微电机用多元粉末冶金摩擦件关键技术研究

张耀安

(苏州电讯电机有限公司，江苏苏州215002)

0 引 言

随着微电机的飞速发展，摩擦材料在微电机中的应用也日趋广泛，如今微电机用摩擦材料的研究已成为微电机技术研究的新热点。本文研究的是微电机用摩擦材料多元铜基粉末冶金离合器中的双金属摩擦片，制动器中的双金属制动盘(刹车盘)及含油轴承(石墨衬套)的关键技术。

由双金属摩擦片组成的圆盘式离合器，其作用是为微电机在过载时摩擦副打滑可起到安全保护作用。而双金属制动盘能使微电机瞬间迅速减速制动。含油轴承(石墨衬套)是铜基体石墨等元素构成多孔零件，孔隙内浸以润滑油，含油轴承使微电机噪声降低到36～38 dB。

摩擦件的质量主要取决于材料的配方与制品的金相组织，本文将着重对影响制品质量的配方及工艺加以分析研究。

通过多年来实践，铜基粉末冶金摩擦材料配方及工艺参数等关键技术得以攻克，从而使微电机用摩擦材料制品性能达到微电机产品设计的要求。

1 微电机用铜基粉末冶金摩擦件工艺

1.1 粉末冶金概述

不用熔炼和铸造，把金属粉末经混合压制成型，并在还原气氛中，在高于部分合金液相点50℃ ～100℃的温度下进行烧结，这种过程称之粉末冶金。其特点:

(1)各组元为彼此不相熔合且往往其比重和熔点十分悬殊的金属所组成的“伪合金”。

(2)组元含有均匀分布非金属成分(如石墨、二氧化硅等)。

(3)制品孔隙度的多少和大小可以精确控制。

(4)设计制造高精度的压块模具，其粉末制品可不用机械加工或者稍加精修即可得到形状复杂及尺寸精度高的零件。

同时粉末冶金法还受到如下限制:

(1)由于原料成本高，只是在航空航天、飞行器中用得比较多。

(2)由于粉末冶金制品在压制时所需要的单位压力很高，因而制品的尺寸受到限制。

(3)压模成本高，只适于大量生产。

(4)烧结时需要在保护性的还原气氛或高度真空下进行。

(5)粉末流动性低，故不宜制造形状十分复杂的零件。

而粉末冶金制品的质量控制，在相当大的程度上取决于原料的化学及物理性质。

(1)控制化学成分

控制化学成分需要确定基体金属的含量及粉末吸附的气体与杂质含量。

(2)控制颗粒的形状

粉末可分为球形、鳞片状、树枝状、点渗状以及纤维形等。粉末的形状不同，则粉末的松装比重及压制性不同。树枝及鳞片状的粉末可保证制品具有较大的强度，但不易压制，且易于层化。球状质点的粉末具有最大的松装比重(单位容积内自由松装粉末的重量称作粉末松装比重)。

(3)控制粒度的组成

粉末颗粒的大小是一个重要的特性。它与其他特性相配合便决定着压制时的单位压力、烧结时的收缩量、松装比重以及成品的机械性能。颗粒愈小，则压制时所需要的压力便愈大，压件的强度便愈高。各级颗粒按一定比例配合，便可以得到收缩相当小的混合物。

1.2 铜基粉末冶金摩擦件工艺

双金属摩擦片与双金属制动盘的工艺流程:铜粉的还原→准备组成成分→搅拌→压制→钢基扩散退火→装箱烧结。

含油轴承(石墨衬套)的工艺流程:铜粉的还原→准备组成成分→搅拌→压制→装箱烧结→浸油

1.2.1 粉末压制前的准备

准备工作包括退火、过筛、称重、混合、加入粘结剂。

1.2.2 压制

粉末的压制过程中增大各质点的接触面，由于在各质点相接触的地方产生原子结合力，以及部分机械咬合，使质点发生变形并提高强度。压制件的强度与压块的密度有关，而压块的密度和压制时所加的压力成正比。沿零件高度、粉末密度的分布是不均匀的，所以仅能压制不高的零件。压制后的零件强度很低，为了提高强度，必须进行烧结。

