纳米铜基粉末冶金摩擦材料研究

纳米铜基粉末冶金摩擦材料研究 纳米铜基粉末冶金摩擦材料研究 计德林 杭州粉末冶金研究所 摘要:本文主要研究添加纳米因子的高性能湿式铜基粉末冶金摩擦材料及,,,,,,的制备技术。 经论证和试验，采用适量的,,,,,,提高摩擦材料的耐热、摩擦和磨损性能。但必须解决,个技术 难题:,,,,,,的稳定分散和改善,,,,,,与铜基合金的相容性。 在,,,,,,水溶液中，加入质量百分比为,,的,,,,,,,,,，,,,,,,,混合化学分散剂后，经超声 振动和机械搅拌，并控制溶液,,,,,,时，达到了稳定分散,,,,,,的目的。采用非均匀形核法实现了 ,,包覆,,,,,,颗粒，获得了具有核,壳结构特征的,,,,,,,,,复合粉体，解决了与铜基合金的相容 性。 组织了,组(φ),,,,,添加纳米材料的摩擦片和,组,,,配方的摩擦片的台架试验。通过试验和 性能比较，优化了ω,,,(,,,,,,,,,,,,复合粉体的摩擦片成分设计，并优化了添加,,,,,,,,,复合粉 体时摩擦片的制造工艺。试制了,,,,、,,,,纳米摩擦片，组织了台架试验。 台架试验表明:,,,,纳米摩擦片的耐热性能超过了,,,摩擦片耐热性能的,,(,,;,,,,摩擦片 的动、静摩擦系数比,,,更稳定;,,,,摩擦片的耐磨性是,,,摩擦片的,(,,倍。 关键词:纳米颗粒;稳定分散;相容性;铜基摩擦材料;摩擦磨损性能 ,嗍嗍,,,,中国机协粉末冶金协会年会暨发展研讨会报告文策 其分散，通过沉降试验考策了不同含量、不同分 分散的工艺如下图所示: 子量的,,,对其分散的效果。 ,(, ,,包覆,,,:制备 可以实现，铜包,—,,,:或镍包,—,,,:更易实现。 本工作采用非均匀形核制备具有核壳结构 因此，在以后的研究中只使用了,—,,,:。在摩擦 的,,包覆,,,:复合粉体，既基本解决了,—,,,: 材料的结构采用“铜基合金骨架，,,?,,的孔隙， 粉与其它成分混合时的均匀性问题，又解决了合 智能因子(注入孔隙中)”的智能结构。 ,(, 金化过程的相容性问题。 ,,试验样片参数 ,纳米铜基摩擦片的研制过程 (,)摩擦付的组成 ,(,材料成分及结构设计 内齿片:粉末冶金片，钢背为,,,,，双面烧 以,,,材料配方作基本对照体，对摩擦材料 结摩擦层，每层的尺寸为„,,,,ׄ,,,,,,(,,,，油 的成分作了必要的调整，特别是在摩擦组元中添 槽为螺旋型加径向槽。 加了纳米陶瓷颗粒。项目设计时，拟采用两种纳 外齿片:,,,,钢片，表面粗糙度,,,(,， 米陶瓷颗粒，在试制过程中发现:,—,,,:的加入， ,,,,,,,,。 (,)摩擦片编号及成分(见表,) 使摩擦材料的成形工艺特别难以实现，而,—,,,: 表,摩擦片编号及成分 编号 ,—,,,, ,,,,—,,,, ,, ,(, ,, ,,,配方 。 ,, ,(, ,, ,(,, ,, ,(,, ,, ,(, ,(, ,,台架试验参数和流程 ,, , ,,,,—,,湿式烧结金属摩擦材料摩擦性能试 ,,台架试验参数见表,。试验: 验台试验方法。 表,台架试验参数 平均功率密度 接合频率 给油量 润滑油 接合时间, 进口处油温? ,，;,, 次(,,,一, ;,,(;,,(,,,) ,,, , , ,土,(, ,,传动油 ,,?, (,)摩擦系数 台架试验流程: 在完成第,,、,,,、,,,、,,,次接合后，再测 试件磨合一摩擦磨损性能试验一耐热性能 定打滑的扭矩，计算其摩擦系数，试验结果见表 试验 ,(, , ,,台架试验结果 ,, 厶嗍,?旧,,,,中国机协粉末冶金协会年会暨发展研讨会报告文集 表,动、静摩擦系数(惯量,(,,,,(,,,转速,,,,,, ,) ,, ,, ,, ,, ,, ,, 懿 ,(,,, ,(,,, ? 