Cr-Fe为摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损性能.pdf

第 l 9 卷第 6期 、 b1 ． 1 9 No．6 粉末冶金材料科学 与工程 ．M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f Po wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 4年 1 2月 De c ． 2 01 4 C r - F e 为摩擦组元的铜基粉末冶金 摩擦材料的摩擦磨损性能 赵翔 ，郝俊杰 ，彭坤 ，于潇 ，裴广林。 1 ．北京科技大学 新金属材料与技术研究院，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ． 西安航空制动科技有限公司，西安 7 1 3 3 0 6 摘要以 C r - F e取代传统材料中的陶瓷相作为硬质相 即摩擦组元 ，制备铜基粉末冶金摩擦材料，通过扫描电 镜观察分析该材料的微观结构，在 MM3 0 0 0摩擦磨损试验机上检测材料的摩擦磨损性能，并与以A 1 O 作为摩擦 组元的铜基粉末冶金摩擦材料进行对比。结果表明，以C r - F e取代陶瓷相作为摩擦组元，可改善硬质相与基体间 的结合状态。随摩擦速度提高，材料的摩擦因数呈先下降后上升的趋势；与 A 1 2 O 3 陶瓷相作为摩擦组元相比，用 C r - F e为摩擦组元的铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦因数提高 1 2 ％～ 2 7 ％，且稳定性提高 1 0 ％～ 2 0 ％，线磨损量降低 2 0 ％- 7 0 ％。 关键词C r - F e ；摩擦组元；粉末冶金；摩擦材料；摩擦磨损 中图分类号T G1 4 6 ． 1 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 0 2 2 4 2 0 1 4 6 ． 0 9 3 5 0 5 Fr i c t i o n a nd we a r be h a v i o r o f CU ba s e d P ／ M f r i c t i o n m a t e r i a l s wi t h Cr - Fe a s f r i c t i o n c o mpo ne nt s Z H AO X i a n g ， HA O J u n - j i e ， P E NG K u n ， YU Xi a o ， P E I G u a n g ． 1 i n 2 I ． I n s t i tu t e f o r A d v a n c e d Ma t e r i a l s a n d T e c h n o l o g y , U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． X i ’ a n A v i a t i o n B r a k e T e c h n o l o gy C o ． 1 t d ， X i ’ a n 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Cr - F e,p o wd e r wa s u s e d a s h a r d p h a s e t o r e p l a c e t h e c e r a mi c p h a s e i n t r a d i t i o n a l ma t e ria l s ， Cu b a s e d p o wd e r me t a l l u r g y fri c t i o n ma t e ri a l s we r e p r e p a r e d ． T h e mi c r o s t r u c t u r e wa s a n a l y z e d b y S E M ， t h e f r i c t i o n a n d we a r p r o p e r t i e s we r e t e s t e d o n t h e ma c h i n e o f MM3 0 0 0 and c o mp a r e d wi t h t h e c o p p e r - b a s e d p o wd e r me t a l l u r gy f r i c t i o n ma t e ria l i n wh i c h A1 2 03 a s f ric t i o n c o mp o n e n t ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t Cr - F