燒結(jié)壓力對(duì)銅基粉末冶金閘片材料摩擦學(xué)性能的影響

王 培，陳 躍，張永振，郭 浩

（河南科技大學(xué)河南省材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽(yáng) 471003）

0 引言

高速列車的制動(dòng)器由閘片和制動(dòng)盤構(gòu)成，制動(dòng)器的性能與閘片材料的性能密切相關(guān)。隨著我國(guó)鐵路列車的不斷提速，對(duì)制動(dòng)器性能的要求不斷提高，目前高速列車使用的粉末冶金閘片材料主要還是依靠進(jìn)口，為了實(shí)現(xiàn)高速列車用粉末冶金閘片材料早日國(guó)產(chǎn)化，粉末冶金摩擦材料的研發(fā)工作已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。

根據(jù)基體的不同，通常可將粉末冶金摩擦材料分為銅基、鐵基和鐵銅基三類。其中銅基粉末冶金閘片材料由于具有良好的導(dǎo)熱性、較強(qiáng)的耐腐蝕性能、良好的散熱性、不易與對(duì)偶件發(fā)生粘結(jié)等特點(diǎn)，能較好地滿足高速列車的應(yīng)用條件［1－3］。影響銅基粉末冶金材料性能的工藝條件主要有壓制壓力、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)壓力等，其中燒結(jié)壓力是關(guān)鍵因素之一［4］。研究發(fā)現(xiàn)［5－6］，對(duì)于同一種材料，其性能隨燒結(jié)壓力增大達(dá)到某一特定值后趨于穩(wěn)定。目前，關(guān)于低熔點(diǎn)銅基粉末冶金材料性能變化規(guī)律的研究較少。為此，作者選擇熔點(diǎn)相對(duì)較低的銅基粉末冶金材料為研究對(duì)象，分析了燒結(jié)壓力對(duì)材料其密度、孔隙率、顯微組織和摩擦磨損性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料:霧化銅粉，純度不小于99.7%，粒徑小于75μm;還原鐵粉，鐵、鎳、錫總含量不小于99.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），粒徑小于75μm;碳化硅，純度不小于99.9%，粒徑小于13μm;天然石英砂，不規(guī)則形狀，純度不小于97%，粒徑為212～380μm;天然鱗片狀石墨，純度不小于97%，粒徑為246～500μm;MoS2，膠體粉劑，分析純。

按配方稱取各種粉體，混合均勻后，在V型混料機(jī)中混料16 h，然后在900 MPa壓力下壓制成型（φ3 015 mm）。將試樣分成5組（每組3個(gè)試樣），分別在 0，0.65 ，1.25，1.67，2.1 MPa 壓力下用鐘罩燒結(jié)爐進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為940～950℃，保溫時(shí)間為3 h，保護(hù)氣氛為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚猓w積比3∶1），最后隨爐冷至100℃以下出爐。

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 1033－1986的規(guī)定測(cè)定燒結(jié)試樣密度。孔隙率利用（1）計(jì)算得到。

式中:θ為材料的孔隙率;ρ為材料的實(shí)際密度;ρ0為材料的理論密度;wi為不同組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù);ρi為不同組成物的理論密度。

使用 HB-3000B型布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，取3個(gè)試樣平均值。然后在JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）下對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察。

摩擦磨損試驗(yàn)在MMS-1G型高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用線切割方法將粉末冶金材料加工成φ14 mm×11 mm的銷試樣，配副（盤試樣）材料選用15CrMo鋼，硬度為35～37 HRC，試驗(yàn)速度為30m·s－1，載荷為0.6 MPa。每次試驗(yàn)前對(duì)銷試樣先進(jìn)行預(yù)磨，時(shí)間以銷試樣端面與盤試樣圓周面接觸良好為準(zhǔn)。試驗(yàn)前后用精度為0.1 mg的BS210S電子分析天平測(cè)算出銷試樣的質(zhì)量損失，結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值。

通過(guò)試驗(yàn)機(jī)上的扭矩傳感器測(cè)得銷試樣與盤試樣之間的摩擦力矩，然后利用式（3）計(jì)算得到摩擦因數(shù)，再按式（4）計(jì)算磨損率 W［7］。

式中:μ為摩擦因數(shù);M為摩擦力矩;R為盤試樣半徑;N為施加在銷試樣上的法向壓力，N。

式中:R為盤試樣半徑，即銷試樣摩擦表面與盤試樣旋轉(zhuǎn)軸中心的距離，m;t為摩擦?xí)r間，s;n為盤試樣的轉(zhuǎn)速，r·min－1;Δw為銷試樣的磨損量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)壓力對(duì)孔隙率和硬度的影響

由圖1可以看出，當(dāng)燒結(jié)壓力從0 MPa增大到0.65 MPa后，所制備材料（燒結(jié)體）的孔隙率大幅降低，同時(shí)硬度明顯增大;當(dāng)燒結(jié)壓力從0.65 MPa上升到1.25 MPa時(shí)，燒結(jié)體的孔隙率從14.3%降低到13.2%，燒結(jié)體的致密度得到進(jìn)一步提高，硬度也有一定提高;此后，再繼續(xù)增大燒結(jié)壓力到2.1 MPa，試樣的孔隙率和硬度雖略有波動(dòng)，但趨于穩(wěn)定。

