粉末冶金摩擦副材料及其成形技术

机器设备在运转过程中，部分零件之间相互接触产生摩擦形成摩擦副。

摩擦副零件是机器设备的重要组成部分，其性能对机器设备使用寿命有着重要影响。

组成摩擦副的零件一般在相对速度高、接触比压大的摩擦工况下服役，因此此类零件磨损也较为严重。

现代工业发展促使了高能效和微型化机械设备的应用，这使得摩擦副零件工况条件更为苛刻，所以开发高性能摩擦副材料具有重要意义。

粉末冶金工艺生产机械零件具有突出的经济优势、良好的尺寸精度，并可生产形状复杂的零件。

因此，国内外对粉末冶金摩擦副材料及制品开发高度关注，并开展了大量工作。

粉末冶金摩擦副材料主要包括两类，一类是粉末冶金减摩耐磨材料，另一类是粉末冶金摩擦材料。

其中粉末冶金减摩耐磨材料主要是在基体中浸入润滑油或加入固体润滑剂，使材料具有减摩耐磨性能，这类材料主要用来制造轴承、轴瓦以及滑块等零件。

粉末冶金摩擦材料主要由基体组元、润滑组元和摩擦组元组成，要求材料具有较高的摩擦系数和耐磨性，主要用于离合器和制动器等关键零部件。

粉末成形作为粉末冶金重要的一项生产工序，直接影响生坯的密度和强度，进而对制品性能产生影响。

目前，应用于摩擦副零件制备的成形工艺主要有传统模压成形、粉末注射成形、温压以及粉末锻造技术等，这些成形工艺各有其独特的优点。

本文简述了粉末冶金摩擦副产品的性能特点，介绍了其成形工艺技术发展现状，并对摩擦副零件市场进行了展望。

1　粉末冶金摩擦副材料发展现状
1.1　粉末冶金摩擦材料
机械设备运行速度以及负载增加，使得传动装置对摩擦材料性能要求变得越来越高。

粉末冶金技术可以在大范围内改变材料组分，所以粉末冶金摩擦材料工作可靠性、摩擦系数稳定性和耐摩性较好。

常见粉末冶金摩擦材料主要有铁基和铜基两类。

铜基摩擦材料主要应用于高铁、风电及航空航天等领域，其摩擦学性能与材料组分有关，如在基体中添加适量合金元素Sn可提高材料强度和硬度；还可通过润滑组元和摩擦组元的合理搭配，来提高材料耐磨性。

与铜基摩擦材料相比，铁基摩擦材料更耐高温，成本也相对较低，但此类材料容易与对偶件发生咬合，且抗氧化性和导热性相对较差；为了改善这种状况，可以在基体中添加合金元素Cu等。

近年来，C/C复合材料也被广泛用于飞机和高速列车等摩擦副部件制造中。

这种材料虽然密度较低，但其高温强度较为优异，但此类材料摩擦系数相对较低，高温抗氧化性较差；为了改善材料性能，可在基体中加入S i C等来提高材料的抗氧化性和耐磨性。

1.2　粉末冶金减摩耐磨材料
粉末冶金减摩耐磨材料在基体选择上与粉末冶金摩擦材料基本相同，但主要考虑减摩性能。

传统粉末冶金减摩耐磨材料是通过浸油处理使基体含有一定润滑油，它是以牺牲材料本身力学性能来获得减摩效果。

由于润滑油在某些工况条件（如超低温、高真空和高速高负载）下容易失效，使材料减摩耐磨性能下降甚至完全丧失，导致零件严重磨损。

因此，粉末冶金减摩耐磨固体自润滑材料应运而生。

目前，粉末冶金减磨耐磨固体自润滑材料研究主要集中在开发固体润滑剂方面，包括多元固体润滑剂和纳米固体润滑剂。

固体润滑剂开发和应用对于解决关键零部件摩擦问题具有重要意义。

在某些特殊工况条件下，仅依靠单一润滑
学性能要求。

例如，在烧结过程中，
分发生固相反应，生成Mo
和Mo
（1.合肥工业大学材料学院，合肥 230009；2.安徽省粉末冶金工程技术研究中心，合肥 230009；
3.合肥波林新材料股份有限公司，合肥 231121）
摘　要：机器设备失效主要原因之一是摩擦副零件的磨损。

作为高性能摩擦副材料的重要组成部分，粉末冶金摩擦副材料研究与开发受到了国内外的广泛关注。

传统粉末冶金摩擦副制品由于受孔隙和强度等因素限制，在高速、重载等工况条件下容易发生失效，所以发展高性能的粉末冶金摩擦副材料及其制备技术具有重要意义。

主要简述了国内外粉末冶金减摩耐磨材料和摩擦材料最新研究进展，重点介绍了一些典型粉末冶金摩擦副零件成形工艺与特点，同时对粉末冶金摩擦副零件市场应用和发展趋势进行讨论。

关键词：粉末冶金 摩擦副 磨损 成形技术
通讯作者：程继贵。

材料的机械性能；若同时添加石墨和hBN，不仅可以获得优良的摩擦磨损性能，还能有效改善材料的力学性能。

材料的力学性能和摩擦学性能在一定程度上受固体润滑剂颗粒粒径影响。

添加微米石墨和纳米石墨的铜基材料的摩擦磨损性能变化情况如图1所示，可以发现石墨含量较小时，添加纳米石墨铜基复合材料的摩擦学性能明显要
优于添加微米石墨的铜基复合材料。

