粉末冶金摩擦材料-培训教材

粉末冶金摩擦材料
（培训教材）
中国粉末冶金实验基地
目录
1．概述
2．粉末冶金摩擦材料的特点
3．我国生产的粉末冶金摩擦材料4．粉末冶金摩擦材料的装配
5．粉末冶金摩擦材料的组成
6．粉末冶金摩擦材料的生产
7．对摩材料
1．概述
摩擦材料是制动器（刹车制动）、离合器（传递扭矩）使用的一种功能性材料，它对制动器、离合器的工作起着重要的作用。

例如，飞机的刹车片、汽车的刹车带、火车的制动闸瓦（闸片）等，是用做制动器中的摩擦材料。

离合器片则是用在离合器中的摩擦材料。

与摩擦材料一起摩擦进行工作的材料在飞机上称为对偶，或者叫作对摩材料；而在火车和汽车上则称为制动盘材料。

摩擦材料和对摩材料构成一组摩擦副。

尽管摩擦副的工作是由摩擦材料和对摩材料的共同性质所决定的，但是在其中起主要作用的、决定性作用的仍然是摩擦材料。

制动就是强制运转的机器或机械减速和停止的过程。

在制动器中，摩擦副吸收机器或机械的动能，并把它转化为热能。

一部分热量发散到周围的环境中去，而另一部分为摩擦副所吸收，使摩擦副本身的温度升高。

传递扭矩摩擦副的工作和制动摩擦副的工作没有什么本质的区别，同样都是摩擦副中摩擦材料和对摩材料的相对速度发生变化。

工作开始时相对速度最大，而后逐渐减小到零的过程。

区别是工作时间的长短（制动时间一般是从几秒到十几秒，传递扭矩的时间一般是十分之几秒到几秒）不同，吸收能量的大小不同，摩擦因数不同，因而摩擦副的工作温度也不同。

摩擦副在工作过程中总是要吸收能量，使本身的温度升高。

因此，摩擦材料不是在室温，而是在较高的温度下工作的。

摩擦材料工作时的温度和升温速度，在结构一定的情况下，主要和摩擦副工作时必须吸收的能量大小、吸收这些能量的时间间隔有关。

吸收的能量越大、时间间隔越短，那么摩擦材料的温度越高，升温速度也越大。

在某些情况下，发生热冲击，也就是在很短的时间间隔之内，摩擦表面产生极高的温度。

例如，飞机在着陆制动时，在3～5秒种之内，摩擦材料工作表面温度可达到1000℃以上，体积温度高达400℃～600℃。

在油中工作的离合器摩擦副（称为湿式工作条件下），尽管工作时吸收的能量也很大，但由于有油的存在，一般工作表面的温度和整个摩擦材料的体积温度不超过200℃。

摩擦材料是靠表面工作的。

在工作中，摩擦材料的工作表面温度很快升高，而后靠传导作用，使整个摩擦材料的温度升高。

因此，摩擦材料的工作表面温度和整
个体积的温度相差很大。

一般讲摩擦材料的温度特性，是指摩擦材料表面工作温度和体积温度。

摩擦材料的摩擦—磨损性能、物理—力学性能，受温度的影响很大。

任何摩擦材料都存在一个最高的工作温度，超过了这个温度，摩擦材料的摩擦—磨损性能急剧下降，也就是摩擦因数变得很低，磨损很快。

这个温度一般叫做摩擦材料的极限工作温度。

随着现代科学技术和工业生产的发展，飞机、汽车、工程机械等，机械运转的速度、负荷大幅度提高，要求摩擦副吸收的能量响应的增加很多，因而提高了对摩擦材料的要求。

1.1对摩擦材料的主要要求是：
1、足够的摩擦因数及较高的热稳定性。

2、耐磨性好，使用寿命长。

3、良好的磨合性。

4、良好的抗卡滞性能，平稳的传递扭矩和制动。

5、足够的强度，能够承受较高的工作压力及速度。

6、其他一些特殊的要求，如耐腐蚀性能等。

随着交通工具的不断发展和制动器结构的变化，摩擦材料由最早的天然材料发展到了下述五种类型，分别适应于不同的工作情况和热负荷的材料：
1、聚合物基摩擦材料（石棉树脂）；
2、半金属有机摩擦材料；
3、粉末冶金（金属陶瓷）摩擦材料；
4、炭/炭复合摩擦材料；
5、陶瓷基摩擦材料。