动,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 斗静 ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 斗动 ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 斗静 ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 斗动 ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, “静 ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 斗动 ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, “静 ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 斗动 ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, “静 (,)磨损率 用千分尺测量试验片原标记各点的厚度，计算磨 按试验，接合,,,,次后，取出试验片， 损率，其结果见表,。 表, ,组摩擦片的耐磨率与相对耐磨性 ,, ,, ,, 试样编号 ,, ,, ,, ,(,,, ,(,, ,(,,, ,(,,, ,(,, ,(,, 磨损率 摩擦片 钢片 ,(,, ,(,,, ,(,,, (,,弋,?) ,(,, ,(,, ,(,, ,(,, ,(,, ,(,, ,(,, ,(,, , 摩擦片相对耐磨性 (,)耐热性能 表,中的相对耐磨性是以,,试样(对比件) 取摩擦副摩擦性能失效前一轮的第,,,、 的磨损率作为,，将,,的磨损率除以其它试样 的磨损率得到的数值。 ,,,、,,,、,,,、,,,、,,,次试验数据之平均值，计 算能量密度,,、最大功率,,，再求二者之积即 由表,可知，添加质量百分比;,,,,(, 为能量负荷许用值,,，即耐热系数。其试验结果 ,, 见表,。 ,,,,—,,,:的,,试样的耐磨性最好，为,,的 ,(,,倍;而添加未经包覆的,—,,,:质量百分比 „,，,,,(,,,和,(,,均比,,差，仅为,,的,(,,。 表, ,组摩擦片的耐热系数(惯量,(,,,,(,,转速,,,,,,,) 能苗密度,?;,。, 耐热系数 相对耐热系数 编号 功率密度,?;,,, 平均功率密度,?;,。, ,,,(, ,,,,, ,(,, ,, ,,,(, ,,,(, ,, ,,,(, ,,,(, ,,,(, ,,,,, , ,, ,,, ,,,(, ,,,(, ,,,,, ,(,, ,, ,,,(, ,,,(, ,,,(, ,,,,, ,(,, ,, ,,,(, ,,,(, ,,, ,,,,, ,(,, ,,,(, ,,, ,,,,, ,(,, ,,,(, ,, ,(,初步 从,种材料配方制成的摩擦片性能来看，纳 ,,台架试验的目的筛选摩擦材料的最佳成 米材料的加入对摩擦材料的性能有重要影响。 (,)纳米材料对摩擦性能的影响分。 ,, ,嬲嗍,,,,中国机协粉末冶金协会年会暨发展研讨会报告文集 ,,,。 由表,可知，添加纳米材料使动摩擦系数随接合 (,)纳米材料对耐磨性能的影响 次数的增加而提高。但是，这一规律却有两种情 由表,可知，添加,,,,,,,,:的,,摩擦片 况:添加未经表面改性的,—,,,:波动范嗣较大， 的耐用磨性能最好，是,,的,(,,倍，即提高了 在接合,,,,次后动摩擦系数在,(,,,(,(,,, ,(,,倍。 范 综上所述，比较了,组摩擦片的,,台架试 围中变化;添加,,,,—,,,:后的摩擦片，在接合 验数据，最后得到了添加?,,,(,,,,,,,,,,,, ,,,,次后动摩擦系数在,(,,,,,(,,,范围中 的,,性能最优，是本研究项目的最佳成分。 变 ,(纳米摩擦片的制造工艺 化。值得指出的是，,,,,—,,,:的质量百分比为 ,(,,,的,,摩擦片动摩擦系数的波动范围纳米铜基摩擦片的制造工艺分,部分:粉末 冶金摩擦片的成形、机械加工。 为 ,(,,,,,(,,,，它符合三代坦克摩擦片动摩擦系数 为,(,,,,,(,,,的设计要求。 (,)纳米材料对摩擦片耐热性能的影响 由表,可知，在,组摩擦片中，,,摩擦片,(,粉末冶金摩擦片成形 粉末冶金摩擦片成形加工下图所示流程完 (添加,,,,,(,,,—,,,:)的耐热性能最好，比,, 成 提高了,,,，其次是,,摩擦片，比,,提高 了 ,(,台架试验标准和试验条件 试验标准:,,,,,,,,,—,,湿式离合器摩擦 ,(,摩擦片的机械加工 元件试验方法。 摩擦片成形烧结并检验合格后，进行机械加 工，加工表面油槽。 , ,,—,和,,—,纳米摩擦片的台架试验 试验目的:测定,,—,、,,—,摩擦片的耐热 根据上述研究的,,成分制成,个型号的 性能和摩擦、磨损性能，同时与,,,摩擦片性能 纳米摩擦片。其中,,一,为添加质量百分„,,,, 作比较。 台架试验条件为: ,(,,,,,,,—,,,,;,,—,为添加质量?,,,(,,, 润滑油:,,,一, ,,,,—,,,:。,,—,和,,—,均为试验件，它们的对 接合频率:,次,分钟 件是,,,摩擦片。 试验件的尺寸为:„,,,,ׄ,,,,×,,,,(芯板为 磨合油缸压强:,(,,,, 试验润滑油量:,,,,;,,(,,, ,,,,，,?,,,)油槽为阿基米德螺旋线加径向平 试验油温:,,?,? 行不通槽。 ,。,台架试验结果 试验件的对偶片尺寸为:？),,,„,,,,× , (,)耐热性能测定结果 ,,(,,,，,,,,钢，热处理,,,,,,,,，表面粗糙 度,,,,。,。 ,, ,?,朋目,,,,中国机协粉末冶金协会年会暨发展研讨会报告文集 表,耐热性能测定结果(惯量,(,,,耵(,,,) ,,项目 摩滑功 最大摩滑功率 接合时间(,) 耐热系数 转速(,,,) 比压(,,,) ,,,, ,,;,, 膨等, ,,, ,,, ,,, ,,,, ,(,,, ,(,, ,,,,, ,,,, ,(,,, ,(,, ,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,, ,(,,, ,,,, ,(,, ,,, ,,, ,,,,, (,)磨损性能测定结果 表,磨损率测定结果(惯量,(,,,,,(,,,) ,,项目 接合次数(次) 磨损量(,,) 转速(,,,) 比压(,,,) 磨损率(,,弋,邶 牌妖 前,,,,次 ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,,, 后,,,,次 ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 前,,,,次 ,,一, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 后,,,,次 ,(,,, ,(,,, 前,,,,次 ,,—, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, 后,,,,次 (,)摩擦性能测定结果 表,摩擦性能测定结果(惯量,(,,,酉(,,,) ,,项目 静摩擦系数 动摩擦系数 转速(,,,)比压(,,,)牌号, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,(), ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,(), ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,,一, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,(), ,(,,, ,(,,, ,,—, ,,,, ,(,,, ( ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,,, ,(,,, ,, ,搠,搠月,,,,中国机协粉柬冶金协会年会暨发展研讨会报告文集 ,(,综合分析 因为，静、动摩擦系数差值的大小将影响车辆离 (,)摩擦性能分析 合和制动的平顺性。从平顺性出发，希望静、动摩 由表,可以看出，三种摩擦片的动摩擦系数 擦系数差值尽量小一些，。