1、燒結金屬摩擦材料現狀與發展動態1 前言 燒結金屬摩摩擦材料料是以金金屬及其其合金為為基體，添添加摩擦擦組元和和潤滑組組元，用用粉末冶冶金技術術制成的的復合材材料，是是摩擦式式離合器器與制動動器的關關鍵組件件。它具具有足夠夠的強度度，合適適而穩定定的摩擦擦系數，工工作平穩穩可靠，耐耐磨及污污染少等等優點，是是現代摩摩擦材料料家族中中應用面面最大、量量最大的的材料。 用粉末冶金金技術制制造燒結結金屬摩摩擦材料料已有770年的的歷史，119299年美國國開始了了這項工工作的研研究，330年代代末期首首先將該該材料用用在了DD-7、DD-8鏟鏟運機中中的離合合器片上上。發展展到現在在，所有有載荷量量高

2、的飛飛機，包包括米格格、伊爾爾、波音音7077、7447和三三叉戟等等，其制制動器摩摩擦襯材材料都采采用了燒燒結金屬屬摩擦材材料。在在我國，特特別是在在19665年以以后，燒燒結金屬屬摩擦材材料的科科研、生生產得到到迅速發發展。迄迄今，我我國已有有十多個個具有一一定生產產規模的的生產企企業，年年產銅基基和鐵基基摩擦制制品約8850萬萬件，廣廣泛應用用于飛機機、船舶舶、工程程機械、農農業機械械、重型型車輛等等領域，基基本滿足足了國內內主機配配套和引引進設備備摩擦片片的備件件供應和和使用要要求。 2 制造方方法與工工藝研究究 2.1 制制造方法法 目前，國內內外燒結結金屬摩摩擦材料料的生產產仍主要

3、要沿用119377年美國國SKWelllmaan及其其同事們們創造的的鐘罩爐爐加壓燒燒結法(壓燒法法)，該該方法的的基本工工序是：鋼背板板加工去油、電電鍍銅層層(或銅銅、錫層層)；配配方料混混合壓制成成薄片與鋼背背板燒結結成一體體加工溝溝槽及平平面。由由于傳統統的壓燒燒法存在在著能耗耗大、生生產效率率相對低低、原材材料粉末末利用率率低、成成本高等等缺點。因因此，一一些國家家對傳統統工藝作作了一些些改進，同同時十分分注重新新工藝的的研究，在在改善或或保證產產品性能能前提下下探索和和尋求提提高經濟濟效益的的途徑。 新的制造工工藝相繼繼問世，其其中最令令人矚目目的是噴噴撒工藝藝(Spprinnkli

4、ing powwderr prroceedurre)，它它以生產產的高效效率和顯顯著的經經濟效益益獨具優優勢。噴噴撒工藝藝法以工工業規模模生產燒燒結金屬屬摩擦材材料始于于70年年代，美美國的威威爾曼、西西德的奧奧林豪斯斯和尤里里特、奧奧地利的的米巴等等企業擁擁有這項項技術。880年代代中期，杭杭州粉末末冶金研研究所從從奧地利利米巴公公司引進進了該技技術。 噴撒工藝的的基本流流程是：鋼背板板在溶劑劑(如四四氯化碳碳中脫脂脂處理(或鋼背背板電鍍鍍)在鋼背背板上噴噴撒上混混合材料料預燒壓溝槽槽終燒精整。 與傳統的壓壓燒法相相比，噴噴撒工藝藝主要有有下列一一些優點點： (1)實現現了無加加壓連續續燒結

5、，耗耗能低。 (2)采用用松散燒燒結，粉粉末還原原充分，可可獲得高高孔隙度度的摩擦擦襯層，對對提高摩摩擦系數數極為有有利。 (3)用功功能覆蓋蓋和冷壓壓方法替替代切削削加工制制取油槽槽，經濟濟而有高高效。 (4)采用用精整平平面取代代切削加加工，材材料利用用率高，產產品厚度度和平行行度精度度高。 (5)可以以根據要要求制取取摩擦襯襯層極薄薄的摩擦擦片(00.20.335mmm)，而而用其它它工藝則則難以達達到。 已有的數據據表明。噴噴撒工藝藝法較壓壓燒法可可節約銅銅、錫、鉛鉛等有色色金屬粉粉末約445%，節節電約775%，節節省工時時約400%。 目前噴撒工工藝法似似乎主要要用于制制造厚度度較