1.2下面着重介绍粉末冶金摩擦材料：
粉末冶金摩擦材料是伴随着工业发展而发展起来的一种新型摩擦材料。

应该承认，目前实际应用的摩擦材料中，粉末冶金摩擦材料是很有前途的。

特别是由于科学技术的进步，高速、重载机械的出现，给其他摩擦材料带来困难，而粉末冶金摩擦材料正是适应这种情况而发展起来的，因此它具有广泛使用的可能性。

早在20世纪二十年代末期，由于机械能量的增大，摩擦材料工作温度的提高，使传统的摩擦材料在工作中发生热衰退，寿命很短，这就促使研制性能更好的摩擦材料，于是粉末冶金摩擦材料诞生了。

开始形成了以铜为主要成分的铜基粉末冶金摩擦材料和以铁为主要成分的铁基粉末冶金摩擦材料两大类。

从工作条件来讲，把粉末冶金摩擦材料又分成了在空气中工作的干式和在油中工作的湿式两种摩擦材料。

到六十年代，飞速发展的现代技术对摩擦材料的要求越来越高，特别是对航空用摩擦材料的工作温度要求提高了很多。

这样，各国在寻找新型材料的组成方面进行了大量的工作，而且超出了铜基和铁基的概念，研究制造了其他金属或合金为基体的材料，特点是向多组元、复杂成分合金化的方向发展，以适应对摩擦材料多方面的要求。

早在20世纪五十年代，我国就已经开始研究和生产粉末冶金摩擦材料。

经过了多年的努力，取得了显著的成绩，无论是铜基材料还是铁基材料都已达到了相当高的水平。

不仅能生产各类航空、汽车、拖拉机、坦克、船舶、工程机械以及一般机械用的粉末冶金摩擦材料，还研究成功了湿式铁基粉末冶金摩擦材料，并在实际中得到应用。

湿式铜、铁基粉末冶金摩擦材料具有使用性能好，摩擦因数高、机械强度好、不易产生翘曲及节约有色金属等优点，为我国粉末冶金摩擦材料的发展开辟了一条新路。

在摩擦材料的摩擦性能测试方面，我国自行设计和制造了摩擦试验机及各类台架试验设备，为我国粉末冶金摩擦材料的发展打下了良好的基础。

2．粉末冶金摩擦材料的特点
粉末冶金摩擦材料已经成功应用在飞机的制动，汽车、坦克、拖拉机、船舶、工程机械和一般机械的制动和离合器上，经过长期的使用，证明粉末冶金摩擦材料具有以下的特点：
2.1摩擦因数高
粉末冶金摩擦材料具有足够高的摩擦因数，耐高温，在不同的使用条件下比较
稳定。

摩擦副在制动中的制动力矩和在离合器中传递的扭矩大小，以下式表示：M = μ·n·P·R
上式中：M ——力矩
μ——摩擦因数
n ——摩擦副摩擦面数（一个动盘两个面）
P ——作用在摩擦副上的垂直压力；
R ——摩擦副的作用半径；
由上面的公式可以清楚地看出，在设计结构一定的情况下，也就是n、P、R一定的情况下，只有摩擦材料的摩擦因数μ足够高，才能刹车灵敏，传递扭矩迅速，不打滑。

