（重庆理工大学 重庆 巴南）
摘 要：在铜基粉末冶金材料中添加合金元素可以显著改善材料的性能特别是摩擦性能，烧结含合金元素的Cu-PM材料是一种有发展前景的粉末冶金材料，如添加Al、Cr、Ni等元素。本文综述了合金元素对铜基粉末冶金材料的性能和组织结构等的影响，总结了到目前为止相关领域的结论和进展，并讨论了Cu-PM材料生产现状和发展趋势。 关键词：合金元素；Cu-PM；应用；进展
1 引言
铜基粉末冶金摩擦材料是以铜粉为主要成分,此外含有润滑组元石墨和摩擦组元陶瓷颗粒以及强化铜基体的合金元素等多种组分。其最早出现于1929年,材料是含少量的铅、锡和石墨的铜基合金。铜基粉末冶金摩擦材料在飞机、汽车、船舶、工程机械等刹车装置上的应用发展较快,使用较成熟是在70年代之后。前苏联于1941年后成功地研制了一批铜基摩擦材料,广泛应用于汽车和拖拉机上。美国对铜基摩擦材料的研究也较多,主要是致力于基体强化,从而提高
材料的高温强度和耐磨性。二十世纪初,铜基摩擦材料大多用在干摩擦条件下工作,五十年代以后,大约75%的铜基摩擦材料,均在润滑条件下工作。这些摩擦材料都是以青铜为基,以锌、铝、镍、铁等元素强化基体。由于合金元素在铜基粉末冶金材料中的良好作用，国内很多单位及个人展开了相关方面的工作并发表了论文及成果。本文就国内含合金元素的铜基粉末冶金材料的相关研究进行了论述。
2 Cu-PM材料生产现状及国内外对比
纯铜粉末主要用电解法和雾化法生产。
电解法是借助电流的作用, 使电解液中的铜离子在阴极析出成粉的制粉过程。用电解法生产的铜粉呈表面积发达的树枝状、纯度高、压制性能优良, 是纯铜粉末的主要生产方法。相关文献表中数字表明, 我国的铜及铜基合金粉末的产量和用量与欧美等国家差距很大, 这从一个侧面说明我国铜粉生产与应用还具有十分广阔的开发空间。电解铜粉与国外产品相比, 主要差距在于:(1)产品的规格少。(2)粉末的抗氧化性不足, 国外电解铜粉可以保存一年甚至数年都不氧化变, 而国内铜粉保存期一般不超过半年。
雾化法是借助于高压气流或水流介质的冲击作用将液态铜或其合金粉碎成粉末的工艺过程。所产生的纯铜粉末为近球形, 松装密度大, 流动性好, 但压制性能较差, 用量不及电解铜粉。由于雾化法生产成本低、效率高、对环境污染小, 是一个很有发展潜力的生产方法。
我国的铜基合金粉末的应用以粉末冶金零件为主,与国外相比主要存在两个方面的不足：(1)在新产品的开发能力方面。如美国青铜粉末公司开发了无铅可切削黄铜粉末,已形成Cu-10Zn、Cu-20Zn 、Cu-30Zn 三个牌号;而且国外大公司除完全合金化的粉末外, 还普遍开发部分合金化粉末和预混合粉末, 为不同的产品和用户提供特定的粉末, 以提高产品性能, 降低生产成本, 而我国在这方面还是空白。(2)特种铜基粉末的研制和生产能力不足。特种铜基粉末一般指非结构材料中应用的铜合金粉末。这类粉末对合金的成分、纯度、粒度、粒形均有着较高的要求, 如热喷涂、钎焊、化工等领域应用的铜基粉末。目前这些高性能粉末主要是由高等学校和研究院进行研制和小批量生产试制, 还未形成成熟的牌号和批量生产能力。而且部分特殊性能的粉末还需依靠进口。
3 合金元素添加对Cu-PM材料影响进展
3.1 Al元素在Cu-PM材料中的应用