6、薄的的銅基摩摩擦材料料，而用用于制取取鐵基摩摩擦材料料，僅見見一例。 國內外粉末末冶金同同行們還還發明了了20余余種制取取方法 ，投入入應用和和有前途途的主要要有以下下幾種： 2.1.11 沖切切法 一種工藝是是先沖后后燒，混混好的配配方粉料料從料斗斗經溜槽槽進入下下面有帶帶狀輸送送帶的定定量斗，自自動送入入壓力機機壓實成成薄片，然然后沖切切成所需需形狀，燒燒結后即即為成品品。該工工藝連續續加壓，不不需壓模模，粉層層密度、強強度均勻勻一致，粉粉層厚度度調節方方便；另另一種是是先燒后后沖，即即在鋼帶帶上撒粉粉后先松松散燒結結，爾后后沖切成成形。其其缺點是是鋼帶進進爐燒結結易變形形，引起起粉末層層

7、震動移移位，造造成粉層層厚薄不不勻。為為克服這這一缺點點，該專專利提出出，在鋼鋼帶背面面涂上炭炭黑，先先進入預預氧化燒燒結爐，以以15/s快快速升到到4000(銅基基)，然然后再進進入慢升升溫加熱熱爐(55/s)，在還還原氣氛氛中燒結結，可得得到均勻勻的摩擦擦襯層。 2.1.22 等離離子噴涂涂法 該法適用于于噴涂耐耐高溫的的摩擦材材料。如如Co、MMg、TTi、WW、Crr以及碳碳化物、氧氧化物的的混合物物，保護護氣氛為為含200%氫氣氣和800%氬氣氣的混合合氣體，噴噴涂溫度度高達11500020000，噴涂涂速度550010000g/h，所所得噴涂涂層硬度度10000HVV。該法法特別適

8、適用于制制取電磁磁離合器器與制動動裝置摩摩擦片。 對于需要輕輕的摩擦擦組件，往往往以鋁鋁來替代代鋼，但但鋁不耐耐磨，在在其表面面噴涂一一層金屬屬陶瓷耐耐磨層，可可獲得陶陶瓷硬而而耐磨與與金屬延延展性好好及耐沖沖擊二者者相結合合的優點點。陶瓷瓷與金屬屬的重量量比為885：115到775：225，只只要確保保在熱噴噴涂中金金屬能完完全熔化化(不能能超過金金屬的氣氣化點)，就可可以保證證質量。 2.1.33 電解解沉積充充填法 先在金屬或或石墨處處理過的的多孔材材料上用用電解沉沉積法形形成金屬屬骨架。多多孔材料料一般用用凝聚纖纖維，如如海綿、泡泡沫材料料。金屬屬骨架形形成后，多多孔材料料可以留留在內

9、部部，也可可以通過過加熱熔熔化或燒燒除，再再用摩擦擦材料填填充金屬屬骨架間間隙，填填充的摩摩擦材料料可以是是金屬，如如Pb、SSn等，也也可用熱熱固性樹樹脂。金金屬骨架架只占整整個體積積的100%330%。填填充好摩摩擦材料料后成為為摩擦襯襯，可采采用錫焊焊或銅焊焊將其焊焊接到鋼鋼背上，也也可用環環氧樹脂脂等粘結結劑粘貼貼到鋼背背上。 2.1.44 電阻阻燒結法法 將鋼背板鍍鍍上一層層焊料(Cu、CCu-SSn、CCu-ZZn、SSn或NNi)，再再將已壓壓制成形形的摩擦擦襯放置置到鋼背背板預定定的位置置上，送送入加壓壓機，一一邊加壓壓，一邊邊輸入大大電流(1例為為52kkA，另另1例為為4k

10、AA)，維維持十幾幾秒鐘，就就燒結好好了。此此法的優優點是鋼鋼背板不不受高溫溫影響，花花鍵與齒齒形部位位強度不不會降低低。 另一專利介介紹：在在壓模中中設計有有電極，裝裝足粉后后，放上上經過電電鍍的鋼鋼背板，然然后一邊邊加壓，一一邊通電電，電流流101000kA(5.4454AA/mmm2)，燒燒結155s即成成。有11例，摩摩擦襯面面積18840mmm2，摩摩擦襯層層厚4.6mmm，通電電流222kA，過過8s后后電流升升至388kA，加加壓5.4MPPa，摩摩擦層相相對密度度達到887.88%。 2.1.55 感應應加熱沖沖擊法 工序是：將將摩擦材材料襯的的預燒結結坯放入入承受盤盤中，在在