e r e p l a c i n g c e r a mi c p h a s e C an i mp r o v e the b o n d i n g o f i n t e r f a c e b e t we e n t h e h a r d p h a s e and t h e c o p p e r ma t r i x i n t h e Co p p e r - b a s e d f r i c t i o n ma t e ri a l s ． Th e f r i c t i o n c o e ffic i e n t d e c r e a s e s a n d t h e n i n c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g fri c t i o n s p e e d ．Co mp a r e d wi t h the ma t e ria l s u s i n g AI -03 a s f r i c t i o n c o mp o n e n t ，the fri c t i o n c o e ffic i e n t o f ma t e ria l s u s i n g Cr - F e a s the f r i c t i o n c o mp o n e n t i n c r e a s e s b y 1 2 ％ 2 7 ％，the s t a b i l i t y i n c r e a s e s b y 1 0 ％- 2 0 ％， and the we ar v o l u me l o s s d e c r e a s e s b y 2 0 ％- 7 0 ％． Ke y wo r d s Cr - F e ； f r i c t i o n c o mp o n e n t ； p o wd e r m e t a l l ur gy ； fri c t i o n ma t e ria l s ； f r i c t i o n a n d we a r 传 统粉末冶金摩擦材料是 以金属或合金 为基 体 ， Al 2 O 3 、S i O 2 陶瓷等硬质相为摩擦组元，石墨、铅等固 体润滑 剂为润滑组元 ，采用粉末冶金工 艺制备 的复合 材料⋯，主 要包括铜 基和铁基 2种 。铜基 粉末冶金摩 擦材料具有磨损小，热稳定性高，工作平稳可靠，受 环境的影响小等优点，并且具有适宜的强度，特别适 用于高速重载的机械离合器和制动器，其 良好的高温 稳定性可保证其在较苛刻的条件下工作【 ] 。 因此铜基 粉末 冶金 摩擦 材料 逐渐 取代 了铁基粉 末 冶金摩 擦材 料，在火车、飞机及高性能赛车上得到广泛应用。 传统的铜基粉末冶金摩擦材料中的 A1 2 O 3 、S i O 2 等摩擦组元与铜或铜合金基体 的弹性模量相差大 ，润 收稿 日期2 0 1 4 0 2 - 0 5 ；修订 日期2 0 1 4 - 0 3 2 8 通讯作者郝俊杰，博士，教授。电话0 1 0 - 8 5 3 7 1 5 2 8 1 E ma i l h a o j u n j i e u s t b ． e d u ． e n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 3 6 粉末冶金材料科学与工程 湿性很差，因此摩擦组元与基体间的结合差，导致随 摩擦速度增大，摩擦组元更容易脱落以及摩擦因数下 降。为了提高铜基摩擦材料的摩檫因数及摩擦因数稳 定性 ， 国内外学者做 了大量研究 。 Mu s t a f a B o z 和 Ad e m K u r t 的研究表明铜基摩擦材料的摩擦因数随表面温度 升高而降低，A l 2 O 3 含量为 2 ％和 4 ％时，摩擦因数减 小最 。 杜建华等[ 的研究表明在铜基摩擦材料中添 加微量 n ． S i O2 可改善材料的耐磨性和耐热性，而添加 C u ／ n ． S i O2 的铜 基摩擦 材料耐热性提 高 3 2 ％， 耐磨性提 高 2 ． 0 2倍 。 姚萍屏 8 】 发现添加 S i O 2 能够更有 效地提 高铜 基摩擦 材料 的摩擦 因数和 高速 条件 下的耐磨性， 但对 低速 下磨损性 能的提 高不利 。 铬具有质硬、耐磨、耐高温、抗腐蚀等特性，但 铬在空气中容易被氧化，因此常将铬与铁制成 C r - F e 合金，提高其抗氧化的能力，并具有一定的硬度、抗 腐蚀及耐磨等特性以及良好的高温稳定性。C r - F e合 金与铜或铜合金的亲和力很强， 两者 可以互溶 ，因此， 以 C r - F e作为摩擦组元制备铜基粉末冶金摩擦材料 ， 可改善硬质相与铜基体的结合状态。研究表明将微细 C r - F e粉加入到铁基烧结材料中可改善材料的强度与 摩擦磨损等性能[ 9 - 1 0 ] 。 