烧结金属摩擦材料现状与发展动态

1 前言 烧结金属摩擦材料是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和润滑组元，用粉末冶金技术制成的复合材料，是摩擦式离合器与制动器的关键组件。它具有足够的强度，合适而稳定的摩擦系数，工作平稳可靠，耐磨及污染少等优点，是现代摩擦材料家族中应用面最大、量最大的材料。 用粉末冶金技术制造烧结金属摩擦材料已有70年的历史，1929年美国开始了这项工作的研究，30年代末期首先将该材料用在了D-7、D-8铲运机中的离合器片上。发展到现在，所有载荷量高的飞机，包括米格、伊尔、波音707、747和三叉戟等，其制动器摩擦衬材料都采用了烧结金属摩擦材料。在我国，特别是在1965年以后，烧结金属摩擦材料的科研、生产得到迅速发展。迄今，我国已有十多个具有一定生产规模的生产企业，年产铜基和铁基摩擦制品约850万件，广泛应用于飞机、船舶、工程机械、农业机械、重型车辆等领域，基本满足了国内主机配套和引进设备摩擦片的备件供应和使用要求。 2 制造方法与工艺研究 2.1 制造方法 目前，国内外烧结金属摩擦材料的生产仍主要沿用1937年美国S·K·Wellman及其同事们创造的钟罩炉加压烧结法（压烧法），该方法的基本工序是：钢背板加工→去油、电镀铜层（或铜、锡层）；配方料混合→压制成薄片→与钢背板烧结成一体→加工沟槽及平面。由于传统的压烧法存在着能耗大、生产效率相对低、原材料粉末利用率低、成本高等缺点。因此，一些国家对传统工艺作了一些改进，同时十分注重新工艺的研究，在改善或保证产品性能前提下探索和寻求提高经济效益的途径。 新的制造工艺相继问世，其中最令人瞩目的是喷撒工艺（Sprinkling powder procedure），它以生产的高效率和显著的经济效益独具优势。喷撒工艺法以工业规模生产烧结金属摩擦材料始于70年代，美国的威尔曼、西德的奥林豪斯和尤里特、奥地利的米巴等企业拥有这项技术。80年代中期，杭州粉末冶金研究所从奥地利米巴公司引进了该技术。 喷撒工艺的基本流程是：钢背板在溶剂（如四氯化碳中脱脂处理（或钢背板电镀）→在钢背板上喷撒上混合材料→预烧→压沟槽→终烧→精整。 与传统的压烧法相比，喷撒工艺主要有下列一些优点： （1）实现了无加压连续烧结，耗能低。 （2）采用松散烧结，粉末还原充分，可获得高孔隙度的摩擦衬层，对提高摩擦系数极为有利。 （3）用功能覆盖和冷压方法替代切削加工制取油槽，经济而有高效。 （4）采用精整平面取代切削加工，材料利用率高，产品厚度和平行度精度高。 （5）可以根据要求制取摩擦衬层极薄的摩擦片（0.2～0.35mm），而用其它工艺则难以达到。 已有的数据表明。喷撒工艺法较压烧法可节约铜、锡、铅等有色金属粉末约45%，节电约75%，节省工时约40%。 目前喷撒工艺法似乎主要用于制造厚度较薄的铜基摩擦材料，而用于制取铁基摩擦材料，仅见一例。 国内外粉末冶金同行们还发明了20余种制取方法 ，投入应用和有前途的主要有以下几种： 2.1.1 冲切法 一种工艺是先冲后烧，混好的配方粉料从料斗经溜槽进入下面有带状输送带的定量斗，自动送入压力机压实成薄片，然后冲切成所需形状，烧结后即为成品。该工艺连续加压，不需压模，粉层密度、强度均匀一致，粉层厚度调节方便；另一种是先烧后冲，即在钢带上撒粉后先松散烧结，尔后冲切成形。其缺点是钢带进炉烧结易变形，引起粉末层震动移位，造成粉层厚薄不匀。为克服这一缺点，该专利提出，在钢带背面涂上炭黑，先进入预氧化烧结炉，以15℃/s快速升到400℃（铜基），然后再进入慢升温加热炉（5℃/s），在还原气氛中烧结，可得到均匀的摩擦衬层。 2.1.2 等离子喷涂法 该法适用于喷涂耐高温的摩擦材料。