11、保護氣氣氛中感感應加熱熱，溫度度控制在在9166以上，時時間一般般不少于于5miin。從從感應器器中取出出后即行行單向沖沖擊，使使摩擦層層與承受受盤形成成鍵接。 2.1.66 氣相相沉積法法 一般的TiiC材料料摩擦系系數值很很小，但但用氣相相沉積法法制取，摩摩擦系數數就很大大，可達達0.44，且耐耐高溫，在在試驗臺臺上試溫溫，溫升升至10090材料還還無衰退退跡象。載載體用石石墨而不不用鋼，石石墨和TTiC都都很輕，適適用于飛飛機。它它的制法法是 ：把用石石墨制成成的的載載體置入入一容器器中，加加熱溫度度高達110500，氣氛氛為碳氫氫化合物物，(可可用甲烷烷)與TTiCll，其中中TiCC

12、l含量量不能少少于0.5%(體積分分數),甲烷與與TiCCl以11m/mmin的的速度進進行環流流,到一一定時間間即成。 2.2 工工藝研究究 燒結金屬摩摩擦材料料的工藝藝研究近近年取得得很大的的進展，申申請的專專利很多多。 專利144，155提出出了改進進現行工工藝的方方法，建建議將含含有Fee、Moo元素的的銅基摩摩擦材料料的燒結結冷卻速速度提高高到1000/miin，促促使Fee-Moo相析出出，因為為Fe-Mo相相的硬度度大于7700HHV，可可以大大大提高材材料的強強度。 專利166建議議將鐵基基材料置置于S和和Mn中中進行擴擴散燒結結，因為為S和MMn能向向其表面面層擴散散并促使使

13、鐵基體體中奧氏氏體穩定定。擴散散燒結的的鐵基制制品表層層形成較較多的硫硫化物，表表面硬度度為20003300HHV，經經精整上上升到66007000HV，從從而提高高了制品品的耐磨磨性。 專利177提出出了預制制粉末以以獲得最最佳粉末末混合料料的方法法。提出出石墨在在使用前前需先進進行特殊殊處理：將選用用的細晶晶粒石墨墨粉先與與5%45%軟金屬屬(Cuu、Snn、All、Pbb等)混混合，然然后混合合料在00.0220.0255MPaa的壓力力下壓制制成一定定大小的的生坯，再再于保護護氣氛中中加壓燒燒結(11MPaa)。制制得燒結結坯后再再經粉碎碎，按所所需顆粒粒尺寸過過篩后再再與摩擦擦材料的

14、的其它組組分混合合，經過過這樣的的處理，摩摩擦襯層層組分不不易偏析析、分層層，加工工性能好好，與鋼鋼背板的的粘結良良好。 3 材質與與配方研研究 3.1 提提高并穩穩定摩擦擦系數的的研究 足夠高的摩摩擦系數數和熱穩穩定性是是制動或或離合可可靠與穩穩定的必必要條件件。近年年來對提提高摩擦擦系數和和熱穩定定性的研研究主要要從選用用合適的的摩擦組組元和探探索新的的摩擦與與抗咬合合添加劑劑入手。文文獻118贊贊成以ZZr-SSiO44部分或或全部代代替SiiO2或或Al22O3，認認為這對對重載下下提高摩摩擦系數數特別有有利(摩摩擦系數數：銅基基0.330，鐵鐵基0.42)，耐磨磨性也有有改善(磨損：

15、銅基22.1*10-8cmm3/JJ，鐵基基2.55*100-8ccm3/J)。文文獻119認認為Zrr-SiiO4作作為摩擦擦質點，不不僅可以以提高摩摩擦系數數，而且且可以減減少對偶偶的磨損損。另外外，在銅銅基或鐵鐵基中加加入TiiO2或或再加入入多元氧氧化物(如ZrrO2、MMgO、CCr2OO3、BBeO、CCaO)以及玻玻璃陶瓷瓷粉作為為摩擦組組元，使使摩擦表表面生成成氧化膜膜，以穩穩定在高高速工況況下的摩摩擦系數數。對于于摩擦組組元的選選擇，前前蘇聯在在銅基材材料中加加入難熔熔金屬(W、CCr等)的硼化化物，得得到了滿滿意的效效果。德德國則更更多的是是在材料料中加入入TiCC、Zrr

