燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響

楊勝明，何美鳳

（上海理工大學 材料與化學學院，上海 200093）

粉末冶金摩擦材料也被稱為“燒結摩擦材料”，是由金屬粉末與非金屬粉末通過混合、燒結制備出的多組元假合金，具有較高而穩定的摩擦因數、足夠的力學性能、良好的耐磨性和耐熱性，是一種環保、安全、高效、價格低廉的材料。列車制動材料應用最廣的是粉末冶金摩擦材料，其按基體成分可分為銅基、鐵基和鐵-銅基粉末冶金摩擦材料，其中，銅基粉末冶金摩擦材料具有足夠的力學性能，優良的導熱性、耐高溫、耐磨性和穩定的摩擦因數等特點而被廣泛應用于飛機、高鐵列車、風力發電和汽車等領。隨著鐵路的快速發展，尤其高鐵的迅速發展，車載的增加、車速的提升、安全系數的保障和經濟成本的限制，對摩擦材料的要求越來越苛刻。

影響制備銅基粉末冶金摩擦材料的工藝條件主要有混合時間、壓制壓力、燒結溫度、燒結時間和燒結壓力等，其中燒結溫度是關鍵因素之一。銅基粉末冶金摩擦材料中的多組元在熱燒結過程中發生相變，不同的燒結工藝制備出的材料具有不同的組織，導致材料所表現出的力學性能、摩擦學性能不同。因此，選取什么樣的制備工藝，如何控制燒結后的組織，是制備優良摩擦材料的關鍵。

目前，我國高鐵經歷六次大提速，現階段250 km/h 技術比較成熟，但速度300 km/h 以上的高鐵所用的銅基粉末冶金摩擦材料主要依賴進口。為了早日實現高鐵列車銅基粉末冶金閘片國產化，粉末冶金摩擦材料受到研究者的廣泛研究與探索。本文通過熱壓燒結制備出四種不同燒結溫度的銅基粉末冶金摩擦材料，研究不同燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料的密度、孔隙率、硬度、抗壓強度、摩擦磨損性能的影響及探究其微觀機制。

1 試驗材料與制備

1.1 試樣制備

試驗原料包括銅粉、還原性鐵粉、鎳粉、錳粉、鋁粉、錫粉、鱗片石墨、鉻粉、綠色碳化硅，按配比混料，以基體和摩擦組元質量之和的0.8%加入黏結劑（機油），在V 型混料機中放入除石墨外的粉料混合6 h 后，再加入石墨以同樣的速度混合1 h；將混合均勻的粉料用300 MPa的力壓制成直徑40 mm×6（±1）mm 的壓坯。壓坯置于真空熱壓燒結爐內并在高純氬氣保護下，選取825、850、875、900 ℃進行燒結，升溫速率10 ℃/min，保溫3 h，壓力5 MPa，燒結完成后隨爐冷卻至60 ℃，出爐。

1.2 性能表征

采用阿基米德排水法測試摩擦材料的密度；采用數顯維氏硬度計（HVS-1000，Zwick ZHU/Z205）測試試樣的硬度；根據《燒結金屬摩擦材料抗壓強度的測定》標準，采用Zwick ZHU/Z205 100 kN 萬能力學性能試驗機測試試樣的抗壓強度；采用定速摩擦試驗機（JF150D-Ⅱ型）測試試樣的摩擦磨損性能，尺寸為25 mm×25 mm×（5～7）mm 的摩擦對偶盤材質為HT-250 灰鑄鐵，珠光體組織，維氏硬度為180～220，轉速為（480±10）r/min，制動壓力為375 N（0.6 MPa）；采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對微觀組織結構和磨損形貌及摩擦后表面進行觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 燒結溫度對物理性能的影響

