铁粉类型对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响

第36卷第4期 北京科技大学学报 Vol.36 No.4 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 铁粉类型对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响 王晔”，燕青芝)四，张肖路》，葛昌纯”，赵海芹》 1)北京科技大学特种陶瓷与粉末治金研究室，北京1000832)北京瑞斯福科技有限公司，北京102200 3)南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛266111 ☒通信作者，E-mail:qyan@us山.edu.cn 摘要采用粉末治金工艺分别制备含还原铁粉、泡沫纤维铁粉和铁合金粉的铜基摩擦材料，研究了铁粉种类对摩擦材料摩 擦磨损性能的影响.当摩擦转速从3000rmi提升至6200rmin',用还原铁粉制备的样品，其摩擦因数随速度的升高出现 严重衰退：含泡沫纤维铁粉的样品具有稳定的摩擦因数，试验范围内其波动值不超过0.024，但是磨损严重：采用铁镍合金粉 制备的样品可有效减缓高速阶段摩擦因数的衰退，高速下摩擦因数波动低于0.027.以铁铬合金粉制备的样品，其磨耗随摩擦 速度的增加几乎不发生变化，抗磨损能力最佳. 关键词摩擦材料：铜：铁粉；粉末冶金：摩擦：磨损 分类号TF125.9:TH117.1 Effect of iron-powder type on the friction and wear properties of Cu-based P/M friction materials WANG Ye”,YAN Qing--hia,ZHANG Xiao-u2》,GE Chang-thun》,ZHAO Hai-qin》 1)Laboratory of Special Ceramics and Powder Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Railway Star Fortune Technology Co.Ltd.,Beijing 102200,China 3)CSR Qingdao Sifang Locomotive Rolling Stock Co.Ltd.Qingdao 266111,China Corresponding author,E-mail:qzyan@ustb.edu.cn ABSTRACT Copper-based friction materials were made by powder metallurgy (P/M)from copper powder and ferrous powder, which is reduced Fe powder,spongy Fe powder,Fe-Ni alloy powder and Fe-Cr alloy powder,respectively.Their friction and wear properties were investigated by friction testing,scanning electron microscopy and microhardness measurement.When the rubbing speed increases from 3000 to 6200rmin,the friction coefficient of specimens drops greatly.For specimens with spongy Fe powder,the friction coefficient changes less than 0.024,showing a stable friction coefficient but serious wear.When ferrous powder is strengthened by nickel,the friction coefficient stability of specimens at high rubbing speed improves obviously,and the friction coefficient changes less than 0.027.Specimens with Fe-Cr powder obtain the optimum wear resistance with almost constant wear rate as the rubbing speed increases. KEY WORDS friction materials;copper:iron powder;powder metallurgy:friction;wear 铜基粉末治金摩擦材料因具有良好的导热性、的成分设计倾向于多元化和合金化的解决途 耐磨性及在不同干湿度条件下均能保持摩擦稳定 径6-0.铜铁基摩擦材料是在铜基材料的基础上， 性的突出特点，是目前广泛应用于高铁、动车系 以铁作为第二相基体，利用铁组元高强和耐磨的特 统的摩擦制动材料.为进一步提高摩擦性能，材料 点，使材料的摩擦磨损性能更加优越1-.姚萍屏 收稿日期：201302-14 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2009BAG12A07) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.04.008:http://jourals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 4 期 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 4 Apr． 2014 铁粉类型对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响 王 晔1) ，燕青芝1) ，张肖路2) ，葛昌纯1) ，赵海芹3) 1) 北京科技大学特种陶瓷与粉末冶金研究室，北京 100083 2) 北京瑞斯福科技有限公司，北京 102200 3) 南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111  通信作者，E-mail: qzyan@ ustb． edu． cn 摘 要 采用粉末冶金工艺分别制备含还原铁粉、泡沫纤维铁粉和铁合金粉的铜基摩擦材料，研究了铁粉种类对摩擦材料摩 擦磨损性能的影响． 当摩擦转速从 3000 r·min － 1 提升至 6200 r·min － 1 ，用还原铁粉制备的样品，其摩擦因数随速度的升高出现 严重衰退; 含泡沫纤维铁粉的样品具有稳定的摩擦因数，试验范围内其波动值不超过 0. 