反过来讲，如果材料的摩擦因数足够高，就可以减小n、P、R中的任何一个指标，或者都可以减小一些，使摩擦机构的尺寸减小。

当然当摩擦机构一定时，对摩擦因数就有了一定的要求，低了不行，高了也不好。

摩擦因数太高，会造成机械零件的破坏，而且摩擦副也不能平稳地工作。

2.2耐高温
在比较广泛的温度范围内，粉末冶金摩擦材料有比较平稳的摩擦因数；或者说在很高的温度下，摩擦因数仍然能够满足要求。

表1 材料性能对比试验结果
注：⑴、试验是按照JG129-66部颁标准进行的。

⑵、高温指250℃，常温指120℃。

⑶、磨损指半小时的磨损。

从表1不难看出，粉末冶金摩擦材料在很高的工作温度下，仍有比较稳定的摩擦因数。

树脂基材料，到300℃时就开始发生摩擦因数的衰退现象，温度再升高，出现一个摩擦因数较低但比较稳定的阶段。

这主要是由于材料表面形成了一层比较
稳定的薄膜，膜层主要由氧化物、硫化物、磨损产物以及材料中粘结剂组织破坏产物等组成。

这种薄膜能起较稳定的润滑作用，所以摩擦因数是较低的。

当温度再继续升高时，由于材料表面的炭化作用而形成焦化层，使摩擦因数增高。

而材料的剧烈分解和燃烧，使材料的磨损急剧增加，甚至造成彻底损坏。

粉末冶金摩擦材料的摩擦因数，对于不同的速度和工作压力的变化，也同样是比较稳定的。

2.3耐磨性高，使用寿命长
对于摩擦材料来讲，耐磨性也是十分重要的。

材料的耐磨性高，使用寿命就长。

如果使用期限一定，就可以将摩擦材料的厚度减小，减小摩擦副的尺寸。

粉末冶金摩擦材料的寿命，一般比树脂基摩擦材料高5～10倍。

汽车离合器片（7吨汽车、单片干式）用粉末冶金摩擦材料代替树脂基材料，尽管粉末冶金摩擦材料的总面积只有树脂基材料总面积的57%，但其使用寿命仍比树脂基材料高约10倍以上。