1.2.3 烧结烧结是在低于基本组元熔点的温度下进行退火烧结后产生如下效果:增大接触表面;再结晶;氧化物的还原;改变零件孔隙度;消除内应力。

烧结特点:烧结在多元系中还会发生固溶体的形成扩散，甚至还常常有起粘结作用的元素发生熔化，形成液相，加强了粉末颗粒度的粘结，因而提高了合金的强度。

烧结条件:绕结是在通有保护炉气或还原性气体的炉中进行或者在真空炉中进行。烧结气氛气体必须是洁净、足量、干燥的保护性的和还原性的，从而有利于烧结。

扫描电镜试验过程中，实际分别观察了不同煤样的十余个观测点，观察范围涉及较广，考虑一般位置及裂隙发育等特殊位置，放大倍数在30～3 000，其中，大部分表面结构变化不明显，笔者仅对干燥及饱水煤样分别列取2个、共计4个观测点，由试验结果可直观得出，液氮对干燥及饱水煤样的微观破坏形式、破坏程度不同，这与渗透率试验结果一致。

烧结温度及保温时间:确定烧结温度和保温时间应保证在纤维组织中形成最佳的α相晶粒组织。在烧结过程中，粉末颗粒表面所形成轻微的氧化铜和氧化锡的还原，将有利于增加合金元素的互相扩散速率，因此可加快烧结速率和得到更加均匀的纤维组织。

1.2.4 含油轴承浸油

含油轴承具有多孔的青铜石墨组织，它存在晶内及晶间孔隙。烧结之后，应放入油中进行浸透。

2 微电机用铜基粉末冶金摩擦件关键技术研究

2.1 关于双金属粉末冶金摩擦件粘结技术的研究

双金属复合材料根据冶金学原理，两种金属材料的结合条件必须是:

(1)在非氧化条件下进行;

(2)两种材料的性能越接近，结合状态越好;

(3)成型在压力下进行，即首先在压力下使两种金属结合层的晶粒相互嵌入，然后再进行热处理，使原子相互扩散，达到紧密结合的目的，提高粘结以后的抗剪切和抗剥离强度。在特制的实验设备上将零件或试片弯曲180°(向两个方向各弯曲90°)，金属陶瓷层不允许从钢基表面上脱落，或者有剥落，但钢基上仍保留一层致密的金属陶瓷层为宜。常见剥落原因有三种:钢基表面氧化，造成脱粘;粉末冶金压块厚度不均，造成与钢基局部接触;钢基表镀铜层脱落。

2.2 关于粉末冶金摩擦件金相组织的研究

双金属粉末冶金摩擦片和制动盘所用摩擦材料均为铜基多元粉末混合物，经压制烧结后的金相组织为铜内α锡锌固溶体为结晶的主要部分。石墨小孔以及其余元素均匀分布。由于制品的金相组织直接影响微电机产品的性能，所以对制品的金相组织必须严格把关，工艺因素以及元素纯度、配料称量精确度、混合的均匀度等因素的影响也至关重要。

压制前的粉末装模，如采用刮平器刮平时，必须掌握刮平器的旋转速度，由于粉末附加湿润剂挥发，部分粉末颗粒处于飞粉状态，对于元素中比重较轻的石墨显得格外活跃，刮平器旋转时产生的离心力，导致粉末沿刮平器的切线方向甩向压块边缘，石墨比重小，浮在混料粉末的表面机会多，造成压块制品表面及边缘石墨富集，形成压块制品成分偏析，导致压块烧结后金相组织中石墨小孔分布不均匀，大部分出现在制品边缘局部区域。

影响多元铜基粉末冶金双金属制品金相组织的重要工序是烧结。然而烧结的关键技术就是制品在烧结过程中，如何正确选择和确定烧结温度、加热时间(保温时间)、冷却速度以及保护气氛等参数。选择和确定制品烧结工艺参数的原则，制品通过烧结使多元制品的显微组织中，能获得最佳α相晶粒组织——磨片的主要部分在整个视场中石墨小孔以及其余元素均匀分布的金相组织。制品在烧结的实践中我们发现:

