成型壓力對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響

1、成型壓力對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響成型壓力對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響劉建秀，孫璐璐，樊江磊，吳深，王艷，李瑩（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州450002）摘要摘要：研究成型壓力對銅基摩擦材料顯微組織和性能的影響。結(jié)果表明，銅基摩擦材料的密度隨成型壓力的增加基本保持不變；隨著成型壓力的增加，孔隙率明顯降低，致密度提高。當(dāng)成型壓力從60t增加到100t時，銅基摩擦材料的硬度明顯提高，當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加時，硬度出現(xiàn)下降趨勢；銅基摩擦材料的摩

2、擦系數(shù)隨著成型壓力的增加呈先降低后增加的趨勢。在成型壓力為100t時，銅基粉末冶金摩擦材料的綜合性能最佳。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：成型壓力；銅基；粉末冶金；摩擦材料；力學(xué)性能中圖分類號：中圖分類號：TB333；TG146.11文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：文章編號：10077545（2019）01000000EffectofFmingPressureonPropertiesofCuBasedPowderMetallurgyFrictionM

3、aterialsLIUJianxiuSUNLuluFANJiangleiWUShengWANGYanLIYing(ZhengzhouUniversityofLightIndustryZhengzhou450002China)Abstract：Effectsoffmingpressureonmicrostructurepropertiesofcopperbasedfrictionmaterialswereinvestigated.Ther

4、esultsshowthatwithincreaseoffmingpressuredensityofcopperbasedfrictionmaterialsremainsunchangedpositysobviouslycompactnessrises.Whenfmingpressurerisesfrom60tto100thardnessofcopperbasedfrictionmaterialsisobviouslyimproved.

5、Withcontinuousincreaseoffmingpressurehardnessoffrictionmaterials.Frictioncoefficientofcopperbasedfrictionmaterialssfirstthenriseswithincreaseoffmingpressure.Cubasedpowdermetallurgyfrictionmaterialshasoptimumcomprehensive

6、propertiesunderfmingpressureof100t.Keywds：fmingpressurecopperbasedpowdermetallurgyfrictionmaterialsmechanicalproperties銅基粉末冶金摩擦材料被廣泛用作滑動電接觸材料、自潤滑材料，以及制動、離合器等材料[17]。用于高速列車制動的銅基粉末冶金摩擦材料要求耐高溫、摩擦性能良好，在惡劣環(huán)境下也能保證行車安全[811]。銅基粉末

7、冶金摩擦材料是由多種組元構(gòu)成，材料的燒結(jié)行為復(fù)雜、影響因素繁多，經(jīng)過不同工藝燒結(jié)后的摩擦材料具有不同的摩擦磨損性能，其中，燒結(jié)溫度、成型壓力、燒結(jié)壓力和保溫時間等是影響銅基粉末冶金摩擦材料性能的主要工藝參數(shù)[1216]。盛洪超等[12]發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度由900℃增加至930℃時，銅基粉末冶金摩擦材料的制動、摩擦性能得到明顯改善，當(dāng)燒結(jié)溫度為930~1000℃時，摩擦材料的孔隙缺陷減少，磨損性能提高。王天國等[13]發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)溫度的提高，

8、銅基粉末冶金摩擦材料中的孔隙數(shù)量和尺寸減小，硬度提高，摩擦系數(shù)逐漸降低，材料的最佳燒結(jié)溫度為950℃。毛凱等[14]發(fā)現(xiàn)，不同燒結(jié)氣氛下制備的材料的顯微組織相似，但抗壓強(qiáng)度和摩擦磨損性能有顯著區(qū)別，其中N2H2混合氣體燒結(jié)制備的材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損量小，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。盛洪超等[15]發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)燒結(jié)壓力，可以減少銅基摩擦材料的孔隙率和摩擦系數(shù)，改善材料的磨損性能。樊毅等[16]發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著燒結(jié)壓力的增加，可以

9、提高濕式銅基燒結(jié)摩擦材料的硬度和耐磨性，降低材料的摩擦系數(shù)。目前，研究較多的是燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力和保溫時長對材料性能的影響，而成型壓力對銅基摩擦材料性能影響的研究較少，其對銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響規(guī)律尚不清楚。王培等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著成型壓力的增大，銅基粉末冶金摩擦材料的密度和硬度呈先上升后下降再上升的變化趨勢，但摩擦系數(shù)變化規(guī)律不明顯。試驗(yàn)采用粉末冶金方法制備銅基粉末冶金摩擦材料，重點(diǎn)探究成型壓力對銅基粉末冶金摩擦材料的硬度

