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              技術 | 鐵在銅基粉末冶金摩擦材料中的作用

              銅基粉末冶金摩擦材料由于其良好的導熱性、耐磨性而被廣泛應用于各種離合器和剎車裝置中。粉末冶金摩擦材料是以金屬及其合金為基體,添加硬質顆粒摩擦組元和固體潤滑組元,用粉末冶金的方法制造而成的金屬基顆粒復合材料。因此,可以通過調節和控制復合材料中各組元的含量及存在形式來改善材料的物理機械性能,進而提高材料的摩擦磨損性能,最終得到綜合性能優異的粉末冶金摩擦材料。


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              粉末冶金摩擦材料中大都加有Fe作為摩擦組元,以提高材料的摩擦系數,其含量一般在5%~25%的范圍內。有資料顯示,Fe含量在5%以下時,摩擦系數才有所提高,隨后Fe含量增加,材料的摩擦系數變化不大,且Fe含量增加,材料磨損量增加,對偶磨損量則減少。本文即針對Fe在新型銅基粉末冶金摩擦材料中的作用機理進行了系統的分析,明確了Fe對銅基粉末冶金摩擦材料摩擦系數的影響。


              實驗材料與方法


              1、材料制備

              按比例稱取各種粉末,經手工混合后置于v型混料器中混合6~8 h,混合料在400~600  MPa壓力下冷壓成形。在加壓燒結爐中于氫氣保護下進行燒結,燒結溫度為920~950℃,燒結壓力為2.0~3.5

              MPa,保溫3~4h,然后水冷待溫度低于100℃后出爐。出爐后將燒結材料加工成75 mm×53mm的環塊。


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              2、檢測項目和方法

              在HBRF一187.5型洛氏硬度計上測試材料的表觀硬度(HRF),每個試樣測定五個點,取其平均值;在MeF3A型金相顯微鏡上觀測材料微觀組織;根據GB/T10421—1989測出材料密度:在MM-1000型摩擦實驗機上進行定速摩擦實驗,試環及對偶尺寸均為75mm×53mm。對偶材料為30CrMoSiVA合金結構鋼,硬度40  HRC。摩擦壓力為0.5 MPa,轉動慣量為2.5 kg·cm·s^2,速度分別為1000、3000、5000、7000 r/min,摩擦時間為20  S;在KYKY一2800型掃描電鏡下觀察材料摩擦面形貌。


              實驗結果與討論



              Fe對材料結構及物理性能的影響


              Fe顆粒多以游離狀態分布于銅錫基體中,在與基體結合處少量Fe原子能固溶于基體中。Fe與基體銅間這種良好的潤濕性,以及該材料較高的燒結溫度(920~950℃),使得燒結過程中Fe原子活性增大,在基體中的擴散加快,因此能在基體中均勻分布,且與基體結合良好。,隨銅基材料中Fe含量的增加,材料密度變化并不大,而材料硬度明顯提高。銅基摩擦材料中加入Fe后硬度提高的主要原因是,Fe微溶于基體,與基體相不發生反應,但在與基體結合處,少量Fe原子能固溶于基體中,起到了一定的固溶強化作用;另外,Fe顆粒硬度明顯高于基體Cu,因此均勻分布的Fe顆粒又起到了一定的顆粒強化的作用,從而提高了材料的硬度。

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              Fe對材料摩擦系數的影響


              隨摩擦速度的提高,材料的摩擦系數呈現逐漸降低的趨勢。究其原因,摩擦是兩摩擦表面間相互粘著和嚙合程度及其性質的函數。根據分子一機械嚙合理論,當兩摩擦面間微凸體相互接觸時,接觸點材料由于分子間作用力而粘和在一起。摩擦過程中,這些接觸點間產生相對運動,從而發生剪切現象。這種剪切力必然成為摩擦阻力。在低轉速下摩擦時,摩擦表面溫升不大,摩擦表面未發生相變等復雜變化,摩擦阻力主要來源于材料表面微凸體與對偶表面微凸體間的相互作用。而銅基摩擦材料較對偶材料軟得多,因此,此時摩擦副間的相互作用主要是對偶表面硬質微凸體對較軟的銅基材料表面的犁溝作用。故低轉速摩擦時摩擦系數較大。隨著摩擦轉速的提高,由于大量摩擦熱的存在導致材料摩擦表面溫度迅速提高,而基體銅較軟,因此,材料摩擦面在摩擦過程中發生軟化和產生大量變形。材料表面存在的這種嚴重畸變導致材料表面能急劇升高,表面原子活性增大。因此高溫下表面層中均勻分布的Fe極易與大氣中的氧發生反應,形成一層致密的氧化膜。高摩擦速度下,一方面材料表面的軟化,增強了材料的塑性,降低了微凸體間的機械嚙合作用,因此,降低了材料的摩擦系數。


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              另一方面,表面氧化膜的形成也阻隔了對偶與材料金屬問的直接接觸,從而進一步降低了高速摩擦下的摩擦系數。Fe在銅基粉末冶金摩擦材料中一般是作為摩擦組分加入的。作為摩擦組元加入銅基材料的Fe,只有當其含量大于4%后,材料的摩擦系數才隨Fe含量的增加而提高。Fe含量越高,材料摩擦系數的提高程度也越大,并且在不同的轉速條件下都能保持較高的摩擦系數,特別是在高轉速摩擦條件下也能表現出較高的摩擦系數。Fe對材料的增磨作用一方面在于,如前所述,Fe顆粒均勻彌散地分布在材料基體中,起到了顆粒強化作用,明顯提高了材料的強度、硬度;另一方面,存在于摩擦面的Fe顆粒本身強度、硬度就比基體銅大,在摩擦過程中當較軟的基體磨損后,Fe顆粒便突出于摩擦表面,直接與對偶表面相接觸,承受摩擦阻力。并且材料中Fe顆粒與基體銅結合緊密,基體銅對鑲嵌其中的Fe顆粒的把持作用較強,摩擦過程中受摩擦沖擊力作用時,Fe不易被拔出基體,從而提高了材料表面微凸體與對偶表面微凸體間的相互作用力,即提高了摩擦過程中摩擦副間的運動阻力,因此對材料起到了增磨作用,提高了材料的摩擦系數。Fe含量越高,在摩擦過程中增摩顆粒就越多,材料的摩擦系數也越高。在連續的高速摩擦過程中,材料表面及相嵌其中的Fe顆粒不斷被磨損、脫落,而基體的Fe顆粒隨著材料表面層的降低相繼露出摩擦表面,重復其對材料的增摩作用。因此,高Fe含量的銅基材料能在各轉速條件下都保持較高的摩擦系數。


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