16、C、ZZrO22等來提提高摩擦擦系數，如如含有TTiC、ZZrO22時，其其摩擦系系數可達達0.44，而且且導熱性性能很好好。 在鐵基材料料中廣泛泛使用MMoS22、WSS2、BBN來調調整摩擦擦系數，改改善抗擦擦傷性能能。對高高溫重載載工況，則則更多采采用BaaSO44、CaaF2等等來提高高摩擦系系數穩定定性。 3.2 提提高材料料耐磨性性的研究究 將石墨、MMoS22、Pbb、Snn、Bee等作為為潤滑組組元以提提高材料料的耐磨磨性得到到了普遍遍肯定。以以BN作作為潤滑滑組元已已引起廣廣泛的興興趣。在在燒結過過程中，BBN十分分穩定，既既不會分分解又不不會被燒燒損，在在摩擦過過程中保保持

17、良好好的潤滑滑，促使使形成薄薄膜，改改良了耐耐磨性。已已被廣泛泛用作潤潤滑組元元的硫及及硫化物物，對耐耐磨性能能的改善善有較大大作用。中中國、日日本、前前蘇聯對對此作了了大量的的研究。 石墨作為一一種固體體潤滑劑劑，似乎乎是所有有燒結摩摩擦材料料必加的的組元。在在高溫下下，石墨墨具有極極高的強強度，使使用溫度度可達335000，具有有優良的的高溫固固體潤滑滑特性。 根據對材料料性能的的不同要要求，石石墨添加加量的范范圍很大大，最高高達300%，其其顆粒形形態、大大小、粒粒度組成成及其在在材料基基體中的的分布狀狀態，對對材料性性能產生生很大的的影響，對對鐵基摩摩擦材料料的影響響尤甚。 材料中大量

18、量的游離離石墨在在摩擦過過程中不不斷覆蓋蓋摩擦界界面，形形成穩定定的潤滑滑工作層層，防止止了摩擦擦副的咬咬合，也也起到了了很好的的減摩作作用。 關于石墨的的含量、形形態對耐耐磨性能能的影響響已有不不少的論論著，文文獻224對對加入之之石墨規規定：人人造石墨墨(電極極石墨)占8%，天然然石墨(鱗片狀狀)占77%，兩兩者粒度度均為6608800uum。 3.3 改改善材料料基體結結構和強強度的研研究 基體強度是是材料承承載能力力的反映映，而基基體強度度在很大大程度上上取決于于基體成成分、結結構和力力學物理理性能。現現代機械械向高速速重載發發展，對對摩擦材材料的高高溫性能能提出了了更高的的要求。總總

19、的來說說，各國國的材料料研究者者主要從從兩個方方面入手手改善材材料基體體結構和和強度。 用合金元素素固溶強強化基體體是改善善材料基基體結構構的重要要手段之之一。對對于鐵基基材料，通通常以加加入Nii、Crr、Moo、W、MMn來強強化基體體或活化化燒結過過程。加加入Nii、Crr、Moo則對提提高材料料的高溫溫性能有有利。文文獻225采采用CaaSi22、Sii、SiiC及FFeSii2使SSi與CCa和基基體鐵形形成合金金。西德德與英國國則用WW-Fee作為合合金元素素加入鐵鐵基材料料中，基基體強化化效果顯顯著，適適用于高高溫工況況。 國外系統地地研究了了Sn的的含量對對銅基材材料性能能的影

20、響響，認為為Sn的的理想加加入量在在7%12%。不過過，烏克克蘭科學學院材料料研究所所用鋁青青銅代替替錫青銅銅，在高高負荷工工況下，鋁鋁青銅材材料的強強度、高高溫強度度、耐蝕蝕性能和和使用性性能均超超過了錫錫青銅，當當基體中中含鋁為為10%111%時，摩摩擦材料料具有最最大的摩摩擦系數數，最小小的磨損損量，綜綜合性能能優異。 另一項強化化手段是是纖維強強化。在在較軟的的基體中中加入具具有較高高強度的的金屬纖纖維或碳碳素纖維維，如加加入鋼纖纖維(拉拉拔狀態態的鋼纖纖維抗拉拉強度可可達41100MMPa)后使材材料強度度和塑性性大大提提高。碳碳素纖維維及其復復合材料料具有高高比強度度、高比比模量、