圖1 為燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料的密度和孔隙率的影響。從圖1 中可以看出，隨著燒結溫度的升高，銅基粉末冶金摩擦材料的密度先增大后減小，在875 ℃達到最大值為6.18 g/cm；銅基粉末冶金摩擦材料的孔隙率先降低后升高，875 ℃達到最小為8.47%。根據熱壓燒結理論，隨著燒結溫度的升高，材料的孔隙率越來越小，密度逐漸增大；同時在相同的燒結工藝下，因存在溫區關系，冷壓壓力欠缺，影響孔隙率。根據菲克定律，由于在較低的溫度下燒結，材料中各組元之間擴散系數小，原子擴散速度慢，成分不能完全均勻化，金屬與非金屬界面接觸不緊密，產生大量的孔隙，造成材料燒結不均勻，密度較小。但隨著燒結溫度的升高，原子擴散遷移速度加快，孔隙率降低，從而致密化速率加快。在相同的燒結壓力和時間內，燒結溫度越高，材料的密度就越大；但是過高的燒結溫度反而使材料的密度降低，溫度太高導致晶粒粗大，出現許多燒結缺陷；其次，銅基混合粉末壓坯在燒結過程中，Mn 等金屬粉末由于收縮過程的無序定位和粉末顆粒的個體變化，增大了粉末顆粒的熱膨脹和孔隙率，從而使材料的密度下降。

圖1 燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料密度和孔隙率的影響Fig.1 Effect of sintering temperature on density and porosity of Cu-based powder metallurgy friction materials

圖2 為不同燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料維氏硬度的影響。由圖2 可知，隨著燒結溫度的升高，銅基粉末冶金摩擦材料的維氏硬度先增大后減小，在875 ℃達到最大值85.4；銅基粉末冶金摩擦材料的硬度普遍不高，可能原因：一是測量硬度所選取的點正好打在比較軟的區域代表性不好；二是粉末在冷壓過程所給的壓力欠缺，粉末顆粒之間接觸面積比較小，機械結合不牢固，在燒結過程中存在大量的孔隙，使得材料的硬度不高。硬度先增大，這說明強化基體元素Ni、Mn（微量Al、Sn）在燒結過程中，有些發生相變或有些溶入基體Cu 形成固溶體，從而提高材料的力學性能。其中Ni 的效果最強，因為材料的燒結溫度升高，加快各組元原子之間遷移速度，使得Ni 與Cu 發生互擴散，進而形成Cu-Ni 固溶體。由于Cu 和Ni 原子半徑存在差異，Ni 原子進入Cu 晶格中導致晶格畸變，產生畸變能，需要比較大的能量填補，這就大大增加了位錯滑移的困難，有效地阻礙了位錯的運動，因此材料硬度升高。隨著燒結溫度的繼續升高，硬度呈現下降的趨勢。究其原因，首先是在壓制燒結中，金屬粉末（Al、Mn）在整個降溫過程中，由于粉末本身的收縮無序性和不規則性，材料的孔隙率逐漸增大，產生燒結缺陷，從而導致硬度的降低；其次，燒結溫度過高，亦使得材料中少量的Al、Sn 過燒，因此測量出的硬度亦會偏低。

圖2 燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料維氏硬度的影響Fig.2 Effect of sintering temperature on Vickers hardness of Cu-based powder metallurgy friction materials

2.2 燒結溫度對抗壓強度的影響

圖3 是壓縮試驗后燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料抗壓強度的影響。燒結溫度為825、850、875、900 ℃的試樣的彈性模量分別為95.2、172.8、166.7、114.9 MPa，抗壓強度分別為264.9、249.2、209.3、295.2 MPa。強化元素（Ni、Mn）在燒結過程中與Cu 基體發生相變，形成固溶體，改善了材料的顯微組織，起到固溶強化作用，大大提高了材料的力學性能。由圖4 可以看出，燒結溫度的升高，銅基粉末冶金摩擦材料表面越來越平整，球狀粉末顆粒之間由點接觸轉為面接觸，減少孔隙率從而提高材料的抗壓強度。由表1 可知，4 個試樣在斷裂前表現出一定的塑性變形。同時，少量的Sn 在燒結過程中反應生成Cu-Sn α 固溶體，改善了材料的塑形，形成了典型的錫青銅材料，材料表現出一定的塑形。

圖3 燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料抗壓強度的影響Fig.3 Effect of sintering temperature on compressive strength of Cu-based powder metallurgy friction materials

表1 不同溫度試樣壓縮試驗載荷與位移關系Tab.1 Relationship between the load and displacement in compression test of samples at different temperatures

圖4 不同燒結溫度的銅基粉末冶金摩擦材料顯微組織SEM 圖Fig.4 SEM images of microstructure of Cu-based powder metallurgy friction materials at different sintering temperatures