圖1 不同燒結(jié)壓力下燒結(jié)體的硬度和孔隙率Fig.1 Porosity and hardness of sintered bodies at different sintering pressures

由圖2可知，燒結(jié)壓力為0 MPa時(shí)，銅基體與顆粒之間間隙較大，孔隙較多，試樣的致密性較差，這是燒結(jié)體的密度和硬度相對(duì)較低的主要原因;燒結(jié)壓力增大到1.25 MPa時(shí)，銅基體顆粒間的間隙變小，燒結(jié)體的總體孔隙率降低，因此其硬度得到較大提高，燒結(jié)體基體與增強(qiáng)顆粒結(jié)合強(qiáng)度也大幅提高;繼續(xù)增加燒結(jié)壓力，試樣基體與顆粒間隙變化不大，其孔隙率和密度變化也不大。

分析得到，試樣孔隙率的大小對(duì)硬度性能影響較大，當(dāng)孔隙率降低時(shí)，試樣硬度提高。燒結(jié)壓力增加到1.25 MPa后，繼續(xù)增大燒結(jié)壓力對(duì)試樣性能的改善不大。

2.2 燒結(jié)壓力對(duì)摩擦磨損性能的影響

圖2 不同燒結(jié)壓力下燒結(jié)體的顯微組織及EDS譜Fig.2 Microstructure of sintered bodies at different sintering pressures（a）～ （d）and EDS spectrum of A area in figure（c）（d）

圖3 燒結(jié)壓力對(duì)燒結(jié)體摩擦磨損性能的影響Fig.3 Effects of sintering pressure on friction and wear properties of sintered bodies

由圖3可知，隨著燒結(jié)壓力的增大，燒結(jié)體的摩擦因數(shù)在0.31～0.5間變化，并呈現(xiàn)先迅速下降后升的變化趨勢(shì)，在燒結(jié)壓力達(dá)到1.25 MPa時(shí)摩擦因數(shù)最低;而磨損率呈先降后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。

由圖4，5可見(jiàn)，燒結(jié)壓力為0 MPa時(shí)所得燒結(jié)體的磨損表面出現(xiàn)了較大的剝落坑和裂紋;這是由于燒結(jié)體的孔隙較多，參與摩擦的增強(qiáng)顆粒與基體的結(jié)合力不夠，在磨損時(shí)脫落而形成的;摩擦?xí)r有較多的剝落是沿石墨層開(kāi)始的，增強(qiáng)顆粒發(fā)生大量脫落，磨損嚴(yán)重［8］。當(dāng)燒結(jié)壓力增大到 1.25 MPa，燒結(jié)體的孔隙率大幅減小，摩擦顆粒與基體結(jié)合力增強(qiáng)，脫落較少，摩擦表面光滑，因此摩擦因數(shù)減小，磨損率降低，靠近摩擦面的增強(qiáng)顆粒在載荷和磨損下發(fā)生斷裂并脫落，因此形成的剝落坑較小，材料的磨損率較低［8－11］。

結(jié)合圖2（e）能譜分析可知，摩擦表面的增強(qiáng)顆粒是SiO2。從圖5可知，在摩擦磨損過(guò)程中，燒結(jié)壓力大于1.25 MPa時(shí)燒結(jié)體中凸露在摩擦表面的增強(qiáng)顆粒出現(xiàn)較多斷裂;燒結(jié)壓力為0 MPa時(shí)，燒結(jié)體的摩擦表面雖然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷裂的SiO2顆粒，但有較大的剝落坑出現(xiàn)，由此可以確定是磨損由于SiO2顆粒從摩擦表面直接脫落造成的。因此，0 MPa時(shí)燒結(jié)體的磨損相對(duì)1.25 MPa時(shí)燒結(jié)體的要嚴(yán)重得多。

開(kāi)始時(shí)隨著燒結(jié)壓力的增大，燒結(jié)體的摩擦因數(shù)和磨損率都同步減小;當(dāng)燒結(jié)壓力達(dá)到1.25 MPa后，摩擦因數(shù)和磨損率出現(xiàn)波動(dòng)但趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）燒結(jié)壓力從0 MPa增加到1.25 MPa，燒結(jié)體的孔隙率不斷降低，硬度不斷提高，摩擦因數(shù)和磨損率同步減小;繼續(xù)提高燒結(jié)壓力，其各項(xiàng)性能基本趨于穩(wěn)定。

（2）在燒結(jié)壓力為0 MPa時(shí)，磨損主要是SiO2顆粒的直接脫落，磨損嚴(yán)重;當(dāng)燒結(jié)壓力增大到1.25 MPa，SiO2顆粒和基體結(jié)合增強(qiáng)，磨損主要由于SiO2的顆粒斷裂脫落形成，磨損量較小。

圖4 不同燒結(jié)壓力下燒結(jié)體磨損面的SEM形貌Fig.4 SEMmorphology of worn surface of sintered bodies at different sintering pressures:（a）0 MPa，low magnification;（b）1.25 MPa，low magnification;（c）0 MPa，high magnification and（d）1.25 MPa，high magnification

圖5 不同燒結(jié)壓力下燒結(jié)體縱截面的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of profiles of sintered bodies at different sintering pressures

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