氧化锆对粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的影响.pdf

第 l 8卷第 5期 2 0 0 8年 1 0 月 粉 末 冶 金 工 业 P0W DER M ETA LLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 1 8 NO ． 5 0c t ． 2 0 0 8 氧化锆对粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的影响 王 广达方 玉诚罗锡裕况 春江 安泰科 技投份有限公司 ， 北京 1 0 0 0 8 1 摘 要 利用 MM一1 0 0 0摩擦磨损试验机 ， 比较分析 了 S i o 、 Al O。 和 Z r 0 三种摩擦组元对 材料摩擦磨损性能的不同作用， 并 系统研 究了不 同含量氧化锆及其粒度对粉末 冶金摩擦材料 摩擦 磨损 性 能的 影响 。 实验结 果发 现 ， 在 材料 中添加 适 当含 量和 粒 度 的氧 化 锆 可 以使 材 料 在 高转速下具有 良好的摩擦性能 ， 且各种转速下都具有最小和稳定的磨损量。 关键 词 摩擦 材料 ； 摩擦 组 元 ； 氧 化锆 ； 摩擦 系数 ； 磨 损 中图分 类号 TF 1 2 5 ． 9 文献 标识 码 A 文章 编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 0 8 0 5 0 0 1 9 0 6 EFFECT oF Zr O2 oN FRI CTI ON AND W EAR PROPERTY OF POW DER M ETALLURGY FRI CTI ON M A TERI ALS WANG Gu a n g - d a ， F ANG Yu - c h e n g ， L UO Xi - y u， KUANG Ch u n - j i a n g Ad v a n c e d Te c h n o l o g y Ma t e r i a l s C o ． ， L t d ． B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e e f f e c t s o f f r i c t i o n c o mp o n e n t s o f S i 02 ， A1 2 03 a n d Zr O2 o n f r i c t i o n a n d we a r p r op e r t y we r e c o m p a r e d by M M 1 0 0 0 f r i c t i on t e s t e r ， t he e f f e c t of Zr O2 c on t e n t a nd m e s h s i z e wa s s t u di e d ．The r e s u l t s s h owe d t ha t i t i s po s s i bl e t o o bt a i n hi gh f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a t hi g h s pe e d a n d m i ni mum a n d s t a bl e we a r v o l u m e b y a d di n g a p pr o pr i a t e a m o u nt o f Zr O2 wi t h r e a s ona b l e m e s h s i z e ． Ke y wo r d s f r i c t i on ma t e r i a l ； f r i c t i o n c o m p o ne n t ； z i r c o ni um d i o xi de； f r i c t i on c oe f f i c i e nt ； we a r 粉末冶金摩擦材料是 由基体 、 摩擦组元和润滑 组元组成 ， 其 中摩擦组元既可提高摩擦系数 ， 又可去 除低熔点金属 的粘附 ， 消除与对偶之间的材料转移 ， 使摩擦副工作表面具有最佳啮合状态n ] 。