Al_2O_3含量对铜基粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的影响.pdf

第 2 6卷 第 1 期 2 0 1 6年 2月 粉 末 冶 金 工 业 PoW DER M ETALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 6， No ． 1 ，p 4 6 5 0 Fe b． 2 Ol 6 DOh 1 0 ． 1 3 2 2 8 ．b o y u a n ． i s s n 1 0 0 6 6 5 4 3 ． 2 0 1 5 0 0 6 4 A l o 含量对铜基粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的影响 王天国，梁启超，覃 群 湖北汽车工业学院材料科学与工程学院， 湖北 十堰 4 4 2 0 0 2 摘 要 采用粉末冶金方法制备铜基摩擦材料， 研究A1 0 ， 的添加量对材料的摩擦磨损性能的影响。结果表 明 Al 0 ， 对材料摩擦磨损性能的影响与摩擦速度密切相关； 随着Al 0 含量增加 ， 材料的摩擦因数提高， 密度 降低， 硬度增加， 磨损量先减小后增大， Al O 质量分数为9 ％时， 复合材料的摩擦因数较高且稳定， 磨损量最 小。不含 A 1 O 的材料摩擦表面出现大量凹坑， 磨损严重 ， 随着 A 1 o 含量提高， 凹坑数量减少， 弥散分布的 Al O， 粒子能强化基体表面强度 ， 从而 导致材料 磨损 量降低 。 关键词 铜基摩擦材料； 粉末冶金； 摩擦磨损 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 ． 6 5 4 3 ． 2 0 1 6 0 1 ． 0 0 4 6 ． 0 5 Ef f e c t o f A1 2 03 c o n t e n t o n f r i c t i o n a nd we a r pr o pe r t i e s o f c o ppe r - b a s e d po wde r me t a l l ur g y f r i c t i o n ma t e r i a l s WA NG T i a n g u o ，L I A NG Qi c h a o ，Q I N Q u n C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Hu b e i U n i v e r s i t y o f A u t o mo t i v e T e c h n o l o g y ， S h i y a n 4 4 2 0 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e e ff e c t o f A1 2 03 c o n t e n t o n fri c t i o n a n d we a r p r o p e r t i e s o f c o p p e r ma t rix c o mp o s i t e p r e p a r e d b y p o w d e r me t a l l u r g y me t h o d wa s i n v e s t i g a t e d ． T h e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e e ffe c t s o f A1 2 O3 o n t h e f r i c t i o n a n d we a r p e r f o r ma n c e o f t h e ma t e ri a l s a r e c l o s e l y r e l a t e d t o t h e f ri c t i o n s p e e d ． W i t h i n c r e a s i n g o f A1 2 O3 c o n t e n t ，h a r d n e s s a n d f r i c t i o n c o e ffic i e n t o f Cu b a s e d f r i c t i o n ma t e ria l s i n c r e a s e ，d e n s i ty d e c r e a s e s a n d t h e we a r e x t e n t d e c r e a s e s fi r s t l y a n d t h e n i n c r e a s e s s u b s e q u e n t l y ． Wh e n A1 2 0 3 c o n t e n t i s 9 ％ f ma s s p e r c e n t ． f r i c t i o n c o e ffic i e n t o f t h e ma t e r i a l i s h i g h a n d s t a b l e，we a r r a t e i s t h e l o we s t ． T h e fri c t i o n s u r f a c e d i s p l a y s a r o u g h mo r p h o l o g y wi t h a n u mb e r o f wi d e s