微電機用多元粉末冶金摩擦件關鍵技術研究

張耀安

(蘇州電訊電機有限公司，江蘇蘇州215002)

0 引 言

隨著微電機的飛速發展，摩擦材料在微電機中的應用也日趨廣泛，如今微電機用摩擦材料的研究已成為微電機技術研究的新熱點。本文研究的是微電機用摩擦材料多元銅基粉末冶金離合器中的雙金屬摩擦片，制動器中的雙金屬制動盤(剎車盤)及含油軸承(石墨襯套)的關鍵技術。

由雙金屬摩擦片組成的圓盤式離合器，其作用是為微電機在過載時摩擦副打滑可起到安全保護作用。而雙金屬制動盤能使微電機瞬間迅速減速制動。含油軸承(石墨襯套)是銅基體石墨等元素構成多孔零件，孔隙內浸以潤滑油，含油軸承使微電機噪聲降低到36～38 dB。

摩擦件的質量主要取決于材料的配方與制品的金相組織，本文將著重對影響制品質量的配方及工藝加以分析研究。

通過多年來實踐，銅基粉末冶金摩擦材料配方及工藝參數等關鍵技術得以攻克，從而使微電機用摩擦材料制品性能達到微電機產品設計的要求。

1 微電機用銅基粉末冶金摩擦件工藝

1.1 粉末冶金概述

不用熔煉和鑄造，把金屬粉末經混合壓制成型，并在還原氣氛中，在高于部分合金液相點50℃ ～100℃的溫度下進行燒結，這種過程稱之粉末冶金。其特點:

(1)各組元為彼此不相熔合且往往其比重和熔點十分懸殊的金屬所組成的“偽合金”。

(2)組元含有均勻分布非金屬成分(如石墨、二氧化硅等)。

(3)制品孔隙度的多少和大小可以精確控制。

(4)設計制造高精度的壓塊模具，其粉末制品可不用機械加工或者稍加精修即可得到形狀復雜及尺寸精度高的零件。

同時粉末冶金法還受到如下限制:

(1)由于原料成本高，只是在航空航天、飛行器中用得比較多。

(2)由于粉末冶金制品在壓制時所需要的單位壓力很高，因而制品的尺寸受到限制。

(3)壓模成本高，只適于大量生產。

(4)燒結時需要在保護性的還原氣氛或高度真空下進行。

(5)粉末流動性低，故不宜制造形狀十分復雜的零件。

而粉末冶金制品的質量控制，在相當大的程度上取決于原料的化學及物理性質。

(1)控制化學成分

控制化學成分需要確定基體金屬的含量及粉末吸附的氣體與雜質含量。

(2)控制顆粒的形狀

粉末可分為球形、鱗片狀、樹枝狀、點滲狀以及纖維形等。粉末的形狀不同，則粉末的松裝比重及壓制性不同。樹枝及鱗片狀的粉末可保證制品具有較大的強度，但不易壓制，且易于層化。球狀質點的粉末具有最大的松裝比重(單位容積內自由松裝粉末的重量稱作粉末松裝比重)。

(3)控制粒度的組成

粉末顆粒的大小是一個重要的特性。它與其他特性相配合便決定著壓制時的單位壓力、燒結時的收縮量、松裝比重以及成品的機械性能。顆粒愈小，則壓制時所需要的壓力便愈大，壓件的強度便愈高。各級顆粒按一定比例配合，便可以得到收縮相當小的混合物。

1.2 銅基粉末冶金摩擦件工藝

雙金屬摩擦片與雙金屬制動盤的工藝流程:銅粉的還原→準備組成成分→攪拌→壓制→鋼基擴散退火→裝箱燒結。

含油軸承(石墨襯套)的工藝流程:銅粉的還原→準備組成成分→攪拌→壓制→裝箱燒結→浸油

1.2.1 粉末壓制前的準備

準備工作包括退火、過篩、稱重、混合、加入粘結劑。

1.2.2 壓制

粉末的壓制過程中增大各質點的接觸面，由于在各質點相接觸的地方產生原子結合力，以及部分機械咬合，使質點發生變形并提高強度。壓制件的強度與壓塊的密度有關，而壓塊的密度和壓制時所加的壓力成正比。沿零件高度、粉末密度的分布是不均勻的，所以僅能壓制不高的零件。壓制后的零件強度很低，為了提高強度，必須進行燒結。