024，但是磨损严重; 采用铁镍合金粉 制备的样品可有效减缓高速阶段摩擦因数的衰退，高速下摩擦因数波动低于 0. 027． 以铁铬合金粉制备的样品，其磨耗随摩擦 速度的增加几乎不发生变化，抗磨损能力最佳． 关键词 摩擦材料; 铜; 铁粉; 粉末冶金; 摩擦; 磨损 分类号 TF125. 9; TH117. 1 Effect of iron-powder type on the friction and wear properties of Cu-based P /M friction materials WANG Ye 1) ，YAN Qing-zhi 1)  ，ZHANG Xiao-lu2) ，GE Chang-chun1) ，ZHAO Hai-qin3) 1) Laboratory of Special Ceramics and Powder Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Ｒailway Star Fortune Technology Co． Ltd． ，Beijing 102200，China 3) CSＲ Qingdao Sifang Locomotive ＆ Ｒolling Stock Co． Ltd． ，Qingdao 266111，China  Corresponding author，E-mail: qzyan@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Copper-based friction materials were made by powder metallurgy ( P/M) from copper powder and ferrous powder， which is reduced Fe powder，spongy Fe powder，Fe-Ni alloy powder and Fe-Cr alloy powder，respectively． Their friction and wear properties were investigated by friction testing，scanning electron microscopy and microhardness measurement． When the rubbing speed increases from 3000 to 6200 r·min － 1 ，the friction coefficient of specimens drops greatly． For specimens with spongy Fe powder，the friction coefficient changes less than 0. 024，showing a stable friction coefficient but serious wear． When ferrous powder is strengthened by nickel，the friction coefficient stability of specimens at high rubbing speed improves obviously，and the friction coefficient changes less than 0. 027． Specimens with Fe-Cr powder obtain the optimum wear resistance with almost constant wear rate as the rubbing speed increases． KEY WOＲDS friction materials; copper; iron powder; powder metallurgy; friction; wear 收稿日期: 2013--02--14 基金项目: “十一五”国家科技支撑计划资助项目( 2009BAG12A07) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 04． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn 铜基粉末冶金摩擦材料因具有良好的导热性、 耐磨性及在不同干湿度条件下均能保持摩擦稳定 性［1--4］的突出特点，是目前广泛应用于高铁、动车系 统的摩擦制动材料． 为进一步提高摩擦性能，材料 的成分设计倾向于多元化和合金化的解决途 径［5--10］． 铜铁基摩擦材料是在铜基材料的基础上， 以铁作为第二相基体，利用铁组元高强和耐磨的特 点，使材料的摩擦磨损性能更加优越［11--16］． 姚萍屏

·468 北京科技大学学报 第36卷 等网发现加入铁可以提高材料摩擦因数和耐磨性. 磨损试验机研究样品摩擦磨损性能.样品尺寸为 陈洁等图研究了铁含量对铜基材料性能的影响，发 25mm×25mm×15mm,对偶盘材料(30 CrSiMoVA).具 现铜基材料中F质量分数超过4%后能提高材料 体试验条件见表3.摩擦磨损试验方法为：对偶盘转 摩擦因数，含12%时还能有效降低磨损量.但是，目 速达到试验转速后开始制动，直至对偶盘停止、摩擦 前对于不同铁粉种类对铜基材料摩擦磨损性能的影 副之间不再发生相对滑动时为止，摩擦因数由试验 响报道较少.事实上，作为第二相基体的铁粉其种 机自备软件换算自动记录.待摩擦副温度降至室温 类直接关系到铁粉成分、组织和性能，对摩擦材料的 后进行下一次制动，每个速度下的摩擦试验进行五 综合性能有重要的影响.本文分别用还原铁粉、 次.磨损量通过精度为0.0001g的电子天平测量同 泡沫纤维铁粉、铁镍合金粉和铁铬合金粉对铜基摩 一转速下五次制动后样品的失重得到.采用扫描电 擦材料进行增强，系统探讨了这四种铁粉对铜基材 子显微镜(SEM)对样品摩擦后表面进行形貌分析. 料摩擦磨损性能的影响. 利用MH6型显微维氏硬度计测量摩擦膜硬度，载 荷147mN,保持压力15s,每个试样测试10个数据 1试验材料和方法 后取平均值. 试验采用市售还原铁粉、泡沫纤维铁粉、铁镍合 表3摩擦磨损试验条件 金粉、铁铬合金粉四种不同铁粉作为铜基粉末治金 Table 3 Friction test conditions 材料中的第二基体相.四种铁粉粒度范围均为25~ 试验参数 值 45μm.还原铁粉为还原法制得，泡沫纤维铁粉为熔 制动盘材料 30CrSiMoVA 融铁液中加入起泡成分后喷雾制成，铁镍合金粉和 摩擦面积/mm2 1875 铁铬合金粉均由熔融合金液喷雾制成.试验所用其 制动惯量/(kgm2) 1 他原料：电解铜粉（粒度45m,纯度99.5%)， 制动载荷/MPa 1.25 Si02(20μm,99.8%),MoS2（2~3um,99.8%),石 摩擦速度/(r*minl) 3000~6200 墨(300um,99%).