汽车离合器用铜基金属陶瓷摩擦材料的研究进展

—21— 新材料新装饰XINCAILIAOXINZHUANGSHI 2014年4期 汽车离合器用铜基金属
陶瓷摩擦材料的研究进展
冯超 徐吉波 魏子良 王琦 胡欢
（湖北汽车工业学院 材料科学与工程学院 十堰湖北 442002）
摘要：金属陶瓷摩擦材料具有吸能效率高、导热性好、摩擦系数高、耐高温、耐磨等特点，可用 于重型车、矿区用车、工程作业车、沙漠车等重载荷车辆以代替不抗热的有机摩擦片。

本文综述了铜基金属陶瓷摩擦材料的发展现状，展望了铜基金属陶瓷摩擦材料的发展前景。

关键词：金属陶瓷；铜基摩擦材料；研究进展
1前言 汽车离合器靠摩擦来传递动力。

当汽车行驶时，离合器的主动部件和从动盘相互压紧而一起旋转，但在起步、换档过程中，主、从动件之间相对摩擦，从动盘摩擦片发热并发生磨损。

离合器的使用寿命主要取决于其从动盘摩擦片的耐磨性。

通常汽车离合器从动盘摩擦片采用树脂基石棉材料做成。

在160℃以上树脂片自身及其对偶件的磨损量都急剧增大，而金属陶瓷片在250℃以上仍保持很好的耐磨性，其对偶的磨损也很小。

另一方面，金属陶瓷摩擦材料对铸铁的摩擦系数要比树脂石棉片对铸铁的摩擦系数高一些，因此用金属陶瓷摩擦片的离合器在同一夹紧载荷下，能比采用树脂片的离合器提供更大的摩擦力矩，亦即在保证相同的扭矩容量下所用的夹紧载荷减小，从而使离合器接合更柔和，在相同夹紧力下扭矩得到提高[1，2]。

2 铜基金属陶瓷摩擦材料的应用
从20世纪50年代起，国外就在拖拉机、工程机械及载货汽车上开始使用金属陶瓷磨擦材料作为离合从动盘的磨擦面片。

由于金属陶瓷磨擦面片的磨擦系数高于有机石棉片，采用金属陶瓷磨擦面片的离合器与采用石棉片的离合器相比，在同一夹紧载荷下可提供更大的磨擦力矩，即离合器扭矩容量较大；而在同样大小的扭矩容量下，所用夹紧载荷较小，使离合器接合更平稳、柔和。

此外，金属陶瓷材料比有机材料更耐高温，对于起步换挡频繁、离合器工作温度较高的汽车来说，用金属陶瓷材料更耐磨。

据有关资料介绍，在温度160℃以下有机片的耐磨性还是比较好，但当温度更高时，其耐磨性急剧下降；而金属陶瓷材料则在接近300℃的高温下仍有较好的耐磨性。

显然，对于使用条件恶劣的车辆来说，其离合器从动盘磨擦面的工作温度高，只有用耐高温的金属陶瓷材料才能保证足够长的使用寿命。

据有关资料介绍，采用金属陶瓷片的离合器使用寿命比有机片的长75%。

3 国内外研究现状 金属陶瓷磨擦材料是由金属基体、陶瓷成份和润滑剂组成的一种多元复合材料。

金属基体的主要作用是以机械结合的方式将陶瓷成份和润滑剂保持于其中，形成具有一定机械强度的整体；陶瓷成份主要起磨擦剂作用；而润滑剂成份则主要起提高材料抗咬合性和抗粘接性的润滑作用，特别有利于降低对偶材料的磨损，并使磨擦副工作平稳。

