高摩擦力矩值钢纤维增强粉末冶金摩擦材料.pdf

第 1 3 卷 第 3期 、 r0 1 ． 1 3 NO ． 3 粉 末冶金材料科学 与工程 M a t er i a l s S ci e nc e and Eng i ne e r i ng of Powder M e t a l l ur g y 2 0 0 8年 6月 J u n ． 2 0 0 8 高摩擦力矩值钢纤维增强粉末冶金摩擦材料 樊毅 中南 大学粉末冶金国家重点实验室，长沙4 1 0 0 8 3 摘要成功地制备 了一种在 O ．2 5 ～O ． 3 0 MP a低制动压力和 O ～2 0 0 0 r ／ mi n转速下产生高力矩 的铜基粉末冶金摩 擦材料，通过加入 6 ％～9 ％ 质量 分数 的低碳钢纤维有效地提高了该材料摩擦 面上的微 凸体数量 ，使偶面始终保 持高咬合性，从而极大地提 高了室温和热态条件下的摩擦稳定性，且在上述丁况范围内工作 时偶面上产生的力矩 始终保持在 2 4 Nm 以上。在热念 并接近零转速状态下 ，于旋转方 向垂直悬挂 2 O 重物，工作偶面不产生相对位 移 ，町完全满足用户对摩擦材料的特殊要求。 关键词低 力；高力矩 ；粉末冶金摩擦材料钢纤维 中图分类号 T E ． 1 2 5 ． 9 文献标识码 A 文章编号 l 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 0 8 3 一 l 7 7 ． O 4 Ap pl i c a t i o n r e s e a r c h o f s t e e l fibe r i n po wd e r m e t a l l u r g y f r i c t i o n ma t e r i a l s F AN Yi S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P o w d e r Me t a l l u r g y ， C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r ac t A ki nd of s t e e l fib r e s t r e ng t h e ni ng powde r me t al l ur gy f ric t i o n ma t e ria l wi t h h i g h br a ke mo me n t un de r O ． 2 5 0 ． 3 0 MP a l o w b r a k e p r e s s u r e a n d O ～2 0 0 0 r ／ mi n r a t e w a s p r e p a r e d s u c c e s s i v e l y ． A ft e r a d d i n g 6 ％9 ％ ma s s fr a c t i o n o f s t e e l fi b e r , t h e mi c r o p r o t r u d e d o b j e c t s o n t h e f r i c t i o n f a c e a r e i n c r e a s e d e f f e c t i v e l y w h i c h ma k e s a h i g h b i t e e f f e c t o n t h e ma t c h i n g f a c e a nd impr o ve s i t s f r i c t i o n pr o pe r t i e s un de r bo t h a t mo s p he r i c t e mp e r a t ur e a nd hi g h t e mpe r a tur e Ra ng i ng ove r t h e who l e wo r ki ng c o ndi t i o ns me n t i on e d a bo ve t he m a t e ria l ca n p r od uc e o v e r 24 N’ m br a k e mo m e nt s o n t h e f ri c t i o n f a c e ． An d u n d e r t h e c o n d i t i o n o f h i g h t e mp e r a t u r e a n d n e a r z e r o r o t a t i n g s p e e d ， a 2 0 k g h e a v y o b j e c t h a n g i n g a l o n g t h e r o t a t i o n d i r e c t i o n o f t h e e x p e ri me n t a l f ri c t i o n c o u p l e ， t h e r e i s n o mo v e me n t b e t we e n t h e c o u p l e f a c e s ． T h o s e a bo ve s how t h a t t he ne w fri c t i o n ma t e ria l i s s a t i s f a c t o ry t o t h e s pe ci a l a p pl i c a t i o n r e q ui r e me nt ． Ke y wo r ds l ow pr e s s u r e； hi gh mome nt ； p owde r me t al l u r gy fri c t i on ma t e r i al s ； s t e e l fibe r 摩擦材料在工作过程 中通过摩擦力传递扭矩和 实 现制动 ，其研 究工作受到国 内外学者的广泛 关注⋯。 