四种铁粉成分及制备试样成分 分别列于表1和表2. 2结果与讨论 表1铁粉的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Fe powders 2.1微观结构 图1所示为还原铁粉、泡沫纤维铁粉、铁镍合金 铁粉种类 Fe Ni Cr C 粉和铁铬合金粉的微观组织结构.还原铁粉形貌如 还原铁粉 余量 0.013 0.010 0.010 图1(a)所示，粒度较小的铁颗粒相互连结组成铁粉 泡沫纤维铁粉 余量 0.110 0.023 0.014 颗粒，部分位置可见间隙和不完全结合界面.泡沫 铁镍合金粉 余量 5 0.6800.017 0.010 纤维铁粉的原始形貌为疏松的结块纤维状结构 铁铬合金粉余量 65 8.0000.029 0.023 (图1(b)),铁纤维之间留存大量贯通孔隙. 表2样品的成分（质量分数） 图1(c)和1(d)所示分别为铁镍合金粉颗粒的横截 Table 2 Compositions of samples 面结构和铁铬合金粉的形貌，显示两者均为致密的 样品成分 近球状颗粒.四种铁粉的微观形貌存在较大差异， 样品 铁粉种类 Fe Si02MoS2石墨Cu 造成铁粉本身强度的不同，并可能对铜基材料的性 1 还原铁粉 2 14:余量 能产生较大影响. 2 泡沫纤维铁粉 25 2 14 余量 2.2摩擦磨损性能 3 铁镍合金粉 25 14 余量 图2给出了相同试验条件下，四种样品的摩擦 4 铁铬合金粉 25 2 2 14余量 因数随试验转速的变化规律.由图可知，随试验速 度的提高，无论以何种铁粉作为第二相，摩擦因数均 各原料粉末经V型混料机混合均匀后冷压成 呈下降趋势.加入还原铁粉的1号样品摩擦因数较 型，成型压力450MPa,保压时间5min.烧结过程在 低，随摩擦速度的提高，摩擦因数由0.287降至 钟罩式烧结炉中保护气氛下进行，烧结温度950℃， 0.177,出现严重衰退.加入泡沫纤维铁的2号试样 压力3MPa,保温时间3h.采用MM1000-IⅡ型摩擦 摩擦因数最稳定，在3000~6200r·min-的试验范

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 等［17］发现加入铁可以提高材料摩擦因数和耐磨性． 陈洁等［18］研究了铁含量对铜基材料性能的影响，发 现铜基材料中 Fe 质量分数超过 4% 后能提高材料 摩擦因数，含 12% 时还能有效降低磨损量． 但是，目 前对于不同铁粉种类对铜基材料摩擦磨损性能的影 响报道较少． 事实上，作为第二相基体的铁粉其种 类直接关系到铁粉成分、组织和性能，对摩擦材料的 综合性能有重要的影响［19］． 本文分别用还原铁粉、 泡沫纤维铁粉、铁镍合金粉和铁铬合金粉对铜基摩 擦材料进行增强，系统探讨了这四种铁粉对铜基材 料摩擦磨损性能的影响． 1 试验材料和方法 试验采用市售还原铁粉、泡沫纤维铁粉、铁镍合 金粉、铁铬合金粉四种不同铁粉作为铜基粉末冶金 材料中的第二基体相． 四种铁粉粒度范围均为 25 ～ 45 μm． 还原铁粉为还原法制得，泡沫纤维铁粉为熔 融铁液中加入起泡成分后喷雾制成，铁镍合金粉和 铁铬合金粉均由熔融合金液喷雾制成． 试验所用其 他原 料: 电 解 铜 粉 ( 粒 度 45 μm，纯 度 99. 5% ) ， SiO2 ( 20 μm，99. 8% ) ，MoS2 ( 2 ～ 3 μm，99. 8% ) ，石 墨( 300 μm，99% ) ． 四种铁粉成分及制备试样成分 分别列于表 1 和表 2． 表 1 铁粉的化学成分 ( 质量分数) Table 1 Chemical composition of Fe powders % 铁粉种类 Fe Ni Cr C S P 还原铁粉 余量 0. 013 0. 010 0. 010 泡沫纤维铁粉 余量 0. 110 0. 023 0. 014 铁镍合金粉 余量 5 0. 680 0. 017 0. 010 铁铬合金粉 余量 65 8. 000 0. 029 0. 023 表 2 样品的成分( 质量分数) Table 2 Compositions of samples % 样品 铁粉种类 样品成分 Fe SiO2 MoS2 石墨 Cu 1 还原铁粉 25 2 2 14 余量 2 泡沫纤维铁粉 25 2 2 14 余量 3 铁镍合金粉 25 2 2 14 余量 4 铁铬合金粉 25 2 2 14 余量 各原料粉末经 V 型混料机混合均匀后冷压成 型，成型压力 450 MPa，保压时间 5 min． 烧结过程在 钟罩式烧结炉中保护气氛下进行，烧结温度 950 ℃， 压力 3 MPa，保温时间 3 h． 采用 MM1000--II 型摩擦 磨损试验机研究样品摩擦磨损性能． 样品尺寸为 25 mm ×25 mm ×15 mm，对偶盘材料( 30CrSiMoVA) ． 具 体试验条件见表 3． 摩擦磨损试验方法为: 对偶盘转 速达到试验转速后开始制动，直至对偶盘停止、摩擦 副之间不再发生相对滑动时为止，摩擦因数由试验 机自备软件换算自动记录． 待摩擦副温度降至室温 后进行下一次制动，每个速度下的摩擦试验进行五 次． 磨损量通过精度为 0. 0001 g 的电子天平测量同 一转速下五次制动后样品的失重得到． 采用扫描电 子显微镜( SEM) 对样品摩擦后表面进行形貌分析． 利用 MH--6 型显微维氏硬度计测量摩擦膜硬度，载 荷 147 mN，保持压力 15 s，每个试样测试 10 个数据 后取平均值． 表 3 摩擦磨损试验条件 Table 3 Friction test conditions 试验参数 值 制动盘材料 30CrSiMoVA 摩擦面积/mm2 1875 制动惯量/( kg·m2 ) 1 制动载荷/MPa 1. 25 摩擦速度/( r·min － 1 ) 3000 ～ 6200 2 结果与讨论 2. 1 微观结构 图 1 所示为还原铁粉、泡沫纤维铁粉、铁镍合金 粉和铁铬合金粉的微观组织结构． 还原铁粉形貌如 图 1( a) 所示，粒度较小的铁颗粒相互连结组成铁粉 颗粒，部分位置可见间隙和不完全结合界面． 泡沫 纤维铁粉的原始形貌为疏松的结块纤维状结构 ( 图 1( b) ) ，铁纤维之间留存大量贯通孔隙． 图 1( c) 和 1( d) 所示分别为铁镍合金粉颗粒的横截 面结构和铁铬合金粉的形貌，显示两者均为致密的 近球状颗粒． 四种铁粉的微观形貌存在较大差异， 造成铁粉本身强度的不同，并可能对铜基材料的性 能产生较大影响． 2. 2 摩擦磨损性能 图 2 给出了相同试验条件下，四种样品的摩擦 因数随试验转速的变化规律． 由图可知，随试验速 度的提高，无论以何种铁粉作为第二相，摩擦因数均 呈下降趋势． 加入还原铁粉的 1 号样品摩擦因数较 低，随 摩 擦 速 度 的 提 高，摩 擦 因 数 由 0. 287 降 至 0. 177，出现严重衰退． 加入泡沫纤维铁的 2 号试样 摩擦因数最稳定，在 3000 ～ 6200 r·min － 1 的试验范 ·468·

