1 前言 燒結(jié)金屬摩擦材料是以金屬及其合金為基體，添加摩擦組元和潤滑組元，用粉末冶金技術(shù)制成的復(fù)合材料，是摩擦式離合器與制動器的關(guān)鍵組件。它具有足夠的強(qiáng)度，合適而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，工作平穩(wěn)可靠，耐磨及污染少等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代摩擦材料家族中應(yīng)用面最大、量最大的材料。 用粉末冶金技術(shù)制造燒結(jié)金屬摩擦材料已有70年的歷史，1929年美國開始了這項(xiàng)工作的研究，30年代末期首先將該材料用在了D-7、D-8鏟運(yùn)機(jī)中的離合器片上。發(fā)展到現(xiàn)在，所有載荷量高的飛機(jī)，包括米格、伊爾、波音707、747和三叉戟等，其制動器摩擦襯材料都采用了燒結(jié)金屬摩擦材料。在我國，特別是在1965年以后，燒結(jié)金屬摩擦材料的科研、生產(chǎn)得到迅速發(fā)展。迄今，我國已有十多個(gè)具有一定生產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)銅基和鐵基摩擦制品約850萬件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、重型車輛等領(lǐng)域，基本滿足了國內(nèi)主機(jī)配套和引進(jìn)設(shè)備摩擦片的備件供應(yīng)和使用要求。 2 制造方法與工藝研究 2.1 制造方法 目前，國內(nèi)外燒結(jié)金屬摩擦材料的生產(chǎn)仍主要沿用1937年美國S·K·Wellman及其同事們創(chuàng)造的鐘罩爐加壓燒結(jié)法（壓燒法），該方法的基本工序是：鋼背板加工→去油、電鍍銅層（或銅、錫層）；配方料混合→壓制成薄片→與鋼背板燒結(jié)成一體→加工溝槽及平面。由于傳統(tǒng)的壓燒法存在著能耗大、生產(chǎn)效率相對低、原材料粉末利用率低、成本高等缺點(diǎn)。因此，一些國家對傳統(tǒng)工藝作了一些改進(jìn)，同時(shí)十分注重新工藝的研究，在改善或保證產(chǎn)品性能前提下探索和尋求提高經(jīng)濟(jì)效益的途徑。 新的制造工藝相繼問世，其中最令人矚目的是噴撒工藝（Sprinkling powder procedure），它以生產(chǎn)的高效率和顯著的經(jīng)濟(jì)效益獨(dú)具優(yōu)勢。噴撒工藝法以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)燒結(jié)金屬摩擦材料始于70年代，美國的威爾曼、西德的奧林豪斯和尤里特、奧地利的米巴等企業(yè)擁有這項(xiàng)技術(shù)。80年代中期，杭州粉末冶金研究所從奧地利米巴公司引進(jìn)了該技術(shù)。 噴撒工藝的基本流程是：鋼背板在溶劑（如四氯化碳中脫脂處理（或鋼背板電鍍）→在鋼背板上噴撒上混合材料→預(yù)燒→壓溝槽→終燒→精整。 與傳統(tǒng)的壓燒法相比，噴撒工藝主要有下列一些優(yōu)點(diǎn)： （1）實(shí)現(xiàn)了無加壓連續(xù)燒結(jié)，耗能低。 （2）采用松散燒結(jié)，粉末還原充分，可獲得高孔隙度的摩擦襯層，對提高摩擦系數(shù)極為有利。 （3）用功能覆蓋和冷壓方法替代切削加工制取油槽，經(jīng)濟(jì)而有高效。 （4）采用精整平面取代切削加工，材料利用率高，產(chǎn)品厚度和平行度精度高。 （5）可以根據(jù)要求制取摩擦襯層極薄的摩擦片（0.2～0.35mm），而用其它工藝則難以達(dá)到。 已有的數(shù)據(jù)表明。噴撒工藝法較壓燒法可節(jié)約銅、錫、鉛等有色金屬粉末約45%，節(jié)電約75%，節(jié)省工時(shí)約40%。 目前噴撒工藝法似乎主要用于制造厚度較薄的銅基摩擦材料，而用于制取鐵基摩擦材料，僅見一例。 