粉末冶金摩擦材料原料作用分析資料講解

1、高鐵粉末冶金剎車片用原材料作用分析粉末冶金摩擦材料的問世距今已有近百年的歷史，尤其在近幾年發(fā)展尤為 迅猛。粉末冶金工藝可以將金屬和非金屬組分的不同性能很好地配合于一種材 料中，已有逐漸代替有機物粘結(jié)高分子材料的趨勢。粉末冶金摩擦材料一般由三部分組成：構(gòu)成基體金屬骨架的組元、潤滑組 元和摩擦組元。是一種含有金屬和非金屬多種組分的假合金。1 構(gòu)成基體金屬骨架的組元簡稱基體組元。常用銅、鐵、二硫化鉬、鎳、鈦、鉻、鉬、鎢、磷、錫、基體組元由基本組元和輔助組元兩部分組成，基本組元在成分中占的比重 最大。在鐵基中，基本組元是鐵。在銅基中，基本組元是銅。輔助組元與基本 組元形成合金，從而改善基本組元的性能，

2、或者是賦予基本組元以某種所需要 的性能。輔助組元在鐵基材料中有二硫化鉬、鎳、鉻、鉬、銅及磷等。在銅基 中主要是錫、鋁、鋅及磷等。粉末冶金摩擦材料的性能、工藝特點在很大程度上取決于基體組元的化學 成分、結(jié)構(gòu)和物理機械性能?；w組元保證了材料的承載能力、熱穩(wěn)定性、耐 磨性，以及在高溫工作時保持住摩擦劑和潤滑劑顆粒的能力。一般在粉末冶金 摩擦材料中，基體組元占鐵基材料的 50%70% ，占銅基材料的 60%90% 。1.1 鐵近年來鐵基粉末冶金摩擦材料的發(fā)展很快，主要是由于它節(jié)省有色金屬， 在高溫高負荷下顯示出更加優(yōu)良的摩擦性能，機械強度高，能夠承受比較大的 壓力，因而它應用在很多領(lǐng)域。但是，由于鐵

3、與對偶具有很強的親和性，有利 于粘結(jié)過程的發(fā)展，因此需加入大量的其他元素使鐵合金化以降低鐵的塑性， 提高其強度、屈服極限和硬度，以克服次缺點，但同時也提高了成本和加工工 藝復雜度。鐵基材料的基體組元中，加入鎳、鉻、鉬，主要目的在于提高材料機械- 物理性能和耐熱耐腐性能。加入磷，能提高材料的強度，提高耐磨性。加入二硫化鉬，能提高材料的機械性能和摩擦性能。加入銅，能提高材料的導熱性能， 有利于材料的強度。1.2 銅銅基粉末冶金摩擦材料具有工藝性能好，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，抗粘結(jié)、卡滯性 能好，導熱快等特點，在中高速制動方面使用比較多，比如高鐵剎車片基本都 是銅基材料。此外，在濕式條件下工作，也具有很高的耐

4、磨性，因而在油中工 作的粉末冶金摩擦材料，基本上都是銅基材料。銅基粉末冶金摩擦材料中，加入錫、鋅、鋁，它們能與銅基體形成固溶體， 從而提高了材料的機械物理性能和摩擦性能，對抗腐蝕性能也有很大的好處。此外，銅不僅可以作為基本組元，也可以作為鐵基材料的輔助組元。鐵基 粉末冶金摩擦材料中加入銅，在燒結(jié)過程中，只有一小部分溶入鐵中，形成固 溶體，其余呈游離狀態(tài)存在。加入銅，增加了材料的導熱性能，在高速、高負 荷下工作是有利的。加入銅，也有利于材料的機械物理性能。提高了材料的密 度。但當含銅超過 10% 的時候，使材料的耐磨性降低，增加了磨損，且成本會1.3 錫在銅做基本組元時，加入 412% 的錫可以

5、使基體具有很高的耐熱性、強 度和硬度，燒結(jié)過程很容易合金化，且壓坯強度很高，提高了工藝性。錫也可 以防止銅與鋼對偶摩擦時，摩擦表面的粘結(jié)。但在高溫工作時，加入錫會使摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，一般加入石墨，二氧化硅 等組分能明顯提高摩擦性能。錫在高溫工作時，會向粘結(jié)摩擦層的鋼背擴散，引起鋼背因晶間腐蝕的破 裂。1.4 鋁銅鋁合金具有很高的機械物理性能和減摩性能，比銅錫合金在強度、耐熱 性、耐蝕性、抗粘結(jié)方面好很多。1.5 鎢、鉬、鋅、鈦這些金屬的加入可以強化基體，且這些金屬的熱容量高，易于氧化，可吸 收摩擦過程產(chǎn)生的大量的熱。但成本高、加工不方便。此外，鉬還可以組織基本組元的氧化，減少了制動中的噪音和振動

