采用喷撒工艺制备铁基粉末冶金摩擦材料

机 械 工 程 材 料

Materials for Mechanical Engineering

Vol.31 No.1Jan.2007

采用喷撒工艺制备铁基粉末冶金摩擦材料

海坤,胡学晟,果世驹

(北京科技大学粉末冶金研究所,北京100083)

摘 要:

研究了喷撒工艺在45钢基体上制备铁基粉末冶金摩擦材料的压制、烧结工艺,分析了

工艺参数对铁基粉末冶金摩擦材料性能的影响,对摩擦层与钢板结合强度进行了重点分析。结果

表明:试验条件下的最佳生产工艺的预烧结温度1050e,保温时间2h,压制压力500MPa,终烧结温度1030e,保温时间2h,在此条件下,试样具有较高的硬度、适宜的密度及良好的结合强度。

关键词:

喷撒工艺;粉末冶金;摩擦材料;结合强度

中图分类号:TF125.9 文献标识码:A 文章编号:1000-3738(2007)01-0035-03

PreparationofPowderMetallurgyIron-basedFrictionMaterials

bySprinklingPowderProcess

HAIKun,HUXue-sheng,GUOSh-iju

(UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Abstract:Powdermetallurgyiron-basedfrictionmaterialswerepreparedon45#steelbysprinklingpowder

process.Theeffectofparametersofcompactingandsinteringprocessonthepropertiesofthesematerialswereinvestigatedandthebondstrengthbetweenfrictionmaterialandstee-lbackingwasmainlystudied.Theoptimizationofprocessparametersispre-sinteredat1050efor2h,pressedby500MPa,thensinteredat1030efor2h,thesampleshowedhighhardness,suitabledensityandgoodbondstrength.

Keywords:sprinklingpowderprocess;powdermetallurgy;frictionmaterial;bondstrength

0 引 言

粉末冶金摩擦材料是以金属及其合金为基体,添加摩擦组元和润滑组元,用粉末冶金技术制成,主

要用于制造摩擦式制动器与摩擦式离合器的摩擦片。由于该材料具有摩擦因数高且稳定、耐磨性好、磨合性好、导热性优良、环境污染小、强度高、使用负荷高及工作平稳可靠等优点,广泛应用于飞机、汽车

[1]

和工程机械等的制动系统中。

传统的粉末冶金摩擦材料主要采用压制烧结法生产,由于该法存在着能耗大、生产效率较低、原材料利用率低和成本高等缺点,因此国内外都在发展一些新的生产工艺,其中获得比较认同的是喷撒工艺(sprinklingpowderprocess),它具有效率高和经济效益显著的突出优点[2]。但目前该工艺主要用于制备铜基粉末冶金摩擦材料,制备铁基粉末冶金摩

收稿日期:2006-01-05;修订日期:2006-03-05

作者简介:海坤(1980-),男,辽宁阜新人,硕士研究生。导师:胡学晟副教授

擦材料的相关研究则较少。为此,作者采用喷撒工艺制备铁基粉末冶金摩擦材料,探讨影响该材料最终组织性能的工艺因素,以找出其较佳的压制与烧结条件。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料选用我国干式摩擦条件下使用的铁基摩擦材料FM201G的配方进行配制,配制比例(质量分数/%)为:70%~75%Fe(100目还原铁粉,山东莱芜钢铁集团粉末冶金有限公司产),8%~12%Cu(200目还原铜粉,山东莱芜钢铁集团粉末冶金有限公司产),5%~10%石墨(50目,新疆产),2%~4%MoS2(325目),2%~4%SiO2(+200目),2%~4%SiC(+200目)。将原料置于混料器中混合6~8h。试样采用喷撒工艺制备,先对45钢板(3mm厚)进行镀铜(3~5Lm)或镀镍(10~30Lm)处理,撒上一层磷铜粉,然后将混合粉均匀地撒到钢板上(约3mm厚),在真空炉中于1000~1100e预烧

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海坤,等:采用喷撒工艺制备铁基粉末冶金摩擦材料

结,保温1~3h,然后将烧结体以不同压力压制成密度为4.5~5.3g/cm的试样,尺寸为<25mm@5mm,最后在真空炉中于1030e进行终烧结,保温1~3h,得到最终试样。

1.2 试验方法

用排水法测定试样的密度。用HB-3000型布氏硬度计测量试样的硬度。摩擦层与钢板的结合强度测定为非标试验,采用自制专用夹具,加压设备为300kN微机控制万能试验机,从上向下加压,至摩擦层与钢板分离为止,试验机所示数据即为摩擦层与钢板之间的结合强度值。用MEF型光学显微镜观察试样显微组织;用S250MK3型扫描电镜(SEM)分析试样形貌与成分。

图2 压制压力对摩擦层与钢板结合强度的影响Fig.2 Influenceofpressingpressureonbondstrengthbetween

frictionlayerandstee-lbacking

3

织的形成、密度及摩擦层与钢板结合强度的提高

[3]

。

综合考虑性能与加工方面的要求,确定压制压力为500MPa,预烧结温度为1050e。

2 试验结果及分析

2.1 压制压力对试样密度、硬度的影响

由图1可见,预烧结与终烧结工艺不变时,摩擦层密度和硬度都随压制压力的增加而增加,但增加趋势逐渐放缓。如压制压力由300MPa增至400MPa时,密度和硬度分别提高了8.2%和26.7%;而压制压力由500MPa增至600MPa时,密度和硬度仅提高了1.2%和7.9%。

