简介概要

SiO₂和SiC对Cu-Fe基烧结摩擦材料性能的影响

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z1期

论文作者：刘伯威樊毅张金生高游吴芳

文章页码：110 - 113

关键词：CuFe基合金；烧结摩擦材料； SiO₂； SiC

Key words：Cu Fe based alloy； sintered friction material； SiO₂； SiC

摘要：研究了在Cu-Fe基烧结摩擦材料中SiO₂和SiC对材料的力学性能特别是摩擦磨损性能的影响。结果表明 :添加SiO₂摩擦材料的抗弯强度和摩擦因数分别为 141MPa和 0.277,添加SiC的分别为89MPa和0.255 ,添加SiO₂+SiC的分别为109MPa和0.255。添加SiO₂的摩擦材料磨损量为后两者的2倍 ,而添加SiC和SiO₂+SiC的摩擦材料对对偶的磨损量比前者约大10倍。

Abstract: The effect of SiO₂ and SiC on the physical and mechanical properties, especially friction and wear characteristics of Cu Fe based sintering friction materials has been studied. The results show that bending strength of the materials which contains SiO₂ reaches 141 MPa, and only 89 MPa for the material which contains SiC. The friction coefficient of the former is higher than that of the latter, but its wear amount is twice as high as that of the latter. The wear amount of its matching material is very low. Adversely, the wear amount of the matching material of the material which contains SiC is rather high.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s1.026

SiO₂和SiC对Cu-Fe基烧结摩擦材料性能的影响

刘伯威樊毅张金生高游吴芳

中南大学粉末冶金国家重点实验室

中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙410083

摘要：

研究了在Cu Fe基烧结摩擦材料中SiO2 和SiC对材料的力学性能特别是摩擦磨损性能的影响。结果表明 :添加SiO2 摩擦材料的抗弯强度和摩擦因数分别为 141MPa和 0 .2 77, 添加SiC的分别为 89MPa和 0 .2 5 5 , 添加SiO2 +SiC的分别为 10 9MPa和 0 .2 5 5。添加SiO2 的摩擦材料磨损量为后两者的 2倍 , 而添加SiC和SiO2 +SiC的摩擦材料对对偶的磨损量比前者约大 10倍。

关键词：

CuFe基合金;烧结摩擦材料;SiO2;SiC;

中图分类号： TF125.9

收稿日期：2000-11-20

基金：国家科委重点资助项目 ( 98-A2 8-11);

Effect of SiO₂ and SiC on properties of Cu-Fe matrix sintered friction materials

Abstract：

The effect of SiO 2 and SiC on the physical and mechanical properties, especially friction and wear characteristics of Cu Fe based sintering friction materials has been studied. The results show that bending strength of the materials which contains SiO 2 reaches 141?MPa, and only 89?MPa for the material which contains SiC. The friction coefficient of the former is higher than that of the latter, but its wear amount is twice as high as that of the latter. The wear amount of its matching material is very low. Adversely, the wear amount of the matching material of the material which contains SiC is rather high.

Keyword：

Cu Fe based alloy; sintered friction material; SiO 2; SiC;

Received： 2000-11-20

烧结金属摩擦材料具有独特的组织结构-连续的金属基体上镶嵌各种添加剂。目前, 烧结铜基和铁基摩擦材料仍然是烧结金属基摩擦材料的两大主系。而Cu-Fe混合基烧结摩擦材料兼有Cu基和Fe基的高强度、高导热性、高耐热性和高耐磨性等优点 ^[1,2,3,4] 。早在20世纪60年代, 美国的本迪克斯 (Bendex) 公司就公布了Cu-Fe基粉末冶金摩擦材料的成分, 其基体是由31.25%Cu和31.25%Fe组成的, 这种混合基摩擦材料目前广泛应用于B-737、B-747以及DC-9等先进民航客机的制动系统中。这种混合基摩擦材料的摩擦组元和润滑组元为多种金属和非金属颗粒, 它们均匀地分布在金属基体中, 起着摩擦、抗磨和抗粘结的作用 ^{[4,5,6,7,8,9]} 。

在合理选择材料基体组元的前提下, 有效选择摩擦组元和润滑组元是高性能金属基烧结摩擦材料研制成功的关键。一般认为, 在铁基烧结摩擦材料中以SiC颗粒作摩擦剂较为合适, 而在Cu基摩擦材料中加入SiO₂为好。本文拟报道SiO₂, SiC或SiO₂+SiC作为摩擦组元时对Cu-Fe基烧结摩擦材料物理性能及摩擦磨损性能的影响。

1 实验

1.1 实验方案

表1给出了3种材料的金属基体、润滑组元及摩擦组元的含量;表2给出了各种原材料的主要性能指标

表1 3种摩擦材料的配方 (%) Table 1 Components of three types of friction materials (%)

表2 原材料的主要性能指标 Table 2 Characterization of raw materials

1.2 实验过程

按表1的质量分数称取各种原料粉末, 置于V型混料器中混合6～8h, 然后以500MPa的压强将混合好的料在钢模中压制成型。压块密度为4.8～5.2g·cm^-3, 压坯在钟罩式加压烧结炉中进行烧结, 保护气氛为氢气, 烧结温度为960～980℃, 保温时间为2～3h, 施加在试样上的压强为3.0～3.5MPa。