國內(nèi)外粉末冶金同行們還發(fā)明了20余種制取方法 ，投入應(yīng)用和有前途的主要有以下幾種： 2.1.1 沖切法 一種工藝是先沖后燒，混好的配方粉料從料斗經(jīng)溜槽進(jìn)入下面有帶狀輸送帶的定量斗，自動送入壓力機(jī)壓實(shí)成薄片，然后沖切成所需形狀，燒結(jié)后即為成品。該工藝連續(xù)加壓，不需壓模，粉層密度、強(qiáng)度均勻一致，粉層厚度調(diào)節(jié)方便；另一種是先燒后沖，即在鋼帶上撒粉后先松散燒結(jié)，爾后沖切成形。其缺點(diǎn)是鋼帶進(jìn)爐燒結(jié)易變形，引起粉末層震動移位，造成粉層厚薄不勻。為克服這一缺點(diǎn)，該專利提出，在鋼帶背面涂上炭黑，先進(jìn)入預(yù)氧化燒結(jié)爐，以15℃/s快速升到400℃（銅基），然后再進(jìn)入慢升溫加熱爐（5℃/s），在還原氣氛中燒結(jié)，可得到均勻的摩擦襯層。 2.1.2 等離子噴涂法 該法適用于噴涂耐高溫的摩擦材料。如Co、Mg、Ti、W、Cr以及碳化物、氧化物的混合物，保護(hù)氣氛為含20%氫氣和80%氬氣的混合氣體，噴涂溫度高達(dá)1500～2000℃，噴涂速度500～1000g/h，所得噴涂層硬度1000HV。該法特別適用于制取電磁離合器與制動裝置摩擦片。 對于需要輕的摩擦組件，往往以鋁來替代鋼，但鋁不耐磨，在其表面噴涂一層金屬陶瓷耐磨層，可獲得陶瓷硬而耐磨與金屬延展性好及耐沖擊二者相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。陶瓷與金屬的重量比為85：15到75：25，只要確保在熱噴涂中金屬能完全熔化（不能超過金屬的氣化點(diǎn)），就可以保證質(zhì)量。 2.1.3 電解沉積充填法 先在金屬或石墨處理過的多孔材料上用電解沉積法形成金屬骨架。多孔材料一般用凝聚纖維，如海綿、泡沫材料。金屬骨架形成后，多孔材料可以留在內(nèi)部，也可以通過加熱熔化或燒除，再用摩擦材料填充金屬骨架間隙，填充的摩擦材料可以是金屬，如Pb、Sn等，也可用熱固性樹脂。金屬骨架只占整個(gè)體積的10%～30%。填充好摩擦材料后成為摩擦襯，可采用錫焊或銅焊將其焊接到鋼背上，也可用環(huán)氧樹脂等粘結(jié)劑粘貼到鋼背上。 2.1.4 電阻燒結(jié)法 將鋼背板鍍上一層焊料（Cu、Cu-Sn、Cu-Zn、Sn或Ni），再將已壓制成形的摩擦襯放置到鋼背板預(yù)定的位置上，送入加壓機(jī)，一邊加壓，一邊輸入大電流（1例為52kA，另1例為4kA），維持十幾秒鐘，就燒結(jié)好了。此法的優(yōu)點(diǎn)是鋼背板不受高溫影響，花鍵與齒形部位強(qiáng)度不會降低。 另一專利介紹：在壓模中設(shè)計(jì)有電極，裝足粉后，放上經(jīng)過電鍍的鋼背板，然后一邊加壓，一邊通電，電流10～100kA（5.454A/mm2），燒結(jié)15s即成。有1例，摩擦襯面積1840mm2，摩擦襯層厚4.6mm，通電流22kA，過8s后電流升至38kA，加壓5.4MPa，摩擦層相對密度達(dá)到87.8%。 2.1.5 感應(yīng)加熱沖擊法 工序是：將摩擦材料襯的預(yù)燒結(jié)坯放入承受盤中，在保護(hù)氣氛中感應(yīng)加熱，溫度控制在916℃以上，時(shí)間一般不少于5min。從感應(yīng)器中取出后即行單向沖擊，使摩擦層與承受盤形成鍵接。 2.1.6 氣相沉積法 一般的TiC材料摩擦系數(shù)值很小，但用氣相沉積法制取，摩擦系數(shù)就很大，可達(dá)0.4，且耐高溫，在試驗(yàn)臺上試溫，溫升至1090℃材料還無衰退跡象。載體用石墨而不用鋼，石墨和TiC都很輕，適用于飛機(jī)。它的制法是 ：把用石墨制成的的載體置入一容器中，加熱溫度高達(dá)1050℃，氣氛為碳?xì)浠衔?，（可用甲烷）與TiCl，其中TiCl含量不能少于0.5%（體積分?jǐn)?shù)）,甲烷與TiCl以1m/min的速度進(jìn)行環(huán)流,到一定時(shí)間即成。 