6、。1.6 二硫化鉬二硫化鉬是作為鐵基材料的基體組元的輔助組元加入的，主要作用是通過 在燒結(jié)過程中，與基體組元鐵發(fā)生相互作用，從而改善材料基體的性能，進一 步的提高了材料的機械物理性能和摩擦性能。因此，二硫化鉬作鐵基材料的基 體組元加入是很普遍的。我國生產(chǎn)的鐵基粉末冶金摩擦材料，幾乎全都加入二 硫化鉬。在銅基材料中，由于燒結(jié)溫度低，二硫化鉬在燒結(jié)中的行為很復雜， 但作用不明顯，并不作為基體組元。發(fā)生二硫化鉬在鐵基材料的燒結(jié)中（一般燒結(jié)溫度為 10001100 C）, 分解，析出硫和鉬。分解的過程，伴隨著硫化鐵型的硫化物產(chǎn)生。由二硫化鉬 還原出來的鉬,使鐵合金化,材料的機械物理性能發(fā)生變化。硫化鐵

7、有潤滑減 摩作用,而且還原出來的鉬,還能與碳發(fā)生反應,形成碳化鉬。所以加入二硫 化鉬,提高了鐵基材料的硬度、抗壓強度,提高了摩擦系數(shù),降低了磨損。2 潤滑組元常用石墨,鉬、銅、鋅、鎢、鋇、鐵等的硫化物,銅、鎳、鐵、鈷等的磷 化物,氮化硼、滑石及低熔點純金屬（鉛、錫、鉍、銻等）。粉末冶金摩擦材料中加入的潤滑組元,應滿足以下的要求：具有較高的潤 滑能力,相對于金屬基體來講是不活潑的,在燒結(jié)溫度和實際采用的燒結(jié)介質(zhì) 中不分解,或分解產(chǎn)物具有良好的潤滑性能。潤滑組元的加入,有利于材料的抗卡性能、抗粘結(jié)性能。提高了材料的耐 磨性。特別是有利于對摩材料的耐磨性。使摩擦副的工作更加平穩(wěn),但降低了 材料的強度

8、和摩擦系數(shù)。無論是鐵基材料還是銅基材料，一般用石墨和鉛作潤滑組元，也有用鉍來 代替鉛來作潤滑組元的。潤滑組元一般占摩擦材料重量的 525% 。鐵基材料與對摩材料（鑄鐵和鋼）的焊結(jié)傾向大，工作中容易造成不平穩(wěn)。 因此，一般來講，鐵基材料中的潤滑組元，比銅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潤滑組元，對材料的機械物理性能、 摩擦性能和壓制性能都有重大的影響。石墨對粉末冶金摩擦材料的影響，與加 入的含量、存在的狀態(tài)有關(guān)。摩擦材料中加入的石墨量總是比較大的，一般都在5% 以上。在燒結(jié)過程中，一部分石墨被燒損，絕大部分呈游離存在。對鐵基材料來講，尚有一部分 溶解在鐵中

9、，形成鐵 - 碳合金，增加了材料的強度。石墨的燒損量與石墨的含量、燒結(jié)溫度、保溫時間和燒結(jié)時的保護氣氛有 關(guān)。還和加入的其他金屬材料的氧化程度有關(guān)。加入石墨能提高材料的耐磨性，特別是能提高對摩材料的耐磨性，提高摩 擦副的抗焊結(jié)、抗卡能力，有利于平穩(wěn)的工作。少量的石墨尚能提高鐵基材料 的強度和摩擦系數(shù)。加入石墨量過多，將會使摩擦材料的機械強度、摩擦系數(shù) 下降。石墨還可以在摩擦過程中吸收電暈放電和火花放電，減少了摩擦表面的破 碎，因而降低了磨損。2.2 鉛鉛能提高材料的磨合性、抗粘結(jié)性及耐磨性，但對摩擦系數(shù)沒有好處。只 是對穩(wěn)定摩擦系數(shù)有些幫助。鉛的熔點很低，摩擦材料工作時產(chǎn)生的熱，可以使鉛熔化。

10、熔化了的鉛， 在工作表面形成一種特殊的金屬潤滑劑，降低了表面的摩擦系數(shù)和溫度，對穩(wěn) 定摩擦系數(shù)，提高耐磨性有很大的作用。當溫度降低，熔融金屬又重新凝固， 使得摩擦系數(shù)提高到原有水平。表面液體潤滑膜的形成促使滑動平穩(wěn)，這點在 高溫時特別重要，因為正是在高溫下金屬基體具有很大的粘結(jié)和卡滯的傾向。鉛的比重很大，一般填加少量的鉛，對材料強度影響不大。因為鉛在燒結(jié) 時，形成液相，減少了材料的孔隙，也起到燒結(jié)活化劑的作用。由于鉛無論和 鐵還是和銅，都沒有明顯的溶解作用，因此在材料中起隔離作用。因此，增加 鉛的含量，會使材料的機械物理性能下降。鉛有毒，一般用銻、鉍來代替鉛2.3 二硫化鉬二硫化鉬具有層狀結(jié)晶