c a r s wh e n t h e ma t e r i a l d o e s n o t c o n t a i n A1 2 O3 ． T h e s c a r s d e c r e a s e a n d e v e n d i s a p p e a r wi t h i n c r e a s e o f A1 2 O3 c o n t e n t ． Th e d i s p e r s e d A1 2 03 p a r t i c l e s c a n s We n g t h e n th e s ur f a c e h ard n e s s o f t h e ma t e r i a l ，c a u s i n g t h e we a r r a t e d e c r e as i ng． Ke y wo r d s c o p p e r - b a s e d f ric t i o n ma t e ria l ； p o wd e r m e t a l l urg y； fri c t i o n a n d we a r 铜基粉末冶 金摩擦 材料采 用粉末冶金方法制 成 ， 具有 良好的摩擦学性能和热 稳定性 能， 广泛应 用于高铁 、 汽车 、 船舶 、 工程机械和机床等 的离合器 与制动装置 中 】 。铜基粉末冶金摩擦材料通常 由基 体金属 C u及其合金 、 润滑组元 石墨、 S n 等 和摩 擦组元 S i C、 S i O 等 组成 。其 中， 金属基体组元决 定材 料的耐热性 、 强度等力学性能 ； 润滑组元可以 减 少表面磨损 ， 保 障摩擦过程顺利进行 ； 摩擦 组元 起着抗磨、 抗粘结和调整摩擦因数 的作用[ 2 - 3 1 。通过 改变摩擦材料 中基体组元、 润滑组元和摩擦组元的 成分、 含量可 以制备 出满足不 同使用要求的铜基粉 末冶金摩擦材料 ] 。 现代机器工作 负荷 的不断增加和运转速度 的 不断提高 ， 对铜基摩擦材料提 出了更高、 更苛刻 的 基 金项 目 湖 北省教育厅科学技术重点项 目 D2 0 1 4 1 8 0 1 湖北 省 自然科学基 金资助 项 目 2 0 1 4 CF B 6 2 7 作 者简介 王天国 1 9 7 8 一 ， 男， 博士， 副教授 ， 主要从事金属基复合材料的制备及性能研究。 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 期 王天国等A 1 O 含量对铜基粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的影响 ． 4 7． 要求 ， 为 了提 高铜基摩擦材料 的耐磨性 和摩擦 因 数 ， 在探索新的摩擦组元方面进行 了大量 的研 究工 作。研 究表 明， 在铜基粉末冶金摩擦材料 中加入适 量 S i C、 S i O 、 Z r O 等摩擦组元可提 高材料的摩擦因 数， 降低其磨损量 ] 。AI 0 ， 是一种具有较 高硬度的 摩擦组元 ， 其含量对铜基摩擦材料的摩擦磨损性能 有较大的影响。本文通过粉末冶金法制备 了铜基 摩擦材料 ， 研究了Al 0， 含量对铜基摩擦材料的组织 和摩擦学性能的影响。 1 实 验 实 验原料 采用粒径 小于 1 0 0 p ,m 的还 原 F e 粉 纯度不低于9 8 ． 0 ％， 质量分数 ， 粒径小于 8 0岬 的 电解 C u 粉 纯度不低于 9 8 ． 0 ％， 质量分数 ， 粒径小 于 1 0 0 I ra1 的 T i 粉 纯度不低 于9 9 ． 0 ％， 质量分数 ， 粒径小于 4 0 0 p m的鳞 片石墨 纯度不低于 9 7 ． O ％， 质量 分数 ， 粒 径小于 1 0 0哪 的 S i C 纯度不低 于 9 8 ． 0 ％， 质 量分数 和粒径 小于 2 0 0 p m的人造 刚玉 A l 0 粉 纯度不低于 9 9 ． 0 ％， 质量分数 。配制 5 种 不 同A1 0， 含量的试样进行实验 ， 详细配比见表 l 。 按照实验配 比称取粉末 ， 在 Q M． 3 S P 2 型行星式球磨 机中混料， 料球质量 比为 1 1 2 ， 转速为 2 0 0 r ／ mi n ， 混 料时间为2 h 。将混合后粉末在 1 0 0 MP a 下单向轴 向压制成形， 压坯试样为 5 01T I 1 T I 的圆形试样。压 制后的坯体在 WZ DS 一 2 0 型真空炉中于9 5 0℃烧结， 保温2 h ， 之后随炉冷却 。 表1 摩擦材料组成 质量分数 ％ 为 1 0 0 N， 转动速度分别为2 0 0 r ／ mi n 和 4 0 0 r ／ mi n ， 转 动 3 0 mi n后用精度为 0 ． 1 mg的 Me t t l e r AG2 0 4型电 子分析天平秤量试样的质量损失， 结果均取 3 次实 验 的平均值 ； 摩擦 因数 由M一 2 0 0 0 型试验机智能测 控系统测定。 2 结果与分析 图l 为烧结材料的密度和硬度随A l O ， 含量变化 的关系曲线。可见， 烧结材料的密度随着 Al 0。 含量 的增加而降低。这是由于AI O 的密度为3 ． 9 7 g ／ c m ， C u的密度为 8 ． 9 6 g ／ c m ， 增 加 A l 0 ， 含 量 必然 会 降 低烧 结材料 的密度 ； 另一方 面 ， 由于A1 O ， 粉末 中 含有 一定孔 隙， 同时， Al O， 与 C u结合面存在一定 孔 隙 ， 所 以也 会 导致 烧 结 材 料 的密 度 减 小 。