燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響

楊勝明，何美鳳

（上海理工大學(xué) 材料與化學(xué)學(xué)院，上海 200093）

粉末冶金摩擦材料也被稱(chēng)為“燒結(jié)摩擦材料”，是由金屬粉末與非金屬粉末通過(guò)混合、燒結(jié)制備出的多組元假合金，具有較高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)、足夠的力學(xué)性能、良好的耐磨性和耐熱性，是一種環(huán)保、安全、高效、價(jià)格低廉的材料。列車(chē)制動(dòng)材料應(yīng)用最廣的是粉末冶金摩擦材料，其按基體成分可分為銅基、鐵基和鐵-銅基粉末冶金摩擦材料，其中，銅基粉末冶金摩擦材料具有足夠的力學(xué)性能，優(yōu)良的導(dǎo)熱性、耐高溫、耐磨性和穩(wěn)定的摩擦因數(shù)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、高鐵列車(chē)、風(fēng)力發(fā)電和汽車(chē)等領(lǐng)。隨著鐵路的快速發(fā)展，尤其高鐵的迅速發(fā)展，車(chē)載的增加、車(chē)速的提升、安全系數(shù)的保障和經(jīng)濟(jì)成本的限制，對(duì)摩擦材料的要求越來(lái)越苛刻。

影響制備銅基粉末冶金摩擦材料的工藝條件主要有混合時(shí)間、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)溫度是關(guān)鍵因素之一。銅基粉末冶金摩擦材料中的多組元在熱燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生相變，不同的燒結(jié)工藝制備出的材料具有不同的組織，導(dǎo)致材料所表現(xiàn)出的力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能不同。因此，選取什么樣的制備工藝，如何控制燒結(jié)后的組織，是制備優(yōu)良摩擦材料的關(guān)鍵。

目前，我國(guó)高鐵經(jīng)歷六次大提速，現(xiàn)階段250 km/h 技術(shù)比較成熟，但速度300 km/h 以上的高鐵所用的銅基粉末冶金摩擦材料主要依賴(lài)進(jìn)口。為了早日實(shí)現(xiàn)高鐵列車(chē)銅基粉末冶金閘片國(guó)產(chǎn)化，粉末冶金摩擦材料受到研究者的廣泛研究與探索。本文通過(guò)熱壓燒結(jié)制備出四種不同燒結(jié)溫度的銅基粉末冶金摩擦材料，研究不同燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料的密度、孔隙率、硬度、抗壓強(qiáng)度、摩擦磨損性能的影響及探究其微觀機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與制備

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料包括銅粉、還原性鐵粉、鎳粉、錳粉、鋁粉、錫粉、鱗片石墨、鉻粉、綠色碳化硅，按配比混料，以基體和摩擦組元質(zhì)量之和的0.8%加入黏結(jié)劑（機(jī)油），在V 型混料機(jī)中放入除石墨外的粉料混合6 h 后，再加入石墨以同樣的速度混合1 h；將混合均勻的粉料用300 MPa的力壓制成直徑40 mm×6（±1）mm 的壓坯。壓坯置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)并在高純氬氣保護(hù)下，選取825、850、875、900 ℃進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率10 ℃/min，保溫3 h，壓力5 MPa，燒結(jié)完成后隨爐冷卻至60 ℃，出爐。

1.2 性能表征

采用阿基米德排水法測(cè)試摩擦材料的密度；采用數(shù)顯維氏硬度計(jì)（HVS-1000，Zwick ZHU/Z205）測(cè)試試樣的硬度；根據(jù)《燒結(jié)金屬摩擦材料抗壓強(qiáng)度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，采用Zwick ZHU/Z205 100 kN 萬(wàn)能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗壓強(qiáng)度；采用定速摩擦試驗(yàn)機(jī)（JF150D-Ⅱ型）測(cè)試試樣的摩擦磨損性能，尺寸為25 mm×25 mm×（5～7）mm 的摩擦對(duì)偶盤(pán)材質(zhì)為HT-250 灰鑄鐵，珠光體組織，維氏硬度為180～220，轉(zhuǎn)速為（480±10）r/min，制動(dòng)壓力為375 N（0.6 MPa）；采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)和磨損形貌及摩擦后表面進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)溫度對(duì)物理性能的影響

圖1 為燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料的密度和孔隙率的影響。從圖1 中可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，銅基粉末冶金摩擦材料的密度先增大后減小，在875 ℃達(dá)到最大值為6.18 g/cm；銅基粉末冶金摩擦材料的孔隙率先降低后升高，875 ℃達(dá)到最小為8.47%。根據(jù)熱壓燒結(jié)理論，隨著燒結(jié)溫度的升高，材料的孔隙率越來(lái)越小，密度逐漸增大；同時(shí)在相同的燒結(jié)工藝下，因存在溫區(qū)關(guān)系，冷壓壓力欠缺，影響孔隙率。根據(jù)菲克定律，由于在較低的溫度下燒結(jié)，材料中各組元之間擴(kuò)散系數(shù)小，原子擴(kuò)散速度慢，成分不能完全均勻化，金屬與非金屬界面接觸不緊密，產(chǎn)生大量的孔隙，造成材料燒結(jié)不均勻，密度較小。但隨著燒結(jié)溫度的升高，原子擴(kuò)散遷移速度加快，孔隙率降低，從而致密化速率加快。在相同的燒結(jié)壓力和時(shí)間內(nèi)，燒結(jié)溫度越高，材料的密度就越大；但是過(guò)高的燒結(jié)溫度反而使材料的密度降低，溫度太高導(dǎo)致晶粒粗大，出現(xiàn)許多燒結(jié)缺陷；其次，銅基混合粉末壓坯在燒結(jié)過(guò)程中，Mn 等金屬粉末由于收縮過(guò)程的無(wú)序定位和粉末顆粒的個(gè)體變化，增大了粉末顆粒的熱膨脹和孔隙率，從而使材料的密度下降。