第4期 王晔等：铁粉类型对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响 ·469· b 204m 204m Fe-Cr合金 20μm 20μm 图1四种铁粉的微观形貌.(a)还原铁粉：(b)泡沫纤维铁粉：(c)Fe-Ni合金粉：(d)Fe-Cr合金粉 Fig.1 Microstructures of four kinds of Fe powders:(a)reduced Fe powder:(b)spongy Fe powder:(e)Fe-Ni alloy powder:(d)Fe-Cr alloy pow- der 0.32 铁镍合金粉可以有效减缓铜基材料摩擦因数在高速 0.30 时的衰退.含有铁铬合金粉的4号样品的摩擦因数 也随转速提高而出现较大幅度降低，但其数值始终 0.28 高于1号和3号样品. 0.26 图3所示为四种样品磨损量随试验转速变化的 0.24 规律.除4号样品外，其他三种样品的磨损量均随 0.22 样品1 转速的提高而增加.随转速提高1号样品磨损量的 0.20 ·一样品2 一样品3 增加较少；而2号样品的磨损量迅速增加，在四种样 0.18 样品4 品中的磨损量最大，在高速摩擦时远高于其他三个 0.16 50030003500400045005000550060006500 试样.3号样品的磨损量在摩擦前期与1号样品相 转速rmin 近，转速达到5200r·min-后磨损量迅速增大.4号 图2四种样品摩擦因数随试验转速的变化规律 样品的磨损量随转速的变化幅度很小，在试验范围 Fig.2 Effect of rubbing speed on the friction coefficient of four kinds 内始终低于0.4g,在速度达到4200r"min-1后该样 of specimens 品的磨损量显著低于其他三种样品.磨损量分析表 围内，摩擦因数仅从0.287变化至0.263，波动值不 明，加入泡沫纤维铁的铜基摩擦材料耐磨性较差，而 超过0.024.加入铁镍合金粉的3号样品在速度超 铁铬合金粉的加入则有利于提高铜基摩擦材料的耐 过4200r·min-1后，摩擦因数的降低幅度较小，稳定 磨性. 程度明显增加，转速从4200r·min-1提升至6200r· 2.3磨损表面形貌 min-1,摩擦因数的波动在0.027范围内，表明加入 观察四种样品摩擦试验前后的微观形貌和

第 4 期 王 晔等: 铁粉类型对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响 图 1 四种铁粉的微观形貌． ( a) 还原铁粉; ( b) 泡沫纤维铁粉; ( c) Fe--Ni 合金粉; ( d) Fe--Cr 合金粉 Fig． 1 Microstructures of four kinds of Fe powders: ( a) reduced Fe powder; ( b) spongy Fe powder; ( c) Fe-Ni alloy powder; ( d) Fe-Cr alloy pow￾der 图 2 四种样品摩擦因数随试验转速的变化规律 Fig． 2 Effect of rubbing speed on the friction coefficient of four kinds of specimens 围内，摩擦因数仅从 0. 287 变化至 0. 263，波动值不 超过 0. 024． 加入铁镍合金粉的 3 号样品在速度超 过 4200 r·min － 1 后，摩擦因数的降低幅度较小，稳定 程度明显增加，转速从 4200 r·min － 1 提升至 6200 r· min － 1 ，摩擦因数的波动在 0. 027 范围内，表明加入 铁镍合金粉可以有效减缓铜基材料摩擦因数在高速 时的衰退． 含有铁铬合金粉的 4 号样品的摩擦因数 也随转速提高而出现较大幅度降低，但其数值始终 高于 1 号和 3 号样品． 图 3 所示为四种样品磨损量随试验转速变化的 规律． 除 4 号样品外，其他三种样品的磨损量均随 转速的提高而增加． 随转速提高 1 号样品磨损量的 增加较少; 而 2 号样品的磨损量迅速增加，在四种样 品中的磨损量最大，在高速摩擦时远高于其他三个 试样． 3 号样品的磨损量在摩擦前期与 1 号样品相 近，转速达到 5200 r·min － 1 后磨损量迅速增大． 4 号 样品的磨损量随转速的变化幅度很小，在试验范围 内始终低于 0. 4 g，在速度达到 4200 r·min － 1 后该样 品的磨损量显著低于其他三种样品． 磨损量分析表 明，加入泡沫纤维铁的铜基摩擦材料耐磨性较差，而 铁铬合金粉的加入则有利于提高铜基摩擦材料的耐 磨性． 2. 3 磨损表面形貌 观察四种样品摩擦试验前后的微观形貌和 ·469·

·470· 北京科技大学学报 第36卷 表4基体与摩擦表面膜维氏硬度 4.0 Table 4 Vickers hardness of the substrate and friction film 样品 基体硬度，HV 摩擦膜硬度，HV 30 85.7 476.0 58.4 285.2 2.0 15 J 106.3 680.5 1.0 4 92.0 425.0 表面硬度过低，则材料表面易被硬质磨粒磨损， 250030003500400045005000550060006500 转速r-min- 脱落现象严重，因而2号样品的磨损量在四种样品 图3四种样品磨损量随试验转速的变化规律 中最高.表面硬度过高，则材料太脆，抗接触疲劳磨 Fig.3 Effect of rubbing speed on the wear of four kinds of specimens 损能力也会下降0.因此，在高速摩擦阶段，基体 和表面膜硬度最高的3号样品的磨损量也迅速上 磨损后表面形貌，见图4.如图4(a)所示，加入 升，并高于1号和4号样品，后两者硬度适中，既具 还原铁粉的样品，铁粉在基体中呈破碎颗粒状分 有一定的抗接触疲劳磨损能力，同时又具有一定的 布，且存在一定的不均匀分布.磨损后表面较粗 塑性，使摩擦表面能够迅速磨合，基体能够对表层润 糙，可见大颗粒脱落物分布于摩擦表面，并且摩 滑膜起到较好的承托作用. 擦产生的表面膜上己经产生疲劳裂纹，左侧部分 另外，结合前述原始粉体的微观结构观察发现， 分布着许多小而深的凹坑（图4(b)),样品的磨 泡沫纤维铁粉本身的原始结构也是造成2号样品磨 损机理为疲劳磨损.图4（©）为加入泡沫纤维铁 损严重的原因之一.还原铁粉、铁镍合金粉和铁铬 粉的样品的微观组织，仍可见纤维状的铁组元， 合金粉都是致密的块状或近球状致密颗粒.泡沫纤 该样品磨损主要以疲劳磨损为主，样品表面可见 维铁粉的原始形貌为疏松的结块纤维状结构 较大且较深的裂纹和大块表层脱落复又被碾压 (图1(b)),与结构为致密体的其他三种铁粉相比， 至原表面造成的片层状断口（图4(d)).