然 而 ， 增 加 Al 0， 含量 可 以使烧 结材料 的硬度 增加 ， 这 主 要 由于 Al 0 作 为 摩 擦 组 元 具 有 较 高 的硬 度 。烧 结材 料硬 度 的增大 有利 于提 高铜 基摩 擦 材料 的耐磨性 。 试样编号 c u T i F e S i C 石墨 A 1 O ， 图1 Al O， 含量与试样密度和硬度的关系曲线 采用排 水法测 定烧结材料 的密度 ； 采用 HR S 一 1 5 0型数显 洛 氏硬度计 测 定试样硬 度 ； 采用 J S M一 6 5 1 0 L A扫描 电镜分析样 品的微观组织 ； 用 M一 2 0 0 0 型摩擦磨损试验机测试样品的摩擦磨损性能， 摩擦 试样尺寸为 3 0 IT U T I 7 m l T l 6 ra i n ， 表面粗糙度 不大于0 ． 4 ml T l ， 对偶试样为环形T 1 0 钢环试样 ， 外径 4 0 ton i ， 内径 1 6 n l n l ， 厚度 为 1 0 mi ／ 1 ， 洛氏硬度为 6 3 H RC ， 表面粗糙度 。 不大于O ． 8 mm， 压力载荷均 图2为在 2 种不 同的摩擦速度条件下 ， 铜基摩 擦材料 的摩擦 因数随Al O ， 含量变化 的关 系 曲线。 由图可见 ， 随着 Al 0 ， 含量增加 ， 2 种摩擦速度条件 下 的材料摩擦因数都有增大趋 势。因为在摩擦过 程 中， Al O ， 作为摩擦组元， 具有较高的强度和硬度， 对基体合金具有一定的湿润性 ， 在摩擦过程中会消 耗大量的能量， 保证摩擦表面适当啮合 ， 使对偶表 面产生较小的擦伤和磨损。所 以随着 A1 O， 含量增 加 ， 铜基摩擦材料 的摩擦因数增加。同时， 不 同的 摩擦速度 也会 影响材料 的摩擦 因数 。当摩擦速度 为4 0 0 r ／ mi n时， 随着 A l O 含量增加 ， 摩擦因数的变 化范围较摩擦速度为2 0 0 r ／ mi n时的小。 5 5 5 5 5 1 2 3 4 5 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 粉末冶金工业 第 2 6 卷 会议信息 2 0 1 6 年 l 3 D P r i n t i n g El e c t r o ni c s Co nf e r e n c e J a n u a r y 1 9 ， Ei n d h o v e n ， T h e Ne t h e r l a n d s 、 V 、 l 、 l ， ． 3 d p r i n t i n g e l e c t r o n i c s c o n f e r e n c e ． c o m 2 3 D Me d t e c h P r i n t i n g Co n f e r e n c e J a n ua r y 27 ， M a a s t r i c ht ， The Ne t h e r l a n ds 、 ln v 、 v ． 3 d me d t e c h pr i n t i ng c o n f e r e nc e ． c o rn 3 APS M e e t i n g s F e b r u a r y 3 - 4 ， L y o n ， F r a n c e www． a p s me e t mgs ． c o m 4 P M 1 6 I n t e ma t i o n a l CO n f e r e n c e F e b rua ry 1 8 ． 2 O ． P u n e 。 I n d i a www． p m a i ． i n ／ p m l 6 5 M E1 A V 2 01 6 F e b rua r y 2 3 - 2 7 ． Du s s e l d o r f , Ge r ma n y Ⅵr 、 m e t av． com 6 MI M2 01 6 I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n I n _i e c t i o n M o ul d i n g o f M e t a l s ， Ce r a mi c s a n d Ca r bi d e s M a r c h 7 - 9 ， I r v i ne ， USA www． mp i f ． o r g ／ Me e t i n g s ／ 2 0 1 6 ／ MI M2 0 1 6 7 Ad d i t i v eM a n u f a c t u r i n gUs e r s Gr o u pCo n f e r e n c e Ap ril 3 - 7 ，S t ． Lo u i s ， M i s s o u r i ， US A Ⅵ r w． a d d i t i v e ma nu f a c t u r i ng u s e r s g r o up． c om 8 P M Ch i n a 2 0 1 6 Ap r i l 2 7 2 9， S ha n g h a i ， Chi na Ⅵr 、 w． c n 。 pme x p o． c o m 9 Ra p i d 2 0 1 6 M a v 1 6 ． 