烧结气氛对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响.pdf

第 2 1卷第 2期 2 0 1 1年 4月 粉 末 冶 金 工 业 P OW DER M E TALLURGY l NDUs T RY Vo1 ． 21 NO． 2 Apr ． 2 0 11 烧结气氛对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响 毛凯’ 。 燕 青芝 ， 葛 昌纯 ’ ． - 。 张飞飞 ， 王晔 1 ．西南交通 大学材 料科 学与工程学院 ， 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 ．北京科技 大学 材料科学与工程学院特种陶瓷粉末冶金研究所 ， 北京1 0 0 0 8 3 摘 要 本 文分 别在 N 、 H 和 N。 H 混 合 气三种 气 氛 下 ， 采 用热压 烧 结 法制 备 了合金 强化 铜基粉末 台 金摩擦材料 ， 并观察 了微观形貌， 测试 了物理力学性能和摩擦磨损性能。结果表 明 不 同烧结气氛下制备 的材料的显微组织相似 ， 但抗压强度和摩擦磨损性能有显著 区别 H 气氛烧结的材料挤压强度最低 ， 摩擦 系数随转速和制动压力的增加波动较 大， 且磨损严重； N H。 混合气体烧结制备的材料摩擦 系数稳定 ， 磨损量小， 表现 出良好的摩擦磨损性能。 关键词 烧结气氛； 粉末冶金 ； 铜基摩擦材料 ； 摩擦磨损 中图分 类号 T F 1 2 5 ． 2 文 献标 识码 A 文章 编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 l 1 0 2 0 0 2 5 0 5 I NFLUENCE OF SI NTERI NG ATM OSPHERE ON PROPERTI ES OF C u - B AS E D P ／ M F RI C TI O N MAT E RI AL S MAO Ka i ， YAN Qi n g - z h i ， GE Ch a n g - e h u n ， ZHANG F e i f e i 。WANG Y e 1 ． S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e 8 L E n g i n e e r i n g ， S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t e o f S j p e c i a l Ce r a mi c s a n d Po wd e r Me t a l l u r g y I s c h o o l 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 ， Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 。 C h i n a Ab s t r a c t Cu b a s e d P／ M f r i c t i o n ma t e r i a l s we r e s i n t e r e d i n N2 ， H2 a n d N2 H2 a t mo s p h e r e ， r e s p e c t i ve l y ．The i nf l u e nc e of t he s i n t e r i n g at m o s phe r e s on mi c r o s t r u c t ur e， phy s i c a l a nd m e c h a ni c a l pr o pe r t i e s， f r i c t i o n a nd we a r p r op e r t i e s o f s i nt e r e d s p e c i m e ns wa s i n v e s t i g a t e d ． The r e s u l t s s h o we d t h a t t h e mi c r o s t r u c t u r e s o f t h e s p e c i me n s wh i c h s i n t e r e d i n d i f f e r e n t s i n t e r i n g a t mos ph e r e s w e r e s i m i l a r， bu t t h e c ompr e s s i o n s t r e ng t h a nd f r i c t i o n a nd we a r p r op e r t i e s We r e d i f f e r e n t n o t a b l y ． Th e s p e c i me n s s i n t e r e d i n H2 a t mo s p h e r e h a d t h e l o we s t c o mp r e s s i o n s t r e n g t h a n d t h e h i g h e s t we a r r a t e s ， a n d t h e f r i c t i o n c o e f f i c i e n t s f l u c t u a t e d g r e a t l y wi t h i n c r e a s i n g r o t a t e s p e e d a n d b r a k e p r e s s u r e ， wh i l e t h e s p e c i me n s s i n t e r e d i n N2 H2 a t mo s p h e r