Al、Zn对Fe—18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响研究

[摘 要]铁基摩擦材料不仅耐高温，而且具有较强的承载力，且价格低廉，所以在诸多领域得到广泛的应用，但是铁基摩擦材料也存在一定的缺陷，与铁质发生摩擦时，其性能容易受到影响。 Cu基粉末冶金摩擦材料相对于Fe基摩擦材料而言，其性能比较稳定，但是Cu的成本较高，因此本文以Fe-18Cu为研究基体，通过添加Al和Zn等粉末来进行试验，判断Al、Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响。

[关键词]Al；Zn；Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料；组织和性能；影响

中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0337-01

20世界40年代，我国对铁基粉末冶金摩擦材料就开始了研究，在50年代，将其应用在了航天领域。铁基材料不仅耐高温，而且承载能力强，价格低廉。但是，铁基粉末冶金摩擦材料与钢铁等金属材料混合使用时，容易发生粘结【1】。为降低铁的塑性，使其强度得到进一步增强，因此添加了其他元素来达到这一目的。在上世纪60年代，我国开始研制铁基粉末冶金制动材料，并且取得了一定成就。随着社会经济和交通运输业的发展，摩擦材料的应用更加广泛，对制动性能的要求更加严格。鉴于此，本文结合新工艺、新技术对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料展开进一步的研究和探讨。

一.粉末冶金摩擦材料新技术

实践表明，当前广泛使用的钟罩炉加压烧结法存在能耗大、原材料利用率低、成本较大等缺点。因此，新工艺、新技术的研究是为了在保证产品性能的前提下，保证生产成本最低，获得较好的经济效益和社会效益。

（一）无压烧结工艺

研究资料表明，传统的烧结工艺最突出的问题就是资源浪费【2】。因此，相对于传统的烧结工艺，无压烧结工艺不需要施加压力就能够实现材料的烧结，因此，这一项新型的工艺得到了广泛应用。现实中，无压烧结工艺主要有轧制法、电镀法以及离子喷涂法等。该项工艺制备的材料具有摩擦系数小、孔隙率较高等特点。

（二）粉末轧制工艺

此种工艺指的是压实被引入旋转轧辊之间的粉末，使之形成粘聚状态的半成品，然后对其进行活化烧结的一种工艺。通过实践表明，粉末轧制工艺所制备的材料，具有较高的使用性能。

（三）表面处理技术

表面处理技术主要包含两个方面，一是通过对材料表面进行渗氮、渗硼及硼铬共渗来达到摩擦材料烧结的目的；另一方面，通过处理材料表面，使其形成氧化膜。而提高产品的质量和改善多层烧结，是通过骨架与粉末层的粘结来实现的【3】。

二.Al、Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响

（一）.试验方案

为了进一步了解Al、Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响，本文进行了试验分析。本实验用纯度大于99%的Al和Zn及纯度大于99.5%的Fe-18Cu各200目。并结合试验需要，准备了最先进的试验机、混料机、显微镜等设备。本实验中，试样制备的工艺为：原料→配料、混合→压制→加压烧结。为了保障试验的可靠性，对各项工艺参数进行了严格的设置，对各项材料性能也进行了专业的测试。

（二）. Al对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响

众所周知，Cu不仅导热性能好，而且抗氧化能力强，因此和铁质对偶件的相溶性比较小，因此铜基摩擦材料耐磨且结合平稳。但是，在高负荷条件下，铜基粉末冶金摩擦材料摩擦系数不稳定。因此，结合铁基与铜基材料的优点，研制新型的摩擦材料有非常重要的意义。

通过试验表明：

（1）Al 元素添加量对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能有一定的影响。当添加量低于3%时，材料组织有 AlCu4新相生成，其基体组织也被细化，而且晶粒分布非常均匀。当添加量不断增加时，材料的力学性能也不断提高。试验表明，当Al 元素添加量为 2%时，基体力学性能最好，硬度达到95.5HB，抗压强度达到368Mpa。

（2）试验表明，当Al含量增加时，材料摩擦系数先呈上升趋势，而后又缓慢下降；当Al含量等于2%时，材料表面形成致密的薄氧化膜；当Al含量等于3%时，材料表面生成较厚氧化膜，而且容易剥落；此外，试验表明材料的磨损主要为犁削磨损。

（3）Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响

Zn具有强化基体的功能，通过试验表明，Zn对Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料组织和性能的影响如下：

（1）当添加0%-2%的Zn元素时，材料在显微镜下显示有FeZn3新相生成，添加Zn的材料组织孔隙率下降，晶粒细化；当Zn含量增加时，材料的抗压强度先呈上升趋势，后逐渐下降；当Zn含量为1%时，该材料硬度和抗压强度最佳，分别达到103HB和383MPa。

（2）当加大Zn元素的添加量时，材料的摩擦系数先下降后上升。在转速500r/min、Zn含量为1%时，摩擦系数为0.268；当转速1500r/min、Zn含量为1.5%时，摩擦系数为0.260；在转速为中速时，加入Zn元素的材料的磨损形式为氧化磨损；当转速为高速时，材料磨损形式主要是疲劳磨损以及磨粒磨损。

三. 结束语

铁基粉末冶金摩擦材料和铁质对偶件有较大的相溶性，所以容易在摩擦时拉伤对偶表面，甚至产生较深的沟槽，导致制动性能降低或不稳定。而铜基摩擦材料，不仅抗氧化性能较好，而且耐磨性好，但是铜基摩擦材料的制备成本较高。因此，要满足使用性能以及考虑经济成本，研发价格经济、性能又好的摩擦材料是当前市场备受关注的问题。本文主要结合新工艺和新技术，对铁铜基粉末冶金摩擦材料进行试验和研究，并且从物理性能以及力学性能等多方面来阐述研究结果，从而揭示Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料的组织结构和性能，为Fe-18Cu基粉末冶金摩擦材料的进一步应用与开发提供科学的资料【4】。