目前添加 在材料基体中的摩擦组元一般为 Al O。 、 s i O 。和莫 来石等， 这几种组分具有较高 的莫 氏硬度 ， 可以提高 材料的摩擦 系数l_ 2 ] ， 但对偶材料 的磨 损较大 ] 。氧 化锆 Z r O 的化学性能稳定 ， 莫 氏硬度较低 约 为 6 ． 5 ， 德国曾在材料 中加入 Z r O 等来提 高并稳定 摩擦系数 ， 而且导 热 性能 很好_ 4 ] 。近 年 日本 曾用 Z r O 一 Mg O来替代 常用 的 S i O 一 Al O 。 ， 其研制 的摩 擦 制动 材料 具有 更好 的耐热性 ， 摩 擦系 数更 平稳 ， 相 对于传统的摩擦材料对偶 的磨损降低了 1 O ， 可 以 适用于 3 5 0 k m／ h的高速列车制动 ] ， 但 国内对 其 应用在摩擦材料上的研究 比较少。 本文比较分析 了 s i O 、 A1 o 。和 z r O 等三 种 摩擦组元对粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的不同 作 用 ， 并 系 统 研 究 了摩 擦 组 元 Z r O。在 粉 末 冶 金 摩 擦材料中的影响作用 ， 详细探讨 了不 同含量氧化锆 及其粒度对材料摩擦磨损性能的影响。 1 实 验 1 ． 1 原材 料 以金属 C u作 为基体 ， 在铜粉 中加入 S n和 F e 等金属粉末来强化基体 ， 以石 墨作为润滑组元 ， 以 收稿 日期 2 0 0 8 ～0 5 1 3 作者简介 王广达 1 9 7 9 一 ， 男 汉 ， 河北新河人 ， 从事粉末 冶金摩擦材料 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 王广达等 氧化锆对粉末冶金摩擦材料摩 擦磨 损特性的影 响 2 1 2 ． 1 ． 3 磨 损 量 图 2为三种材料磨损量的比较。从图中可以看 到 ， 同只 添加 S i O 的材料 相 比， 添 加 Z r O 。 或 A1 O。 的材 料 磨 损 量 均 较 小 。添 加 Al O。的 材 料 在 三 种转 速下 的磨损量 均小于 只添加S i O。 的材料 ， 量 g 面 唧 您 图 2 三种摩擦 组元材料的磨损量 而添加 Z r O 材料 的磨损量远小于另外 两种材料 ， 在 6 5 0 0 r ／ rai n时分 别为 另外 两种材 料 的 2 1 和 6 7 ， 这表明在材料 中添加 Z r o 可 以明显 降低材 料 的磨损 量 ， 提高 材料 的耐 磨性 。 2 ． 1 ． 4 磨损现象分析 从 图 2中 我 们 发 现 ， 随 着 转 速 的 升 高 ， 添 加 S i O 添 材 料 的磨 损 量 呈 上 升 的趋 势 ， 添 加 Z r O。或 Al O。 的材料则 随转速 的增加而减小 ， 这反映出它 们磨 损 机 理 的不 同 。 图 3为 三 种 材 料 在 6 5 0 0 r ／ mi n时 的 摩 擦 形 貌 ， 从 图 中 可 看 到 ， 添 加 S i O 或 A1 O 。 材料的摩擦表面有较 明显 的划痕 ， 这是 因为 S i 0 。 和 Al 。 O 。的莫 氏硬度 较 高 ， 摩 擦 时容 易 切 入对 偶表面 ， 使得摩擦阻力增大 ， 提高了摩擦 系数 ； 又由 于与基体结合强度较低 ， 在摩擦过程 中容易脱落成 为磨 粒 ， 对 材料 表 面 的犁削作 用增 大 ， 从 而 使得 磨损 量有 所上 升 。 