e h a d e x c e l l e n t f r i c t i o n a n d we a r p r o p e r t i e s wi t h mo r e s t a b l e f r i c t i o n c o e f f i c i e n t s a n d l o we s t w e ar r at es ． Ke y wo r d s s i n t e r i n g a t mo s p h e r e ； p o wd e r me t a l l u r g y P／ M ； Cu b a s e d f r i c t i o n ma t e r i a l s ； f r i c t i o n a nd we a r 随着我 国铁路运输业的飞速 发展 ， 列车运行速 度一提再提 ， 这就对制动摩擦材料提出了更为苛刻 的要求 。铜基粉末冶金摩擦材料因其具有高 的机械 强度 、 高导热性和优 良的摩擦磨损性 能而成为高速 列车制动闸片的首选材料 ， 如何通过制备工艺和原 料体系的改进提高材料的耐温性能和摩擦稳定性一 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 1 4 基金项 目 “ 十一五” 国家科技支撑计划中国高速列车关 键技术研究及装备研制之关键材料及部件可靠性 2 0 0 9 B AG1 2 A0 7 作者简介 毛 凯 1 9 8 6 一 ， 男 汉 ， 河南省商丘市人 ， 硕士研究生 ， 主要从事粉末冶金摩擦材料 研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 粉末冶金工业 第 2 1卷 直是人们研究的重点， 如研究烧结温度 、 压力_ 1 ] 及石 墨含量口 等对材料性能的影响， 所用 的烧结气氛为 H。 气氛或氮氢混合气体。但事实上 ， 烧结气氛对 以 金属为基体 的复合材料的性能有重要影响 ， 姜峰_ 3 等 研究 了烧 结气 氛对 不 锈 钢 粉末 烧 结 过 程 的影 响 ， 表明不 同烧 结气氛得到不 同的显微组织 和机械性 能 ， N。 保护气氛下烧结的样 品具有优 良的性能 ； 王 庆相[ 4 3 等研究了烧结气氛对 F e N粉末冶金材料烧 结性能的影响 ， 表明氨分解气氛 中烧结的样品具有 较高的硬度和很好的耐磨性能 ； 但关 于烧结气氛对 铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响尚未见到报道。 本工作 中， 作者通过添加合金化元素提高铜基 体 的耐热 稳定 性 ， 重 点研究 了 N。 、 H 和 N。 H。混 合气体三种不同烧结气氛对新型铜基粉末冶金摩擦 材料力学性能和摩擦磨损性能的影响规律。 1 实验部分 试验材料 由电解铜粉 、 还原铁粉、 摩擦组元、 润 滑组元及微量元素构成 ， 具体配 比如表 1所示。各 种粉体经预 自理后 按 比例混 合均 匀， 在 3 0 0 ～4 0 0 MP a压力下压制 成形 ， 然 后在 在钟罩 炉 中进 行烧 结 ， 烧 结 压力 3 MP a ， 烧 结 温度 9 0 0 C， 保 温 时间 1 h。 表 1 铜基摩擦 材料 配方 质量分数 ％ 材 料 的 密 度 和 孔 隙 度 采 用 排 水 法 ， 按 照 T B 5 1 6 4 - 2 0 0 6标准 测定 ； 硬度 在 HB 一 3 0 0 B布 氏硬度 计上 测 定 ， 压 头 钢 球 直 径 2 ． 5 mm， 施 加 载 荷 1 8 3 9 N， 每个试验测试 3次 ， 取平均值 ； 抗压强度在 万能材料试验机测定， 试样尺寸 mm7 mm， 每种 试样测试 3个 ， 取平均值 ； 采用扫描电子显微镜对材 料摩 擦 前 后 的形 貌 进 行 观察 ； 摩 擦 磨 损 试 验 在 AD M2 1 5调速调压摩擦材料性能试验机上进行 ， 示 意图如图 1 所示 ， 试样 尺寸 为 1 2 ． 5 mm2 5 mmx 产 品 厚 度 ， 分 别 镶 嵌 在 力 臂 两 端， 对 偶 材 料 为 HT2 5 0 ， 摩擦半径 1 5 0 mm。同一种 闸片材 料试样 进行 两 组试 验 ， 即 1 在 制动 压力 1 ． 0 0 MP a下 ， 测 试材料在转速依次为 5 0 0 r ／ rai n 、 1 0 0 0 r ／ rai n 、 1 5 0 0 r ／ rai n 、2 0 0 0 r ／ rai n 、 2 5 0 0 r ／ rai n时的摩擦磨损性 能 ； 2 在转速 2 0 0 0 r ／ rai n下 ， 测试材料在制动压力 依 次 为 0 ． 5 0 MP a 、 0 ． 7 5 MP a 、 1 ． 0 0 MP a 、1 ． 2 5 MP a 、 1 ． 5 0 MP a时的摩擦磨损性能 ， 每次试验 圈数 为 5 0 0 0圈， 所有试验均在同一对摩擦副上进行 ， 磨 损 量采用 测 量试样 失重 的方 法 。 图 1 试样摩擦示意图 1 一试样 ； 2 一力臂 ； 3 一转轴 ； 4 一摩擦盘 2 结果和讨论 2 ． 1 材 料 的组 织形貌 图 2为采用 N 气氛中烧结的材料在不 同放大 倍数下的组织形貌 ， 从 图 中可以看到鳞片状石墨和 陶瓷颗粒在基体中分布均匀 。其他两种气氛下烧结 制备的材料具有近似的显微组织形貌 。 2 ． 1 材料 的物 理力 学性 能 表 2为不同气氛下烧结材料 的物理力学性能 。 从 表 中可 以看 到 ， 三种 气 氛 中烧 结材 料 的密度 ， 孔 隙 率， 布氏硬度相差不大， 其 中 H。 气氛下烧结材料的 孑 L 隙率略大， N。 气氛下烧结材料的布氏硬度 略大 ； 而抗压强度有明显不同 ， N。 