S e r d a r O s ma n Y i l ma z 采用 F e C r 、 F e C 、和 WC ． F e C r C合金粉为原料，在 AI S I 1 0 1 8低 合金钢表面制备涂层 ，使 A I S I 1 0 1 8 钢 的抗磨性提高 ， 并且高 C r 含量 的铬铁粉与 WC颗粒混合使用可提高 低碳钢表面强度L 1 ” 。但采用 C 卜 F e作为摩擦组元来改 善铜基摩擦材料摩擦磨损性能方面的研究鲜有报道。 本文作者以 C r - F e作为硬质相 即摩擦组元 取代 传统材料 中的陶瓷相 ，制备铜基粉末冶金摩擦材料 ， 研 究硬质 相 与铜基 体 结合状 态及 材料 的摩 擦磨 损性 能 ，并与 以 A l 2 O 3 陶瓷相 为摩擦组元 的传统摩擦材料 进行对比，以期为高速重载机械制动器用摩擦材料的 研制中摩擦组元的选择提供理论和实验依据。 1 实验 1 ． 1 原料粉末 A 1 2 O 3 粉末，平均粒度为 1 0 6 l x mC r - F e 粉，粒度 为 1 0 6 g m， 成分为 6 0 ％- 7 0 ％ C r ， 0 ． 2 5 ％C， 1 ． 5 ％ S i ， 其余为F e C u粉 粒度 7 5 m ，F e 粉 7 5 u r n ，S n粉 7 5 m ，鳞片石墨 2 o 0 1 。 1 ． 2 摩擦材料的制备 分别以 C r - F e合金粉末与 A l 2 O3 陶瓷粉末作为摩 擦组元，采用粉末冶金法制备铜基摩擦材料。首先按 表 l所列原料配比称量摩擦组元、C u粉，F e粉，S n 粉 ，鳞 片石墨等 原料粉末 ，搅拌混合 ，然后在 V 型混 料机 中混合 1 0 h 。用单轴压制法在 5 0 0 MP a 压 力下压 制 成尺 寸为 2 5 mm2 5 mm1 0 mi l l 的方块 试样；压 坯在氢气保护下进行加压烧结。烧结温度为 8 6 0℃， 保温 2 ． 5 h ， 压力为 2 MP a 。 烧结温度曲线如图 1 所示。 表 1铜基摩擦材料的原料配比 T a b l e 1 Ch e m i c a l c o mp o s i t i o n s o f f r i c t i o n ma t e r i a l s ma s s f r a c t i o n ， ％ S a mp l e Cr - Fe A1 2 03 Cu F e S n F l a k e g r a p h i t e Ot h e r T i me ／ mi n 图 1 铜基摩擦材料的烧结温度一 时 间曲线 F i g ． 1 Cu r v e o f s i n t e r t e mp e r a t u r e v e r s u s t i me 1 ． 3 性能检测 在铜基粉末冶金摩擦材料试样上取样进行微观结 构分 析和摩擦磨损 性能测试 。用 L E O． 1 4 5 0型扫描 电 镜 S E M 观察材料的微观结构，试样尺寸为 1 0 mm 5 n l lT l 5 m m，依次经 5 0 0 、6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 0 、1 5 0 0 目砂 纸打磨 ，然后 抛光；采用西安顺通 实验设备制造 公司生产 的MM3 0 0 0 摩擦 磨损试 验机测 定材料 的摩擦 磨损性能，将试样切成 2 5 mmX 2 5 mm的方形样块， 对偶盘为 4 5 钢，负荷 0 ． 7 MP a 。摩擦试验中取 5个瞬 时摩擦因数 l ， 2 ， 3 ， 4 和 5 ，计算其平均值 ， 再按 下式计 算该次试验中摩擦 因数的稳 定系数 0 目 一 1 l 一 9 1 19 2 一 l 十 f∥ 一 I l∥ 一 l } 一 ∥ l 5 p 测量试验后试样的厚度变化量作为其线磨损量。 p 莹 ∞ 矗d W 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 9 3 8 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 4年 1 2 月 擦阻力减小， 从而使摩擦因数降低， 但另一方面， C r - F e 与基体润湿性好，结合牢固，不容易脱落，摩擦过程 中提 供 的摩擦 阻 力大 ，最终 使得 其摩擦 因 数高于 以 Al 2 O 3 为摩擦组元 的材料 。 转速达到 4 0 0 0 r ／ mi n后 ，以 C r - F e 为摩擦组元的 摩擦材料的摩擦因数随转速增大而升高，而以 Al 2 O 为摩擦组元 的摩擦材料 的摩擦 因数 随转速增大而缓慢 下 降。 这是 由于随转速增加， 材料表面温度不 断升高 ， 在较高转速下，以 A h O 3 为摩擦组元的材料，在摩擦 热和 摩擦应 力的作用下 ，与空气 中的氧 发生反应 ，材 料 表面形 成一层 起减磨 作用 的氧化膜 也叫第三 体 【 H ] 。