f A、 图 3三种材料在 6 5 0 0 r ／ rai n时的摩擦形貌 A 添加 S i O 2 ； B 添加 Z r O 。 ； C 添加 AI 2 O3 由于 Z r O 莫 氏硬度较低 ， 因此在摩擦过程 中 层_ 6 ] ， 这种表面工作膜层的存在使得陶瓷摩擦组元 对材料表面的犁削作用较小 ， 从图 3 B 中可 以看到 提高摩擦系数 的作用降低 ， 此 时摩擦表面主要是工 添加 Z r O 材料 的摩擦 表 面几乎看 不 到犁削 的划 作膜在起作用 ， 只要新的基体表面不露出 ， 材料的磨 痕， 这样有助于减小磨损。随着转速的升高， 摩擦温 损就小。 度的升高使得材料表面形成了一种由表层金属的氧 2 ． 2 氧化锆对摩擦磨损性能的影响 化物及 材料 各 组分 的机械 混 合 物构 成 的 工作 膜 2 ． 2 ． 1 材料密度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 粉末冶金工业 第 1 8卷 表 5为材 料 的密度 ， 从 表 中可 以看 出 ， 随着 氧 化 锆含 量 的增加 ， 材 料 的 理 论 密度 和实 测 密 度 均 有 所 下 降 ， 由于氧 化锆 与金 属基 体 的润湿 性并 不好 ， 只 是 被金属基体包覆 ， 因此氧化锆含量 的增多会导致材 料压制性能变坏 ， 进而使密度下降。 表 5添 加 氧 化 锆 材 料 的 密 度 材料密度／ g c r l l - 。 1 号 2号 4号 5号 6号 7号8号 理论值 6 ． 2 3 6 ． 0 3 6 ． 1 5 6 ． 1 0 5 ． 9 8 6 ． 0 3 6 ． 0 3 实测值 6 ． 0 1 5 ． 7 3 5 ． 9 0 5 ． 8 2 5 ． 6 0 5 ． 7 5 5 ． 7 9 2 ． 2 ． 2 氧化 锆含 量对 材料 摩擦 磨损 性 能 的影 响 图 4为 氧化 锆 含量 不 同材 料 的摩 擦 系 数 曲 线 。 从图中可看到， 随着氧化锆含量 的增加 ， 材料的摩擦 系 数在 3 0 0 0 r ／ mi n和 5 0 0 0 r ／ mi n两种 转速 下 的变 化曲线很相似 ， 在 Z r O 一5 时有所上 升然后 再下降。其中， 没有添加氧化锆材料 的摩擦系数最 高 ， w Z r O。 一3 材料 的摩 擦 系数小 于 w Z r O 。 一 5 的材料 但 大 于另外 两种 添 加 了氧 化 锆 的材 料 ， 叫 Z r O 一5 的材料 在 两 种转 速 下 在 含有 氧 化 锆 的 四种材料 中摩擦系数是 最好 的。但 在高转速 条件 6 5 0 0 r ／ mi n 下 ， 材料 的摩擦 系数 与氧化锆含 量的 变化 关 系与 前 两种 转 速 条 件 下 略 有 不 同 ， 硼 Z r O z 等于 5 和等于 8 材料的摩擦 系数均高于其他材 料 。在添 加 了 氧 化 锆 的 材 料 中 ， 在 三 种 转 速 下 ， 伽 Z r O 一 5 材 料 的摩 擦 系 数 都 是 最 高 的 ， 而 叫 Z r O 一 1 0 的 材 料 则 都 是 最 低 的 。只 添 加 有 氧 化硅 摩擦 组元 的材 料 ， 虽 然在 3 0 0 0 r ／ mi n和 5 0 0 0 r ／ mi n两种转速下摩擦系数均高于添加 了氧化锆的 其他 四种 材 料 ， 但在 6 5 0 0 r ／ mi n的转 速 下 ， 摩 擦 系 数低 于w Z r O 。 等 于 5 和等 于 8 的材 料 ， 这 表 明 材料 中添 加一 定数 量 的氧化 锆 可 以改 善材 料在 高速 下 的摩擦 性能 。 