气氛下烧结材料 的抗压 强度最大 ， 为 1 0 1 MP a ； N H 混合气体烧结制备 的抗 压强 度为 9 5 MP a ； H 气 氛下 烧 结 材 料 的挤 压 强度最小 ， 仅为 7 1 MP a ； 这说明随着烧结气氛 中氢 气含量的增加 ， 材料的挤压强度下降 ， 氢脆可能是材 料抗压强度降低的主要原因。 表 2 不同烧结气氛 下材 料的物理 力学性能 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 第 2期 毛凯等 烧结气氛对铜基粉末 冶金摩擦 材料性 能的影 响 2 9 究发现 N。 气氛烧结材料的挤压强度最 大， H。 气氛 烧结材料的挤压强度最小 ， 氢脆应该是造成这种变 化的主要原 因； N H。混合气氛烧结材料 在摩 擦 过程中形成润滑膜 的速度较快 ， 润滑膜 的存在使摩 擦过程稳定 ， 摩擦系数变化较小 ， 同时润滑膜的存在 减少 了摩擦副问的直接接触 面积， 降低了磨损量， 表 现出良好的摩擦磨损性能 ； H。 气氛烧结材料由于强 度低 ， 造成摩擦过程 中表面润滑膜快速的脱落 和再 生， 磨损量很大， 同时 由于润滑膜 的不 断更替 ， 摩擦 过程中摩擦 系数波动较大。 图 6 摩擦 系数 随制动压力变化 曲线 转速为 2 5 0 0 r ／ r n in 参 考 文献 低 ， 但在压力为 1 ． 5 MP a时骤增至 4 ． 1 9 g ； H。 气氛 烧结的材料在压力为 0 ． 5 MP a时磨损量为 0 ． 2 9 g ， 相对较低 ， 但随压力增大到 1 ． 0 MP a ， 磨损量骤增到 4 ． 2 3 g ， 这是 由于材料的强度较低 ， 石 墨与基体间的 结合强度小 ， 在摩擦过程中受 到较大压力时润滑膜 快速从摩擦面上脱落和再生造成 的。 图 7 磨损量随制动压 力变化 曲线 转速为 2 5 0 0 r ／ mi n 3 结 论 通过对不 同气氛下烧结制备的铜基粉末冶金摩 擦材料组织形貌、 物理一 力学性能及其磨损性能的研 [ 1 3 X I ONG X i a n g ， S HE N G Ho n g c h a o ， C HE N J i e ， YAO P i n g p i n g ． Ef f e c t s o f s i n t e r i n g p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e o n mi c r o s t r uc t u r e a n d t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f C u b a s e d a i r c r a f t b r a k e ma t e r i a l [ J ] ．T r a n s ．No n f e r r o us M e t ． Soc ．Chi na 1 7 2 007 66 9 6 75 ． [ 2 ] N ． M．费多尔钦科等 ．现代摩擦材料E M] ．北京 冶金 工业出版社 ， 1 9 8 3 ． [ 3 ] 姜 峰 ， 李益民 ， 李 松林 ．烧结气氛对 MI M3 1 6 L不锈钢 微 观组织和性能 的影 响E J ] ．粉 末冶 金工 业 ， 2 0 0 3 ， 1 3 6 1 8 - 2 2 ． [ 4 ] 王庆相 ， 杨 川 1， 崔 国栋 ， 程海 明 ．烧 结气 氛对 F e N 粉 末冶金材料烧结性能的影响[ J ] ．材料热处理， 2 0 0 6 ， 3 5 2 2 3 4 - 3 6 ． [ 5 ] S e o n g J i n K i m， S a n g J i n P a r k ， r e n a H． B a s c h ， J a me s W ． Fa s h， Ho J a n g ．Hi g h Te mp e r a t u r e We a r Pr o p e r t i e s o f M u h i p h a s e Co m p o s i t e Th e Ro l e o f t r a n s f e r f i l m [ J ] ．Ma t e r i a l s S c i e n c e F o r u m Vo l s ． 4 4 9 4 5 2 2 0 0 4 P P 81 8 4． [ 6 ] Mo u s t a f a S F ， E 1 一 B a d r y S A， S a n a d A M ， Ki e b a c k B ． Fr i c t i on a n d we a r of c op pe 卜gr a phi t e c omp os i t e s ma de w i t h C u - c o a t e d a n d u n c o a t e d g r a p h i t e p o w d e r s [ J ] ． W e a r 2 5 3 2 0 0 2 6 9 9 - 7 1 0 ． [ 7 ] J a r o s l a v Ko v a e i k ， S t e f a n E mme r b ， J o z e f B i e l e k ， L u b o mi r Ke l e s i ． Ef f e c t o f c o mp o s i t i o n o n f r i c t i o n c o e f f i c i e n t o f C u g r a p h i t e c o mp o s i t e s [ J ] ．We a r 2 6 5 2 0 0 8 4 1 7 4 21 ． 性 给 付 ， 不 再 另 行 发 放 。 i 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m