2.2 工藝研究 燒結(jié)金屬摩擦材料的工藝研究近年取得很大的進(jìn)展，申請的專利很多。 專利[14，15]提出了改進(jìn)現(xiàn)行工藝的方法，建議將含有Fe、Mo元素的銅基摩擦材料的燒結(jié)冷卻速度提高到100℃/min，促使Fe-Mo相析出，因?yàn)镕e-Mo相的硬度大于700HV，可以大大提高材料的強(qiáng)度。 專利[16]建議將鐵基材料置于S和Mn中進(jìn)行擴(kuò)散燒結(jié)，因?yàn)镾和Mn能向其表面層擴(kuò)散并促使鐵基體中奧氏體穩(wěn)定。擴(kuò)散燒結(jié)的鐵基制品表層形成較多的硫化物，表面硬度為200～300HV，經(jīng)精整上升到600～700HV，從而提高了制品的耐磨性。 專利[17]提出了預(yù)制粉末以獲得最佳粉末混合料的方法。提出石墨在使用前需先進(jìn)行特殊處理：將選用的細(xì)晶粒石墨粉先與5%～45%軟金屬（Cu、Sn、Al、Pb等）混合，然后混合料在0.02～0.025MPa的壓力下壓制成一定大小的生坯，再于保護(hù)氣氛中加壓燒結(jié)（1MPa）。制得燒結(jié)坯后再經(jīng)粉碎，按所需顆粒尺寸過篩后再與摩擦材料的其它組分混合，經(jīng)過這樣的處理，摩擦襯層組分不易偏析、分層，加工性能好，與鋼背板的粘結(jié)良好。 3 材質(zhì)與配方研究 3.1 提高并穩(wěn)定摩擦系數(shù)的研究 足夠高的摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性是制動或離合可靠與穩(wěn)定的必要條件。近年來對提高摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性的研究主要從選用合適的摩擦組元和探索新的摩擦與抗咬合添加劑入手。文獻(xiàn)[18]贊成以Zr-SiO4部分或全部代替SiO2或Al2O3，認(rèn)為這對重載下提高摩擦系數(shù)特別有利（摩擦系數(shù)：銅基0.30，鐵基0.42），耐磨性也有改善（磨損：銅基2.1＊10-8cm3/J，鐵基2.5＊10-8cm3/J）。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為Zr-SiO4作為摩擦質(zhì)點(diǎn)，不僅可以提高摩擦系數(shù)，而且可以減少對偶的磨損。另外，在銅基或鐵基中加入TiO2或再加入多元氧化物（如ZrO2、MgO、Cr2O3、BeO、CaO）以及玻璃陶瓷粉作為摩擦組元，使摩擦表面生成氧化膜，以穩(wěn)定在高速工況下的摩擦系數(shù)。對于摩擦組元的選擇，前蘇聯(lián)在銅基材料中加入難熔金屬（W、Cr等）的硼化物，得到了滿意的效果。德國則更多的是在材料中加入TiC、ZrC、ZrO2等來提高摩擦系數(shù)，如含有TiC、ZrO2時(shí)，其摩擦系數(shù)可達(dá)0.4，而且導(dǎo)熱性能很好。 在鐵基材料中廣泛使用MoS2、WS2、BN來調(diào)整摩擦系數(shù)，改善抗擦傷性能。對高溫重載工況，則更多采用BaSO4、CaF2等來提高摩擦系數(shù)穩(wěn)定性。 3.2 提高材料耐磨性的研究 將石墨、MoS2、Pb、Sn、Be等作為潤滑組元以提高材料的耐磨性得到了普遍肯定。以BN作為潤滑組元已引起廣泛的興趣。在燒結(jié)過程中，BN十分穩(wěn)定，既不會分解又不會被燒損，在摩擦過程中保持良好的潤滑，促使形成薄膜，改良了耐磨性。已被廣泛用作潤滑組元的硫及硫化物，對耐磨性能的改善有較大作用。中國、日本、前蘇聯(lián)對此作了大量的研究。 石墨作為一種固體潤滑劑，似乎是所有燒結(jié)摩擦材料必加的組元。在高溫下，石墨具有極高的強(qiáng)度，使用溫度可達(dá)3500℃，具有優(yōu)良的高溫固體潤滑特性。 根據(jù)對材料性能的不同要求，石墨添加量的范圍很大，最高達(dá)30%，其顆粒形態(tài)、大小、粒度組成及其在材料基體中的分布狀態(tài)，對材料性能產(chǎn)生很大的影響，對鐵基摩擦材料的影響尤甚。 