燒結壓力對銅基粉末冶金閘片材料摩擦學性能的影響

王 培，陳 躍，張永振，郭 浩

（河南科技大學河南省材料摩擦學重點實驗室，洛陽 471003）

0 引言

高速列車的制動器由閘片和制動盤構成，制動器的性能與閘片材料的性能密切相關。隨著我國鐵路列車的不斷提速，對制動器性能的要求不斷提高，目前高速列車使用的粉末冶金閘片材料主要還是依靠進口，為了實現高速列車用粉末冶金閘片材料早日國產化，粉末冶金摩擦材料的研發工作已經受到廣泛關注。

根據基體的不同，通常可將粉末冶金摩擦材料分為銅基、鐵基和鐵銅基三類。其中銅基粉末冶金閘片材料由于具有良好的導熱性、較強的耐腐蝕性能、良好的散熱性、不易與對偶件發生粘結等特點，能較好地滿足高速列車的應用條件［1－3］。影響銅基粉末冶金材料性能的工藝條件主要有壓制壓力、燒結溫度、燒結時間和燒結壓力等，其中燒結壓力是關鍵因素之一［4］。研究發現［5－6］，對于同一種材料，其性能隨燒結壓力增大達到某一特定值后趨于穩定。目前，關于低熔點銅基粉末冶金材料性能變化規律的研究較少。為此，作者選擇熔點相對較低的銅基粉末冶金材料為研究對象，分析了燒結壓力對材料其密度、孔隙率、顯微組織和摩擦磨損性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料:霧化銅粉，純度不小于99.7%，粒徑小于75μm;還原鐵粉，鐵、鎳、錫總含量不小于99.9%（質量分數），粒徑小于75μm;碳化硅，純度不小于99.9%，粒徑小于13μm;天然石英砂，不規則形狀，純度不小于97%，粒徑為212～380μm;天然鱗片狀石墨，純度不小于97%，粒徑為246～500μm;MoS2，膠體粉劑，分析純。

按配方稱取各種粉體，混合均勻后，在V型混料機中混料16 h，然后在900 MPa壓力下壓制成型（φ3 015 mm）。將試樣分成5組（每組3個試樣），分別在 0，0.65 ，1.25，1.67，2.1 MPa 壓力下用鐘罩燒結爐進行熱壓燒結，燒結溫度為940～950℃，保溫時間為3 h，保護氣氛為氫氣和氮氣的混合氣（體積比3∶1），最后隨爐冷至100℃以下出爐。

1.2 試驗方法

按照GB/T 1033－1986的規定測定燒結試樣密度。孔隙率利用（1）計算得到。

式中:θ為材料的孔隙率;ρ為材料的實際密度;ρ0為材料的理論密度;wi為不同組成物的質量分數;ρi為不同組成物的理論密度。

使用 HB-3000B型布氏硬度計進行硬度檢測，取3個試樣平均值。然后在JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）下對試樣的顯微組織進行觀察。

摩擦磨損試驗在MMS-1G型高速摩擦磨損試驗機上進行，采用線切割方法將粉末冶金材料加工成φ14 mm×11 mm的銷試樣，配副（盤試樣）材料選用15CrMo鋼，硬度為35～37 HRC，試驗速度為30m·s－1，載荷為0.6 MPa。每次試驗前對銷試樣先進行預磨，時間以銷試樣端面與盤試樣圓周面接觸良好為準。試驗前后用精度為0.1 mg的BS210S電子分析天平測算出銷試樣的質量損失，結果取3個試樣的平均值。

通過試驗機上的扭矩傳感器測得銷試樣與盤試樣之間的摩擦力矩，然后利用式（3）計算得到摩擦因數，再按式（4）計算磨損率 W［7］。

式中:μ為摩擦因數;M為摩擦力矩;R為盤試樣半徑;N為施加在銷試樣上的法向壓力，N。

式中:R為盤試樣半徑，即銷試樣摩擦表面與盤試樣旋轉軸中心的距離，m;t為摩擦時間，s;n為盤試樣的轉速，r·min－1;Δw為銷試樣的磨損量。

2 試驗結果與討論

2.1 燒結壓力對孔隙率和硬度的影響

由圖1可以看出，當燒結壓力從0 MPa增大到0.65 MPa后，所制備材料（燒結體）的孔隙率大幅降低，同時硬度明顯增大;當燒結壓力從0.65 MPa上升到1.25 MPa時，燒結體的孔隙率從14.3%降低到13.2%，燒結體的致密度得到進一步提高，硬度也有一定提高;此后，再繼續增大燒結壓力到2.1 MPa，試樣的孔隙率和硬度雖略有波動，但趨于穩定。