从数据可以看出三种 都是随转速的提高而降低，但它们的平稳程度有 摩擦片的静、动摩擦系数差值以,,一,为小，其 明显的差别:,,一,摩擦片的动摩擦系数随转速 次是,,,，最大的是,,,,。 的提高而平缓降低，从,,,,,,,的,(,,,平缓下 根据以上分析，添加„,),,,(,,,,,，,—,,,, 的,,—,摩擦片的摩擦性优于,,,和,,—,。 降至,,,,,,,时的,(,,,;,,—,号的动摩擦 (,)耐热性能分析 系数 若以,,,摩擦片作为比较对象，即作为, 虽然也是随转速提高而降低，但平稳性较差;,,, 时，由表,数据可以得到表,,。 摩擦片的平稳性介于二者之间。 对于离合和制动摩擦片的设计指标中，应该 要考虑到一定转速时的静、动摩擦系数的差值。 表,,三种摩擦片的耐热系数比较表 编号 耐热系数 相对比较 转速(,,,) ,,,, ,,, ,,,,, , ,,,, ,,,, ,(,,, ,,,,, ,,,, ,,,, ,(,,, ,,,,, (,)耐磨性分析 表,,中的数据说明:添加,,,,—,,,:的 将表,的数据以相对耐磨性(以,,,的耐磨 ,,—,摩擦片的耐热性比未加纳米材料的,,,摩 性作为,进行对比计算)的形式表达，其结果见 擦片的耐热性提高了,,(,,;添加,,,,—,,,:的 表,,。 ,,—,摩擦片的耐热性也比,,,摩擦片的耐热性 提高了,(,,。 表,,?三种摩擦片的相对耐磨性 编号 磨损率(,,气,,,,, 相对耐磨性 平均磨损率(,,,;,,,,) 前,,,,次,(,,, ,,, ,(,,, , 后,,,,次,(,,, 前,,,,次,(,,, ,,—, ,(,,, ,(,, 后,,,,次,(,,, 前,,,,次(,(,,, ,,,, ,(,,, ,(,, 后,,,,次,(,,, 由表,,可知，添加,,,—,,,:复合粉体,,— ,。添加,,,—,,,:的,,—,纳米摩擦片的摩 ,纳米摩擦片的耐磨性是,,,摩擦片耐磨性擦性能比,,,摩擦片差;耐热性能稍高于,,,， 仅提高了,，,,;耐磨性是,,,智能摩擦片的耐 的 ,(,,倍，即比,,,提高了,。,,倍;添加,,,,— 磨性的,(,,倍，即比,,,提高了,(,,倍，比,,— ,提高了,。,,。 ,,,:的,,—,纳米摩擦片的耐磨性是,,,摩擦 片的耐磨性的,(,,倍，即比,,,提高了,(,,倍; 台架试验的结果表明:从摩擦片使用的安全 比,,—,提高了,,,。 性(可靠性)和使用寿命考虑，应该优选高性能的 综上所述，,组摩擦片经台架试验证明: 添加,,,,—,,,:复合粉体,,—,纳米摩擦片，其 ,(添加,,,,—,,,:复合粉体,,一,纳米摩擦 次是,,,摩擦片，而添加,,,,—,,,:的,,—,纳 片的摩擦性能优于,,,摩擦片;耐热性能比,,, 米摩擦片应该淘汰，因为它的耐磨性虽然很高， 摩擦片提高了,,(,,;耐磨性是,,,摩擦片的耐 耐热性能的优势不很显著。 磨性的,(,,倍，即比,,,提高了,(,,倍。 ,, 口嗍嗍,,,,中国机协粉末冶金协会年会暨发展研讨会投告文篥 性能较,,,摩擦片更稳定，耐热性能比,,,摩 ,结论 两次台架试验表明:添加【,),,,(,,,,,,,— 擦片提高,,,以上，平均耐磨性能提高了,倍以 ,,,:的,,一,纳米摩擦片具有优良的性能:摩上，具有十分优越的综合性能。 擦 参考文献 ,路琼华，朱裕贞，苏小云主编(工科无机化学,,】(华东化工学院出版(,,,,，,:,,,—,,, ,罗宁，闫双景，吕志刚等(纳米,,,:的制取技术及应用研究【,】(淮阴,学院学报，,,,,，, ,刘景春，韩建成(跨世纪高科技材料纳米,,,:的应用领域【,,(化工新型材料，,,,,，,:,,, ,董世运，徐滨士，马世宁(纳米颗粒复合刷镀层性能研究及强化机制探讨们(中国表面工程 ,,,,(,:,,—,, ,刘涛(,,一纳米,,,,，复合粉体湿法制备技术及其烧结体的组织性能研究【,】(浙江大学材料与化 工学院，,,,, , ,(,(费多尔钦科等著(徐润泽，黄国伟，李金鹏译(现代摩擦材料,,,(冶金工业出版社，,,,,，,:,,,