（a
）摩擦系数
（b）磨损率材料，导致其在特殊工况条件下容易发生失效。

国内某些企业为了提高制品力学性能，采用复压复烧工艺来制备摩擦副零件。

复压在提高制品密度时，内部会发生明显的晶粒碎化和晶格歪扭，从而引起粉末颗粒加工硬化；经复烧可消除加工硬化，并细化晶粒，实现组织均匀化。

但复压复烧工艺生产摩擦副零件加工工序较多，导致生产成本成倍增加。

2.2　粉末注射成形
与传统工艺相比，粉末注射成形具有精度高、组织均匀以及生产成本低等特点。

因此，粉末注射成形技术在制备高性能、复杂形状的摩擦副零部件方面具有巨大优势。

粉末注射成形工艺流程如图2所示，其被誉为“当今最热门的零部件成形技术”之一。

图2　粉末注射成形工艺流程图
相关研究者采用粉末注射成形法制备了铜基摩擦材料，研究了石墨含量对材料摩擦学性能的影响，结果表明：当石墨含量小于10%时，磨损率和摩擦系数随石墨含量增加而减小；当石墨含量为10%～15%时，摩擦系数可以在较低水平保持稳定，此时材料密度与硬度也相对较高；当石墨含量大于15%时，材料摩擦系数和磨损率均有所增大。

2.3　温压成形
温压是将预热混合粉末(如铁粉、石墨粉、合金元素粉及高温润滑剂)在预热封闭钢模中进行加压成形，其工艺流程如图3所示。

采用温压工艺制备的材料密度较高，且成本低于复压复烧、渗铜与热锻。

图3　温压工艺流程图
相关研究者采用温压成形与微波烧结相结合方法制备
HRC58，摩擦系数仅为0.085，该材料被应用于燃烧发动机阀导杯中，并进行了500h的测试，测试结束后工作表面上未出现任何明显磨损。

3　粉末冶金摩擦副零件的市场应用和发展趋势
由于粉末冶金材料性能优异且成本较低，所以在汽车、家电和飞机等领用中得到了广泛应用。

在汽车上有许多摩擦副部件，其中汽车底盘中有减振器零件，如导向器、活塞和底阀座；制动系统中有ABS传感器、刹车片等；泵类零件主要有燃油泵、机油泵和变速器泵中关键零部件，如齿轮、内外转子等；发动机中有导管、座圈、连杆、轴承座、可变气门正时系统（VVT）关键零部件和排气管支座等；变速器中有同步毂和行星齿轮架等零件。

在这些零件中，近90%可采用粉末冶金方法制造。

然而，我国粉末冶金摩擦副制品在汽车上的应用水平仍然低于发达国家。

由此可见，粉末冶金摩擦副零件在汽车上仍有很大的发展空间。

近年来，我国家电行业蓬勃发展，仅2017年，空调市场零售量就达到5572万台，同比增长29.4%。

以家用空调压缩机中多孔滑动轴承为例，该零件是典型的摩擦副制品，一般要由粉末冶金方法来制造，由此说明，家用电器是粉末冶金摩擦副零件应用的主要市场之一。

在飞机装置中，刹车片是用量最大的摩擦副部件，在飞机着陆过程中，刹车片承受非常高的载荷，表面瞬时温度非常高，造成其非常容易发生粘结，导致刹车失效而引起轮胎爆裂。

到目前为止，绝大多数军用飞机和民用机都采用粉末冶金刹车片。

虽然粉末冶金摩擦副零件在整个粉末冶金零件中难以单独统计，但无论是按重量还是按零件数量，粉末冶金摩擦副零件在汽车、摩托车中所占的比例都远远大于其他粉末冶金零件。

由此可见，粉末冶金摩擦副零件在整个粉末冶金零件中处于快速发展地位。

随着人类环保意识加强，改善发动机性能、减轻重量、替代或补充动力系统以及提高燃油效率是未来汽车主要发展方向，这对汽车摩擦副零件提出了更高要求。

未来粉末冶金摩擦副零件的发展方向是降低磨损和提高摩擦部件寿命，同时承担高负荷和高滑动速度。

4　结语
目前，粉末冶金摩擦副产品正处于快速发展阶段，其材料成分优化、工艺技术创新、摩擦磨损机理研究以及新技术新工艺如何与实际生产相结合仍然是需要解决的难题。

粉末成形工艺作为主要生产工序，通过对其工艺参数改进和技术引进，已经可以较好地制备高密度生坯，从而为生产高性能粉末冶金摩擦副材料提供保障。

粉末冶金摩擦副
参考文献
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对摩擦磨损机理影响研究[D].长沙：中南大学,2014.
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Developments and Applications of Powder Metallurgy Friction Pairs and Their Forming Technology
XU Jiabing1,2,3, CHENG Jigui1,2,3, CHEN Pengqi1,2,3, CHEN Wenchao1,2, XU Wei2,3
(1.School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009;2.Engineering Research Center of Powder Metallurgy of Anhui Province, Hefei 230009;3．Hefei Bolin Advanced Materials Co., Ltd, Hefei 231121)
Abstract: One of the main causes of machine equipment failure is the wear of the friction pair parts. As an important part of high-performance friction accessory materials, research and development of powder metallurgy friction accessory materials have received extensive attention at home and abroad. Traditional powder metallurgy friction by-products are subject to limitations such as porosity and strength, and are prone to failure under high-speed and heavy-duty conditions. Therefore, it is of great significance to develop high-performance powder metallurgy friction pair materials and their preparation techniques. The latest research progress of powder metallurgy anti-friction and wear-
metallurgy friction parts are discussed.
Key words
technology。