随转速增加，氧化膜厚度增加，因而摩擦因数 平缓下降。以 C r - F e为摩擦组元的材料，在摩擦热与 摩擦 应力的作用下摩擦表 面也形 成一层 氧化膜 ，同时 在摩 擦热的作用下 ， C r _ F e 磨 屑中的 C r 被氧化形成 C r 的氧 化物 ，在摩擦 力的作 用下均 匀弥散分布于摩擦面 上，参与摩 擦面氧化膜的组成。氧化膜 主要通 过隔断 摩擦面微 凸体 的直 接接触来起减磨作用 ，而以 C r - F e 为摩擦组元的材料表面形成的氧化膜中含有大量弥散 分布的微小 C r 的氧化物，具有质硬、耐高温、耐磨等 特性，作为氧化膜组成的一部分，可以强化氧化膜， 并且起到磨粒的作用，从而提高摩擦因数。在转速大 于 4 0 0 0 r ／ mi n时， 随转速增加 ， 致密氧化膜厚度增加 ， 在 C r 的氧化物 的参与下 ， 强度增大 ， 故摩擦 因数升高 。 从图 3 可看出，以 C r - F e为摩擦组元的材料，其摩 擦 因数 比以 Al 2 O 3 为摩擦组元 的材料提高 1 2 ％～ 2 7 ％， 由图 4可见其摩擦 因数稳定系数提高 1 0 ％～ 2 0 ％。 摩擦过程 中，随转速提高 ，材料的磨损 出现 3 种 情况 ， 】 第 1 种是较低转速下的磨粒磨损，指对 R o t a t i o n s p e e d ／ r - mi n 一 图 4 摩擦因数稳定性 稳定系数 随转速变化曲线 r i g ． 4 Re l a t i o n s h i p s b e t we e n f r i c t i o n c o e ffi c i e n t s t a b i l i t y a n d r o tat i o n s p e e d 偶盘上的微凸体或摩擦材料上脱落的硬质颗粒对材料 造成的犁削磨损。第 2种是粘着磨损，摩擦过程中产 生 的摩擦热使材料 内部 的低熔 点金属融化 ，并在材料 表面形成一层薄膜，使材料表面强度降低，从而加剧 磨损 。第 3 种是氧化磨损 ，主要是在高转速下 由于摩 擦热和摩擦应力 的作用形成 的氧化膜 的磨损 。 从 图 3 0 可看出添加不同摩擦组元的材料，其线磨损量均随转 速提 高而增加 。但 以 C r ． F e为摩擦组 元的摩擦材料 在 所有转速 下的磨损量都小于 以 A l 2 O3 陶瓷为摩擦组 元 的摩擦材料 。在低速下这 2 种 材料 都以磨粒 磨损和粘 着 磨损 为主，在 3 0 0 0 r ／ mi n转速下 ，磨粒 磨损起主导 作用，以 C r - F e为摩擦组元的摩擦材料，其 C r - F e颗 粒与基体 结合 紧密， 不 易脱落 ， 因而材 料磨损 量很小 ； 以 Al 2 0 3 陶瓷为摩擦组元的摩擦材料由于 Al 2 O3 颗粒 与铜基体结合状 态差，在摩擦 热和摩 擦应 力作用下发 生轻微脱落，使材料的耐磨性降低，磨损加重。转速 增大到 4 0 0 0 r ／ m i n时 ，以 C r - F e 为摩擦组元的材料 ， 在摩擦过程 中受到对偶件微凸体的轻微磨损 ，并且 由 于低熔点金属的存在而夹杂着一部分粘着磨损，使材 料磨损增加； 而以Al 2 O3 陶瓷为摩擦组元的材料， Al 2 O 3 颗粒与基体结合差 ， 随速度 增加 ， 颗粒脱落数量增加 ， 并伴随着低熔点金属的融化，使磨损量增大，且大于 C r - F e 为摩擦组元的摩擦 材料。 当转速超过 4 0 0 0 r ／ mi n 时，摩擦热增加，摩擦应力增大，材料表面形成氧化 膜，此时的摩擦过程为氧化膜的生成和剥落的过程。 以 Al 2 O 3 陶瓷为摩擦组元的摩擦材料由于 A 1 2 O3 颗粒 的脱落， 不能钉扎氧化膜， 使形成的氧化膜强度不够， 并且受到脱落的 Al 2 O3 颗粒的研磨，氧化膜容易剥落 如图 5 b 所示 ，因此相对 于低速 下材料磨损 量增加。 而以 C r - F e为摩擦组元的摩擦材料，硬质颗粒受摩擦 热及摩擦力的作用而磨损，磨损后的磨屑被氧化，尤 其是其中的 C r 被氧化成为氧化膜的组成物， 提高了氧 化膜 的强度 ，并且未脱落 的 C r - F e颗粒对氧化膜起钉 扎作用，使 其不容 易剥落 ，因此 ，虽然 在高速 下其磨 损量增加，却仍低 于 以 Al 2 O 3 陶瓷为摩擦组元 的摩擦 材料 。 3 结论 1 用 C r - F e 取代传统铜基粉末冶金摩擦材料中的 陶瓷摩擦组元 ，可有效改善硬质相与基体间的 结合状 态 ，摩擦过程 中硬质颗粒不易脱落 。 2 以C r - F e 作为摩擦组元，可改变传统摩擦材料 的摩擦因数随速度提高而降低的特性，摩擦因数随转 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