在山西、四川使用的解放牌汽车（4吨），刹车采用粉末冶金摩擦材料后，使用寿命比原用树脂基材料高（5倍以上）。

在油中工作的铜基粉末冶金摩擦材料，寿命很长，磨损很小，一般一次离合磨损为10-6毫米。

2.4良好的磨合性
磨合性一般是指摩擦副工作时，摩擦材料表面在压力和速度的作用下，以塑性变形和磨损的方式，增加摩擦副实际接触面积的特性。

对于摩擦机构来讲，摩擦副获得最大可能的实际接触表面是很重要的。

材料的磨合性好，便可以比较快的达到这种情况，也就是说比较快的达到最好达到工作状态。

评价磨合性，最主要的是以实际接触面积与名义工作面积之比的大小，或者以制动力矩，传递扭矩达到平稳来估计。

在实际应用中，摩擦副在进入实际运行之前，一般都需要进行磨合或者称为跑合。

跑合时间的长短，就取决于材料的磨合性。

磨合性好，跑合的时间就可以缩短，实际上提高了机器或机械的效率。

2.5良好的导热性
铁基粉末冶金摩擦材料的导热因数约为10-1卡/厘米·秒·度的数量级（铜基材料还要高一些）。

树脂基材料大约为10-3卡/厘米·秒·度，相差100倍之多。

导热性能好，非常有利于散热，因而摩擦副的工作温度就比较低。

这一特点对重负荷工作的摩擦副，将是非常有利的。

由于摩擦副工作温度比较低，从而保护了对摩材料，使对摩材料不致由于过热而造成金相组织的改变，发生碎裂或翘曲等。

试验指出：在相同的条件下，与树脂基材料相配对的铸铁对摩材料，发生了马氏体相变，相变深度为0.18mm，表面产生了热裂纹。

而与粉末冶金摩擦材料相配的同样对摩材料，表面光亮，没有发生相边和产生裂纹。

摩擦材料的摩擦因数随温度的升高而下降，摩擦副工作温度比较低，那么摩擦因数就可以比较高，这对摩擦副的工作也是有利的。

由于粉末冶金摩擦材料的导热性能好，在汽车点盘式制动器中，摩擦材料靠近刹车油压活塞，容易造成油温过高而影响刹车，因此在设计时要考虑隔热的问题。

2.6使用负荷高
粉末冶金摩擦材料比树脂基材料具有更高的物理——机械性能，因此可以在更高的速度、更高的压力下工作。

在比较高的冲击负荷下工作不碎裂、不破坏。

粉末冶金摩擦材料允许使用的负荷高；还由于粉末冶金摩擦材料的摩擦因数随温度和工作压力的增加变化很小。

从摩擦副传递扭矩和制动力矩的公式上还可以看出，总的压力提高，就可以减少n、R，使摩擦机构的尺寸更为紧凑。

如果是结构设计一定的摩擦副，便可以减少粉末冶金摩擦材料的铺面，这对提高材料的磨合性也是有利的。

一般树脂基材料允许的使用压力为1.5～8kg/cm2，最高允许为11～26kg/cm2。

而粉末冶金摩擦材料允许的使用压力为28～40kg/cm2，最高可以允许达到100kg/cm2以上。

2.7工作可靠性高
粉末冶金摩擦材料在极其苛刻的条件下变质小，效率高，因而是比较安全的。

而且油、水对粉末冶金摩擦材料的影响也比较小，特别是由于装配、清洗、过水时，使摩擦材料表面沾上水或油的情况下，对粉末冶金摩擦材料的工作影响很小。

粉末冶金摩擦材料有这样一些有利于工作的特点，所以世界各国都先后采用它，而
且发展也是很快的。

我国随着工业、农业、国防工业的现代化，粉末冶金摩擦材料的品种，产量增加很快，适用范围也越来越广。

3．粉末冶金摩擦材料的应用
目前正式投入生产的粉末冶金摩擦材料，包括铜基、铁基和铁铜基三大类，另外还有较少量的镍基、铝基等材料。

既有作干式应用的，也有作湿式应用的。

适用范围很广，从飞机的制动材料，到一般机械制动和离合器材料都有生产和应用，这里只介绍其中几个。

3.1我国生产的粉末冶金摩擦材料
我国现在生产的粉末冶金摩擦材料的牌号、成分、性能见参考文献。

3.2应用于刹车制动的粉末冶金摩擦材料
应用于刹车制动的粉末冶金摩擦材料有FB01 FB03 CB01,全部都作干式应用。

FB01铁基粉末冶金摩擦材料，主要应用在山区汽车的刹车，20吨自卸汽车和60吨自卸汽车的刹车制动上。

根据适用单位的反映，在山区运输的汽车，常因树脂基材料刹车片焦化碎裂而出现刹车不灵，影响行车安全。

树脂基材料使用寿命低，维修工作量大。

改成FB01铁基粉末冶金摩擦材料之后，其优点是：
3.2.1制动和使用性能好。

在正常情况下，装车后第一脚制动就能拖带。

用减速仪测定，减速度为6-8m/s2，制动可靠。

3.2.2热稳定性好。

Fb01在山区汽车使用条件下，工作温度到500o C以上，摩擦因数变化不大，刹车正常，没有发生焦化碎裂现象。

3.2.3油、水对摩擦性能影响小。

一般过水后，第一脚刹车有些软，第二或第三脚刹车就基本恢复正常。

轴头甩油对制动性能影响也不大。

司机反映粉末冶金刹车带在任何情况下都能刹车。

3.2.4使用寿命长。

在山区汽车刹车改用FB01铁基粉末冶金摩擦材料刹车带之后，使用寿命平均提高5倍以上。

3.2.5FB01铁基粉末冶金刹车带用在20吨—60吨自卸汽车上，制动可靠，刹车
带和刹车鼓的磨损都很小，按公称尺寸计算，刹车带一万公里的磨损只有1毫米。

3.3应用于干式离合器的粉末冶金摩擦材料
应用于工程和机械中干式离合器的粉末冶金摩擦材料有CB01、CH01、FB02、FB03等。

CB01铜基粉末冶金摩擦材料，主要应用在推土机的离合器片和制动片，各种吨位的冲床离合器以及组合机床动力头离合器等。

CH01铜基粉末冶金摩擦材料，主要应用在机床电器离合器、拖拉机转向离合器、摩擦压力机摩擦片剂冲床摩擦片。

FB03铁基粉末冶金摩擦材料，主要应用在汽车类离合器机制动上。

FB02铁基粉末冶金摩擦材料，主要应用在汽车、拖拉机的主离合器上。

粉末冶金摩擦材料作为离合器，例如汽车的主离合器，具有以下的特点：
3.3.1传递扭矩迅速、平稳、不打滑。

3.3.2起步平稳，不抖不闯。

3.3.3换挡变速利索，接触快，无响声。

3.3.4据司机反映，有的闸箱漏油，滴在离合器上、刷车时有水洒在离合器片上，粉末冶金摩擦材料的离合器马上就能正常使用。

3.3.5使用寿命长，比树脂基材料高5～10倍以上。

而且对摩擦材料表面光滑，平整。

3.4应用于湿式离合器的粉末冶金摩擦材料
应用于湿式离合器的粉末冶金摩擦材料主要有CB02、FB04、CH02等，CB02铜基粉末冶金摩擦材料，主要用于重型矿车，工程机械。