润滑剂组分和陶瓷组分共同形成金属陶瓷磨擦磨损性能的调节剂。

基体作为摩擦材料的主要组元，其作用主要是以机械结合方式将摩擦颗粒和润滑剂保持于其中，形成具有一定力学性能的整体。

基体的强度是摩擦材料承载能力的反应，在很大程度上取决于基体的成分、结构和物理一力学性能。

目前改善材料基体结构和强度主要从两个方面入手[3-4]：一是添加合金元素来强化基体。

二是在较软的基体中添加强度较高的金属纤维或其它增强纤维。

基体的组织结构、物理化学性质
在很大程度上决定了粉末冶金摩擦材料的力学性能、摩擦磨损性能、
热稳定性和导热性等整体性能的发挥。

摩擦材料要求基体具有足够高
的熔点，高的耐热强度和热稳定性，工作温度内有较高的塑性变形抗
力，高的耐磨性。

开展对基体成分及性能的研究至关重要，对提高铜
基金属陶瓷摩擦材料摩擦性能提供有益的指导。

对铜基金属陶瓷摩擦材料基体的研究，不能仅局限于基体本身，因为现代高性能粉末冶金摩擦材料大多是多组元的复合体，各个组元对材料性能的作用是相互影响的，因此研究基体的同时也应考虑其它组元加入后对基体的影响。

目前在基体方面的研究工作，大都是在摩擦材料三大组元都存在的情况下来研究的，主要涉及以下各个方面：基体的类型；基体的物理、机械性能对摩擦磨损性能的影响；合金元素（辅助组元）对基体性能的影响；基体组织、硬相和塑性相的分布、第二相的影响、摩擦过程中表层组织的变化；材料中非金属组分与金属基体的相互作用、基体夹持硬质点的能力、粘结问题的研究；改善基体的压制、烧结等工艺性能研究摩擦过程中表层元素扩散过程研
究；基体塑变能力对摩擦磨损性能的影响，孔隙度大小、分布对基体
性能的影响；改善基体耐热性、耐磨性的研究等诸多方面[5-6]。

4 发展现状
目前，随着重载汽车离合器片的发展，以及离合器结构设计的紧凑性要求，对铜基金属陶瓷摩擦材料的耐磨性和耐热性提出了更高要求，特别是高温制动的稳定性。

因此研究开发具有优异性能的新型铜基摩擦材料十分重要和迫切。

为提高铜基摩擦材料的耐热性和耐磨性，主要途径：添加合金元素来强化提高基体的耐磨性和耐热强度；通过改变材料的摩擦剂与润滑剂，调节材料的成分，如添加铁和石墨等耐高温、耐磨材料来提高摩擦材料的整体性能。

目前铜基纳米复合材料的研究成果表明：纳米氧化物作为弥散增强相所制备的弥散强化铜基复合材料，在保持铜本身高导热性能的同时还大幅度提高了强度及抗高温软化特性，具有其他强化方法无法比拟的优点。

因此，将纳米材料应用于铜基摩擦材料，为改善摩擦材料的摩擦学性能提供了新途径。

参考文献：
[1]黄建龙，王建吉，党兴武，陈生圣.铝含量对铜基粉末冶金材料性能的影响.润滑与密封，2013，38（1）：56-60.
[2]邓海金，李明，龚敏.钢纤维对铜基金属陶瓷摩擦材料力学和摩擦学性能的影响.摩擦学报，2004，24（4）：336-340.
[3]钟志刚，邓海金，李明，等.铁含量对铜基金属陶瓷摩擦磨损性能的影响.材料工程，2002，（8）：17-19.
[4]王晔，燕青芝，张肖路，等.石墨对铜基粉末冶金闸片材料性能的影响.粉末冶金技术，2012，30（6）：432-439.
[5]Xiong X，Sheng H C，Chen J，et al.Effects of sintering pressure and
temperature on microstructure and tribological characteristic of Cu-based
aircraft brake material.Transactions of nonferrous metals society of China，2007，17：669 -675. [6]湛永钟，张国定，曾建民，等.SiC 和石墨混杂增强铜基复合材料的高温摩擦磨损特性研究.摩擦学学报，2006，26（3）：223-227. 基金项目：湖北汽车工业学院大学生创新性实验项目基金资助。