摩擦材料工艺设计课件

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1、第五章 摩擦材料工艺设计,前言,当我们设计完摩擦材料成分后，还要按照一定的工艺把摩擦材料加工成型。本章还是以烧结摩擦材料为例，对摩擦材料的工艺设计进行讲述。 制造烧结摩擦材料的基本原则是要使其中金属基体和添加剂相配合。金属基体具有必要的强度、耐磨性、耐热强度和塑性等性能，加入的添加剂是为了达到所需要的摩擦系数值，防止粘结并使摩擦系数稳定。因此，烧结摩擦材料是由金属和非金属粉末组成的的复合物。材料中非金属的体积往往达到50-60%。高的非金属含量降低了金属基体的强度，恶化了粉末的压制性，要求烧结时施加压力。由于烧结摩擦材料性脆，所以生产的制品有时加有强度高的钢背，摩擦层烧结在钢背的一面或两面上。

2、,制造摩擦制品工艺的基本工序,粉末和支承钢背的准备； 混合料组分的混合； 摩擦制品坯块的压制； 制品在保护气体中加压烧结及产品最后加工(磨削，切槽等)精整等。,1 粉末特性,1.1 粒度 原料的粒度组成不仅影响摩擦材料的物理-机械性能和使用性能，而且也影响材料成形的工艺性能。 基体粉末粒度：一般认为，细颗粒基体粉末具有大的表面能，大的晶格畸变，因而烧结中具有高的活性。细金属粉末压制时接触表面大，烧结中扩散速度高，收缩量大，因此用细金属粉末生产的制品具有较高的强度。 添加剂粉末粒度：存在一个最佳范围，如果粒度小于或大于此粒度范围，则磨损增大。 摩擦剂粒度：存在一个最佳范围，太细的摩擦剂颗粒将使材

3、料的强度降低，并失去其摩擦性能；太粗的颗粒容易从基体剥离下来，易造成磨粒磨损的磨损状态，反而增大工件的磨损。而且，在选择摩擦剂形状方面，一般认为尖角形的为佳。,1.2 粉末的补充处理,1.2.1 还原退火 在准备摩擦材料的粉末原料时，通常注意的重要因素之一是粉末的纯度含氧量。因此，铁粉或铜粉在混料前常常要在氢气或其它还原性气体中进行补充还原。 粉末的含氧量主要决定于粉末的制造方法。电解铜粉和镍粉的含氧量不超过O.5%，还原铁粉的含氧量达1.5-2%甚至更高。在摩擦制品生产中，对含氧量在1%以下的铁粉，及含氧量在0.2%以下的铜粉和镍粉，通常不必进行还原退火。上述含氧量对于粉末工艺性能(压缩性、

4、成形性、松装密度)和生产的零件性能没有很大的影响。 大多使用连续式或间歇式的电炉来还原金属粉末。也可用竖式烧结炉，专用还原炉等其它炉子。 还原粉末料层的高度不应超过40-50毫米。高于这一厚度则要求延长保温时间，因料层过厚将使还原气体进入粉末底层发生困难。 金属粉末的还原工艺随不金属粉末、粉末原始状态及 对还原粉末的要求而定。铁粉还原温度为600-700，镍粉还原温度为600-700，铜粉还原温度为400-450。 为防止粉末氧化，有时将金属粉术加以特别处理。例如，用疏水剂或稳定剂加以处理。使用稳定剂能防止粉末颗粒表面吸附水分。可大大提高电解铜粉的抗腐蚀性和抗氧比性。,1.2.2 干燥 干燥的

5、基本作用在于减少粉末中水分含量，使粉末容易过筛。基本上只对非金属粉末(摩擦剂、石墨、硫酸钡)或锡和铅进行干燥。通常在干燥箱中，不用保护气体，温度120-150，有时180进行干燥。被干燥的粉末装入盘中，装料厚度选50毫米，在上述温度下保持2-3小时。干燥过程中要对粉末加以翻动。,1.2.3 煅烧 本工序的基本任务是排除非金属组分的晶间和晶内的水分。对摩擦剂(二氧化硅，氧化铝，蓝晶石，硅线石等矿物质，石棉等)要进行煅烧。有时为去掉杂质、重晶石也要进行煅烧。煅烧通常在空气中于一定温度下进行。例如，石棉的煅烧温度为950-1000或1100，氧化铝的煅烧温度为1300，重晶石(预先用浮选法精选)的煅