1.2.3 燒結燒結是在低于基本組元熔點的溫度下進行退火燒結后產生如下效果:增大接觸表面;再結晶;氧化物的還原;改變零件孔隙度;消除內應力。

燒結特點:燒結在多元系中還會發生固溶體的形成擴散，甚至還常常有起粘結作用的元素發生熔化，形成液相，加強了粉末顆粒度的粘結，因而提高了合金的強度。

燒結條件:繞結是在通有保護爐氣或還原性氣體的爐中進行或者在真空爐中進行。燒結氣氛氣體必須是潔凈、足量、干燥的保護性的和還原性的，從而有利于燒結。

掃描電鏡試驗過程中，實際分別觀察了不同煤樣的十余個觀測點，觀察范圍涉及較廣，考慮一般位置及裂隙發育等特殊位置，放大倍數在30～3 000，其中，大部分表面結構變化不明顯，筆者僅對干燥及飽水煤樣分別列取2個、共計4個觀測點，由試驗結果可直觀得出，液氮對干燥及飽水煤樣的微觀破壞形式、破壞程度不同，這與滲透率試驗結果一致。

燒結溫度及保溫時間:確定燒結溫度和保溫時間應保證在纖維組織中形成最佳的α相晶粒組織。在燒結過程中，粉末顆粒表面所形成輕微的氧化銅和氧化錫的還原，將有利于增加合金元素的互相擴散速率，因此可加快燒結速率和得到更加均勻的纖維組織。

1.2.4 含油軸承浸油

含油軸承具有多孔的青銅石墨組織，它存在晶內及晶間孔隙。燒結之后，應放入油中進行浸透。

2 微電機用銅基粉末冶金摩擦件關鍵技術研究

2.1 關于雙金屬粉末冶金摩擦件粘結技術的研究

雙金屬復合材料根據冶金學原理，兩種金屬材料的結合條件必須是:

(1)在非氧化條件下進行;

(2)兩種材料的性能越接近，結合狀態越好;

(3)成型在壓力下進行，即首先在壓力下使兩種金屬結合層的晶粒相互嵌入，然后再進行熱處理，使原子相互擴散，達到緊密結合的目的，提高粘結以后的抗剪切和抗剝離強度。在特制的實驗設備上將零件或試片彎曲180°(向兩個方向各彎曲90°)，金屬陶瓷層不允許從鋼基表面上脫落，或者有剝落，但鋼基上仍保留一層致密的金屬陶瓷層為宜。常見剝落原因有三種:鋼基表面氧化，造成脫粘;粉末冶金壓塊厚度不均，造成與鋼基局部接觸;鋼基表鍍銅層脫落。

2.2 關于粉末冶金摩擦件金相組織的研究

雙金屬粉末冶金摩擦片和制動盤所用摩擦材料均為銅基多元粉末混合物，經壓制燒結后的金相組織為銅內α錫鋅固溶體為結晶的主要部分。石墨小孔以及其余元素均勻分布。由于制品的金相組織直接影響微電機產品的性能，所以對制品的金相組織必須嚴格把關，工藝因素以及元素純度、配料稱量精確度、混合的均勻度等因素的影響也至關重要。

壓制前的粉末裝模，如采用刮平器刮平時，必須掌握刮平器的旋轉速度，由于粉末附加濕潤劑揮發，部分粉末顆粒處于飛粉狀態，對于元素中比重較輕的石墨顯得格外活躍，刮平器旋轉時產生的離心力，導致粉末沿刮平器的切線方向甩向壓塊邊緣，石墨比重小，浮在混料粉末的表面機會多，造成壓塊制品表面及邊緣石墨富集，形成壓塊制品成分偏析，導致壓塊燒結后金相組織中石墨小孔分布不均勻，大部分出現在制品邊緣局部區域。

影響多元銅基粉末冶金雙金屬制品金相組織的重要工序是燒結。然而燒結的關鍵技術就是制品在燒結過程中，如何正確選擇和確定燒結溫度、加熱時間(保溫時間)、冷卻速度以及保護氣氛等參數。選擇和確定制品燒結工藝參數的原則，制品通過燒結使多元制品的顯微組織中，能獲得最佳α相晶粒組織——磨片的主要部分在整個視場中石墨小孔以及其余元素均勻分布的金相組織。制品在燒結的實踐中我們發現:

