第四章摩擦材料工程设计方法

金属摩擦剂：

青铜基材料：首先是铁，还有其它难熔的以及在铜中溶解 度很小的金属(例如铬、钨和钼 ) 。 铁基材料：难熔金属。 作用：金属摩擦剂很牢固的保持在金属基体中，因此它除 增加摩擦系数外，还在一定程度上提高材料的耐磨性。固 定在较软基体中的硬质点也促进磨削作用，有利于防止摩 擦表面与对偶的粘结。


层状结晶构造的固体润滑剂润滑机理：
多种理论： 最普遍的一种理论是基于以下的假定，即固体润滑剂的微粒对金属 (合金)存在有粘附作用及在润滑剂晶体中，原子间或分子间结合力和 各个层之间的结合力存在着差别。石墨晶体的原予间或二硫化钼，氮 化硼的分子间存在有强健(共价型或离子型)，但在石墨各个原子层之 间或在二硫化钼和氮化硼的各个分子层之间的结合却减弱为几分之一， 这种结合对石墨来说属于金属键，对二硫化钼来说，可能具有范德华 力的特性。在二硫化钼晶体中，由钼与硫相结合的结晶层相联结。而 在氮化硼晶体中由氮原子层相联结。由于层与层之间相对位移所必需 的切向应力不大，因而摩擦系数是低的。 另一理论认为，石墨的润滑作用是由于石墨吸附了能润滑的水蒸汽。 真空下对摩擦所进行的一系列研究证实了这一理论，研究结果证明， 在真空下，水蒸汽和气体从石墨表面解吸，其摩擦系数将显著增加。 与石墨相反，二硫化钼在真空下摩擦系数最小，而在有空气，水蒸汽 和其它气体存在下摩擦系数增加。 基费尔和霍拓普认为，石墨的作用首先在于它填充了工作零件表面上 的微观凹穴。此外，石墨(按杜宾林的意见）能吸收在摩擦过程中所 产生的电晕放电和火花放电，减少了摩擦表面的破碎，因而减少了磨 损。
材料按摩擦剂的分类：
材料可按其摩擦剂含量相对划分为三类：



0.5-10%；用于润滑工作条件下(青铜基材料)，也用在摩 擦表面温度不太高的干摩擦条件下。 10-15%；第二类材料，无论是青铜基或铁基，都用在干 摩擦的中等负荷制动装置中 15-25%。该组摩擦材料含有高的耐磨组分(某些情况下达 40-45%），以金属或陶瓷作粘结剂，用在重负荷制动装 置中，工作过程中摩擦表面温度超过1000℃。
对于摩擦剂的要求：





高的熔点和离解热； 从室温到烧结或使用温度区间不产生多晶型转变； 不与其它组分及烧结中的保护气氛起反应； 具有足够高的机械强度和硬度，以保证摩檫过程中大量能 量消耗于摩擦剂的破损上，但也不能过高，否则固体颗粒 的强度和硬度太高，破坏的将不是摩擦剂颗粒本身，而在 很大程度上磨损(磨削)了配对零件的材料； 摩擦剂具有与基体合金的湿润性或能与它牢固的粘附，在 这种情况下，要从基体分离出固体颗粒，将消耗很大的摩 擦功，因而促进耐磨性提高。 金属氧化物，某些碳化物、硅化物、硼化物和难熔金属， 可完全满足上述要求。对用作摩擦剂的氧化物有一个补充 要求，即所用氧化物的金属标准电位比基体金属要负一些， 否则氧化物在烧结过程中将被基体的金属所还原。
4 摩擦剂
为了提高摩擦系数达所要求的水平，材料中 需加入摩擦剂，加入摩擦剂除了提高摩擦系数外， 还应当消除配对零件表面上从烧结粉末片转移过 来的金属，并使对偶表面擦伤和磨损很小。因此， 摩擦剂的基本任务并不是对配对零件材料起一种 磨料磨损的作用，而是保证与对偶工作表面适当 的啮合，并使对偶表面保持良好的性能。所以在 选择摩擦组分时，必须首先注意它与基体相比较 的硬度以及它的颗粒形状和大小。
摩擦剂在基体中的作用：



提高烧结材料的摩擦系数和抗卡滞能力，降低磨 损。 增加孔隙度，改变材料密度。 降低材料的强度（个别材料除外，如铁基材料中 的莫来石），硬度稍有增加。 提高热稳定性。 各种摩擦剂对烧结材料性能的影响，与其属性、 分散度、研磨性、硬度、对基体材料的化学活性 等有关。
3.3硫化物和氮化硼
二硫化钼：