现代科学技术对摩擦材 料的要求千变万化，科学工作 者必须根据各种不 同的需求不 断研究新 的制备工艺和 开发 出性能各异 的摩擦材料；而粉末冶金工艺，可以 通过调节和控制材料中各组元的含量及存在形式来改 善材料的物理力学性能，进而提高材料的摩擦磨损性 能 ，得到综合性 能优 异的粉末冶金摩擦材料【 2 ] ． 在机械设备的摩擦制动和传动装置中，作 为能量 收稿 日期 2 0 0 7 ． 1 0 ． 1 8 修订 日期 2 0 0 8 ． 0 3 ． 1 8 通讯作者樊毅，电话0 7 3 1 - 8 8 3 0 1 4 2 E ． a mi l f a n y i 0 5 1 2 6 ．c o rn 传递和转换元件用的摩擦材料应 当具有 良好的摩擦磨 损性 能、耐热性能、足够高的机械 强度和对环境污染 小等特 点f 3 ] 。粉末 冶金金 属基摩 擦材料是以金属及其 合金为基体 ， 添加硬质颗粒摩擦组元和 固体润滑组元， 用粉末冶金方法制造而成的金属基颗粒 复合材料 ，具 有一系列其他材料无法比拟的优越性，特别是在高温 下，其摩擦 因数稳定，即使在 3 0 0 。 C高温下仍保持较 大的传扭 能力I 4 J 。 本 文作 者前 期研 究成 功的铜 基粉 末冶金 摩擦材 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 8 粉末冶金材料科学与工程 2 0 0 8 年 6月 料[ 5 1 具有恰当的成分和组织结构连续的复合型铜合 金基体上镶嵌着 S i O 2 和 A1 2 O3 以及石墨、金属硫化物 等各种金属和非金属添加剂，形成一种多相而复杂的 结构。正是这种多相而复杂的结构有利于材料间的相 互嵌合，相互嵌合伴随着重复的变形和分合，有利于 形成良好的摩擦层，从而提高摩擦因数，降低磨损 ， 满足特殊工况对材料性能的需要。这种摩擦材料具有 优 良的摩擦磨损性能，在转动惯量为 0 ． 0 9 8 k g m 、制 动压力 0 ．2 5 ～O ． 3 0 MP a 、转速 2 0 0 0 r ／ r n i n的试验条件 下 ，摩擦因数 达到 0 ． 6 ～0 ． 7 0 ，能产生 2 4 N m 的力矩 。 但 将该材 料直接用于某 个新领 域时则不能完全满足用 户要求， 因为它只在常温条件下达到 2 4 N m左右的力 矩值， 而在系统温度升高到 2 0 0℃的较高温度时摩擦 力急剧疲软、力矩 马上下 降 。 本研究 的 目的是研制一 种新的铜基粉末冶金摩擦片， 使其在 1 0 0 0 1 5 0 0 N 压力 下无论 是在 常温还 是在 2 0 0 ℃的较 高温 度下均 能产生 2 4 N m 以上的力矩 。 根据 摩擦 学原理， 摩擦 因 数 t x xA , ,／ P a ， 分别为 由摩擦表面 的物理和力学 性 能所决定 的系数 ， 为真 实接触面积 ， P为负荷 [ 6 ] ， 为大幅度提高摩擦 因数和摩擦力矩 ，必须使摩擦面 具 有 许多微 凸体 ，以便在偶面相对滑动 时能相 互咬合产 生更大的摩擦 阻力 。为此 ，在 原有材料基础 上，添 加 6 ％～9 ％的低碳钢纤维，制成编号为 w． A试样，研究 和探讨钢纤维对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响。 1 实验 1 ． 1 试验原料 不添加低碳钢纤维与添D n -f 碳钢纤维的2种摩擦 材料 分别为 W- O和 w． A 成分 列于表 1 ，各成分 的粒 度列于表 2 。 1 ． 2 试样制备 按表 1 成分分别配制2 种混合料， 在v型混料器中 混合 6 ～8 h ， 在 3 9 2 --4 4 1 MP a 压 力下压 制成外径 1 0 0 m m、 内径 6 1 mm 的圆环 ，将 压块与钢背板贴合好 ， 在加压烧结炉中用氢气作保护气氛进行烧结。烧结温 度 8 5 0 ～9 0 0 ℃，烧结压力 1 ． 5 ～2 ． 0] k ,l P a ，保温 2 h 。 1 ． 3 性 能测试 在 HB R V - 1 8 7 ． 5型硬度计上测定试样 的硬度，在 8 8 0 2型力学实验机上测定抗弯强度和抗压强度，在 Me F 3 A金相 显微镜上 观察样品金相 组织 。 针 对材料的特殊使用要求 ，依据 实际工况 自行设 计 了图 1 所示 的力矩测试装置 。将 W- 0和 W- A分别 制成外径 1 0 0 mm、内径 6 1 m m 的摩擦环，与一钢对 偶形成摩擦偶 。 其工作原理及用户验收标准如下 系 统 中，通过弹簧产生 0 ． 2 5 MP a的压 力作用在摩擦面 上 ，系统 一 端 固 定 ，另 一 端 用绳 子 正 反 牵 引各 3 0 次 ，接着将 固定端变 为 自由端，在 自由端用绳子正反 牵引各 3 0次，每次产生的力矩都要求大于 2 4 N m， 若有一次低于 2 4 Nm，即认为不合格 因为在摩擦环 工作过程 中，哪怕出现一次力矩值过低 ，都会造成严 重危害1 然后 ，通 电加热 1 h使系统温度达 到 2 0 0 ℃ 左右 ，重 复上述 试验 ，并在 自由端悬挂 2 0 的重物 要 求摩擦 偶不 得产 生相对 滑动 这 是系 统对摩擦偶 的 关键要 求1 ，若有滑动迹 象，均认为失败 。