2.3 燒結溫度對摩擦磨損的影響

圖5 為燒結溫度825、850、875、900 ℃的銅基粉末冶金摩擦材料在制動速度480 r/min，摩擦時間10 min，制動壓力375 N 摩擦后的摩擦因數和磨損量。可見，隨著燒結溫度的升高，摩擦因數先增大后減小，磨損量先減小后增大。當燒結溫度為850 ℃時，摩擦因數為0.37，磨損量為0.074 g。在燒結溫度較低的情況下，由于燒結不充分，金屬粉末之間結合不強，特別是金屬與非金屬粉末之間的結合更不牢固，這就大大增加了材料內部的孔隙與缺陷，致密度低導致材料在摩擦過程中更容易脫落。燒結溫度較低，原子間的擴散遷移速度較慢，強化元素還沒完全跟Cu 基體形成固溶體，使材料的強度與硬度較低，從而導致材料的耐磨性較差。燒結溫度為825 ℃時的摩擦因數比875、900 ℃ 的大的原因，是由于Cr、SiC 硬質相沒有完全跟Cu 基體結合好，制動盤與試樣之間摩擦過程容易脫落，增大了摩擦因數，加快磨損速度。燒結溫度為850 ℃時，摩擦性能最佳，因為此時的顯微組織結合較好、各元素分布較均勻，致密性較好，硬度和抗壓強度也是最大，其他成分對基體的割裂程度最小。

圖5 燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料摩擦因數和磨損量的影響Fig.5 Effect of sintering temperature on friction coefficient and wear loss of Cu-based powder metallurgy friction materials

圖6 為燒結溫度825、850、875、900 ℃的銅基粉末冶金摩擦材料在制動速度480 r/min，摩擦10 min后的表面形貌。由圖6（a）可見，試樣表面存在多且深的犁溝、剝落凹坑和少量的缺陷、裂紋，說明825 ℃燒結溫度低，鱗片石墨沒能在材料表面形成完整的保護摩擦膜，一些硬質相（SiC、AlO）因燒結不充分，在摩擦過程中容易脫落，增大摩擦因數的同時也加重了磨損。由圖6（b）可見，試樣表面存在少且淺的犁溝、剝落凹坑、小且少的裂紋，說明850 ℃燒結，在強化元素的固溶強化作用下，高硬度對材料的承載有利，同時較高的潤滑性也可以減少材料的磨損量。試樣在摩擦時能夠及時形成穩定、連續的摩擦膜，改善硬質相與摩擦副摩擦時產生凸起點對制動盤的磨損。由圖6（c）可見，摩擦試樣表面存在多且淺的犁溝、剝落凹坑、大量的磨屑和少許裂紋。說明875 ℃燒結時材料中原子的擴散速度加快，Ni、Mn 基本上與Cu 基體形成了相對應的固溶體。由圖6（d）可見，摩擦試樣表面存在多且淺的犁溝、剝落凹坑、少量的磨屑和裂紋。說明在900 ℃燒結，更高的溫度進一步加快Mn、Ni 與Cu 基體擴散形成固溶體，致使材料中微量的Sn 來不及與Cu 形成單相固溶體，呈游離態附著在材料表面。材料含有過量游離的石墨，鱗片石墨因其本身的層狀結構會形成穩定的潤滑膜，同時Sn 也會提高材料表面的潤滑性，使得試樣摩擦因數低，磨損不嚴重。

圖6 燒結溫度對銅基粉末冶金摩擦材料表面形貌的影響Fig.6 Effect of sintering temperature on surface morphology of Cu-based powder metallurgy friction materials

3 結論

（1）在選用的燒結溫度下，銅基粉末冶金摩擦材料基體Cu 與強化元素Ni、Mn 形成相應的固溶體，提高材料的力學性能；其次，隨著燒結溫度的升高，摩擦組元、潤滑組元均勻地鑲嵌在基體中。

（2）隨著燒結溫度的升高，銅基粉末冶金摩擦材料的密度、抗壓強度均呈現先增大后降低的趨勢，硬度先增大后一直減小；摩擦因數先升高后降低，材料的穩定性提高，磨損量總體呈下降趨勢。

（3）試驗中的銅基粉末冶金摩擦材料較佳燒結溫度為850 ℃，此時材料的密度為6.17 g/cm，孔隙率為8.62%，維氏硬度為81.2，抗壓強度為172.8 MPa，摩擦因數為0.37，磨損量為0.074 g。