11、構(gòu)造，這就造成了分子間結(jié)合力和各個層之間的結(jié) 合力存在著差別，層與層之間的力相當于范德華力。由于層與層之間相對位移 所必需的切向應力不大，因而摩擦系數(shù)是低的。工作中產(chǎn)生的微粒對金屬存在 粘附作用，從而降低磨損。然而，二硫化鉬在燒結(jié)過程中易被氫氣還原，分解為鉬和硫溶解到金屬基 體中，硫生成銅或鐵的硫化物，其潤滑作用較二硫化鉬要差很多。3 摩擦組元摩擦組元主要是起調(diào)節(jié)機械相互作用大小的作用，常用硅、鋁、鐵、鎂、 錳、鋯、鈹、鈣、鉻、鈦、鉬、硅鐵、硅、鋁、鉻的氧化物，碳化硅和碳化硼， 氮化硅、礦物性的復雜化合物（石棉、莫來石、藍晶石、硅灰石、高鋁紅柱石、 長石、鋰輝石、硅酸鋁、硅酸鋯、皂土、軟錳礦、

12、硅線石、尖晶石）等。石棉 由于其在摩擦工作時產(chǎn)生大量粉塵，具有致癌作用，現(xiàn)已禁用。這類組元具有非金屬性質(zhì)，能促進形成多相組織，減少表面粘滯和卡滯。 加入摩擦組元，能提高摩擦系數(shù)，提高耐磨性和防止焊接。摩擦組元與潤滑組 元一起，成為摩擦表面薄膜的一部分，使摩擦副具有很高的耐磨性，穩(wěn)定性和 抗焊接性能。摩擦組元有消除配對零件表面上從燒結(jié)粉末片轉(zhuǎn)移過來的金屬， 并使對偶表面擦傷和磨損很小的作用。摩擦劑的基本任務并不是對配對零件材 料起一種磨料磨損的作用，而是保證與對偶工作表面適當?shù)膰Ш?，并使對偶?面保持良好的性能。所以在選擇摩擦組分時，必須首先注意它與基體相比較的 硬度以及它的顆粒形狀和大小。對于

13、提高摩擦系數(shù)的組分有以下要求：高的熔點和離解熱；從室溫到燒結(jié) 或使用溫度區(qū)間不產(chǎn)生多晶型轉(zhuǎn)變；不與其它組分及燒結(jié)中的保護氣氛起反應； 具有足夠高的機械強度和硬度，以保證摩擦過程中大量能量消耗于摩擦劑的磨 損上，但也不能過高，否則固體顆粒的強度和硬度太高，破壞的將不是摩擦劑 顆粒本身，而在很大程度上磨損了配對零件的材料；摩擦劑具有與基體合金的 濕潤性或能與它牢固的粘附，在這種情況下，要從基體分離出固體顆粒，將消 耗很大的摩擦功，因而促進耐磨性的提高。3.1 鐵鐵可以作為青銅基材料的摩擦劑，主要是鐵比銅熔點高且在銅中溶解度很 小。很牢固的保持在金屬基體中，因此它除增加摩擦系數(shù)外，還在一定程度上 提

14、高了材料的耐磨性。固定在較軟基體中的硬質(zhì)點也促進磨削作用，有利于防 止摩擦表面與對偶的粘結(jié)。鐵的含量對摩擦時的噪音和振動影響很大，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組元，通常叫做石英砂，來源方便，成本很低。摩擦材料采用的是含 94% 以上二氧化硅的天然棱狀結(jié)晶石英砂。在摩擦作用中，摩擦系數(shù)對二氧化硅的含量很敏感，含量過高會造成對偶 的磨損嚴重。適量的二氧化硅能促使高溫下摩擦系數(shù)穩(wěn)定。但加入二氧化硅等非金屬添加劑又會很大程度上降低了金屬基體的強度。 同時，在鐵基材料中，高溫時二氧化硅中的硅溶解于鐵中引起碳化鐵含量減少 而降低了摩擦性能。3.3 莫來石莫來石的加入不會降低金屬基體的強度，反而會提高，因此在鐵基材料中 使用較多。且其具有很高的熱穩(wěn)定性，摩擦系數(shù)高，可以代替二氧化硅作摩擦 劑。粉末冶金摩擦材料中的三