烧结压力对铜基粉末冶金闸片材料摩擦学性能的影响

王 培，陈 跃，张永振，郭 浩

（河南科技大学河南省材料摩擦学重点实验室，洛阳 471003）

0 引言

高速列车的制动器由闸片和制动盘构成，制动器的性能与闸片材料的性能密切相关。随着我国铁路列车的不断提速，对制动器性能的要求不断提高，目前高速列车使用的粉末冶金闸片材料主要还是依靠进口，为了实现高速列车用粉末冶金闸片材料早日国产化，粉末冶金摩擦材料的研发工作已经受到广泛关注。

根据基体的不同，通常可将粉末冶金摩擦材料分为铜基、铁基和铁铜基三类。其中铜基粉末冶金闸片材料由于具有良好的导热性、较强的耐腐蚀性能、良好的散热性、不易与对偶件发生粘结等特点，能较好地满足高速列车的应用条件［1－3］。影响铜基粉末冶金材料性能的工艺条件主要有压制压力、烧结温度、烧结时间和烧结压力等，其中烧结压力是关键因素之一［4］。研究发现［5－6］，对于同一种材料，其性能随烧结压力增大达到某一特定值后趋于稳定。目前，关于低熔点铜基粉末冶金材料性能变化规律的研究较少。为此，作者选择熔点相对较低的铜基粉末冶金材料为研究对象，分析了烧结压力对材料其密度、孔隙率、显微组织和摩擦磨损性能的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料:雾化铜粉，纯度不小于99.7%，粒径小于75μm;还原铁粉，铁、镍、锡总含量不小于99.9%（质量分数），粒径小于75μm;碳化硅，纯度不小于99.9%，粒径小于13μm;天然石英砂，不规则形状，纯度不小于97%，粒径为212～380μm;天然鳞片状石墨，纯度不小于97%，粒径为246～500μm;MoS2，胶体粉剂，分析纯。

按配方称取各种粉体，混合均匀后，在V型混料机中混料16 h，然后在900 MPa压力下压制成型（φ3 015 mm）。将试样分成5组（每组3个试样），分别在 0，0.65 ，1.25，1.67，2.1 MPa 压力下用钟罩烧结炉进行热压烧结，烧结温度为940～950℃，保温时间为3 h，保护气氛为氢气和氮气的混合气（体积比3∶1），最后随炉冷至100℃以下出炉。

1.2 试验方法

按照GB/T 1033－1986的规定测定烧结试样密度。孔隙率利用（1）计算得到。

式中:θ为材料的孔隙率;ρ为材料的实际密度;ρ0为材料的理论密度;wi为不同组成物的质量分数;ρi为不同组成物的理论密度。

使用 HB-3000B型布氏硬度计进行硬度检测，取3个试样平均值。然后在JSM-5610LV型扫描电子显微镜（SEM）下对试样的显微组织进行观察。

摩擦磨损试验在MMS-1G型高速摩擦磨损试验机上进行，采用线切割方法将粉末冶金材料加工成φ14 mm×11 mm的销试样，配副（盘试样）材料选用15CrMo钢，硬度为35～37 HRC，试验速度为30m·s－1，载荷为0.6 MPa。每次试验前对销试样先进行预磨，时间以销试样端面与盘试样圆周面接触良好为准。试验前后用精度为0.1 mg的BS210S电子分析天平测算出销试样的质量损失，结果取3个试样的平均值。

通过试验机上的扭矩传感器测得销试样与盘试样之间的摩擦力矩，然后利用式（3）计算得到摩擦因数，再按式（4）计算磨损率 W［7］。

式中:μ为摩擦因数;M为摩擦力矩;R为盘试样半径;N为施加在销试样上的法向压力，N。

式中:R为盘试样半径，即销试样摩擦表面与盘试样旋转轴中心的距离，m;t为摩擦时间，s;n为盘试样的转速，r·min－1;Δw为销试样的磨损量。

2 试验结果与讨论

2.1 烧结压力对孔隙率和硬度的影响

由图1可以看出，当烧结压力从0 MPa增大到0.65 MPa后，所制备材料（烧结体）的孔隙率大幅降低，同时硬度明显增大;当烧结压力从0.65 MPa上升到1.25 MPa时，烧结体的孔隙率从14.3%降低到13.2%，烧结体的致密度得到进一步提高，硬度也有一定提高;此后，再继续增大烧结压力到2.1 MPa，试样的孔隙率和硬度虽略有波动，但趋于稳定。

图1 不同烧结压力下烧结体的硬度和孔隙率Fig.1 Porosity and hardness of sintered bodies at different sintering pressures

由图2可知，烧结压力为0 MPa时，铜基体与颗粒之间间隙较大，孔隙较多，试样的致密性较差，这是烧结体的密度和硬度相对较低的主要原因;烧结压力增大到1.25 MPa时，铜基体颗粒间的间隙变小，烧结体的总体孔隙率降低，因此其硬度得到较大提高，烧结体基体与增强颗粒结合强度也大幅提高;继续增加烧结压力，试样基体与颗粒间隙变化不大，其孔隙率和密度变化也不大。