综合相关文献可知，材料的显微组织有新相生成，基体组织得到细化且晶粒分布均匀，材料整体性能得到提高。其中，黄建龙等[1]关于Al元素含量对Cu-PM材料性能的影响研究中发现在Cu-PM材料中添加铝元素后，材料的密度、孔隙度和抗压强度、摩擦因数降低，硬度和线膨胀率增加，而磨损率明显降低，同时随着Al含量的增加，材料的密度、孔隙度、抗压强度逐渐降低，线膨胀率呈上升趋势，磨损率明显降低，而摩擦因数变化不明显。杨明关于Al、Zr元素含量对Fe-18Cu-PM材料组织和性能影响的硕士论文[2]中发现，Al元素的添加量为 0%～3%，添加Al后材料的显微组织有AlCu4
新相生成，且随着Al含量的增加，其力学性能不断提高(含铝 2%时材料的力学性能最佳),材料的摩擦因数随Al含量和转速的增加先上升后下降,在 Al量为2%时，在中高转速下摩擦材料的表面出现薄的氧化膜，这些氧化膜薄较薄且致密，在Al含量为3%时，在高转速下材料由于摩擦热的产生在表面形成氧化膜较厚，且易剥落，剥落后的氧化以磨粒的形式存在，材料的磨损以粘着和犁削为主。
3.2 Cr元素在Cu-PM材料中的应用
铬是改善铜基摩擦材料摩擦磨损性能的一个重要组元，以Cr或Cr-Fe取代传统材料中的陶瓷相作为硬质相(即摩擦组元)制备铜基粉末冶金摩擦材料，可改善硬质相与基体间的结合状态从而使摩擦系数和磨损量降低。大连交通大学房顺利的学位论文[3]成果表明，铜基摩擦材料中添加铬元素有利于提高材料的硬度和致密度，且随铬含量的增加,材料的摩擦系数降低、耐磨性增加，而摩擦系数随着摩擦压力的增大整体降低,铬含量较高时,随着压力的增加,摩擦系数的降低幅度变小，磨损量随压力增加而增加,且对于铬含量较少的材料比较明显。赵翔[4]等人的研究结论为用Cr-Fe取代传统铜基粉末冶金摩擦材料中的陶瓷摩擦组元，可有效改善硬质相与基体间的结合状态，摩擦过程中硬质颗粒不易脱落,同时可改变传统摩擦材料的摩擦因数随速度提高而降低的特性，摩擦因数随转速提高呈先降低后增加的趋势，从整体上看，以 Cr-Fe为摩擦组元的摩擦材料相对于以 Al2O3为摩擦组元的材料，其摩擦因数提高12%-27%，摩擦因数稳定性提高 10%-20%，线磨损量降低20%-70%。同时以 Al2O3为摩擦组元的材料，在7000 r/min转速下摩擦后磨损表面存在脱落掉块的现象，而以Cr-Fe为摩擦组元的摩擦材料的摩擦面平整，形成的氧化膜致密、无明显脱落掉块现象。
3.3 Fe元素在Cu-PM材料中的应用
由相关文献可知，粉末冶金摩擦材料中经常加入铁粉，或作为基体组元，或作为摩擦组元，或是与基体组元合金化。钟志刚等人[5]研究了Fe含量对Cu基金属陶瓷摩擦材料的摩擦磨损性能的影响，发现随Fe含量从5%增至35%, Cu基金属陶瓷摩擦材料的硬度基本呈线性增加，但 Fe对摩擦系数的提高是有限的。Fe含量的增加导致了Cu基金属陶瓷摩擦材料的耐磨性降低,并且当Fe含量大于20%时,材料的磨损性急剧降低。从摩擦磨损综合性能考虑, Fe粉可以部分替代Cu粉用以制造Cu基金属陶瓷摩擦材料,但Fe粉含量不应超过20%。陈洁等人[6] 发现Fe在铜基航空摩擦材料中起摩擦组元的作用,当Fe含量超过4%后能提高材料的摩擦系数,并且随Fe含量的增加,材料摩擦系数不断增加。低转速摩擦条件下,Fe组元起磨粒作用,使磨损量增大,降低了摩擦材料的耐磨性能。但在高速摩擦条件下,随摩擦面温度的升高,Fe参与摩擦面氧化膜工作层的形成,从而降低了磨损量,提高了材料的耐磨性。