(1)制品在燒結中若加熱溫度過高，保溫時間過長，輕者造成制品金相組織晶粒粗大，重者導致制品金相組織晶間氧化。

(2)制品在燒結中，若加熱溫度過低，保溫時間過短，則導致制品燒結過程不充分，達不到燒結的目的。通常加熱溫度選擇在低于組成制品的基本組元熔點以下的溫度，約在熔點的2/3左右，或者選擇在高于部分合金液相點50℃ ～100℃的溫度下進行燒結。

(3)制品若在燒結中冷卻速度快，能使制品金相組織晶粒細化，制品的強度、硬度值提高較明顯，但冷卻速度過快會導致制品內部應力的增大。反之，若冷卻速度過慢，則使制品的金相組織晶粒粗大，從而降低制品的機械強度。

(4)保護性氣體氨的通入量直接影響制品的金相組織。如果制品在燒結過程中氨氣的流入量大，則進入爐內壓力也大，造成氨氣不能充分分解，將剩余的氨進入燒結箱內，導致正在燒結中的粉末制品強烈氧化的是它最易氧化的元素是石墨，因為制品組份中的石墨元素具有易游離、更易燒損的特點，故最易氧化，是直接暴露在加熱介質氣氛中的制品周圍部位，特別是零件邊緣1～2 mm處，沿縱深方向發展且有逐漸減弱的趨勢。

如果制品在繞結過程中其保護氣體氨氣的含水和含雜質量超過規定值，那么制品更易氧化。更嚴重的是局部溫度過高，石墨游離的機會多，燒損的機會也多，所以制品在進行金相檢查中，發現靠邊緣的石墨小孔較大，從而導致整個視場石墨小孔分布不均勻。實踐證明燒結氣氛必須是潔凈、足量、干燥的保護性和還原性的。

2.3 關于粉末冶金摩擦件硬度值、“流錫”、“硬質點”的分析

硬度值是衡量摩擦材料性能的關鍵技術指標。雙金屬(復合材料)粉末冶金制品“硬質點”、“流錫”的故障很少出現，但一旦出現，危害極大，因此須深入研究予以排除。

2.3.1 雙金屬制品硬度值的研究

2.3.1.1 雙金屬粉末冶金制動盤硬度偏高的原因

硬度值偏高主要是由于粉末壓制時，稱量超上限，壓力大(壓力的沖擊性)、保壓時間過長，導致粉末晶粒破碎、晶格歪扭，金屬粉末受到強化(造成冷作硬化)，從而促使未經燒結的粉末壓塊初始硬度值偏高。實踐發現，燒結后的制品硬度值主要取決于粉末壓塊的初始硬度值，壓塊初始硬度值偏高必然導致燒結后的硬度值高。當然這里還與制品燒結前裝夾加壓(為了使雙金屬結合得更好，在燒結中還需加壓)大小有關，還與退火中的冷卻速度過快有關。

2.3.1.2 雙金屬粉末冶金摩擦片燒結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壓制前裝料不均勻，粉末沒有被刮平器均勻刮平，由于粉末在壓制中流動性差，導致粉末壓塊局部疏松，我們從粉末的壓塊表面可以清楚地觀察到，疏松部分的顏色較深，無光澤，強度差，硬度值也不高，操作者發現后應將其隔離報廢。

2.3.2 含油軸承硬度值分析

硬度在含油軸承中更為突出。我們發現硬度偏高較少，偏低較多，粉末壓塊燒結中的尺寸變化和力學性能受到壓塊的密度、燒結溫度保溫時間以及冷卻速度等影響外，與組元中個別元素含量和粉末的形狀及尺寸大小有關。

(1)化學成分對其硬度值的影響。例如石墨成分的配比與錫元素成分的配比不準確，在配比中石墨↑硬度值↓，而錫↑硬度值↑，其中特別是石墨的加入量對硬度值的影響十分敏感。針對石墨青銅含油軸承壓塊在燒結后硬度值較低的技術難題，我們曾做如下實驗，將石墨配到上限，測得的硬度值在下限，將石墨配到下限，則硬度值上升至上限，由此可見，石墨加入量可以調節硬度值。