适用于在摩擦温度高于400℃的摩擦材料中。单独加入固 体润滑剂(石墨、二硫化钼，铅)将降低材料的冲击韧性。 但如果将二硫化钼与其它组分结合使用，冲击韧性得到提 高。 添加二硫化钼大大减少材料起始制动阶段的磨损，含二硫 化钼2%的耐磨性能提高最大。但资料表明，铁基材料二 硫化钼含量不应高于4%，因二硫化钼与石墨情况相反， 在增加耐磨性的同时，却显著降低摩擦系数。 二硫化钼中，滑移发生在硫-硫解理面上，真空处理二硫 化钼或高温不会改变二硫化钼解理面间的剪切强度，只是 有氧存在下才有影响，氧与硫和钼相作用使解理面破坏 。

3.1 铅和其它易熔金属


应用：铅作为金属润滑剂经常用在青铜基材料和 铁基材料中。 性质：塑性金属，密度大，可改善压缩性，稍许 降低孔隙度，使烧结材料的强度和硬度有某些降 低；不溶于铜锡或铜铝合金，以单独夹杂物(扁球 体)存在。
对摩擦学性能影响：
摩擦系数：摩擦系数随原始配料中铅含量的增加而减小
3 起固体润滑剂作用的组元
有很多物质，将它们加入摩擦材料可改 善抗卡滞性能，提高材料的耐磨性。 金属中有铅、铋、锑等低熔点金属； 非金属有石墨、二硫化钼、二硫化钨、硫化亚 铜、某些金属的磷化物(铜、镍、铁、钴)、氮 化硼、滑石、某些氧化物，铁基材料中还有硫 酸钡、硫酸亚铁等。 广泛应用：层状结晶构造
孔隙？
2 形成金属基体的组元
烧结摩擦材料的强度、耐磨性和耐热性 在很大程度上取决于基体的组织结构、物理和 化学性质。作为工作面的金属基体，在摩擦时 发生变形及磨损产物的进一步破坏。此外，由 于摩擦所产生的热要经过金属基体传导出去， 金属基体应保持住摩擦剂和润滑剂的颗粒。
发展：


铜→铜合金→铁基→铁合金基→钨、钼、铌 基 铜：散热性好，易于压制，易烧结；但摩擦系数高。 铜锡合金：强化铜，强度，硬度↑，改善耐热性以 及摩擦特性。铜︰锡：9︰1 。

无润滑条件下：
润滑条件下：
非金属摩擦剂：
非金属组分在提高摩擦系数和抗粘结方面，特别在摩 擦高温下是更有效的添加剂： 氧化物：硅、铝、铁、镁、锰、锆、铍、钙、铬、钛、钼 等的氧化物； 碳化物：硅、硼、钨等的碳化物； 硅化物：铁和钼的硅化物； 氮化硅； 其它化合物：亚铬酸盐、硅铁、含TiAl和TiAl2的钛-钼合 金(含铝30-60%)；对特别重负荷的制动器用到了磷化物： 铜、铁、钴、镍等的磷化物。
第四章 摩擦材料工程设计方法
概述
本章以烧结摩擦材料为例，介绍一下摩擦材料工 程设计的基本方法和思路。烧结摩擦材料是用烧结方 法制造的、具有合适摩擦系数和高耐磨性能的金属材 料或金属和非金属的复合材料。根据作用效果不同， 烧结摩擦材料又分为减摩材料和耐磨材料两种，其中 减摩材料具有良好的自润滑性能，能在缺油甚至无油 润滑的干摩擦条件下，或在高速、高载荷、高温、高 真空等极限润滑条件下工作，因而应用范围比一般铸 造金属或塑料减摩材料广泛，除大量用作滑动轴承外， 还广泛用作导轨、活塞环、密封环、电器的滑动零件 等；而耐磨材料则广泛应用于一些耐磨环境中，如制 动器、汽缸及其它一些需要耐磨的工况中。
含锡6-8%的摩擦盘的磨合性能最好，总磨损量最小



铜铝合金：强度↑，耐热强度↑，可有效提高铜与钢 粘结力。铝含量为7-10%。 铁基：熔点高，强度、硬度、塑性、耐热强度和抗 氧化性高，易于压制和烧结，而成本低。但易粘接。 铁合金：塑性↓，强度、屈服极限和硬度↑，耐热强 度和抗氧化性↑。
要求： 强化和提高基体耐磨性能； 提高耐热强度； 改善摩擦表面的导热； 采用价廉易得的金属代替贵重稀缺的金属。
选择固体润滑添加剂注意事项：


添加剂的原始性能；
摩擦过程中添加剂在材料表层中所起的作用；
材料在摩擦过程中的摩擦性能取决于材料的组织，相组成和化学成分、 形成的工作膜的强度及其与基体金属(合金)间的粘附力。参与规定摩 擦过程的不是原始状态的添加剂，而是工作膜的新的复杂物质。 还应考虑烧结过程中润滑剂与材料金属基体间相互发生作用的可能因 素(例如，铁基材料中石墨与铁的作用）；还有烧结气氛的因素，它 可能导致改变基休组织和性能，使润滑剂降低甚至丧失润滑能力。如 二硫化钼具有很好的润滑性能，但如果零件是在粉末冶金中经常所采 用的还原介质中烧结时就不能使用，在氢气作用下，它被分解成钼和 硫、钼溶解到金属基体中，硫生成铜或铁的硫化物，而这些硫化物的 润滑性能比二硫化钼要差得多。
3.2 石墨