21、高高耐熱性性和抗疲疲勞性能能，但因因成本高高、制造造工藝復復雜，目目前應用用似僅限限于航天天航空等等尖端領領域。 3.4 對對偶材料料對摩擦擦性能影影響的研研究 和前三種研研究相比比，這方方面的研研究較薄薄弱。早早年的資資料表明明，在干干式應用用中，灰灰口鑄鐵鐵是首選選的對偶偶材質。在在熱負荷荷較大的的工況下下，該材材料因其其耐高溫溫性能差差而易生生產龜裂裂，所以以往往采采用合金金鑄鐵、鑄鑄鋼或合合金鋼。在在濕式工工況中，對對偶材料料采用鑄鑄鐵對摩摩擦系數數沒有多多大的影影響，主主要是使使用壽命命不及鋼鋼對偶。 4 發展方方向 現代科學技技術和工工業的迅迅速發展展對摩擦擦材料提提出了越越來越高

22、高的要求求，為了了適應這這種需要要，機理理研究和和基礎試試驗工作作一直沒沒有停頓頓過，對對新型摩摩擦材料料的研究究也將是是今后摩摩擦材料料發展的的重點，主主要是發發展性能能優異、造造價低廉廉的新型型材料。 4.1 摩摩擦磨損損理論與與表面破破壞機理理的研究究 摩擦與磨損損是摩擦擦學研究究的兩個個中心問問題，學學派甚多多。當前前較為廣廣泛流行行的摩擦擦理論是是分子-機械械理論。近近年來，對對摩擦過過程中摩摩擦表面面的破壞壞也頗有有研究，證證明磨損損的產生生是氧化化、磨粒粒磨損、轉轉化反應應和層面面疲勞的的綜合作作用，只只是在一一定條件件下，某某一因素素突出，成成為主要要磨損原原因。 摩擦發生在在

23、兩個接接觸表面面，接觸觸表面的的“膜”的力學學、理化化性能，特特別是其其與基體體材料的的粘結強強度等都都決定著著摩擦偶偶的摩擦擦磨損性性能。880年代代以來 ，對產產生在摩摩擦表面面的潤滑滑膜和氧氧化膜作作了更為為深入的的研究，取取得了一一些成果果。特別別是借助助于現代代測試手手段來進進一步探探測表面面層的組組織與結結構，觀觀測其形形成與破破壞，系系統地研研究了表表面破壞壞機理。摩摩擦接觸觸面上同同時產生生的三種種相互關關聯過程程，即表表面相互互作用、固固體表層層和表面面膜在摩摩擦力作作用下的的變化和和表層破破壞對摩摩擦副性性能的影影響、周周圍介質質的性質質和實際際工作狀狀態相互互之間的的作用

24、和和影響，所所有這些些細節，將將會更進進一步地地深入研研究下去去。 4.2 新新型摩擦擦材料的的研究 一個值得注注意的趨趨勢是為為了適應應不同的的工況，已已研制和和發展了了一些新新型摩擦擦材料，如如紙基、半半金屬、碳碳基等摩摩擦材料料。雖然然這些材材料不屬屬于粉末末冶金范范疇，但但是它們們同屬于于摩擦材材料領域域。因為為這些材材料的制制造設備備、制造造工藝、測測試方法法、設計計依據、所所用原材材料等有有相通和和類似之之處，所所以已有有越來越越多的粉粉末冶金金摩擦制制品企業業突破了了現有的的粉末冶冶金行業業界線，逐逐步地向向摩擦制制品，即即按大產產品分類類的格局局發展。 4.2.11 發展展用金屬屬纖維強強化的復復合材料料 用金屬纖維維強化，大大大提高高了基體體的強度度，改善善了基體體的導熱熱性能，對對阻止表表面裂紋紋的擴展展起到了了很好的的作用。這這類材料料是大有有發展前前途的。 用耐高溫并并且有高高摩擦系系數的金金屬陶瓷瓷作復合合相，或或用難熔熔化合物物粉末作作復合相相，兩者者均可滿滿足一些些特殊工工況的應應用。 4.2.22 發展展半金屬屬摩擦材材料 半金屬材料料是由高高碳鐵粉粉、石墨墨、二硫