系统冷至室 表 1 不添加和添加低碳钢纤维的两种摩擦材料的成分对 比 T a b l e 1 C o mp o s i t i o n o f t wo k i n d s o f f ri c t i o n ma t e r i a l s Ma s s f r a c t i o n ， ％ Me t a l p o wd e r Na t u r a l g r a p h i t e Ma n ma d e g r a p h i t e S i 02 A1 2 03 S t e e l fi b r e l e n g t h ≤6 4 ≤ l 5 8 l 2 7 4 0 3 l 7 ～ l 0 6 l 0 6 4 0 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 3卷第3期 樊毅高摩擦力矩值钢纤维增强粉末冶金摩擦材料 l 7 9 图 1 力矩测最装置示意罔 Fi g ． 1 Pi c t u r e o f me a s ur e me n t e q ui pme n t of mo me n t 温后 ，再反复进行 同一 一 试验 。试验过程中，绳子牵 引 力的大小 由连接在绳头的弹簧秤示 出，旋转半径 由摩 擦环直径可知为 4 0 ． 2 5 mm，根据 力矩 力旋转半径 的计算公式便可算 出力矩值 。 2 结果 与分析 2 ． 1 物理力学性能 表 3列 出了 W． 0和 w． A 两种材料 的物理力学性 能。 可 以看 出， 添加钢纤维的 w． A试样硬度 比不含钢 纤维 的试样硬度大 ，这是 由于钢纤维较均匀地分布于 C u基体合金 中，而 且钢纤维 的硬度高于 C u基体合金 所致[ 。W． A 试样的抗弯强度 和抗压强度也都比 W． 0 材料 的大 ，这是 由于钢纤维作为一种增强材料 ，在复 合材料 中起到 了增强作用 8 】 。 表 3 W- 0和 W- A的物理力学性能 T a b l e 3 P h y s i c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f W - O a n d W - A 2 ． 2 金相组织 图 2所示为 W． 0和 w． A 材料 的金相组织。W- 0 材料中铜合金基体上分 布着石墨 、S i O ， 和 A 1 ， O、F e 及孔洞 ；而 w． A 材料除了具有与 W． 0同样 的组织结 构外 ，非常明显地还布满 了长条状的钢纤维 ，使材料 的物理及 力学性能提高 。 图 2 材料的金棚 组织 未腐蚀 F i g ． 2 Me t a l l o g r a p h o f ma t e r i a l s n o t e r o d e d a Wi t h o u t s t e e l fi b e r ； b Wi t h s t e e l fi b e r 2 ． 3 摩擦性 能 两种材料 的实用性 能测试结果列入表 4 。从表 4 可知 ，未添加钢纤维 的 W． 0 在初次使用时 ，尚能产生 2 4 N 1T I 以上的扭矩 ， 但在加热状态下 ， 力矩立即下降， 以致没有必要做热态 下的挂重试验 。经过儿次成分调 整 ， 情况没有实质性 改善 。 而添加钢纤维的 w． A材料 经过 了极其严格 的考察 ，其 力矩值 则始终保持在 2 7 N 1T I 以』 二 ，热状态 下的挂重试验也非常成功 。为了进 一 步考察材料 的性能 ， 又增加 了 2 h 和 4 h的加热 周期 循环试验 ，证 明性 能优 良、稳定 ，完全符合用户 的使 用要求 。这是由于钢 纤维在整个滑动过程中作为附加 的微凸体 ，使偶面保持 高咬合性 ，其高导热性又使局 部表面热量迅速扩散 至内部，从而 降低摩擦面温 度， 避免 了表面温度 过高 】 ，这 使 w A 试样在 即使 长时 间加热的状态下也能够产 牛很大 的扭矩 。 从图 2可知 ，加 入的钢 纤维 与铜基体结合 良好， 增强 了基体的整体强度 ， 提高材料 的硬度和弯 曲强度 ， 特别是纵横交错的钢 纤维 大大增多 了微凸体的数量 ， 是摩 擦偶 无论在 何种 工况 都保持 优异性 能 的关键所 在 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m Ex p e r i me n t a l c o n d i t i o n W ． 0 Dr i v e mo me n t o n e s i d e ／ a n o t h e r s i d e Br a k e m o me n t o n e s i d e ／ a n o t h e r s i d e W ． A Dr i v e mome n t o n e s i d e ／ a n o t h e r s i d e Br a ke mo me nt o n e s i d e ／ a n o t h e r s i d e 3 结论 1 本研究的铜基粉末冶金摩擦材料具有较好的 摩擦性能，但在热态试验中的摩擦力矩迅速下降，不 能满足使用要求。 2 在该材料中添加 6 ％--9 ％ 质量分数 的低碳钢 纤维后，其硬度、抗弯强度与抗压强度都有所提高， 特别是在热态下具有极为稳定的高力矩值，这正是钢 纤维起到的奇妙作用，从而使铜基粉末冶金摩擦材料 在新的领域得到成功的应用。 REFERENCES 杨瑞丽 ，付业伟 ．纸基摩 擦材料 的 国内研 究进展 [ J ] ．材 料导 报， 2 0 0 6 ， 2 0 1 1 1 7 2 0 ． Y ANG Ru i - 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