材料中大量的游離石墨在摩擦過程中不斷覆蓋摩擦界面，形成穩(wěn)定的潤滑工作層，防止了摩擦副的咬合，也起到了很好的減摩作用。 關(guān)于石墨的含量、形態(tài)對耐磨性能的影響已有不少的論著，文獻(xiàn)[24]對加入之石墨規(guī)定：人造石墨（電極石墨）占8%，天然石墨（鱗片狀）占7%，兩者粒度均為60～800um。 3.3 改善材料基體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的研究 基體強(qiáng)度是材料承載能力的反映，而基體強(qiáng)度在很大程度上取決于基體成分、結(jié)構(gòu)和力學(xué)物理性能。現(xiàn)代機(jī)械向高速重載發(fā)展，對摩擦材料的高溫性能提出了更高的要求?？偟膩碚f，各國的材料研究者主要從兩個(gè)方面入手改善材料基體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。 用合金元素固溶強(qiáng)化基體是改善材料基體結(jié)構(gòu)的重要手段之一。對于鐵基材料，通常以加入Ni、Cr、Mo、W、Mn來強(qiáng)化基體或活化燒結(jié)過程。加入Ni、Cr、Mo則對提高材料的高溫性能有利。文獻(xiàn)[25]采用CaSi2、Si、SiC及FeSi2使Si與Ca和基體鐵形成合金。西德與英國則用W-Fe作為合金元素加入鐵基材料中，基體強(qiáng)化效果顯著，適用于高溫工況。 國外系統(tǒng)地研究了Sn的含量對銅基材料性能的影響，認(rèn)為Sn的理想加入量在7%～12%。不過，烏克蘭科學(xué)院材料研究所用鋁青銅代替錫青銅，在高負(fù)荷工況下，鋁青銅材料的強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、耐蝕性能和使用性能均超過了錫青銅，當(dāng)基體中含鋁為10%～11%時(shí)，摩擦材料具有最大的摩擦系數(shù)，最小的磨損量，綜合性能優(yōu)異。 另一項(xiàng)強(qiáng)化手段是纖維強(qiáng)化。在較軟的基體中加入具有較高強(qiáng)度的金屬纖維或碳素纖維，如加入鋼纖維（拉拔狀態(tài)的鋼纖維抗拉強(qiáng)度可達(dá)4100MPa）后使材料強(qiáng)度和塑性大大提高。碳素纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、高耐熱性和抗疲勞性能，但因成本高、制造工藝復(fù)雜，目前應(yīng)用似僅限于航天航空等尖端領(lǐng)域。 3.4 對偶材料對摩擦性能影響的研究 和前三種研究相比，這方面的研究較薄弱。早年的資料表明，在干式應(yīng)用中，灰口鑄鐵是首選的對偶材質(zhì)。在熱負(fù)荷較大的工況下，該材料因其耐高溫性能差而易生產(chǎn)龜裂，所以往往采用合金鑄鐵、鑄鋼或合金鋼。在濕式工況中，對偶材料采用鑄鐵對摩擦系數(shù)沒有多大的影響，主要是使用壽命不及鋼對偶。 4 發(fā)展方向 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的迅速發(fā)展對摩擦材料提出了越來越高的要求，為了適應(yīng)這種需要，機(jī)理研究和基礎(chǔ)試驗(yàn)工作一直沒有停頓過，對新型摩擦材料的研究也將是今后摩擦材料發(fā)展的重點(diǎn)，主要是發(fā)展性能優(yōu)異、造價(jià)低廉的新型材料。 4.1 摩擦磨損理論與表面破壞機(jī)理的研究 摩擦與磨損是摩擦學(xué)研究的兩個(gè)中心問題，學(xué)派甚多。當(dāng)前較為廣泛流行的摩擦理論是分子——機(jī)械理論。近年來，對摩擦過程中摩擦表面的破壞也頗有研究，證明磨損的產(chǎn)生是氧化、磨粒磨損、轉(zhuǎn)化反應(yīng)和層面疲勞的綜合作用，只是在一定條件下，某一因素突出，成為主要磨損原因。 摩擦發(fā)生在兩個(gè)接觸表面，接觸表面的“膜”的力學(xué)、理化性能，特別是其與基體材料的粘結(jié)強(qiáng)度等都決定著摩擦偶的摩擦磨損性能。