6、烧温度为700等。煅烧时间1-3小时，可以用任何结构炉子。,1.2.4 过筛 为了获得规定粒度组成的粉末，可将粉末通过一定尺度的筛子过筛。筛下粉末用来准备配料。筛上粉末可进一步研磨。粉末的粒度由每配料组分要求确定。为了分出和使用某一粒级的粉末，可将粉末二次过筛或同时经二级蹄筛子过筛，生产中经常对摩擦剂进行这样的筛分，以防止细颗粒扮末进入配料中。配料中采用通过第一个筛子和留在第二个筛子上的粒级粉末。,2 混合料的制备,目的：主要是为了得到混合均匀的原料，混合料中各组分均匀分布保证了粉末片几何尺寸的稳定，同时也保证得到具有均匀组织和同一而稳定的物理-机械性能和使用性能的摩擦产品。 松装密度：表征混

7、合料均匀度最敏感的指标为松装密度，它是在规定条件下粉末自由填充单位容积的质量，它随混合均匀度增加而增大，并达到给定成分的常数值。 混合设备：锥形混料机、螺旋及离心混料机、球磨机及搅动式混料机等混料设备。 装粉量：建议不超过其容积的1/3。 混合时间：通过试验来确定，并取决于采用的混合设备的类型和材料的成分。 在某些情况下为强化粉末混合过程采用了研磨体（金属和瓷的球、圆棒等)。但是使用研磨体会引起金属粉末加工硬化及颗粒的球化，从而降低粉末的压制性。此外，还可能使粉末，首先是非金属组分的颗粒磨碎，这在某些情况下是不希望的。,2.1 混料均匀度测试方法,用化学分析或光谱分析方法测定混料机中不同部位的

8、混合料成分。 测定松装密度。 金相分析法。 测量压坯的高度。根据压坯高度-混合时间图上确定的压坯高度，确定混合的结束时间。 测量烧结材料的密度以及复压前后试样高度与混合时间的关系。这一关系曲线的形态与混合料松装密度的变化相似。,2.2 组分含量确定方法,为了得到给定化学成分的制品，不仅要使加入其中的各组分均匀混合，还必须正确选定它们的数量。为此，要进行配料计算。完成配料计算需要以下原始资料：制品规定的各组分百分含量；每一组分在生产各工序中最大可能的损失百分率；总配料量。 根据以下考虑，计算出混合料各组分的百分含量。对无固定损失的组分，通常按烧结制品化学成分中该组分的平均百分含量取用。对有固定损

9、失的组分，混合料中的百分含量这样计算：取该组分在最终化学成分中的最低百分含量和该组分最大可能的损失率。根据这些数值就能确定，各组分在混合料中应加的数量是多少(百分率)，以便在已知的最大损失率的情况下，仍能在产品中得到该成分规定的最低含量。,2.3 其它添加剂,为防止混合料的偏析和减少混料机卸料及压模装料时的粉尘飞扬，也为了有利于压制作业，往混合料中加入专门的润滑剂。通常用作润滑剂的有：矿物油，硬脂酸锌，硬脂酸锂，十二醇及硬脂酸酒精溶液，加入的数量为0.05-0.2%。有时建议在混料机加入添加组分以前，将油加到基体金属粉末中，使其颗粒表面覆上薄层润滑剂。在某些情况下，往混合料中加入数量为配料量1

10、%的汽油。 如果摩檫材料采用通过挤压嘴的粉浆挤压方法生产时，混合料中要加入增塑剂，这些增塑剂在烧结中可以排除。如在制造铜基摩擦材料时，采用了硅有机树脂作增塑剂，它在烧结中可分解。 制备好的混合料一般保存在密闭料桶中。有时料桶中还放置包有硅胶的小布袋以便防潮。混合料保存期限通常都在相应的工艺说明书或卡片上说明。,3 支撑钢背的准备,用途： 烧结摩擦材料具有高的耐磨性，由于磨损速度小，摩擦零件粉末层厚度不超过0.5-5毫米。含有大量非金属成分的材料，强度不够高，特别在受到冲击负荷时。因此，在制造这样厚度的零件时，一定要用强度好的金属底垫加强。通常使用具有相应尺寸和形状的钢背作为零件的加强元件。,钢

11、背与粉末片的结合方法： 锡焊或银焊，但这种方法在摩擦零件工作过程的温度下，保证不了足够的结合强度； 直接接合法，但粘结质量并不稳定。 防氧化法：使粉末压坯与钢背的成形和结合均在防止粉末片孔隙吸附氧化蒸汽或气体的条件下实现。用这种方法时要求控制工作场所的气氛， 加热粉末片法：目的是排除吸附的气体或蒸汽并实行烧结(如果压块未曾烧结时），以防止粉末片与钢背接合之前氧化蒸汽或气体进入它们中间。 防止支承钢背氧化和腐蚀法：让与粉末片相接合的钢背表面镀覆一层保护金属薄膜，薄膜通常采用电镀的方法，可用铜、镍、银。,4 压制工艺,为了将粉末混合料制造成为给定形状及尺寸的制品，粉末混合料须在压模内进行压制。经过