(1)制品在烧结中若加热温度过高，保温时间过长，轻者造成制品金相组织晶粒粗大，重者导致制品金相组织晶间氧化。

(2)制品在烧结中，若加热温度过低，保温时间过短，则导致制品烧结过程不充分，达不到烧结的目的。通常加热温度选择在低于组成制品的基本组元熔点以下的温度，约在熔点的2/3左右，或者选择在高于部分合金液相点50℃ ～100℃的温度下进行烧结。

(3)制品若在烧结中冷却速度快，能使制品金相组织晶粒细化，制品的强度、硬度值提高较明显，但冷却速度过快会导致制品内部应力的增大。反之，若冷却速度过慢，则使制品的金相组织晶粒粗大，从而降低制品的机械强度。

(4)保护性气体氨的通入量直接影响制品的金相组织。如果制品在烧结过程中氨气的流入量大，则进入炉内压力也大，造成氨气不能充分分解，将剩余的氨进入烧结箱内，导致正在烧结中的粉末制品强烈氧化的是它最易氧化的元素是石墨，因为制品组份中的石墨元素具有易游离、更易烧损的特点，故最易氧化，是直接暴露在加热介质气氛中的制品周围部位，特别是零件边缘1～2 mm处，沿纵深方向发展且有逐渐减弱的趋势。

如果制品在绕结过程中其保护气体氨气的含水和含杂质量超过规定值，那么制品更易氧化。更严重的是局部温度过高，石墨游离的机会多，烧损的机会也多，所以制品在进行金相检查中，发现靠边缘的石墨小孔较大，从而导致整个视场石墨小孔分布不均匀。实践证明烧结气氛必须是洁净、足量、干燥的保护性和还原性的。

2.3 关于粉末冶金摩擦件硬度值、“流锡”、“硬质点”的分析

硬度值是衡量摩擦材料性能的关键技术指标。双金属(复合材料)粉末冶金制品“硬质点”、“流锡”的故障很少出现，但一旦出现，危害极大，因此须深入研究予以排除。

2.3.1 双金属制品硬度值的研究

2.3.1.1 双金属粉末冶金制动盘硬度偏高的原因

硬度值偏高主要是由于粉末压制时，称量超上限，压力大(压力的冲击性)、保压时间过长，导致粉末晶粒破碎、晶格歪扭，金属粉末受到强化(造成冷作硬化)，从而促使未经烧结的粉末压块初始硬度值偏高。实践发现，烧结后的制品硬度值主要取决于粉末压块的初始硬度值，压块初始硬度值偏高必然导致烧结后的硬度值高。当然这里还与制品烧结前装夹加压(为了使双金属结合得更好，在烧结中还需加压)大小有关，还与退火中的冷却速度过快有关。

2.3.1.2 双金属粉末冶金摩擦片烧结后局部硬度值偏低的研究

硬度值偏低的原因主要是粉末在压制前装料不均匀，粉末没有被刮平器均匀刮平，由于粉末在压制中流动性差，导致粉末压块局部疏松，我们从粉末的压块表面可以清楚地观察到，疏松部分的颜色较深，无光泽，强度差，硬度值也不高，操作者发现后应将其隔离报废。

2.3.2 含油轴承硬度值分析

硬度在含油轴承中更为突出。我们发现硬度偏高较少，偏低较多，粉末压块烧结中的尺寸变化和力学性能受到压块的密度、烧结温度保温时间以及冷却速度等影响外，与组元中个别元素含量和粉末的形状及尺寸大小有关。

(1)化学成分对其硬度值的影响。例如石墨成分的配比与锡元素成分的配比不准确，在配比中石墨↑硬度值↓，而锡↑硬度值↑，其中特别是石墨的加入量对硬度值的影响十分敏感。针对石墨青铜含油轴承压块在烧结后硬度值较低的技术难题，我们曾做如下实验，将石墨配到上限，测得的硬度值在下限，将石墨配到下限，则硬度值上升至上限，由此可见，石墨加入量可以调节硬度值。