圖1 燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料密度和孔隙率的影響Fig.1 Effect of sintering temperature on density and porosity of Cu-based powder metallurgy friction materials

圖2 為不同燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料維氏硬度的影響。由圖2 可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，銅基粉末冶金摩擦材料的維氏硬度先增大后減小，在875 ℃達(dá)到最大值85.4；銅基粉末冶金摩擦材料的硬度普遍不高，可能原因：一是測(cè)量硬度所選取的點(diǎn)正好打在比較軟的區(qū)域代表性不好；二是粉末在冷壓過(guò)程所給的壓力欠缺，粉末顆粒之間接觸面積比較小，機(jī)械結(jié)合不牢固，在燒結(jié)過(guò)程中存在大量的孔隙，使得材料的硬度不高。硬度先增大，這說(shuō)明強(qiáng)化基體元素Ni、Mn（微量Al、Sn）在燒結(jié)過(guò)程中，有些發(fā)生相變或有些溶入基體Cu 形成固溶體，從而提高材料的力學(xué)性能。其中Ni 的效果最強(qiáng)，因?yàn)椴牧系臒Y(jié)溫度升高，加快各組元原子之間遷移速度，使得Ni 與Cu 發(fā)生互擴(kuò)散，進(jìn)而形成Cu-Ni 固溶體。由于Cu 和Ni 原子半徑存在差異，Ni 原子進(jìn)入Cu 晶格中導(dǎo)致晶格畸變，產(chǎn)生畸變能，需要比較大的能量填補(bǔ)，這就大大增加了位錯(cuò)滑移的困難，有效地阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因此材料硬度升高。隨著燒結(jié)溫度的繼續(xù)升高，硬度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。究其原因，首先是在壓制燒結(jié)中，金屬粉末（Al、Mn）在整個(gè)降溫過(guò)程中，由于粉末本身的收縮無(wú)序性和不規(guī)則性，材料的孔隙率逐漸增大，產(chǎn)生燒結(jié)缺陷，從而導(dǎo)致硬度的降低；其次，燒結(jié)溫度過(guò)高，亦使得材料中少量的Al、Sn 過(guò)燒，因此測(cè)量出的硬度亦會(huì)偏低。

圖2 燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料維氏硬度的影響Fig.2 Effect of sintering temperature on Vickers hardness of Cu-based powder metallurgy friction materials

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 是壓縮試驗(yàn)后燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料抗壓強(qiáng)度的影響。燒結(jié)溫度為825、850、875、900 ℃的試樣的彈性模量分別為95.2、172.8、166.7、114.9 MPa，抗壓強(qiáng)度分別為264.9、249.2、209.3、295.2 MPa。強(qiáng)化元素（Ni、Mn）在燒結(jié)過(guò)程中與Cu 基體發(fā)生相變，形成固溶體，改善了材料的顯微組織，起到固溶強(qiáng)化作用，大大提高了材料的力學(xué)性能。由圖4 可以看出，燒結(jié)溫度的升高，銅基粉末冶金摩擦材料表面越來(lái)越平整，球狀粉末顆粒之間由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)為面接觸，減少孔隙率從而提高材料的抗壓強(qiáng)度。由表1 可知，4 個(gè)試樣在斷裂前表現(xiàn)出一定的塑性變形。同時(shí)，少量的Sn 在燒結(jié)過(guò)程中反應(yīng)生成Cu-Sn α 固溶體，改善了材料的塑形，形成了典型的錫青銅材料，材料表現(xiàn)出一定的塑形。

圖3 燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of sintering temperature on compressive strength of Cu-based powder metallurgy friction materials

表1 不同溫度試樣壓縮試驗(yàn)載荷與位移關(guān)系Tab.1 Relationship between the load and displacement in compression test of samples at different temperatures

圖4 不同燒結(jié)溫度的銅基粉末冶金摩擦材料顯微組織SEM 圖Fig.4 SEM images of microstructure of Cu-based powder metallurgy friction materials at different sintering temperatures