如推土机离合器，装载机离合器，自卸汽车的离合器等。

FB04铁基粉末冶金摩擦材料，用于60吨自卸汽车离合器。

CH02铜基粉末冶金摩擦材料，主要用于ZF系列船用湿式齿轮箱离合器，机床电器离合器摩擦片，自卸汽车液力机械变速器和推土机离合器等。

粉末冶金湿式离合器使用的优点是：
3.4.1性能可靠，不打滑。

3.4.2使用寿命长，粉末冶金材料无脱落，磨损量很小，一般一次离合为10-6毫米。

3.4.3承受的负载高，一般可以达到27—40公斤/厘米2，甚至更高。

3.4.4工作中变形量不大，本身强度好，抗咬合性能好。

合能迅速起动，。

离能迅速脱开。

3.5应用于飞机刹车装置中的粉末摩擦材料
4．粉末冶金摩擦材料的装配
粉末冶金摩擦材料的装配，与传统的摩擦材料有很大的区别。

在联结方式上，粉末冶金摩擦材料除了采用传统摩擦材料的铆接形式外，还可以采用烧结的方式联结。

在材料的配置上，基于粉末冶金摩擦材料与传统的摩擦材料有不同的特点，因而差别很大。

4.1 粉末冶金摩擦材料的联结方式
联结方式大体上有四种：
4.1.1摩擦材料烧结在芯板上，钢芯板是整体的结构件。

对于湿式工作的摩擦副来讲，由于材料片的厚度比较小，一般都在1毫米以下，主要采用这种烧结联结。

只有在极个别的情况下，采用粘结剂粘结。

对于干式应用的，如果材料片的厚度比较小，也可以采用烧结联结的，如波音707飞机刹车的动盘。

4.1.2摩擦片用铆钉或螺栓固定在刹车盘骨架上。

如波音737、747、767、MD—82飞机刹车。

4.1.3摩擦材料铆接在圆盘上。

这类联结方式，主要用于干式，要求材料的厚度较大。

4.1.4摩擦材料用埋头螺钉或铆钉固定在制动器钢带上。

(1)、(3)两种形式采用哪一种，主要取决于所需要的摩擦材料的厚度。

只要条件允许，以采用（3）的连接方式为好，更换方便，钢芯板或圆盘能够长期应用，只要更换摩擦材料就可以；（1）的联结方式，钢芯伴随着摩擦材料一起烧结，钢芯板基本上只能使用一次，另外也影响钢芯板的性能。