如Co、Mg、Ti、W、Cr以及碳化物、氧化物的混合物，保护气氛为含20%氢气和80%氩气的混合气体，喷涂温度高达1500～2000℃，喷涂速度500～1000g/h，所得喷涂层硬度1000HV。该法特别适用于制取电磁离合器与制动装置摩擦片。 对于需要轻的摩擦组件，往往以铝来替代钢，但铝不耐磨，在其表面喷涂一层金属陶瓷耐磨层，可获得陶瓷硬而耐磨与金属延展性好及耐冲击二者相结合的优点。陶瓷与金属的重量比为85：15到75：25，只要确保在热喷涂中金属能完全熔化（不能超过金属的气化点），就可以保证质量。 2.1.3 电解沉积充填法 先在金属或石墨处理过的多孔材料上用电解沉积法形成金属骨架。多孔材料一般用凝聚纤维，如海绵、泡沫材料。金属骨架形成后，多孔材料可以留在内部，也可以通过加热熔化或烧除，再用摩擦材料填充金属骨架间隙，填充的摩擦材料可以是金属，如Pb、Sn等，也可用热固性树脂。金属骨架只占整个体积的10%～30%。填充好摩擦材料后成为摩擦衬，可采用锡焊或铜焊将其焊接到钢背上，也可用环氧树脂等粘结剂粘贴到钢背上。 2.1.4 电阻烧结法 将钢背板镀上一层焊料（Cu、Cu-Sn、Cu-Zn、Sn或Ni），再将已压制成形的摩擦衬放置到钢背板预定的位置上，送入加压机，一边加压，一边输入大电流（1例为52kA，另1例为4kA），维持十几秒钟，就烧结好了。此法的优点是钢背板不受高温影响，花键与齿形部位强度不会降低。 另一专利介绍：在压模中设计有电极，装足粉后，放上经过电镀的钢背板，然后一边加压，一边通电，电流10～100kA（5.454A/mm2），烧结15s即成。有1例，摩擦衬面积1840mm2，摩擦衬层厚4.6mm，通电流22kA，过8s后电流升至38kA，加压5.4MPa，摩擦层相对密度达到87.8%。 2.1.5 感应加热冲击法 工序是：将摩擦材料衬的预烧结坯放入承受盘中，在保护气氛中感应加热，温度控制在916℃以上，时间一般不少于5min。从感应器中取出后即行单向冲击，使摩擦层与承受盘形成键接。 2.1.6 气相沉积法 一般的TiC材料摩擦系数值很小，但用气相沉积法制取，摩擦系数就很大，可达0.4，且耐高温，在试验台上试温，温升至1090℃材料还无衰退迹象。载体用石墨而不用钢，石墨和TiC都很轻，适用于飞机。它的制法是 ：把用石墨制成的的载体置入一容器中，加热温度高达1050℃，气氛为碳氢化合物，（可用甲烷）与TiCl，其中TiCl含量不能少于0.5%（体积分数）,甲烷与TiCl以1m/min的速度进行环流,到一定时间即成。 2.2 工艺研究 烧结金属摩擦材料的工艺研究近年取得很大的进展，申请的专利很多。 专利[14，15]提出了改进现行工艺的方法，建议将含有Fe、Mo元素的铜基摩擦材料的烧结冷却速度提高到100℃/min，促使Fe-Mo相析出，因为Fe-Mo相的硬度大于700HV，可以大大提高材料的强度。 专利[16]建议将铁基材料置于S和Mn中进行扩散烧结，因为S和Mn能向其表面层扩散并促使铁基体中奥氏体稳定。扩散烧结的铁基制品表层形成较多的硫化物，表面硬度为200～300HV，经精整上升到600～700HV，从而提高了制品的耐磨性。 专利[17]提出了预制粉末以获得最佳粉末混合料的方法。提出石墨在使用前需先进行特殊处理：将选用的细晶粒石墨粉先与5%～45%软金属（Cu、Sn、Al、Pb等）混合，然后混合料在0.02～0.025MPa的压力下压制成一定大小的生坯，再于保护气氛中加压烧结（1MPa）。制得烧结坯后再经粉碎，按所需颗粒尺寸过筛后再与摩擦材料的其它组分混合，经过这样的处理，摩擦衬层组分不易偏析、分层，加工性能好，与钢背板的粘结良好。 3 材质与配方研究 3.1 提高并稳定摩擦系数的研究 足够高的摩擦系数和热稳定性是制动或离合可靠与稳定的必要条件。近年来对提高摩擦系数和热稳定性的研究主要从选用合适的摩擦组元和探索新的摩擦与抗咬合添加剂入手。