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)摩擦磨損的影響

圖5 為燒結(jié)溫度825、850、875、900 ℃的銅基粉末冶金摩擦材料在制動(dòng)速度480 r/min，摩擦?xí)r間10 min，制動(dòng)壓力375 N 摩擦后的摩擦因數(shù)和磨損量?？梢?jiàn)，隨著燒結(jié)溫度的升高，摩擦因數(shù)先增大后減小，磨損量先減小后增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為850 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)為0.37，磨損量為0.074 g。在燒結(jié)溫度較低的情況下，由于燒結(jié)不充分，金屬粉末之間結(jié)合不強(qiáng)，特別是金屬與非金屬粉末之間的結(jié)合更不牢固，這就大大增加了材料內(nèi)部的孔隙與缺陷，致密度低導(dǎo)致材料在摩擦過(guò)程中更容易脫落。燒結(jié)溫度較低，原子間的擴(kuò)散遷移速度較慢，強(qiáng)化元素還沒(méi)完全跟Cu 基體形成固溶體，使材料的強(qiáng)度與硬度較低，從而導(dǎo)致材料的耐磨性較差。燒結(jié)溫度為825 ℃時(shí)的摩擦因數(shù)比875、900 ℃ 的大的原因，是由于Cr、SiC 硬質(zhì)相沒(méi)有完全跟Cu 基體結(jié)合好，制動(dòng)盤(pán)與試樣之間摩擦過(guò)程容易脫落，增大了摩擦因數(shù)，加快磨損速度。燒結(jié)溫度為850 ℃時(shí)，摩擦性能最佳，因?yàn)榇藭r(shí)的顯微組織結(jié)合較好、各元素分布較均勻，致密性較好，硬度和抗壓強(qiáng)度也是最大，其他成分對(duì)基體的割裂程度最小。

圖5 燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料摩擦因數(shù)和磨損量的影響Fig.5 Effect of sintering temperature on friction coefficient and wear loss of Cu-based powder metallurgy friction materials

圖6 為燒結(jié)溫度825、850、875、900 ℃的銅基粉末冶金摩擦材料在制動(dòng)速度480 r/min，摩擦10 min后的表面形貌。由圖6（a）可見(jiàn)，試樣表面存在多且深的犁溝、剝落凹坑和少量的缺陷、裂紋，說(shuō)明825 ℃燒結(jié)溫度低，鱗片石墨沒(méi)能在材料表面形成完整的保護(hù)摩擦膜，一些硬質(zhì)相（SiC、AlO）因燒結(jié)不充分，在摩擦過(guò)程中容易脫落，增大摩擦因數(shù)的同時(shí)也加重了磨損。由圖6（b）可見(jiàn)，試樣表面存在少且淺的犁溝、剝落凹坑、小且少的裂紋，說(shuō)明850 ℃燒結(jié)，在強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化作用下，高硬度對(duì)材料的承載有利，同時(shí)較高的潤(rùn)滑性也可以減少材料的磨損量。試樣在摩擦?xí)r能夠及時(shí)形成穩(wěn)定、連續(xù)的摩擦膜，改善硬質(zhì)相與摩擦副摩擦?xí)r產(chǎn)生凸起點(diǎn)對(duì)制動(dòng)盤(pán)的磨損。由圖6（c）可見(jiàn)，摩擦試樣表面存在多且淺的犁溝、剝落凹坑、大量的磨屑和少許裂紋。說(shuō)明875 ℃燒結(jié)時(shí)材料中原子的擴(kuò)散速度加快，Ni、Mn 基本上與Cu 基體形成了相對(duì)應(yīng)的固溶體。由圖6（d）可見(jiàn)，摩擦試樣表面存在多且淺的犁溝、剝落凹坑、少量的磨屑和裂紋。說(shuō)明在900 ℃燒結(jié)，更高的溫度進(jìn)一步加快Mn、Ni 與Cu 基體擴(kuò)散形成固溶體，致使材料中微量的Sn 來(lái)不及與Cu 形成單相固溶體，呈游離態(tài)附著在材料表面。材料含有過(guò)量游離的石墨，鱗片石墨因其本身的層狀結(jié)構(gòu)會(huì)形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，同時(shí)Sn 也會(huì)提高材料表面的潤(rùn)滑性，使得試樣摩擦因數(shù)低，磨損不嚴(yán)重。

圖6 燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料表面形貌的影響Fig.6 Effect of sintering temperature on surface morphology of Cu-based powder metallurgy friction materials

3 結(jié)論

（1）在選用的燒結(jié)溫度下，銅基粉末冶金摩擦材料基體Cu 與強(qiáng)化元素Ni、Mn 形成相應(yīng)的固溶體，提高材料的力學(xué)性能；其次，隨著燒結(jié)溫度的升高，摩擦組元、潤(rùn)滑組元均勻地鑲嵌在基體中。

（2）隨著燒結(jié)溫度的升高，銅基粉末冶金摩擦材料的密度、抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，硬度先增大后一直減??；摩擦因數(shù)先升高后降低，材料的穩(wěn)定性提高，磨損量總體呈下降趨勢(shì)。

（3）試驗(yàn)中的銅基粉末冶金摩擦材料較佳燒結(jié)溫度為850 ℃，此時(shí)材料的密度為6.17 g/cm，孔隙率為8.62%，維氏硬度為81.2，抗壓強(qiáng)度為172.8 MPa，摩擦因數(shù)為0.37，磨損量為0.074 g。