鼎 氅 龄 图 4 不 同氧化锆含 量材 料的摩 擦系数 1 3 0 0 0 r ／ mi n ； 2 5 0 0 0 r ／ mi n ； 3 6 5 0 0 r ／ mi n 图 5为不 同氧化锆含量材料的磨损量， 从 图中 可 以看 出 ， 不 添加 氧 化 锆 的材料 的磨 损 量 在 三 种 转 速下都是最大的， 均大于其他 四种材料。这表明只 添加氧化硅虽然 中低 转速时的摩擦系数较好 ， 但材 料 的磨 损量 非 常 大 。叫 Z r O。 一 5 ％材 料 的磨 损 量 在 三种 转 速 下 均 大 于 添 加 了 氧化 锆 的 另 外 三 种 材 料 ， z v Z r O 。 一1 0 材 料 的磨损 量 比较 平均 ， 没 有 变 化 而且 是 5种 材 料 中最 小 的 。同 只添 加 S i O 的 材 料相比， 基体 中添加 了 Z r O 的四种材料 ， 它们的磨 损量均大为下降。 量 量 血l 您 图 5 5种 氧 化 锆 含 量 材 料 的屠 损 量 叫 Z r O 。 一5 材料 的磨屑形貌及能谱如图 6 所示 ， 磨 屑 以片 状 为 主 。片 状磨 屑 的形 成 与 表 面膜 的脱落有关 ， 还与次表层中摩擦应力有关 ， 微凸体在 材料表面滑过时会在 次表层 中产生剪切应力 ， 次表 层 中基 体与 石墨 的结 合 处 因强 度 较 弱 ， 在 此 应 力 的 作 用下会 在 接 口处 产 生微裂 纹 ， 裂纹 扩展 ， 导致 其 上 的材料剥 落 而成 为片状 磨 屑 ] 。 由于 摩擦 过程 中的 黏着 作用 ， 摩 擦表 层 内 的部 分石 墨会 被带 出表 面 ， 并 在表面形成一层极薄的膜 。这层薄的石墨膜起润滑 作用 ， 能降低材料 的摩擦系数， 减小磨损 ， 部分 石墨 会 随着表 面层 的剥 落 而脱落 形成 磨 屑 ， 图 6 B 的 能 谱 为 图 6 A 中的方框 处 。 2 ． 2 ． 3 粒 度对 材料摩 擦 磨损 性能 的影 响 7号 和 8号 材料 中的氧化 锆粒 度分 别为 小 于 7 4 t z m 和小 于 4 4 m， 含 量 与 2号材 料 相 同 ， 图 7为三 种材 料 的摩擦 系 数 。从 图 中可 以 看 出 ， 在较 低 转 速 时 ， 氧化锆 粒度 的增 大 可 以提 高材 料 的摩擦 系数 ， 而 在更 高 的转 速 下 ， 这 种 作 用 开 始 减 弱 ， 在 6 5 0 0 r ／ mi n时 ， 材料 的摩擦 系数反而 随氧化锆粒度 的增大 呈下降的趋势 ， 这表明粒度增大随转速的上升对材 料摩 擦性 能 的影 响逐渐 减弱 。还 可 以看到 添加 粒度 小于 7 4 m 氧 化 锆 材 料 的摩 擦 系数 均 要好 于 添 加 更细 氧化 锆 的材料 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 王广达等 氧化锆对粉末冶金摩擦材料摩擦磨损特性的影响 2 3 f A 图 6 W Z r O 2 5 ％材料在 5 0 0 0 r ／ min时的磨屑能谱 图 添加粒度小于 7 4 m 的 Z r O 在 中低转速下可 以改善材料的摩擦性能 ， 但 高转速下低于添加粒度 小 于 1 2 4／l m 氧化 锆 的材 料 。氧 化 锆粒 度 最 小 的 材 料在 中高转速下的摩擦系数均低于其他粒度 ， 说 明 粒度减小并不能有效的改善材料在较高转速下的摩 擦性 能 。 0 4 0 ． 3 0 ．2 0 J l 0 ．0 [ ] 3 0 3 0 r A n l n e l 5 0 3 0 r ／ 1 1 l n E 3 6 5 0 r ／ l n1 n 震 蓁 1 羹 l 2 4 7 4 4 4 氧化锆粒度／ “ m 图 7 三种粒 度材料的摩 擦系数 图 8为 材 料 的磨 损 量 同 氧 化 锆 粒 度 的关 系 。 