加入铁 自身的强度较低，因此构成了基体中的薄弱处，成为 镍合金粉末的样品，如图4(e)和4(f)所示.原 应力集中源，促进了裂纹的萌生.在不断经受剪切 始铁组元为近球状颗粒，铁颗粒与基体之间有一 应力的过程中，裂纹发源于材料表层内部的应力集 薄氧化层，阻碍了铁与基体的结合.表面磨损呈 中源，沿平行于表面方向扩展后延伸至表面，并造成 现为以挤压剥落为机理的磨粒磨损20的形貌， 表层材料的脱落，并在载荷作用下再次碾压至表 磨屑在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将 面0.因此该样品的磨损量在四种样品中最高，磨 塑性表面挤压出层片状的剥落碎屑，同时伴有轻 损情况严重.但是，大量脱落的磨屑作为摩擦调节 微的犁沟磨痕.图4(g)和4(h)所示为加入铁铬 剂起到良好的增摩效果，因此2号样品的摩擦因数 合金粉末的样品的原始形貌和磨损形貌.样品磨 最稳定 损表面较为粗糙，可见较宽的犁沟痕迹和细小凸 起，主要以磨粒磨损为主 3结论 2.4基体硬度与摩擦膜表面硬度 (1)随摩擦速度的提高，以还原铁粉增强的 表4列出了四种不同样品基体与摩擦后表面膜 铜基摩擦材料，摩擦因数衰退严重，磨损量增长 的维氏硬度数据.摩擦试验前，基体硬度最高的试 较缓 样为加入铁镍合金粉的3号样品，1号和4号样品 (2)泡沫纤维铁粉因具有独特的结块纤维状结 的硬度也与之较为接近.2号样品中，由于泡沫纤 构，易导致材料中裂纹的产生，材料磨损严重，但摩 维铁中含有大量孔隙而造成基体整体硬度较低.经 擦因数的稳定性最佳，随摩擦转速从3000r·min-1 过摩擦试验后，硬度的高低趋势仍同基体类似.表 提升至6200r·min-1,摩擦因数仅从0.287变化至 面摩擦膜的硬度最高的试样仍是3号样品，达到 0.263,波动值不超过0.024 680.5HV;1号样品表面膜硬度略高于4号样品；2 (3)加入铁镍合金粉可以有效减缓铜基材料摩 号样品的表面膜硬度最低，仅为285.2HV. 擦因数在高速时的衰退，转速从4200r·min-提升

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 3 四种样品磨损量随试验转速的变化规律 Fig． 3 Effect of rubbing speed on the wear of four kinds of specimens 磨损后表面形貌，见图 4． 如 图 4 ( a) 所 示，加 入 还原铁粉的样品，铁粉在基体中呈破碎颗粒状分 布，且存在一定的不均匀分布． 磨损后表面较粗 糙，可见大颗粒脱落物分布于摩擦表面，并且摩 擦产生的表面膜上已经产生疲劳裂纹，左侧部分 分布着许多小而深的凹坑( 图 4 ( b) ) ，样品的磨 损机理为疲劳磨损． 图 4( c) 为加入泡沫纤维铁 粉的样品的微观组织，仍可见纤维状的铁组元， 该样品磨损主要以疲劳磨损为主，样品表面可见 较大且较深的裂纹和大块表层脱落复又被碾 压 至原表面造成的片层 状 断 口( 图 4( d) ) ． 加 入 铁 镍合金粉末的样品，如图 4 ( e) 和 4 ( f) 所 示． 原 始铁组元为近球状颗粒，铁颗粒与基体之间有一 薄氧化层，阻碍了铁与基体的结合． 表面磨损呈 现为以挤压剥落为机理的磨粒磨损［20］ 的 形 貌， 磨屑在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将 塑性表面挤压出层片状的剥落碎屑，同时伴有轻 微的犁沟磨痕． 图 4( g) 和 4( h) 所示为加入铁铬 合金粉末的样品的原始形貌和磨损形貌． 样品磨 损表面较为粗糙，可见较宽的犁沟痕迹和细小凸 起，主要以磨粒磨损为主． 2. 4 基体硬度与摩擦膜表面硬度 表 4 列出了四种不同样品基体与摩擦后表面膜 的维氏硬度数据． 摩擦试验前，基体硬度最高的试 样为加入铁镍合金粉的 3 号样品，1 号和 4 号样品 的硬度也与之较为接近． 2 号样品中，由于泡沫纤 维铁中含有大量孔隙而造成基体整体硬度较低． 经 过摩擦试验后，硬度的高低趋势仍同基体类似． 表 面摩擦膜的硬度最高的试样仍是 3 号样品，达到 680. 5 HV; 1 号样品表面膜硬度略高于 4 号样品; 2 号样品的表面膜硬度最低，仅为 285. 2 HV． 表 4 基体与摩擦表面膜维氏硬度 Table 4 Vickers hardness of the substrate and friction film 样品 基体硬度，HV 摩擦膜硬度，HV 1 85. 7 476. 0 2 58. 4 285. 2 3 106. 3 680. 5 4 92. 0 425. 0 表面硬度过低，则材料表面易被硬质磨粒磨损， 脱落现象严重，因而 2 号样品的磨损量在四种样品 中最高． 表面硬度过高，则材料太脆，抗接触疲劳磨 损能力也会下降［20］． 因此，在高速摩擦阶段，基体 和表面膜硬度最高的 3 号样品的磨损量也迅速上 升，并高于 1 号和 4 号样品，后两者硬度适中，既具 有一定的抗接触疲劳磨损能力，同时又具有一定的 塑性，使摩擦表面能够迅速磨合，基体能够对表层润 滑膜起到较好的承托作用． 另外，结合前述原始粉体的微观结构观察发现， 泡沫纤维铁粉本身的原始结构也是造成 2 号样品磨 损严重的原因之一． 还原铁粉、铁镍合金粉和铁铬 合金粉都是致密的块状或近球状致密颗粒． 泡沫纤 维铁粉的原始形貌为疏松的结块纤维状结构 ( 图 1( b) ) ，与结构为致密体的其他三种铁粉相比， 自身的强度较低，因此构成了基体中的薄弱处，成为 应力集中源，促进了裂纹的萌生． 在不断经受剪切 应力的过程中，裂纹发源于材料表层内部的应力集 中源，沿平行于表面方向扩展后延伸至表面，并造成 表层材料的脱落，并在载荷作用下再次碾压至表 面［20］． 因此该样品的磨损量在四种样品中最高，磨 损情况严重． 但是，大量脱落的磨屑作为摩擦调节 剂起到良好的增摩效果，因此 2 号样品的摩擦因数 最稳定． 3 结论 ( 1) 随摩擦速度的提高，以还原铁粉增强的 铜基摩擦材料，摩擦因数衰退严重，磨损量增长 较缓． ( 2) 泡沫纤维铁粉因具有独特的结块纤维状结 构，易导致材料中裂纹的产生，材料磨损严重，但摩 擦因数的稳定性最佳，随摩擦转速从 3000 r·min － 1 提升至 6200 r·min － 1 ，摩擦因数仅从 0. 287 变化至 0. 263，波动值不超过 0. 024． ( 3) 加入铁镍合金粉可以有效减缓铜基材料摩 擦因数在高速时的衰退，转速从 4200 r·min － 1 提升 ·470·

