成碳化钼。所以加入二硫化钼，提高了铁基材料的硬度、抗压强度，提高了摩擦系数，降低了磨损。2润滑组元常用石墨，钼、铜、锌、钨、钡、铁等的硫化物，铜、镍、铁、钴等的磷化物，氮化硼、滑石及低熔点纯金属（铅、锡、铋、锑等）。粉末冶金摩擦材料中加入的润滑组元，应满足以下的要求：具有较高的润滑能力，相对于金属基体来讲是不活泼的，在烧结温度和实际采用的烧结介质中不分解，或分解产物具有良好的润滑性能。润滑组元的加入，有利于材料的抗卡性能、抗粘结性能。提高了材料的耐磨性。特别是有利于对摩材料的耐磨性。使摩擦副的工作更加平稳，但降低了材料的强度和摩擦系数。无论是铁基材料还是铜基材料，一般用石墨和铅作润滑组元，也有用铋来代替铅来作润滑组元的。润滑组元一般占摩擦材料重量的5~25%。铁基材料与对摩材料（铸铁和钢）的焊结倾向大，工作中容易造成不平稳。因此，一般来讲，铁基材料中的润滑组元，比铜基材料占的比例要大一些。2.1石墨石墨是粉末冶金摩擦材料中的最主要的润滑组元，对材料的机械物理性能、摩擦性能和压制性能都有重大的影响。石墨对粉末冶金摩擦材料的影响，与加入的含量、存在的状态有关。摩擦材料中加入的石墨量总是比较大的，一般都在5%以上。在烧结过程中，一部分石墨被烧损，绝大部分呈游离存在。对铁基材料来讲，尚有一部分溶解在铁中，形成铁-碳合金，增加了材料的强度。石墨的烧损量与石墨的含量、烧结温度、保温时间和烧结时的保护气氛有关。还和加入的其他金属材料的氧化程度有关。加入石墨能提高材料的耐磨性，特别是能提高对摩材料的耐磨性，提高摩擦副的抗焊结、抗卡能力，有利于平稳的工作。少量的石墨尚能提高铁基材料的强度和摩擦系数。加入石墨量过多，将会使摩擦材料的机械强度、摩擦系数下降。石墨还可以在摩擦过程中吸收电晕放电和火花放电，减少了摩擦表面的破碎，因而降低了磨损。2.2铅铅能提高材料的磨合性、抗粘结性及耐磨性，但对摩擦系数没有好处。只是对稳定摩擦系数有些帮助。铅的熔点很低，摩擦材料工作时产生的热，可以使铅熔化。熔化了的铅，在工作表面形成一种特殊的金属润滑剂，降低了表面的摩擦系数和温度，对稳定摩擦系数，提高耐磨性有很大的作用。当温度降低，熔融金属又重新凝固，使得摩擦系数提高到原有水平。表面液体润滑膜的形成促使滑动平稳，这点在高温时特别重要，因为正是在高温下金属基体具有很大的粘结和卡滞的倾向。铅的比重很大，一般填加少量的铅，对材料强度影响不大。因为铅在烧结时，形成液相，减少了材料的孔隙，也起到烧结活化剂的作用。由于铅无论和铁还是和铜，都没有明显的溶解作用，因此在材料中起隔离作用。因此，增加铅的含量，会使材料的机械物理性能下降。铅有毒，一般用锑、铋来代替铅。2.3二硫化钼二硫化钼具有层状结晶构造，这就造成了分子间结合力和各个层之间的结合力存在着差别，层与层之间的力相当于范德华力。由于层与层之间相对位移所必需的切向应力不大，因而摩擦系数是低的。工作中产生的微粒对金属存在粘附作用，从而降低磨损。然而，二硫化钼在烧结过程中易被氢气还原，分解为钼和硫溶解到金属基体中，硫生成铜或铁的硫化物，其润滑作用较二硫化钼要差很多。