80年代以來 ，對產(chǎn)生在摩擦表面的潤滑膜和氧化膜作了更為深入的研究，取得了一些成果。特別是借助于現(xiàn)代測試手段來進(jìn)一步探測表面層的組織與結(jié)構(gòu)，觀測其形成與破壞，系統(tǒng)地研究了表面破壞機(jī)理。摩擦接觸面上同時(shí)產(chǎn)生的三種相互關(guān)聯(lián)過程，即表面相互作用、固體表層和表面膜在摩擦力作用下的變化和表層破壞對摩擦副性能的影響、周圍介質(zhì)的性質(zhì)和實(shí)際工作狀態(tài)相互之間的作用和影響，所有這些細(xì)節(jié)，將會更進(jìn)一步地深入研究下去。 4.2 新型摩擦材料的研究 一個(gè)值得注意的趨勢是為了適應(yīng)不同的工況，已研制和發(fā)展了一些新型摩擦材料，如紙基、半金屬、碳基等摩擦材料。雖然這些材料不屬于粉末冶金范疇，但是它們同屬于摩擦材料領(lǐng)域。因?yàn)檫@些材料的制造設(shè)備、制造工藝、測試方法、設(shè)計(jì)依據(jù)、所用原材料等有相通和類似之處，所以已有越來越多的粉末冶金摩擦制品企業(yè)突破了現(xiàn)有的粉末冶金行業(yè)界線，逐步地向摩擦制品，即按大產(chǎn)品分類的格局發(fā)展。 4.2.1 發(fā)展用金屬纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料 用金屬纖維強(qiáng)化，大大提高了基體的強(qiáng)度，改善了基體的導(dǎo)熱性能，對阻止表面裂紋的擴(kuò)展起到了很好的作用。這類材料是大有發(fā)展前途的。 用耐高溫并且有高摩擦系數(shù)的金屬陶瓷作復(fù)合相，或用難熔化合物粉末作復(fù)合相，兩者均可滿足一些特殊工況的應(yīng)用。 4.2.2 發(fā)展半金屬摩擦材料 半金屬材料是由高碳鐵粉、石墨、二硫化鉬、無機(jī)纖維（石棉纖維等）及一定數(shù)量的熱固性樹脂，通過熱壓制成的。該材料摩擦系數(shù)高、耐磨性好，適合汽車使用，但由于其耐熱性差，不能用于高負(fù)荷工況。 自1972年國際腫瘤醫(yī)學(xué)院研究會確認(rèn)石棉為致癌物質(zhì)后，西方國家紛紛采取措施，對石棉樹脂摩擦材料加以限制，規(guī)定了使用年限。據(jù)此，必須盡快找到新型的符合安全環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的高性能材料來取代石棉樹脂和含石棉的半金屬摩擦材料，于是研制出了以鋼纖維、礦物纖維、玻璃纖維和有機(jī)纖維來代替石棉纖維。 80年代中期以后，世界汽車工業(yè)急速向高速、輕型化方向發(fā)展，制動系統(tǒng)相應(yīng)不斷改進(jìn)和完善，針對前期推出的半金屬型材料存在的諸如鋼纖維容易銹蝕、易粘著或損傷對偶以及熱傳導(dǎo)率高引起粘結(jié)劑分解而使摩擦襯與鋼背板出現(xiàn)分離等缺點(diǎn)加以改進(jìn)。為此，美國Bendix公司投入1億美元用于專項(xiàng)質(zhì)量改進(jìn)。歐洲的主要工業(yè)國家也在解決材料性能、生產(chǎn)工藝、制造成本等相關(guān)問題上投入了不少的資金。 4.2.3 發(fā)展鋁基摩擦材料 鋁基摩擦材料發(fā)展緩慢是有它的一些特殊原因的，但鋁重量輕、耐腐蝕、不導(dǎo)磁、高導(dǎo)電導(dǎo)熱性、比強(qiáng)度高，而且可以采用彌散強(qiáng)化手段來強(qiáng)化基體，所以其研發(fā)工作備受關(guān)注。 由霧化粉末快速固化鋁合金發(fā)展出的新型高溫、高強(qiáng)摩擦材料具有熱穩(wěn)定彌散相，比傳統(tǒng)時(shí)效硬化材料更優(yōu)越，可在350℃以上使用，通過Al3Zr和Al6Mn彌散相和晶粒細(xì)化還可進(jìn)一步提高力學(xué)性能。所有這些特點(diǎn)，賦予鋁基摩擦材料廣闊的發(fā)展前景。AlSi基高級鋁合金摩擦材料已經(jīng)問世。