第4期 王晔等：铁粉类型对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响 ·471· 还原铁粉 2 2 jm Fe-Cr合金粉 2μm 图4加入不同铁粉的样品的微观结构和表面磨损形貌。()还原铁粉样品微观结构：(b)还原铁粉样品磨损表面形貌：()泡沫纤维铁 粉样品微观结构：()泡沫纤维铁粉样品磨损表面形貌：()铁镍合金粉样品微观结构：(D铁镍合金粉样品磨损表面形貌：(g)铁铬合 金粉样品微观结构：()铁铬合金粉样品磨损表面形貌 Fig.4 Microstructures and worn surface morphologies of specimens:(a)polished specimens of reduced Fe powder:(b)specimens of reduced Fe powder,wor surface:(c)polished specimens of spongy Fe powder:(d)specimens of spongy Fe powder,womn surface:(e)polished specimens of Fe-Ni alloy powder:(f)polished specimens of Fe-Ni alloy powder,worn surface:(g)polished specimens of Fe-Cr alloy powder:(h)specimens of Fe-Cr alloy powder,wom surface

第 4 期 王 晔等: 铁粉类型对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响 图 4 加入不同铁粉的样品的微观结构和表面磨损形貌． ( a) 还原铁粉样品微观结构; ( b) 还原铁粉样品磨损表面形貌; ( c) 泡沫纤维铁 粉样品微观结构; ( d) 泡沫纤维铁粉样品磨损表面形貌; ( e) 铁镍合金粉样品微观结构; ( f) 铁镍合金粉样品磨损表面形貌; ( g) 铁铬合 金粉样品微观结构; ( h) 铁铬合金粉样品磨损表面形貌 Fig． 4 Microstructures and worn surface morphologies of specimens: ( a) polished specimens of reduced Fe powder; ( b) specimens of reduced Fe powder，worn surface; ( c) polished specimens of spongy Fe powder; ( d) specimens of spongy Fe powder，worn surface; ( e) polished specimens of Fe-Ni alloy powder; ( f) polished specimens of Fe-Ni alloy powder，worn surface; ( g) polished specimens of Fe-Cr alloy powder; ( h) specimens of Fe-Cr alloy powder，worn surface ·471·

·472 北京科技大学学报 第36卷 至6200rmin-1,摩擦因数的波动在0.027范围内. (刘伯威，樊毅，张金生，等.SiO2和SiC对CuFe基烧结摩 (4)铁铬合金铁粉增强的铜基摩擦材料的摩擦 擦材料性能的影响.中国有色金属学报，2001,11(1)：110) 因数整体较高，磨损量不随摩擦速度提高而增加，试 [12]Liu F.Zhou KZ,LiZ Y.Study of wear-resisting property of PM iron-based materials with high alloying elements content.Mater 验范围内始终低于0.4g,具有良好的抗磨损能力. Sci Technol,2011,19(2):92 (刘芳，周科朝，李志友·高合金铁基粉末治金材料摩擦磨 参考文献 损性能的研究.材料科学与工艺，2011,19(2)：92) [Moustafa S F,El-Badry S A,Sanad A M,et al.Friction and wear [13]Liu S M,Huang B Y,Zeng D L,et al.Effect of alloying meth- of copper-graphite composites made with Cu-coated and uncoated ods on properties of ferrous powders.Power Metall Ind,2002, graphite powders.Wear,2002,253(7/8):699 12(6):26 2]Deshpande P K,Li J H,Lin R Y.Infrared processed Cu compos- (刘世民，黄伯云，曾德麟，等.合金化方法对铁基粉末材料 ites reinforced with WC particles.Mater Sci Eng A,2006, 性能的影响.粉末治金工业，2002,12(6)：26) 429(112):58 [14]Li J,Fan X H,Shi L.Effect of composition on the tribological B]Deshpande P K,Lin R Y.Wear resistance of WC particle rein- properties of FeAl-based composites.Lubr Eng,2011,36(7): forced copper matrix composites and the effect of porosity.Mater 22 Sei Eng A,2006,418(1/2):137 (李静，范小红，石磊.基体成分对F3Al基复合材料摩擦学 4]Kato H,Takama M,Iwai Y.Wear and mechanical properties of 性能的影响.润滑与密封，2011,36(7)：22) sintered copper-tin composites containing graphite or molybdenum 5] Zhong Z G,Deng H J,Li M.Effects of Fe content on friction disul6de.Wear,2003,255(16):573 and wear properties of Cu-ceramet friction materials.J Mater [Uddin S M,Mahmud T,Wolf C,et al.Effect of size and shape of Eng,2002,8:17 metal particles to improve hardness and electrical properties of car- (钟志刚，邓海金，李明.Fe含量对Cu基金属陶瓷摩擦材料 bon nanotube reinforced copper and copper alloy composites.Com- 摩擦磨损性能的影响.