从 图 8中可以看到， 每种材料在 5 0 0 0 r ／ rai n转速下 的磨损量都是三种速度条件下最高 的。在中低转速 时， 添加粒度小于 7 4 k t m 氧化锆材料 的磨损量要高 于其他两种材料 ， 在 高转 速下 ， 随氧化锆粒度 的增 大 ， 磨损量呈减 小的趋势 。氧化锆粒度最小 的材料 在 3 0 0 0 r ／ rai n和 6 5 0 0 r ／ rai n两种转速下的磨损量 是 三种 材 料 中最 少 的 ， 而 添 加 了 粒 度 小 于 1 2 4 m 氧化 锆材 料 的磨损 量则 变化 不大 。 3 结论 1 在本 文 的烧结制 备 条件 下 ， 材料 中只 添加氧 化硅其在三种转速下 的磨损量较大， 添加三氧化二 铝可 以提 高材 料在 低 转 速 下 的摩 擦 系数 ， 而 添加 氧 基 基 墩 3 0 0 0 r ／ mi n 5 0 0 0 r ／ mi n 6 5 0 0 r ／ m A n ． I 2 4 7 4 4 4 氧化锆粒度／ u m 图 8 三种粒 度材 料的磨损量 化锆可以使材料在高转速下具有 良好的摩擦性能。 2 在材料 中添加氧化锆可以显著降低磨损量 ， 提高材料的耐磨性 ， 且在各种转速下具有较小和稳 定 的磨 损 量 。 3 与只添加氧化硅的材料相 比， 添加了氧化锆 的材料虽然在在 中低转速时的摩擦系数稍小 ， 但在 高转速下 ， 添加 w Z r O 等于 5 和等于 8 材料的 摩 擦 系数则 较高 ， 磨 损 量 在 三 种 转 速下 都 小 于 只 添 加 了氧化 硅的材 料 。 4 在低转速时， 氧化锆粒度的增大可以提高材 料的摩擦系数 ， 随着转 速上升 ， 这 种作用就开始 减 弱 。 参 考 文献 [ 1 ] 曲在纲 ， 黄月初 ．粉末 冶金摩 擦材料 [ M] ． 北 京 冶金 工 业 出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 王文辉 ， 肖凯 ， 郑聃 ．新型重负荷铜基金属 陶瓷摩 擦材 料 的研究 E J ] ．粉末冶金技术 ， 2 0 0 7 ， 2 5 5 3 4 4 3 4 7 ． [ 3 ] 白同庆 ， 王秀 飞 ， 钟 志刚 ， 李东生 ．摩擦 组元 对粉 末冶 金摩擦材料摩擦 性 能 的影 响[ J ] ．粉 末冶 金材 料科 学 与工程 。2 0 0 6 ， 1 1 6 3 4 5 ～3 4 8 ． [ 4 ] 黄志辉 ， 吕换小 ．高速动力车制动盘、 制动闸片结构设 计及材料选择 [ J ] ．内燃机车 ， 1 9 9 7 ， 8 1 5 ] 9 ． 懈 O 0 0 O 0 O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 粉末冶金工业 第 1 8卷 行 业 动 态 新型纳米级金属粉末减摩剂通过鉴定 中图分类 号 T F 1 2 3 ． 7 文 献标识 码 D 把三种金属 同时制成纳米级的粉末 ， 每小时能生产 5 0 0 g纳米金属， 所研制的 自修复剂产品添加到润滑 油 中， 可以显著降低润滑油的摩擦系数 。这是 日前通过国家级科技鉴定 的“ 纳米金属粉体连续制备技术” 和 “ 高性能纳米金属／ 陶瓷复合润滑 自修复剂产品” 两个项 目的三大优势 。 金 属粉 末 已成为 微 电子 的重要 基础 性材 料 ， 广泛 用于 火 箭推 进 器 、 汽 车润 滑 油 和各 类 机 械 中 ， 以减 少 机 械的磨损 ， 延长机器的寿命 。目前 ， 许多 国家都在开发各种技术让金属粉末达到纳米级 。由中国颗粒学会组 织的科技鉴定认为 ， 南京工业大学张忠教授与江苏昆山密友实业有限公司合作完成 的上述两个项 目， 具有创 新 性 、 先 进性 和 实用性 ， 已达到 国内领先 、 国际先 进水 平 。 