烧结好的试样在HBRV-187.5硬度仪上测定硬度;在MeF3A型金相显微镜上观察金相组织;在KYKY-2800型扫描电镜下观察组织形貌并进行成分分析在型衍射仪上测定材料的组织结构;在LJ-3000A型万能材料试验机上测定材料的强度。金相和扫描电镜试样的观察面垂直于制取试样时的加压方向。摩擦磨损试验在MM-1000型摩擦试验机上进行。对偶材料为20CrMo钢, 摩擦试验条件为:滑动摩擦功3kJ/cm², 比压1.3MPa, 转速5200 r/min, 转动惯量为3.0kg·cm·s²。

2 实验结果与讨论

2.1 材料的金相组织

3种摩擦材料的金相组织见图1和2。在图1中, 浅色相为Cu-Fe基体, 深灰色长条状组织为石墨;图1 (a) 中的浅灰色块状相为SiO₂, SiO₂颗粒与金属基体之间形成了一层过渡层。图1 (b) 中的深灰色块状相为SiC。图1 (c) 中的浅灰色大块状相为SiO₂, 深灰色大块状相为SiC, SiO₂颗粒与基体之间有过渡层。颗粒与金属基体之间过渡层的形成有利于提高材料的强度。图2为M-1摩擦材料经3%硝酸酒精溶液腐蚀过的金相组织, 可以看出, 材料的基体是由Cu合金与珠光体组成的。

2.2 摩擦试验后摩擦副摩擦面的形貌和成分

对M-1和20CrMo钢摩擦副摩擦试验后的摩擦表面进行能谱分析, 结果见图3。由图3可见, 一对摩擦副两摩擦面上的成分基本一致, 这是在摩擦磨损过程中, 由于高温和摩擦的作用, 使摩擦副的两个摩擦面的物质互相转移, 逐渐趋于一致。通过X射线衍射分析证明了摩擦副两摩擦面上的Fe, Si和S 3种元素以FeO, Fe₃O₄, SiO₂, FeS等氧、硫化合物形式存在 (X射线衍射谱见图4) 。

在摩擦磨损过程中, 摩擦材料各组元的磨损产物在磨面上形成表面膜。表面膜的成分和结构十分复杂, 如本实验中在两个磨面上形成的FeO和Fe₃O₄就是在摩擦热的作用下, Fe与空气中的O₂反应生成的氧化物。材料的实际工作面就是表面膜, 因此, 摩擦材料无论是摩擦因数还是耐磨性能都取决于这种膜的力学性能和物理化学性能 ^[4,10] 。

2.3 材料的力学性能

图5和图6分别比较了3种材料的洛氏硬度 (HRF) 和抗弯强度 (σ_bb) 。由图5可以看出M-1, M-2和M-33种材料的洛氏硬度分别为55.7, 60.6和61.0, 3种材料的硬度相差无几。由图6可以看出, M-1, M-2和M-3 3种材料的抗弯强度分别为141MPa, 89MPa和109MPa, M-1材料的抗弯强度比其它2种材料的高得多。由于占3种材料绝大部分体积的金属基体与润滑组元相同, 因此3种材料的硬度差别不大;在M-1中, 由于SiO₂颗粒与基体之间形成了过渡层, 结合状态良好, 因此M-1具有最高的抗弯强度。在M-2中, SiC颗粒与基体之间基本上无反应, SiC颗粒成了材料强度的有害缺陷, 因此M-2的抗弯强度最小。M-3中同时加入了SiO₂与SiC, 颗粒与金属基体的结合状态比前者差而比后者好故抗弯强度变处于两者之间

图1 M-1, M-2和M-3的金相组织

Fig.1 Microstructures of M-1, M-2and M-3 sintering friction materials

(a) —M-1; (b) —M-2; (c) —M-3

图2 M-1摩擦材料的金相组织 (经腐蚀后)

Fig.2 Metallograph of M-1 friction materials

图3 M-1 (a) 和20CrMo钢 (b) 摩擦副的磨面能谱

Fig.3 Energy dispersive spectrum of worn layer of M-1 (a) friction material and 20CrMo steel (b)

2.4 材料的摩擦磨损性能

图7比较了3种材料的摩擦因数。由图7可见, M-1, M-2和M-3的摩擦因数分别为0.277, 0.255和0.255, 其摩擦因数稳定度分别为0.74, 0.53和0.53, M-1的摩擦因数最高, 稳定度最好。图8比较了3种材料及其20CrMo钢对偶的磨损率。由图8可见, M-1, M-2和M-3 3种材料的磨损量分别为^-3次面^-3次面) 和3.0×10^-3 mm/ (次·面) , M-1的磨损量最大, 约为其他2种材料的2倍, 而3种材料其摩擦对偶的磨损量分别为0.7×10^-3 mm/ (次·面) , 6.0×10^-3 mm/ (次·面) 和6.7×10^-3 mm/ (次·面) , -摩擦对偶的磨损量最小, 约为其他种材料的1/10。

图4 M-1和20CrMo钢摩擦副的摩擦面XRD谱

Fig.4 XRD pattern of worn layer of M-1 friction material and 20CrMo steel

图5 3 种材料的洛氏硬度 (HRF)

Fig.5 HRF values of three types of friction materials

图6 3 种材料的抗弯强度

Fig.6 Flexural strengths (σ_bb) of three types of friction materials

图7 3种材料的摩擦因数

Fig.7 Friction coefficients (μ) of three types of materials

图8 3 种材料及其对偶的磨损率 (mm/次·面)

Fig.8 Wear rates of three types of materials and their pairs