材料工程，2002,8：17) pos Sci Technol,2010,70(16):2253 [16]Xiong X,Chen J,Yao PP,et al.Friction and wear behaviors 6]Zhang R,Gao L,Guo J K.Effect of CuzO on the fabrication of and mechanisms of Fe and SiO,in Cu-based P/M friction materi- SiC/Cu nanocomposites using coated particles and conventional als.Wear,2007,262:1182 sintering.Compos Part A,2004,35(11):1301 [17]Yao P P,Xiong X,Yu F.Effect of base on friction surface of Yih P,Chung DD L.Titanium diboride copper-matrix compos- powder metallurgy airplane brake materials.Min Metall Eng, ites.J Mater Sci,1997,32(7)1703 2001,21(1):66 ]Peng LM.Fabrication and properties of TiAlC2 particulates rein- (姚萍屏，熊翔，余峰.基体对粉末治金航空刹车材料摩擦 forced copper composites.Scripta Mater,2007,56:729 面的影响.矿治工程，2001,21(1)：66) Yin Y G.Zheng Z X,Ma S B,et al.Influence of temperature on [18]Chen J,Xiong X,Yao PP,et al.The working of Fe in copper- friction and wear properties of Cu-matrix/graphite self-ubricating based P/M friction material.Pouder Metall Ind,2006,16(4): composite materials.Chin J Nonferrous Met,2004,14 (11): 16 1856 (陈洁，熊翔，姚萍屏，等.F在铜基粉末治金摩擦材料中 (尹延国，郑治祥，马少波，等.温度对铜基自润滑材料减摩 的作用.粉末治金工业，2006,16(4)：16) 耐磨特性的影响.中国有色金属学报，2004,14(11)：1856) [19]Yuan GZ,Peng J X,Yao PP.Effects of total amount and grain [10]Kovalchenko A M,Fushchich O I,Danyluk S.The tribological size of FeB on properties of Fe-Cu based frictional materials.Min properties and mechanism of wear of Cu-based sintered powder Metall Eng,2001,21(4):89 materials containing molybdenum disulfide and molybdenum dise (袁国州，彭剑昕，姚萍屏.硼铁含量和粒度对铁铜基摩擦 lenite under unlubricated sliding against copper.Wear,2012, 材料性能的影响.矿治工程，2001,21(4)：89) 290/291:106 0]Wen S Z,Huang P.Principles of Tribology.3rd Ed.Beijing: 1]Liu B W,Fan Y,Zhang J S,et al.Effect of Si02 and SiC on Tsinghua University Press,2008:305 properties of Cu-Fe matrix sintered friction materials.Chin J (温诗铸，黄平.摩擦学原理.3版.北京：清华大学出版社， Nonferrous Met,2001,11(1)110 2008:305)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 至 6200 r·min － 1 ，摩擦因数的波动在 0. 027 范围内． ( 4) 铁铬合金铁粉增强的铜基摩擦材料的摩擦 因数整体较高，磨损量不随摩擦速度提高而增加，试 验范围内始终低于 0. 4 g，具有良好的抗磨损能力． 参 考 文 献 ［1］ Moustafa S F，El-Badry S A，Sanad A M，et al． Friction and wear of copper-graphite composites made with Cu-coated and uncoated graphite powders． Wear，2002，253( 7 /8) : 699 ［2］ Deshpande P K，Li J H，Lin Ｒ Y． Infrared processed Cu compos￾ites reinforced with WC particles． Mater Sci Eng A，2006， 429( 1 /2) : 58 ［3］ Deshpande P K，Lin Ｒ Y． Wear resistance of WC particle rein￾forced copper matrix composites and the effect of porosity． Mater Sci Eng A，2006，418( 1 /2) : 137 ［4］ Kato H，Takama M，Iwai Y． Wear and mechanical properties of sintered copper-tin composites containing graphite or molybdenum disulfide． Wear，2003，255( 1-6) : 573 ［5］ Uddin S M，Mahmud T，Wolf C，et al． Effect of size and shape of metal particles to improve hardness and electrical properties of car￾bon nanotube reinforced copper