(2)在制品粉末元素配比中，粉末的形狀和尺寸大小對硬度值也有影響。配比相同的情況下，我們用200目的土狀粉末銅粉制作的含油軸承，測試得到的硬度值較低，然后用細顆粒狀銅粉(均超過200目)，硬度值升高，遠遠超過設計規定的要求。用另外一種顆粒大的銅粉，制品性能差，如用同樣的壓力，制品密度小(孔隙度大)，經燒結后的硬度值較低，超出設計規定的最低值。所以粉末形狀與大小尺寸同樣對硬度值有影響。

提高含油軸承硬度值的措施:①將稱料重量提高上限，并增加保壓時間，以提高壓塊密度，增加粉末的冷作硬化機會，提高制品壓塊在燒結前的初始硬度值，進而提高燒結后的硬度值。②通過熱處理方法提高硬度值:燒結工藝中加快冷卻速度可以提高硬度值，重新燒結一次(可增加制品密度)，同樣可以提高硬度值。③通過機械加工，即精整的方法提高硬度值。

2.3.3 雙金屬粉末冶金“流錫”故障的分析

以雙金屬粉末冶金摩擦片為例分析流錫產生的原因。流錫是錫從雙金屬粉末冶金塊中流向壓塊邊緣并暴露在鋼基鍍銅層表面(如錫呈點狀被蒸發出來)。流錫產生的原因有三種:

(1)燒結過程中，升溫過快，形成一個超常的加熱梯度，由于夾具先吸熱，導致中心升溫速度慢于邊緣，邊緣溫度高于中心溫度，所以邊緣容易產生流錫。

(2)由于操作不當，加熱前夾具已經倒入箱中，在加熱過程中，雙金屬制品與箱壁接觸，燒結箱上的熱量直接傳遞到粉末制品上，由于局部溫度過高導致流錫。

(3)超出規定溫度導致流錫。

粉末原子在未形成固溶體之前的組織極不穩定，所以從加熱開始到形成固溶體之前，這一時間段，必須對燒結加熱溫度、加熱速度和爐溫的均勻度加以嚴格控制。

2.3.4雙金屬粉末冶金制品“硬質點”故障的分析

以雙金屬粉末冶金制動盤為例分析硬質點產生的原因。硬質點故障的現象為:粉末壓塊與鋼基在壓力下經燒結后出現壓塊表面有1～1.5 mm2大小分布不均勻、形狀不規則的圓，顏色為暗藍色(伴有銀灰色)。將其表面拋光后，做硬質試驗，暗藍色處的硬度值特別高。分析硬質點產生的原因，是由于配料組元中，以銅為基體的錫元素的集聚，我們常將含有錫的銅合金叫作錫青銅，多孔青銅石墨粉末冶金制品組織與青銅組織不同，它存在著晶內及晶間空隙，當含錫量達到5%時，即足以使塑性降低，而當錫量超過20%時，組織中便會有過多的δ相出現，從而使合金變脆，強度下降。含錫量過高是由于混料不均，升溫過快，爐溫不均局部燒結溫度偏高，甚至超出規定加熱溫度(跑溫)，況且雙金屬制品一般在壓力下燒結更容易產生錫的集聚，形成高錫青銅。

3 結 語

通過不斷實踐，我們在微電機用摩擦材料技術研究方面取得了新的進展，特別是在銅基粉末冶金摩擦件生產實踐中攻克了多個技術難題，積累了一定的經驗，為微電機應用摩擦材料核心技術的研究打下了堅實基礎。但在摩擦學理論研究、特殊環境適應性的研究、摩擦副的匹配研究等方面，我們與國際先進國家還有明顯的差距，特別是在新型的摩擦材料配方和工藝等關鍵技術由于國際上保密無法依賴進口。

為了加速發展我國微電機事業，必須自主研制先進的微電機用新型摩擦材料及解決相關摩擦學問題，特別是摩擦材料的先進配方與先進工藝等關鍵技術，必須加快研究步伐，趕超世界先進水平。

［1］ 韓鳳麟，馬福康，曹勇家.粉末冶金技術手冊［M］.北京化學工業出版社，2009.

［2］ 曲建俊，王彥利.超聲波電機用摩擦材料的研究進展［C］//第十四屆中國(國際)小電機技術研討會論文集.上海，2009.