文献[18]赞成以Zr-SiO4部分或全部代替SiO2或Al2O3，认为这对重载下提高摩擦系数特别有利（摩擦系数：铜基0.30，铁基0.42），耐磨性也有改善（磨损：铜基2.1＊10-8cm3/J，铁基2.5＊10-8cm3/J）。文献[19]认为Zr-SiO4作为摩擦质点，不仅可以提高摩擦系数，而且可以减少对偶的磨损。另外，在铜基或铁基中加入TiO2或再加入多元氧化物（如ZrO2、MgO、Cr2O3、BeO、CaO）以及玻璃陶瓷粉作为摩擦组元，使摩擦表面生成氧化膜，以稳定在高速工况下的摩擦系数。对于摩擦组元的选择，前苏联在铜基材料中加入难熔金属（W、Cr等）的硼化物，得到了满意的效果。德国则更多的是在材料中加入TiC、ZrC、ZrO2等来提高摩擦系数，如含有TiC、ZrO2时，其摩擦系数可达0.4，而且导热性能很好。 在铁基材料中广泛使用MoS2、WS2、BN来调整摩擦系数，改善抗擦伤性能。对高温重载工况，则更多采用BaSO4、CaF2等来提高摩擦系数稳定性。 3.2 提高材料耐磨性的研究 将石墨、MoS2、Pb、Sn、Be等作为润滑组元以提高材料的耐磨性得到了普遍肯定。以BN作为润滑组元已引起广泛的兴趣。在烧结过程中，BN十分稳定，既不会分解又不会被烧损，在摩擦过程中保持良好的润滑，促使形成薄膜，改良了耐磨性。已被广泛用作润滑组元的硫及硫化物，对耐磨性能的改善有较大作用。中国、日本、前苏联对此作了大量的研究。 石墨作为一种固体润滑剂，似乎是所有烧结摩擦材料必加的组元。在高温下，石墨具有极高的强度，使用温度可达3500℃，具有优良的高温固体润滑特性。 根据对材料性能的不同要求，石墨添加量的范围很大，最高达30%，其颗粒形态、大小、粒度组成及其在材料基体中的分布状态，对材料性能产生很大的影响，对铁基摩擦材料的影响尤甚。 材料中大量的游离石墨在摩擦过程中不断覆盖摩擦界面，形成稳定的润滑工作层，防止了摩擦副的咬合，也起到了很好的减摩作用。 关于石墨的含量、形态对耐磨性能的影响已有不少的论著，文献[24]对加入之石墨规定：人造石墨（电极石墨）占8%，天然石墨（鳞片状）占7%，两者粒度均为60～800um。 3.3 改善材料基体结构和强度的研究 基体强度是材料承载能力的反映，而基体强度在很大程度上取决于基体成分、结构和力学物理性能。现代机械向高速重载发展，对摩擦材料的高温性能提出了更高的要求。总的来说，各国的材料研究者主要从两个方面入手改善材料基体结构和强度。 用合金元素固溶强化基体是改善材料基体结构的重要手段之一。对于铁基材料，通常以加入Ni、Cr、Mo、W、Mn来强化基体或活化烧结过程。加入Ni、Cr、Mo则对提高材料的高温性能有利。文献[25]采用CaSi2、Si、SiC及FeSi2使Si与Ca和基体铁形成合金。西德与英国则用W-Fe作为合金元素加入铁基材料中，基体强化效果显著，适用于高温工况。 国外系统地研究了Sn的含量对铜基材料性能的影响，认为Sn的理想加入量在7%～12%。不过，乌克兰科学院材料研究所用铝青铜代替锡青铜，在高负荷工况下，铝青铜材料的强度、高温强度、耐蚀性能和使用性能均超过了锡青铜，当基体中含铝为10%～11%时，摩擦材料具有最大的摩擦系数，最小的磨损量，综合性能优异。 另一项强化手段是纤维强化。在较软的基体中加入具有较高强度的金属纤维或碳素纤维，如加入钢纤维（拉拔状态的钢纤维抗拉强度可达4100MPa）后使材料强度和塑性大大提高。碳素纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量、高耐热性和抗疲劳性能，但因成本高、制造工艺复杂，目前应用似仅限于航天航空等尖端领域。 3.4 对偶材料对摩擦性能影响的研究 和前三种研究相比，这方面的研究较薄弱。早年的资料表明，在干式应用中，灰口铸铁是首选的对偶材质。