10、、密度、顯微組織和摩擦磨損性能的影響。1試樣的制備及試驗(yàn)方法試樣的制備及試驗(yàn)方法試驗(yàn)原料有還原鐵粉、電解銅粉、錫粉和WC（粒徑均為0.074mm，純度99%），粒徑0.147mm的天然鱗片石墨和MoS2（純度98%）。將各粉末按下面的比例混合（%）：Cu58~60、Fe16~19、Sn2~4、MoS22~3、WC3~7、石墨6~10，混料時間2h，在鋼模中冷壓成正六邊形，成型壓力分別為60、80、100、120t。然后將試樣置于高溫?zé)釅?/p>

11、燒結(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下于950℃進(jìn)行燒結(jié)，保溫時間1h，隨爐冷卻至100℃以下出爐。收稿日期收稿日期：20180929基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51501167)；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(162106000019)；河南省杰出青年基金項(xiàng)目（13604000001）作者簡介作者簡介：劉建秀（1962），女，山西洪洞人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師；通信作者通信作者：孫璐璐（1993），女，doi：10.3969j.issn.100

12、77545.2019.01.014顆粒之間過早咬合以及部分顆粒碎裂，封閉氣體流動的部分通道，部分氣體未能及時排出，被封閉在微小的孔隙中。這些沒被及時排出的氣體在燒結(jié)過程中會隨著燒結(jié)溫度的上升而急劇膨脹，使孔隙的體積擴(kuò)大，影響燒結(jié)致密化過程。摩擦材料的密度和孔隙率是材料致密度的重要性能指標(biāo)[18]，通過試驗(yàn)結(jié)果分析，隨著成型壓力的增大，摩擦材料的密度變化幅度小，孔隙率降低，致密度提高。圖2為在不同成型壓力條件下制備的銅基粉末冶金摩擦材料的

13、SEM形貌。圖中灰白色相為銅基體；WC為白亮相大顆粒均勻鑲嵌在基體中；黑色相為天然鱗片石墨，平行于壓制方向，并呈層狀分布；暗灰相為鐵及其化合物，均勻分布在基體當(dāng)中。由圖2可以看出，當(dāng)成型壓力由60t增加到100t時，石墨的分布由雜亂、寬大逐漸變得連續(xù)、窄長，銅基體的連續(xù)性提高，顆粒間的邊界變得清晰。當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加到120t時，顆粒間的邊界變得不明顯，石墨的尺寸變小，銅基體的連續(xù)性受到影響。基體的連續(xù)性關(guān)系到摩擦材料的耐磨性，基體連續(xù)

14、性差的摩擦材料，在摩擦過程中容易發(fā)生基體黏著在對偶盤上，產(chǎn)生黏著磨損，降低材料的使用壽命。過大的成型壓力，也使WC在壓制過程中出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象(圖2e圓圈所示)，降低WC對銅基體的顆粒強(qiáng)化作用。碎裂的WC在摩擦過程中容易脫落，在摩擦材料和對偶盤之間形成磨粒磨損，使得材料的摩擦磨損性能受到影響[18]。(a)60t；(b)80t；(c)100t；(d)120t；(e)120t圖2不同成型壓力摩擦材料的不同成型壓力摩擦材料的SEM形貌形貌Fig

15、.2SEMmicrostructuresoffrictionmaterialsunderdifferentfmingpressure銅基粉末冶金摩擦材料的硬度和磨損量與成型壓力之間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)成型壓力由60t增加到100t時，銅基摩擦材料的硬度呈增大趨勢；當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加到120t時，銅基摩擦材料的硬度降低，但降低幅度較小。這是由于銅基摩擦材料的硬度與其致密度有關(guān)，致密度越高硬度也越高。由于隨著成型壓力由60t增加

16、到100t時，摩擦材料的孔隙率降低，致密度提高，所以摩擦材料的硬度也隨著成型壓力的增加而增大。當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加到120t時，過高的成型壓力造成顆粒間的快速緊實(shí)、咬合，使顆粒間出現(xiàn)微小孔隙，影響摩擦材料孔隙率的降低。所以當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加時，摩擦材料的硬度雖現(xiàn)減小趨勢，但數(shù)值變化較小，影響不大。從圖3還可以看出，隨著成型壓力的增加，試樣的磨損率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。材料的黏著、摩擦表面的凸起、嚙合大小等都與材料的摩擦系數(shù)有關(guān)，而摩擦系

17、數(shù)直接受摩擦材料孔隙率的影響。根據(jù)機(jī)械嚙合理論，摩擦力是由接觸面分子引力和接觸面凹凸部分機(jī)械嚙合引起的[19]，當(dāng)材料的孔隙越大，在對偶摩擦滑動過程中，嚙合程度就越大，即孔隙的邊緣效應(yīng)使得在滑動過程中的摩擦阻力增加。所以隨著成型壓力的增加，銅基摩擦材料的孔隙率降低，摩擦系數(shù)也有所下降。當(dāng)孔隙率較低時，銅基摩擦材料的強(qiáng)度和硬度都很高，提高了摩擦組元在基體中的鑲嵌度，起到強(qiáng)化基體的作用，所以當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加時，摩擦材料的摩擦系數(shù)進(jìn)一步提高