图3 预烧结温度对摩擦层与钢板结合强度的影响Fig.3 Influenceofpre-sinteringtemperatureonbondstrength

betweenfrictionlayerandstee-lbacking

2.3 镀层对试样结合强度的影响

由图4可见,经镀层处理后结合强度比未处理的高,如经镀镍处理后的摩擦片较未处理的在压制压力同为500MPa且其它工艺条件相同情况下,结合强度提高了42%。

摩擦层与镀层钢板的结合是粉末冶金摩擦材料基体与钢板上的金属镀层在烧结过程中的扩散冶金

图1 摩擦层密度、硬度与压制压力的关系Fig.1 Densityandhardnessoffictionlayerasafunction

ofpressingpressure

结合,故经镀层处理的摩擦片的结合强度要明显优于未经处理的摩擦片的结合强度,且镀镍效果更好。

2.2 压制压力、预烧结温度对试样结合强度的影响由图2、图3(钢板预先经镀镍处理)可见,摩擦层

的结合强度随压制压力和预烧结温度的增加而提高。

在预烧结过程中,构成原始粉料的物质颗粒聚合体转变为由金属基体及包含于金属基体中金属的、非金属的及金属间的夹杂物质组成的假合金。摩擦层在钢板上烧结时会粘结在钢板上,这是扩散过程的结果,故该过程中的温度及压制压力决定着烧结制品的组织、密度及摩擦层与钢板的结合强度。提高预烧结温度或压制压力有利于摩擦材料均匀组

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图4 镀层对摩擦层与钢板结合强度的影响Fig.4 Influenceofplatinglayeronbondstrengthbetween

frictionlayerandstee-lbacking

海坤,等:采用喷撒工艺制备铁基粉末冶金摩擦材料

2.4 烧结助剂对试样结合强度的影响

由图4可见,磷铜粉对提高结合强度有利,如在钢板镀镍的基础上再撒上磷铜粉的摩擦片较仅采用镀镍处理的摩擦片,在压制压力同为500MPa且其它工艺条件相同情况下,使结合强度从29.5MPa增至32.7MPa,提高了11%。

磷铜粉作为烧结助剂的作用就是借助松散粉末在钢板与摩擦层交界处创造一种便于扩散的有利条件,使得钢板与摩擦层具有相近的热膨胀系数,且由于磷铜粉熔点低,可产生液相烧结现象,使扩散充分进行,故可提高摩擦层与钢板的结合强度。由上可知,试样的最佳工艺条件为:预烧结温度1050e,压制压力500MPa,终烧结温度1030e,预烧结、终烧结保温时间均为2h。

2.5 最佳工艺下试样的显微组织及结合状况由图5可见,在最佳工艺条件下,铁-石墨烧结材料的组织中具有薄片状珠光体及少量铁素体、渗碳体,同时由图6可见,作为摩擦组元的陶瓷颗粒镶嵌于基体中并被基体包裹,不易于脱落,有利于稳定摩擦磨损性能。

图8 撒磷铜粉的摩擦层与钢板的结合状态

Fig.8 SEMphotoofthebondingstatebetweenfrictionlayerand

stee-lbackingwithalayerofphosphor-copperpowders图7 未撒磷铜粉的摩擦层与钢板的结合状态

Fig.7 SEMphotoofthebondingstatebetweenfrictionlayerand

stee-lbackingwithoutalayerofphosphor-copperpowders

3 结 论

(1)随着压制压力的提高,粉末冶金摩擦材料的密度、硬度均得到增加;随着压制压力和预烧结温度的提高,摩擦层与钢板之间的结合强度也随之提高。

(2)从结合强度的角度分析,经镀层处理的钢板要优于未经镀层处理的钢板,且对于铁基摩擦材

图5 试样显微组织(腐蚀剂:4%硝酸酒精)

Fig.5 Opticalmicrostructureofsample(etchedin4vol%

nitricacid+96vol%alcohol)

料镀镍的效果更佳。

(3)对于一些重要零件,要求结合强度较高时,可在摩擦层与钢板之间撒一层烧结助剂(磷铜粉),借助液相烧结,对提高结合强度有一定的效果。(4)采用喷撒工艺,在预烧结温度1050e,保温时间2h,压制压力500MPa,终烧结温度1030e,保温时间2h的条件下,试验材料具有较高的硬度、适宜的密度及良好的结合强度。

参考文献:

图6 试样SEM形貌(未腐蚀)Fig.6 SEMphotoofsamplewithoutetching

[1] 李绍忠,贺奉嘉,黄伯云.浅析汽车摩擦材料现状与发展趋势

[J].汽车技术,1995(3):50-55.

[2] 曲在纲,黄月初.粉末冶金摩擦材料[M].北京:冶金工业出

版社,2005:127-130.

[3] 钟志刚,邓海金,李明,等.铜基金属陶瓷摩擦材料与钢背的

结合强度研究[J].粉末冶金技术,2002(3):158-161.

图7为摩擦层与钢板直接接触,钢板未经任何处理的结合状况;图8为在摩擦层与钢板之间撒一层磷铜粉,且钢板经镀镍处理,可见其结合状态明显

优于图7。

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