在热负荷较大的工况下，该材料因其耐高温性能差而易生产龟裂，所以往往采用合金铸铁、铸钢或合金钢。在湿式工况中，对偶材料采用铸铁对摩擦系数没有多大的影响，主要是使用寿命不及钢对偶。 4 发展方向 现代科学技术和工业的迅速发展对摩擦材料提出了越来越高的要求，为了适应这种需要，机理研究和基础试验工作一直没有停顿过，对新型摩擦材料的研究也将是今后摩擦材料发展的重点，主要是发展性能优异、造价低廉的新型材料。 4.1 摩擦磨损理论与表面破坏机理的研究 摩擦与磨损是摩擦学研究的两个中心问题，学派甚多。当前较为广泛流行的摩擦理论是分子——机械理论。近年来，对摩擦过程中摩擦表面的破坏也颇有研究，证明磨损的产生是氧化、磨粒磨损、转化反应和层面疲劳的综合作用，只是在一定条件下，某一因素突出，成为主要磨损原因。 摩擦发生在两个接触表面，接触表面的“膜”的力学、理化性能，特别是其与基体材料的粘结强度等都决定着摩擦偶的摩擦磨损性能。80年代以来 ，对产生在摩擦表面的润滑膜和氧化膜作了更为深入的研究，取得了一些成果。特别是借助于现代测试手段来进一步探测表面层的组织与结构，观测其形成与破坏，系统地研究了表面破坏机理。摩擦接触面上同时产生的三种相互关联过程，即表面相互作用、固体表层和表面膜在摩擦力作用下的变化和表层破坏对摩擦副性能的影响、周围介质的性质和实际工作状态相互之间的作用和影响，所有这些细节，将会更进一步地深入研究下去。 4.2 新型摩擦材料的研究 一个值得注意的趋势是为了适应不同的工况，已研制和发展了一些新型摩擦材料，如纸基、半金属、碳基等摩擦材料。虽然这些材料不属于粉末冶金范畴，但是它们同属于摩擦材料领域。因为这些材料的制造设备、制造工艺、测试方法、设计依据、所用原材料等有相通和类似之处，所以已有越来越多的粉末冶金摩擦制品企业突破了现有的粉末冶金行业界线，逐步地向摩擦制品，即按大产品分类的格局发展。 4.2.1 发展用金属纤维强化的复合材料 用金属纤维强化，大大提高了基体的强度，改善了基体的导热性能，对阻止表面裂纹的扩展起到了很好的作用。这类材料是大有发展前途的。 用耐高温并且有高摩擦系数的金属陶瓷作复合相，或用难熔化合物粉末作复合相，两者均可满足一些特殊工况的应用。 4.2.2 发展半金属摩擦材料 半金属材料是由高碳铁粉、石墨、二硫化钼、无机纤维（石棉纤维等）及一定数量的热固性树脂，通过热压制成的。该材料摩擦系数高、耐磨性好，适合汽车使用，但由于其耐热性差，不能用于高负荷工况。 自1972年国际肿瘤医学院研究会确认石棉为致癌物质后，西方国家纷纷采取措施，对石棉树脂摩擦材料加以限制，规定了使用年限。据此，必须尽快找到新型的符合安全环保标准的高性能材料来取代石棉树脂和含石棉的半金属摩擦材料，于是研制出了以钢纤维、矿物纤维、玻璃纤维和有机纤维来代替石棉纤维。 80年代中期以后，世界汽车工业急速向高速、轻型化方向发展，制动系统相应不断改进和完善，针对前期推出的半金属型材料存在的诸如钢纤维容易锈蚀、易粘着或损伤对偶以及热传导率高引起粘结剂分解而使摩擦衬与钢背板出现分离等缺点加以改进。为此，美国Bendix公司投入1亿美元用于专项质量改进。欧洲的主要工业国家也在解决材料性能、生产工艺、制造成本等相关问题上投入了不少的资金。 4.2.3 发展铝基摩擦材料 铝基摩擦材料发展缓慢是有它的一些特殊原因的，但铝重量轻、耐腐蚀、不导磁、高导电导热性、比强度高，而且可以采用弥散强化手段来强化基体，所以其研发工作备受关注。 由雾化粉末快速固化铝合金发展出的新型高温、高强摩擦材料具有热稳定弥散相，比传统时效硬化材料更优越，可在350℃以上使用，通过Al3Zr和Al6Mn弥散相和晶粒细化还可进一步提高力学性能。所有这些特点，赋予铝基摩擦材料广阔的发展前景。AlSi基高级铝合金摩擦材料已经问世。