圖1 不同燒結壓力下燒結體的硬度和孔隙率Fig.1 Porosity and hardness of sintered bodies at different sintering pressures

由圖2可知，燒結壓力為0 MPa時，銅基體與顆粒之間間隙較大，孔隙較多，試樣的致密性較差，這是燒結體的密度和硬度相對較低的主要原因;燒結壓力增大到1.25 MPa時，銅基體顆粒間的間隙變小，燒結體的總體孔隙率降低，因此其硬度得到較大提高，燒結體基體與增強顆粒結合強度也大幅提高;繼續增加燒結壓力，試樣基體與顆粒間隙變化不大，其孔隙率和密度變化也不大。

分析得到，試樣孔隙率的大小對硬度性能影響較大，當孔隙率降低時，試樣硬度提高。燒結壓力增加到1.25 MPa后，繼續增大燒結壓力對試樣性能的改善不大。

2.2 燒結壓力對摩擦磨損性能的影響

圖2 不同燒結壓力下燒結體的顯微組織及EDS譜Fig.2 Microstructure of sintered bodies at different sintering pressures（a）～ （d）and EDS spectrum of A area in figure（c）（d）

圖3 燒結壓力對燒結體摩擦磨損性能的影響Fig.3 Effects of sintering pressure on friction and wear properties of sintered bodies

由圖3可知，隨著燒結壓力的增大，燒結體的摩擦因數在0.31～0.5間變化，并呈現先迅速下降后升的變化趨勢，在燒結壓力達到1.25 MPa時摩擦因數最低;而磨損率呈先降后趨于平穩的趨勢。

由圖4，5可見，燒結壓力為0 MPa時所得燒結體的磨損表面出現了較大的剝落坑和裂紋;這是由于燒結體的孔隙較多，參與摩擦的增強顆粒與基體的結合力不夠，在磨損時脫落而形成的;摩擦時有較多的剝落是沿石墨層開始的，增強顆粒發生大量脫落，磨損嚴重［8］。當燒結壓力增大到 1.25 MPa，燒結體的孔隙率大幅減小，摩擦顆粒與基體結合力增強，脫落較少，摩擦表面光滑，因此摩擦因數減小，磨損率降低，靠近摩擦面的增強顆粒在載荷和磨損下發生斷裂并脫落，因此形成的剝落坑較小，材料的磨損率較低［8－11］。

結合圖2（e）能譜分析可知，摩擦表面的增強顆粒是SiO2。從圖5可知，在摩擦磨損過程中，燒結壓力大于1.25 MPa時燒結體中凸露在摩擦表面的增強顆粒出現較多斷裂;燒結壓力為0 MPa時，燒結體的摩擦表面雖然沒有發現斷裂的SiO2顆粒，但有較大的剝落坑出現，由此可以確定是磨損由于SiO2顆粒從摩擦表面直接脫落造成的。因此，0 MPa時燒結體的磨損相對1.25 MPa時燒結體的要嚴重得多。

開始時隨著燒結壓力的增大，燒結體的摩擦因數和磨損率都同步減小;當燒結壓力達到1.25 MPa后，摩擦因數和磨損率出現波動但趨于穩定。

3 結論

（1）燒結壓力從0 MPa增加到1.25 MPa，燒結體的孔隙率不斷降低，硬度不斷提高，摩擦因數和磨損率同步減小;繼續提高燒結壓力，其各項性能基本趨于穩定。

（2）在燒結壓力為0 MPa時，磨損主要是SiO2顆粒的直接脫落，磨損嚴重;當燒結壓力增大到1.25 MPa，SiO2顆粒和基體結合增強，磨損主要由于SiO2的顆粒斷裂脫落形成，磨損量較小。

圖4 不同燒結壓力下燒結體磨損面的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

圖5 不同燒結壓力下燒結體縱截面的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of profiles of sintered bodies at different sintering pressures

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