1 9 ， Or l a n d o， US A www． r a p i d 3 d e v e n t ． c o rn 1 0 AM PM 2 0 1 6 Ad d i t i v e M a n uf a c t u r i ng wi t h Po wde r M e t a l l u r g y J u n e 5 - 7 ， Bo s t o n， US A 、 l r、 r 、 I r． m p i f ． o r g 1 1 P OW DERME T2 0 l 6 Co n f e r e n c e o n P o wd e r Me t a l l u r g y P a r t i c u l a t e M a t e r i a l s J u ne 5 - 8 ， Bos t o n ， USA www． mp i f ． o r g 1 2 Ad d i t i v e Ma n u f a c t u r i n g a n d 3 D P ri n t i n g I n t e ma t i o n a l Co n f e r e n c e J ul y 1 2 1 4 ， No t t i n g ha m ， UK www． a m． c o nf e r e nc e ． c o m 1 3 AM 3 D Ad d i t i v e M a n u f a c t u ri n g3 D P r i n t i n g Co n f e r e nc e＆ Ex p o Au g u s t 2 1 2 4 ， C h a r l o t t e ， US A www． a s me ． o r g ／ e v e n t s ／ a m3 d l 4 3 D Pr i n t Oc t o b e r 4 5 ， L y o n ， F r a n c e www． 3 d p r i n t e x h i b i t i o n ． c o m 1 5 6 t h I n t e m a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ad d i t i v e M a n u f a c turi n g T e c h n o l o g i e s AM 2 0 1 6 Oc t o b e r 6 - 7 ， Ba n g a l o r e ， I n d i a 、 r 、 l r 、 ， ． a ms i ． o r g ． i n 1 6 P M 2 0 1 6 P o wd e r M e t a l l u r g y Wl0 r l d Co n g r e s s Ex hi bi t i o n Oc t o b e r 9 1 3 ， Ha mb u r g ， Ge r ma n y Ⅵ 、 l ， 、 ， ． e pma ． c o m／ wo r l d p m 2 0 1 6 1 7 M S T 201 6． Ad di t i ve M a n uf a c tur i n g o f Co mp o s i t e s a n d Co mp l e x M a t e r i a l s Oc t o be r 23 2 7 ．S a l t La ke Ci t y , U S A Ⅵ nV ． ma t s c i t e c h ． o r g 1 8 Fo r mne x t 2 01 6 No v e mbe r l 5 1 8 ， Fr a n kf u r t ， Ge rm a n y Ⅵ f o rm ne x t ． c o m 1 9 Eur o mo l d 2 01 6 De c e mb e r 6 - 9， Dfis s e l do r f , Ge rm a ny www． e ur o mo l d． c o m 2 0 Ad d i t i v e M a n u f a c turi n g Ame ric a s 2 0 1 6 De c e mb e r 7 - 9 ， P a s a d e n a ， US A 、 Ⅵ ． a ms h o w a me ric a s ． c o m 张义文 [ 1 0 ] 磨损性 能的影 响机制 [ J ] ． 摩擦学报， 2 0 0 6 ，2 6 5 4 7 8 - 4 8 3 ． 杜建华 ，冯建林 ，计德林 ，等． 纳米 s i o。 含 量对铜基摩擦材料 摩擦学性 能的影响[ J ] ． 粉末冶金技术，2 0 0 8 ， 2 6 1 1 1 1 4 ． 王秀飞， 许桂生， 韩娟， 等． 添加Z r O 对铜基摩擦材料摩擦 磨损 性能的影响[ J ] ． 粉末冶金技术 ， 2 0 1 3 ， 3 1 1 2 2 2 7 ． [ 1 2 ] 周海滨 ，姚萍屏 ，肖叶龙，等． S i C颗粒 强化铜基粉末 冶金摩 擦材料 的表面 形貌特征 及磨损机 理[ J ] ． 中国有色 金属学报 ， 2 0 1 4 ， 2 4 9 2 2 7 2 2 2 7 9 ． [ 1 3 ] 韩晓 明，符蓉，高飞 ， 等． S i O 含量对铜基摩擦材 料摩擦行为 的影 响[ J 】 ． 中国有色金属学报 ， 2 0 0 9 ， 1 9 1 0 1 8 4 8 1 8 5 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m