分析得到，试样孔隙率的大小对硬度性能影响较大，当孔隙率降低时，试样硬度提高。烧结压力增加到1.25 MPa后，继续增大烧结压力对试样性能的改善不大。

2.2 烧结压力对摩擦磨损性能的影响

图2 不同烧结压力下烧结体的显微组织及EDS谱Fig.2 Microstructure of sintered bodies at different sintering pressures（a）～ （d）and EDS spectrum of A area in figure（c）（d）

图3 烧结压力对烧结体摩擦磨损性能的影响Fig.3 Effects of sintering pressure on friction and wear properties of sintered bodies

由图3可知，随着烧结压力的增大，烧结体的摩擦因数在0.31～0.5间变化，并呈现先迅速下降后升的变化趋势，在烧结压力达到1.25 MPa时摩擦因数最低;而磨损率呈先降后趋于平稳的趋势。

由图4，5可见，烧结压力为0 MPa时所得烧结体的磨损表面出现了较大的剥落坑和裂纹;这是由于烧结体的孔隙较多，参与摩擦的增强颗粒与基体的结合力不够，在磨损时脱落而形成的;摩擦时有较多的剥落是沿石墨层开始的，增强颗粒发生大量脱落，磨损严重［8］。当烧结压力增大到 1.25 MPa，烧结体的孔隙率大幅减小，摩擦颗粒与基体结合力增强，脱落较少，摩擦表面光滑，因此摩擦因数减小，磨损率降低，靠近摩擦面的增强颗粒在载荷和磨损下发生断裂并脱落，因此形成的剥落坑较小，材料的磨损率较低［8－11］。

结合图2（e）能谱分析可知，摩擦表面的增强颗粒是SiO2。从图5可知，在摩擦磨损过程中，烧结压力大于1.25 MPa时烧结体中凸露在摩擦表面的增强颗粒出现较多断裂;烧结压力为0 MPa时，烧结体的摩擦表面虽然没有发现断裂的SiO2颗粒，但有较大的剥落坑出现，由此可以确定是磨损由于SiO2颗粒从摩擦表面直接脱落造成的。因此，0 MPa时烧结体的磨损相对1.25 MPa时烧结体的要严重得多。

开始时随着烧结压力的增大，烧结体的摩擦因数和磨损率都同步减小;当烧结压力达到1.25 MPa后，摩擦因数和磨损率出现波动但趋于稳定。

3 结论

（1）烧结压力从0 MPa增加到1.25 MPa，烧结体的孔隙率不断降低，硬度不断提高，摩擦因数和磨损率同步减小;继续提高烧结压力，其各项性能基本趋于稳定。

（2）在烧结压力为0 MPa时，磨损主要是SiO2颗粒的直接脱落，磨损严重;当烧结压力增大到1.25 MPa，SiO2颗粒和基体结合增强，磨损主要由于SiO2的颗粒断裂脱落形成，磨损量较小。

图4 不同烧结压力下烧结体磨损面的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

图5 不同烧结压力下烧结体纵截面的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of profiles of sintered bodies at different sintering pressures

［1］姚萍屏，盛洪超，熊翔.压制压力对铜基粉末冶金刹车材料组织和性能的影响［J］.粉末冶金材料科学与工程，2006，11（4）:239-243.

［2］李金花，倪东惠，朱权利，等.粉末冶金温压工艺制备Fe-Cu-C材料［J］.机械工程材料，2005，29（5）:38-40.

［3］SHIMADA K.Developments of the production engineering in ferrous sintered machine parts［J］.Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy，1995，42（10）:40-45.

［4］王盘鑫.粉末冶金［M］.北京:冶金工业出版社，2005.

［5］林文松，李元元，陈维平.镍元素对铁基合金烧结收缩的影响

［J］.机械工程材料，2003，27（10）:11-16.

［6］盛洪超，姚萍屏，熊翔.烧结压力对铜基粉末冶金航空刹车材料的影响［J］.润滑与密封，2006（11）:44-49.

［7］马尔钦科斯基.金属表面摩擦破坏实质［M］.何世俞，译.北京:国防工业出版社，1990.

［8］姚萍屏，熊翔，黄伯云.航空刹车材料的现状与发展［J］.粉末冶金工业，2000，10（6）:34-37.

［9］刘伯威，樊毅，张金生，等.SiO2和SiC对Cu-Fe基烧结摩擦材料性能的影响［J］.中国有色金属学报，2001，11（1）:110-113.

［10］韩晓明，高飞，孙宝韫，等.摩擦速度对铜基摩擦材料摩擦磨损性能影响［J］.摩擦学学报，2009，29（1）:89-96.

［11］孙家枢.金属的磨损［M］.北京:冶金工业出版社，1992:153-199.