4.2 粉末冶金摩擦材料的配置
粉末冶金摩擦材料的配置和传统的摩擦材料的区别最大，而且干式与湿式的应用也有很大的不同。

干式应用的粉末冶金摩擦材料的装配，见图5b—d和图6。

粉末冶金摩擦材料在制动器上或离合器骨架上的配置，有一个特殊的要求，就是片
与片之间要留有缝隙，而不应该像传统的摩擦材料那样整个铺满。

至于铺面的大小，目前尚无定论，但不应该铺满则是肯定的。

最后铺面的大小应由实验来定。

减少铺面或者说留有缝隙有以下一些好处：
4.2.1增加了磨合性，改善了接触性能。

增加了磨合性往往容易理解，铺面不连续，自然容易使摩擦材料和对摩擦材料“吃附”，这就增加了磨合性。

对于接触性能，如果把摩擦材料铺的满满的，看起来似乎与对摩材料的接触面大。

而实际工作中，真实接触的面积并不高，有很大一部分面积处于接触不实，或者根本没有接触的状态。

而减少铺面，看起来接触面积是小了，但实际上是使那些接触不实或者根本没有接触上的部分减少了，从而改善了接触性能。

如果减少得当的话，甚至可以做到接触面积增加，改进摩擦副的工作性能。

4.2.2由粉末冶金摩擦材料的特点所决定，当设计结构一定，摩擦材料选定之后，传递的扭矩和制动力矩与所附加的正压力成正比。

只要正压力不变，所得到的力矩不会发生变化。

就是说，不会由于减少了铺面而影响力矩，但是单位面积上的压力增加了，因而工作温度也增加了一些。

而粉末冶金摩擦材料的摩擦性能，受压力和温度的影响很小(见表1)，因而不会影响传递的扭矩，甚至还有些好处。

4.2.3粉末冶金摩擦材料本身的重量较树脂基材料要大一倍左右，减少铺面，就可以减轻重量，降低成本。

对于盘式结构的摩擦副，粉末冶金摩擦材料的形状也有不同，主要有三种（见图6）：
第一种是全盘式，即将整个工作面铺满，这种形式目前虽然也有采用的，但由于上述的原因，除了在一些体积小，力矩也很小的地方采用外，已很少采用。

第二种是纽扣式。

这种结构形式对维修、拆换都很方便，而且传递的扭矩也比较平稳，磨损也不大。

但是，由于内圆的滑动速度相差很大，往往造成磨损不均匀，因此逐步为第三种形式所代替。

第三种形式是扇形式，也有做成台式的（第四种）。

在湿式应用中，全盘式的摩擦材料表面要开各种油槽，开油槽的目的在于提高摩擦因数和使工作更加平稳。

油槽的形状有放射形，螺旋形以及他们的各种组合。

至于开怎样的油槽适合于哪种设备，以及油槽的大小、间隔，则由经验或试验最后确定。

图7是油槽的形状对摩擦因数和滑磨功的影响。

5. 粉末冶金摩擦材料的组成
粉末冶金摩擦材料，能够比较好的达到现代机械对摩擦材料的多种性能要求，甚至有些是互相矛盾着的要求。

这主要是由粉末冶金工艺的特点和粉末冶金摩擦材料组成的特点来保证的。

粉末冶金摩擦材料一般由三部分组成：构成基体金属的组元，润滑组元和摩擦组元。

5.1构成基体金属骨架的组元（简称基体组元）
基体组元由基本组元和辅助组元两部分组成。

基本组元在成分中占的比重最大，并以基本组元来称呼摩擦材料的基体。

在铁基中，基本组元是铁。

在铜基中，基本组元是铜。

辅助组元和基本组元形成合金，从而改善基本组元的性能。

辅助组元在铁基摩擦材料中有二硫化钼、镍、铬、钼、铜及磷等。

在铜基摩擦材料中主要是锡、铅、锌及磷等。

粉末冶金摩擦材料的性能、工艺特点在很大程度上取决于基体组元的化学成分、结构和物理机械性能。

基体组元保证了材料的承载能力、热稳定性及耐磨性。

一般在粉末冶金摩擦材料中，基体组元占铁基材料的50～70%，占铜基材料的60～90%。

近年来铁基粉末冶金摩擦材料的发展很快。

主要是由于它节省有色金属，在高温负荷下显示出更加优良的磨擦性能，机械强度高，能够承受比较大的压力，因而它具有广阔的发展前途。

铜基粉末冶金摩擦材料具有工艺性能好、摩擦因数稳定、抗粘结、抗卡滞性能好的特点，特别是在湿式条件下工作时，具有很高的耐磨性，因而在油中工作的粉末冶金摩擦材料，基本上都是铜基材料。

铁基摩擦材料的基本组元中，加入镍、铬、钼，主要目的在于提高材料机械——物理性能和耐热耐腐性能。

加入磷能提高材料的强度，提高耐磨性；加入二硫化钼，能提高材料的机械性能，有利于材料的强度。

铜基粉末冶金摩擦材料中，加入锡、锌、铅，它们能与铜基体形成固溶体，从而提高了材料的机械——物理性能和摩擦性能，对抗腐蚀性能也有很大的好处。

下面分别介绍二硫化钼和铜对铁基粉末冶金摩擦材料性能的影响。

二硫化钼是作为铁基材料的基本组元的辅助组元加入的，主要作用是通过在烧结过程中，与基本组元铁发生相互作用，从而改善材料基体的性能，进一步的提高了材料的物理—机械性能和摩擦性能。

因此，二硫化钼作铁基摩擦材料的辅助组元加入是很普遍的。

我国生产的铁基粉末冶金摩擦材料，几乎全都加入二硫化钼。

在铜基材料中，由于烧结温度低，对二硫化钼的烧结行为还没有完全搞清楚，对二硫。