应用：青铜基材料，铁基材料 性质：微观为片层状结构；宏观为片状、棒状、 球状。含量增加可降低材料密度、强度、塑性等 力学性能，增加材料孔隙度。
对摩擦学性能的影响：
可降低试样的磨损，促进摩擦平稳。此外， 达到一定的含量时，石墨有利于摩擦组分配料 的压制并改善材料摩擦性。




易熔金属润滑机理：
工作中以薄膜状态分布其上，材料的接触面积大小及 其承压能力，基本上由材料中强度大的合金组分(金属基 体)的硬度来确定，而材料接触面的抗剪强度，也就是摩 擦力，基本上取决于材料中软组分的强度。 无润滑摩擦：当摩擦表面温度超过易熔金属熔点时，这些 金属便熔化并在摩擦表面形成润滑薄膜。薄膜降低了摩擦 系数，结果也降低了表面温度(所谓自调节原理）。摩擦 表面温度降低．熔融金属又重新凝固，使得摩擦系数提高 到原有水平。 润滑摩擦：由于温度低、边界层的局部地方有剪切变形及 摩擦偶件不直接接触，所以摩擦表面上只出来少量的铅。 金属皂：大大改善了矿物油的润滑能力和抗高温粘附性。
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石墨对铁基摩擦材料摩擦学性能的影响因素： 数量； 形态； 大小； 基体材料组织； 其它合金元素。
石墨含量低时(2%)，材料的摩擦系数及摩擦系数的稳定度也低(相 应为0.14和0.4)，但耐磨性高(试样单次制动磨损量为3微米)。增加配 料中石墨含量从2%到6%时，摩擦系数将显著增大(从0.14到0.23)。继 续增加石墨含量从6％到10%，摩擦系数增长缓慢。
硫化亚铜：硫化亚铜薄膜的屏蔽作用 硫酸亚铁：5-7.5%材料综合性能最好（具有足 够 的稳定性和耐磨性的同时，还具有高的摩擦系 数）。 硫酸钡：最佳含量应为6-8%，增加耐磨性。
氮化硼



层状结构 代替石墨 对真空热处理敏感 对摩擦制品的摩擦系数影响很大。甚至当粉末摩擦片与对 偶相对速度接近于零时，零件的摩擦系数仍保持不变。摩 擦系数在500℃时下降。在900℃时增加，在500-900℃范 围内发现氮化硼的摩擦性能最低。
无润滑摩擦下，合金耐磨性能随石墨含量增加而提高； 石墨含量大于2%时铜-石墨合金具有最佳的耐磨性； 石墨含量大于5%时铜-锡-石墨合金是在耐磨性最好 与淬火钢对偶工作的材料石墨含量必须要达10%。 在铜-锡-石墨合金中使工作表面得到润滑的最佳石墨含量与锡含量有 关：锡含量愈高，也就是青铜基体愈硬，则石墨含量要愈高。高石墨 含量对材料硬度影响不大。加入石墨降低了材料的摩擦系数，但如果 加入数量不多，其影响只表现在检验的最初阶段。因此，为获得稳定 的摩擦系数，石墨加入量必须达5-11%。
1 材料中组元的分类



烧结摩擦材料是一种含有金属和非金属多种组分的假合金， 在一定程度上可将这些组分分为三类： 基体组元：形成材料基体并促进形成一定的物理——机械性 能的组元。烧结材料的这类组元具有金属属性，一般为金属 (铜、铁、镍)的合金。 抗卡剂（固体润滑剂或者摩擦稳定剂）：调节粘结程度的组 元，它们能减小或完全消除粘结和卡滞，促使摩擦平稳，减 小表面磨损。石墨、钼、铜、锌、钡、铁等的硫化物，氮化 物及低熔点纯金属(铅、铋，锡、锑等)。 摩擦剂：调节机械相互作用大小的组元。属于这类组元的有： 硅、铝、铬的氧化物、碳化硅和碳化硼，矿物性的复杂化合 物(石棉、莫来石、蓝晶石、硅灰石)等。

磨损量：总线磨损量随原始配料中铅含量的增
加而减小。 磨合阶段
在现代摩擦材料组分中大大降低下了含铅量，但近期研制 的含铅很高的某些铁基材料表明，在干式下工作很有前途。 总的来说，材料加入铅降低了磨损和摩擦系数。
注意：易熔金属组分熔点与试样工作温度的相互关系：一般 只有在工作温度(试样的)高于易熔组分熔点的情况下，才能显 示其好的效果。