(2)在制品粉末元素配比中，粉末的形状和尺寸大小对硬度值也有影响。配比相同的情况下，我们用200目的土状粉末铜粉制作的含油轴承，测试得到的硬度值较低，然后用细颗粒状铜粉(均超过200目)，硬度值升高，远远超过设计规定的要求。用另外一种颗粒大的铜粉，制品性能差，如用同样的压力，制品密度小(孔隙度大)，经烧结后的硬度值较低，超出设计规定的最低值。所以粉末形状与大小尺寸同样对硬度值有影响。

提高含油轴承硬度值的措施:①将称料重量提高上限，并增加保压时间，以提高压块密度，增加粉末的冷作硬化机会，提高制品压块在烧结前的初始硬度值，进而提高烧结后的硬度值。②通过热处理方法提高硬度值:烧结工艺中加快冷却速度可以提高硬度值，重新烧结一次(可增加制品密度)，同样可以提高硬度值。③通过机械加工，即精整的方法提高硬度值。

2.3.3 双金属粉末冶金“流锡”故障的分析

以双金属粉末冶金摩擦片为例分析流锡产生的原因。流锡是锡从双金属粉末冶金块中流向压块边缘并暴露在钢基镀铜层表面(如锡呈点状被蒸发出来)。流锡产生的原因有三种:

(1)烧结过程中，升温过快，形成一个超常的加热梯度，由于夹具先吸热，导致中心升温速度慢于边缘，边缘温度高于中心温度，所以边缘容易产生流锡。

(2)由于操作不当，加热前夹具已经倒入箱中，在加热过程中，双金属制品与箱壁接触，烧结箱上的热量直接传递到粉末制品上，由于局部温度过高导致流锡。

(3)超出规定温度导致流锡。

粉末原子在未形成固溶体之前的组织极不稳定，所以从加热开始到形成固溶体之前，这一时间段，必须对烧结加热温度、加热速度和炉温的均匀度加以严格控制。

2.3.4双金属粉末冶金制品“硬质点”故障的分析

以双金属粉末冶金制动盘为例分析硬质点产生的原因。硬质点故障的现象为:粉末压块与钢基在压力下经烧结后出现压块表面有1～1.5 mm2大小分布不均匀、形状不规则的圆，颜色为暗蓝色(伴有银灰色)。将其表面抛光后，做硬质试验，暗蓝色处的硬度值特别高。分析硬质点产生的原因，是由于配料组元中，以铜为基体的锡元素的集聚，我们常将含有锡的铜合金叫作锡青铜，多孔青铜石墨粉末冶金制品组织与青铜组织不同，它存在着晶内及晶间空隙，当含锡量达到5%时，即足以使塑性降低，而当锡量超过20%时，组织中便会有过多的δ相出现，从而使合金变脆，强度下降。含锡量过高是由于混料不均，升温过快，炉温不均局部烧结温度偏高，甚至超出规定加热温度(跑温)，况且双金属制品一般在压力下烧结更容易产生锡的集聚，形成高锡青铜。

3 结 语

通过不断实践，我们在微电机用摩擦材料技术研究方面取得了新的进展，特别是在铜基粉末冶金摩擦件生产实践中攻克了多个技术难题，积累了一定的经验，为微电机应用摩擦材料核心技术的研究打下了坚实基础。但在摩擦学理论研究、特殊环境适应性的研究、摩擦副的匹配研究等方面，我们与国际先进国家还有明显的差距，特别是在新型的摩擦材料配方和工艺等关键技术由于国际上保密无法依赖进口。

为了加速发展我国微电机事业，必须自主研制先进的微电机用新型摩擦材料及解决相关摩擦学问题，特别是摩擦材料的先进配方与先进工艺等关键技术，必须加快研究步伐，赶超世界先进水平。

［1］ 韩凤麟，马福康，曹勇家.粉末冶金技术手册［M］.北京化学工业出版社，2009.

［2］ 曲建俊，王彦利.超声波电机用摩擦材料的研究进展［C］//第十四届中国(国际)小电机技术研讨会论文集.上海，2009.