12、压制可得到考虑了后继工序(烧结，机加工）余量的并与成品相适应的给定尺寸和形状的压坯。在压制过程中，模腔内的粉末总是趋向于向各个方向流动，但又受到模壁的阻碍。对阴模模壁便产生粉末的侧压力，由于粉末颗粒内摩擦的缘故，侧压力只等于所施加的压制压力的几分之一。粉末颗粒与模壁之间的摩擦，导致在整个压坯高度上的压力降低，结果使压坯各部分粉末压制密度不均匀。,压制过程：,按三个基本阶段进行： 使粉末颗粒作相对移动引起密度增大； 粉末颗粒变形，以及由于颗粒表面氧化薄膜破坏颗粒间金属接触的增加； 颗粒内部某些个别区域的变形、强化(加工硬化)。 脱模压力为压制压力的20-35% 压制效果：是根据诸如压制密度(孔隙

13、度)和机械强度等性能来判断，所使用压制压力越大，密度也就越大，而密度又直接影响压件的强度性能。 铁基铜基,压坯强度： 取决于粉料组分，颗粒形状，金属颗粒的表面大小及状态。孔隙度越低，颗粒形状越复杂，颗粒表面越清洁，粉末分散度越大，非金属成分越低，其压坯强度就越大。,4.1 工艺流程,流程：制备给定成分的粉料压制平的粉末片(环状的或弧形的)将粉末片与支承钢背组装在一起加压烧结烧结粉末片的机加工(磨、切螺旋的或径向的油槽等)。 优点：压模简单，工艺设备简单 缺点：压制过程生产率低，压机每压一次只生产一块粉末件；手工叠装粉末片与钢背劳动强度大，生产率也低，由于压件机械强度低，所以叠装粉末片与钢背的过

14、程不可能机械化；钢背必须进行研磨；支承钢背与粉末片容易发生位移，很难避免废品；大量的摩擦片材料浪费在为机加工留的余量上(达80-100%)；在加工烧结好的制品中，工具磨损很大；机加工过程的劳动强度大。,流程：本方法与上述方法的不同之处在于所压制出的不是平的而是工作面有螺旋油槽的粉末片，压制是在具有专门模冲的压模中进行的。在某些情况下，烧结后要进行重压，从而得到所必需的摩擦层厚度及油槽最终的几何形状。 优点：不需要摩擦盘粉末层的机加工，从而也就不存在与加工有关的缺点； 缺点：前述方法的头五个缺点该方法还是有的。此外，由于带油槽的压件强度低，压制、运输和叠装时的废品率高，用此方珐实际上不可能制造大

15、型粉末片(大于300毫米者）。,流程：配制粉料，压制平的粉末片，将粉末片与研磨过的钢背组装起来，加压烧结并同时靠钢制油槽工艺环在粉末片上冲压成油槽。 优点：在进行烧结摩擦盘的同时冲压粉末片上油槽的方法实际上可免去粉末片的机加工，此外，用这种方法所制得的摩擦盘在许多情况下其耐磨性远大于其油槽是靠机加工完成的摩擦的耐磨性。 缺点：这个方法也不能消除前两种工艺方案所谈到的头五个缺点。除上述缺点外还应当指出的是，用来制造油槽工艺环的耐热钢的消耗且大；现有钢的耐热强度低，这就使工艺环的几何形状会发生变化，从而冲压油槽工艺环用的耐热钢必须经常更换(烧结15-20次)；复杂形状的工艺环的机加工劳动强度大。,

16、流程：摩擦材料混合粉料要压在支承钢背上(一面或两面)，在加压烧结后，进行粉末片的机加工。 优点：生产率高(压机每压一次生产两个粉末片)，粉末片与钢背的叠装得到了简化，消除了压制层相对钢背的位移， 缺点：仍然保留了与粉末片机加工有关的一些缺点。此外，将粉末片压制在支承钢背上只能用于比较小的零件。当摩擦盘的尺寸大于200毫米时，零件制造过程复杂，同时也恶化了劳动条件。,流程：使该方法时，粉末片从两面压到支承钢背上的同时形成油槽，随后加压烧结并采用平的中间垫环； 优点：生产率高，不存在上述方法所固有的缺点，在大规模生产的情况下可大大地降低零件的生产成本。用这种方法制造的零件实际上不需要机加工。流程V的另一优越性是可以直接使用没有研磨的支承钢背； 缺点：该方法的缺点是压模结构比较复杂，而且支承钢背要进行两层电镀(镀铜和镀锡)。,4.2 压模类型,压模结构取决于制造摩擦制品的工艺流程、制品的形状及尺寸、压机及称料装置的类型、生产连续性及某些其他因素。根据一系列的特征，压模可按下列方式分类： 按使用特点可分为固定压模和可拆压模；按粉末充填模腔的原则可