and copper alloy composites． Com￾pos Sci Technol，2010，70( 16) : 2253 ［6］ Zhang Ｒ，Gao L，Guo J K． Effect of Cu2 O on the fabrication of SiCp /Cu nanocomposites using coated particles and conventional sintering． Compos Part A，2004，35( 11) : 1301 ［7］ Yih P，Chung D D L． Titanium diboride copper-matrix compos￾ites． J Mater Sci，1997，32( 7) : 1703 ［8］ Peng L M． Fabrication and properties of Ti3AlC2 particulates rein￾forced copper composites． Scripta Mater，2007，56: 729 ［9］ Yin Y G，Zheng Z X，Ma S B，et al． Influence of temperature on friction and wear properties of Cu-matrix /graphite self-lubricating composite materials． Chin J Nonferrous Met，2004，14 ( 11 ) : 1856 ( 尹延国，郑治祥，马少波，等． 温度对铜基自润滑材料减摩 耐磨特性的影响． 中国有色金属学报，2004，14( 11) : 1856) ［10］ Kovalchenko A M，Fushchich O I，Danyluk S． The tribological properties and mechanism of wear of Cu-based sintered powder materials containing molybdenum disulfide and molybdenum dise￾lenite under unlubricated sliding against copper． Wear，2012， 290 /291: 106 ［11］ Liu B W，Fan Y，Zhang J S，et al． Effect of SiO2 and SiC on properties of Cu-Fe matrix sintered friction materials． Chin J Nonferrous Met，2001，11( 1) : 110 ( 刘伯威，樊毅，张金生，等． SiO2 和 SiC 对 Cu-Fe 基烧结摩 擦材料性能的影响． 中国有色金属学报，2001，11( 1) : 110) ［12］ Liu F，Zhou K Z，Li Z Y． Study of wear-resisting property of PM iron-based materials with high alloying elements content． Mater Sci Technol，2011，19( 2) : 92 ( 刘芳，周科朝，李志友． 高合金铁基粉末冶金材料摩擦磨 损性能的研究． 材料科学与工艺，2011，19( 2) : 92) ［13］ Liu S M，Huang B Y，Zeng D L，et al． Effect of alloying meth￾ods on properties of ferrous powders． Power Metall Ind，2002， 12( 6) : 26 ( 刘世民，黄伯云，曾德麟，等． 合金化方法对铁基粉末材料 性能的影响． 粉末冶金工业，2002，12( 6) : 26) ［14］ Li J，Fan X H，Shi L． Effect of composition on the tribological properties of Fe3Al-based composites． Lubr Eng，2011，36( 7) : 22 ( 李静，范小红，石磊． 基体成分对 Fe3Al 基复合材料摩擦学 性能的影响． 润滑与密封，2011，36( 7) : 22) ［15］ Zhong Z G，Deng H J，Li M． Effects of Fe content on friction and wear properties of Cu-ceramet friction materials． J Mater Eng，2002，8: 17 ( 钟志刚，邓海金，李明． Fe 含量对 Cu 基金属陶瓷摩擦材料 摩擦磨损性能的影响． 材料工程，2002，8: 17) ［16］ Xiong X，Chen J，Yao P P，et al． Friction and wear behaviors and mechanisms of Fe and SiO2 in Cu-based P /M friction materi￾als． Wear，2007，262: 1182 ［17］ Yao P P，Xiong X，Yu F． Effect of base on friction surface of powder metallurgy airplane brake materials． Min Metall Eng， 2001，21( 1) : 66 ( 姚萍屏，熊翔，余峰． 基体对粉末冶金航空刹车材料摩擦 面的影响． 矿冶工程，2001，21( 1) : 66) ［18］ Chen J，Xiong X，Yao P P，et al． The working of Fe in copper￾based P /M friction material． Powder Metall Ind，2006，16( 4) : 16 ( 陈洁，熊翔，姚萍屏，等． Fe 在铜基粉末冶金摩擦材料中 的作用． 粉末冶金工业，2006，16( 4) : 16) ［19］ Yuan G Z，Peng J X，Yao P P． Effects of total amount and grain size of FeB on properties of Fe-Cu based frictional materials． Min Metall Eng，2001，21( 4) : 89 ( 袁国州，彭剑昕，姚萍屏． 硼铁含量和粒度对铁铜基摩擦 材料性能的影响． 矿冶工程，2001，21( 4) : 89) ［20］ Wen S Z，Huang P． Principles of Tribology． 3rd Ed． Beijing: Tsinghua University Press，2008: 305 ( 温诗铸，黄平． 摩擦学原理． 3 版． 北京: 清华大学出版社， 2008: 305) ·472·