据悉， 在世界已开发的技术 中， 一种金属只能单独制成纳米级的粉末 ， 而“ 纳米金属粉体连续制备技术” ， 是在真空中通过 电流的方式把金属制成纳米级的粉末 ， 可把三种金属同时制成成纳米级的粉末 ， 还可让不同 金属粉末形成混合材料 ， 从而使其应用的范围更广泛 。 将生产的纳米金属配成 自修复剂产品 ， 添加到润滑油 中， 可以显著降低润滑油的摩擦系数 ， 保护汽车发 动机和各种运转机械设备 。 2 0 0 8年 1月 ， 南京东方长途客运公司等试用该修复剂 ， 都取得 了良好效果 。此项技术已获四项 国家专 利 ， 国外 同类产品的摩擦系数是 0 ． 0 7 3 ， 而“ 密友” 的产 品摩擦系数是 0 ． 0 4 2 4 ， 减小近一倍 。 耀 星摘 自 中国技 术 市场报 }} 2 0 0 8 0 4 1 8 稀 土纳米催化剂应用通过鉴定 ． 中图分类 号 T F 1 2 3 ． 7 文 献标识 码 D 由包头稀土研究院瑞科国家工程研究中心湿法工程化实验室与清华大学共同承担 的“ 稀土纳米催化剂 在 催化燃 烧 节能 及环 境净 化上 的应 用” 课 题 近 日通 过 了技术 鉴定 。 该课题采用非晶态配合物法 ， 共沉淀一喷雾干燥法制备了系列稀土复合氧化物钙钛矿型催化剂。采用 共沉淀一喷雾干燥一煅烧技术制备的稀土复合氧化物催化剂 ， 比表面积达到 5 0 6 0 m ／ g 。该课题合成的 稀 土复合 氧 化物催 化 剂催 化燃 烧 C O起 燃温 度 为 4 0 C， 完 全转 化 温 度 为 1 2 0 C。将 该稀 土 催 化 剂应 用 于 管 道煤气燃气灶 ， 与不使用稀土催化剂的对 比， 可以节能 2 0 以上 ， 在燃煤炉烟道采用负载催化剂丝 网处理 后 ， 烟气 中 C O几乎可 以完全净化 ， 废气 中其他有 害物质 可减少 8 O 以上， 对减轻环境污染具有明显的作 用 ， 具有非常好的社会环境效益 。目前的研究正在向产业化方 向转化 。 耀 星摘 自 中国技 术 市场报 }} 2 O 0 8 --0 3 2 8 第九届 国际粉末冶金会议和展览 即将在 印度果 阿举行 中图分类号 TF 1 2 文献标识码 D 第 九届 国际粉末 冶金 会议 和 3 5届 印度粉 末冶 金协 会 P MAI 年度 技术 会议 将 于 2 0 0 9年 2月 1 6 1 8号 在印度果阿举行 。该会议主要集中于汽车工程等工业领域 的粉末冶金技术交流， 并搭建技术转化和项 目合 作平 台。届时来 自于粉末冶金初始制造商 ， 终端市场和研究所的著名专家将对 P M 领域新发展作 主旨发言。 会议征求粉末冶金技术创新方面的演讲 ， 包括汽车工程工业新材料 ， 新过程 ， 模拟 ， 制造 ， 分析和表征手段 的 进展 ， 粉末冶金和陶瓷工业发展 ， 汽车， 粉末冶金和 陶瓷的新概念及微波和纳米材料等。会议还征集包括各 种粉末 ， 产 品， 设备 ， 表征 ， 质量控制等方面的商业展览 。会议将出版论文集 ， 并对优秀文章和展品给予表彰 。 我国中南大学易健宏教授 y i j i a n h o n g 2 0 0 4 y a h o o ． c o m． c n 为该会议国际联络委员会委员 。会议详情请参 阅 www． p ma i ． i n ， 更多信息请联系 p ma i p my a h o o ． c o rn 易健 宏 L 5 ] 路讯 ．日本 粉末冶金 协会 公布 2 0 0 5年度 奖 [ J ] ．粉末 冶金工业 ， 2 0 0 6 ， 1 6 2 4 4 ． E 6 3 姚萍屏 ， 李世鹏， 熊翔 ． F e和 S i O 对铜基摩擦材料摩 擦学行为 的对 比研究E J ] ．湖南有 色金属 ， 2 0 0 3 ， 1 9 5 31 ～ 3 4． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m