3摩擦组元摩擦组元主要是起调节机械相互作用大小的作用，常用硅、铝、铁、镁、锰、锆、铍、钙、铬、钛、钼、硅铁、硅、铝、铬的氧化物，碳化硅和碳化硼，氮化硅、矿物性的复杂化合物（石棉、莫来石、蓝晶石、硅灰石、高铝红柱石、长石、锂辉石、硅酸铝、硅酸锆、皂土、软锰矿、硅线石、尖晶石）等。石棉由于其在摩擦工作时产生大量粉尘，具有致癌作用，现已禁用。这类组元具有非金属性质，能促进形成多相组织，减少表面粘滞和卡滞。加入摩擦组元，能提高摩擦系数，提高耐磨性和防止焊接。摩擦组元与润滑组元一起，成为摩擦表面薄膜的一部分，使摩擦副具有很高的耐磨性，稳定性和抗焊接性能。摩擦组元有消除配对零件表面上从烧结粉末片转移过来的金属，并使对偶表面擦伤和磨损很小的作用。摩擦剂的基本任务并不是对配对零件材料起一种磨料磨损的作用，而是保证与对偶工作表面适当的啮合，并使对偶表面保持良好的性能。所以在选择摩擦组分时，必须首先注意它与基体相比较的硬度以及它的颗粒形状和大小。对于提高摩擦系数的组分有以下要求：高的熔点和离解热；从室温到烧结或使用温度区间不产生多晶型转变；不与其它组分及烧结中的保护气氛起反应；具有足够高的机械强度和硬度，以保证摩擦过程中大量能量消耗于摩擦剂的磨损上，但也不能过高，否则固体颗粒的强度和硬度太高，破坏的将不是摩擦剂颗粒本身，而在很大程度上磨损了配对零件的材料；摩擦剂具有与基体合金的湿润性或能与它牢固的粘附，在这种情况下，要从基体分离出固体颗粒，将消耗很大的摩擦功，因而促进耐磨性的提高。3.1铁铁可以作为青铜基材料的摩擦剂，主要是铁比铜熔点高且在铜中溶解度很小。很牢固的保持在金属基体中，因此它除增加摩擦系数外，还在一定程度上提高了材料的耐磨性。固定在较软基体中的硬质点也促进磨削作用，有利于防止摩擦表面与对偶的粘结。铁的含量对摩擦时的噪音和振动影响很大，因此一般加入量不要太高。3.2二氧化硅二氧化硅是最常用的摩擦组元，通常叫做石英砂，来源方便，成本很低。摩擦材料采用的是含94%以上二氧化硅的天然棱状结晶石英砂。在摩擦作用中，摩擦系数对二氧化硅的含量很敏感，含量过高会造成对偶的磨损严重。适量的二氧化硅能促使高温下摩擦系数稳定。但加入二氧化硅等非金属添加剂又会很大程度上降低了金属基体的强度。同时，在铁基材料中，高温时二氧化硅中的硅溶解于铁中引起碳化铁含量减少而降低了摩擦性能。3.3莫来石莫来石的加入不会降低金属基体的强度，反而会提高，因此在铁基材料中使用较多。且其具有很高的热稳定性，摩擦系数高，可以代替二氧化硅作摩擦剂。粉末冶金摩擦材料中的三个组成部分，要有一个合适的搭配。根据不同的使用要求，有不同的比例关系。就一般而言，干式应用中的润滑组元比例要大一些；湿式应用中的摩擦组元要多一些；高负荷工作的摩擦材料，基体要强一些，导热要好一些，摩擦组元要多一些，而且摩擦组元要选择那些熔点更高、硬度更高的材料，以保持在更高的温度有较高的摩擦系数。比如高铁刹车片，便要采用铜或铜锡铝合金、铜锌合金为基本组元，铁为辅助组元，鳞片石墨做润滑组元，二氧化硅或碳化硅做摩擦组元。技术质量部苏星宇