技术 | 铁在铜基粉末冶金摩擦材料中的作用

铜基粉末冶金摩擦材料由于其良好的导热性、耐磨性而被广泛应用于各种离合器和刹车装置中。粉末冶金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，用粉末冶金的方法制造而成的金属基颗粒复合材料。因此，可以通过调节和控制复合材料中各组元的含量及存在形式来改善材料的物理机械性能，进而提高材料的摩擦磨损性能，最终得到综合性能优异的粉末冶金摩擦材料。

粉末冶金摩擦材料中大都加有Fe作为摩擦组元，以提高材料的摩擦系数，其含量一般在5%~25%的范围内。有资料显示，Fe含量在5%以下时，摩擦系数才有所提高，随后Fe含量增加，材料的摩擦系数变化不大，且Fe含量增加，材料磨损量增加，对偶磨损量则减少。本文即针对Fe在新型铜基粉末冶金摩擦材料中的作用机理进行了系统的分析，明确了Fe对铜基粉末冶金摩擦材料摩擦系数的影响。

实验材料与方法

1、材料制备

按比例称取各种粉末，经手工混合后置于v型混料器中混合6～8 h，混合料在400～600  MPa压力下冷压成形。在加压烧结炉中于氢气保护下进行烧结，烧结温度为920～950℃，烧结压力为2.0~3.5

MPa，保温3～4h，然后水冷待温度低于100℃后出炉。出炉后将烧结材料加工成75 mm×53mm的环块。

在HBRF一187.5型洛氏硬度计上测试材料的表观硬度(HRF)，每个试样测定五个点，取其平均值;在MeF3A型金相显微镜上观测材料微观组织;根据GB/T10421—1989测出材料密度：在MM-1000型摩擦实验机上进行定速摩擦实验，试环及对偶尺寸均为75mm×53mm。对偶材料为30CrMoSiVA合金结构钢，硬度40  HRC。摩擦压力为0.5 MPa，转动惯量为2.5 kg·cm·s^2，速度分别为1000、3000、5000、7000 r/min，摩擦时间为20  S;在KYKY一2800型扫描电镜下观察材料摩擦面形貌。

实验结果与讨论

Fe颗粒多以游离状态分布于铜锡基体中，在与基体结合处少量Fe原子能固溶于基体中。Fe与基体铜间这种良好的润湿性，以及该材料较高的烧结温度(920～950℃)，使得烧结过程中Fe原子活性增大，在基体中的扩散加快，因此能在基体中均匀分布，且与基体结合良好。，随铜基材料中Fe含量的增加，材料密度变化并不大，而材料硬度明显提高。铜基摩擦材料中加入Fe后硬度提高的主要原因是，Fe微溶于基体，与基体相不发生反应，但在与基体结合处，少量Fe原子能固溶于基体中，起到了一定的固溶强化作用;另外，Fe颗粒硬度明显高于基体Cu，因此均匀分布的Fe颗粒又起到了一定的颗粒强化的作用，从而提高了材料的硬度。

随摩擦速度的提高，材料的摩擦系数呈现逐渐降低的趋势。究其原因，摩擦是两摩擦表面间相互粘着和啮合程度及其性质的函数。根据分子一机械啮合理论，当两摩擦面间微凸体相互接触时，接触点材料由于分子间作用力而粘和在一起。摩擦过程中，这些接触点间产生相对运动，从而发生剪切现象。这种剪切力必然成为摩擦阻力。在低转速下摩擦时，摩擦表面温升不大，摩擦表面未发生相变等复杂变化，摩擦阻力主要来源于材料表面微凸体与对偶表面微凸体间的相互作用。而铜基摩擦材料较对偶材料软得多，因此，此时摩擦副间的相互作用主要是对偶表面硬质微凸体对较软的铜基材料表面的犁沟作用。故低转速摩擦时摩擦系数较大。随着摩擦转速的提高，由于大量摩擦热的存在导致材料摩擦表面温度迅速提高，而基体铜较软，因此，材料摩擦面在摩擦过程中发生软化和产生大量变形。材料表面存在的这种严重畸变导致材料表面能急剧升高，表面原子活性增大。因此高温下表面层中均匀分布的Fe极易与大气中的氧发生反应，形成一层致密的氧化膜。高摩擦速度下，一方面材料表面的软化，增强了材料的塑性，降低了微凸体间的机械啮合作用，因此，降低了材料的摩擦系数。

另一方面，表面氧化膜的形成也阻隔了对偶与材料金属问的直接接触，从而进一步降低了高速摩擦下的摩擦系数。Fe在铜基粉末冶金摩擦材料中一般是作为摩擦组分加入的。作为摩擦组元加入铜基材料的Fe，只有当其含量大于4%后，材料的摩擦系数才随Fe含量的增加而提高。Fe含量越高，材料摩擦系数的提高程度也越大，并且在不同的转速条件下都能保持较高的摩擦系数，特别是在高转速摩擦条件下也能表现出较高的摩擦系数。Fe对材料的增磨作用一方面在于，如前所述，Fe颗粒均匀弥散地分布在材料基体中，起到了颗粒强化作用，明显提高了材料的强度、硬度;另一方面，存在于摩擦面的Fe颗粒本身强度、硬度就比基体铜大，在摩擦过程中当较软的基体磨损后，Fe颗粒便突出于摩擦表面，直接与对偶表面相接触，承受摩擦阻力。并且材料中Fe颗粒与基体铜结合紧密，基体铜对镶嵌其中的Fe颗粒的把持作用较强，摩擦过程中受摩擦冲击力作用时，Fe不易被拔出基体，从而提高了材料表面微凸体与对偶表面微凸体间的相互作用力，即提高了摩擦过程中摩擦副间的运动阻力，因此对材料起到了增磨作用，提高了材料的摩擦系数。Fe含量越高，在摩擦过程中增摩颗粒就越多，材料的摩擦系数也越高。在连续的高速摩擦过程中，材料表面及相嵌其中的Fe颗粒不断被磨损、脱落，而基体的Fe颗粒随着材料表面层的降低相继露出摩擦表面，重复其对材料的增摩作用。因此，高Fe含量的铜基材料能在各转速条件下都保持较高的摩擦系数。

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