对比Fe和SiO2的作用[7]，Fe、SiO2都能提高材料的硬度,但加入SiO倾听生命的呢喃2第十一届全国运动会开幕式降低了材料的密度。Fe、SiO2都可作为摩擦组元,但二者增摩效果不同，摩擦速度较低时SiO2能较大地提高摩擦因数,却增加了材料的磨损量;摩擦速度较高时,因表面工作膜的形成,SiO2提高摩擦因数的作用较小,磨损量也较少。Fe虽然对摩擦因数的提高作用不显著,但能有效地增加材料的耐磨性。不同转速条件下,加Fe材料的摩擦因数和磨损量的变化都较加入SiO2的材料要小。Fe、SiO2在
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摩擦过程中的作用机理不同,它们对材料摩擦性能的影响与本身的性质、与基体的结合能力以及表面形成的工作膜等因素有关。沈红娟的硕士学位论文[8]中得出了Fe在铜基粉末冶金材料中的作用，随着铁含量升高，磨损率增大，摩擦系数在低速时增大，高速时减小。铁含量为5%左右时摩擦材料的性能最好，具有较低的磨损率和较高的摩擦系数，且摩擦系数和磨损率稳定。对铁含量 5%的试样外加铁粉，摩擦系数在低速度时(小于2000r/min)几乎不变，在较高速度时减小。干湿摩擦相比，湿摩擦的磨损率大于干摩擦。
3.4 其他元素在Cu-PM材料中的应用
姚萍屏等人关于合金元素锌/镍对铜基粉末冶金刹车材料的影响[9]的研究发现，铜基粉末冶金刹车材料中加入少量的Zn能提高材料的摩擦因数,降低材料的磨损量,但Zn含量过多则反而会降低材料的摩擦磨损性能。Zn溶入基体,对基体起到了固溶强化作用。高转速摩擦条件下,Zn能提高材料的耐磨性能。而加入少量的Ni能提高材料的摩擦因数和耐磨性能，Ni在基体中起到了固溶强化作用和细晶强化作用,改善了材料的显微结构和物理性能,从而提高了材料的摩擦磨损性能。但Zn、Ni含量不宜过高,加Ni比加Zn更有利于提高材料的综合性能。由文献[2]可知，添加Zr 后材料基体显微组织有 FeZr3新相生成，材料的组织晶粒细化，孔隙
率下降，随着Zr含量的增加材料的抗压强度先上升后下降，材料的摩擦系数总体趋势呈先下降后上升的趋势。在 500r/min 的转速下材料摩擦划痕也显著小于不含Zr的材料，材料主要以磨粒磨损为主。材料在中速1500r/min转速下有第三体生成，含锆材料的由于基体组织完善，材料主要以氧化磨损为主，并掺杂少量磨粒磨损。在高速3000r/min下，材料磨损以氧化磨损和磨粒磨损及疲劳磨损为主。赵翔等人[11]的研究表明Al2O3颗粒表面镀铜能使烧结后的铜基粉末冶金摩擦材料Al2O3-Fe-Sn-C/Cu的力学性能有所改善，布氏硬度增加了12%，弹性模量提高了约7%。Al2O3颗粒镀铜使铜基粉末冶金摩擦材料Al2O3supercapture-Fe-Sn-C/Cu的摩擦磨损性能提高，摩擦系数提高了5%-10%，摩擦系数稳定性提高了13%-23%，线磨损量降低了20%-50%。Al2O3镀铜能使摩擦材料Al2O3-Fe-Sn-C/Cu在摩擦过程中于摩擦表面形成致密的氧化膜，且不易出现脱落掉块现象。
4 Cu-PM材料研究前景及效益
4.1 研究前景
铜基粉末冶金研究显示,由于材料的用途不同,配方的侧重点也有很大的差异,材料的力学性能也不同,这似乎暗示影响摩擦材料性能的因素很多。目前,理论研究的结论很少,比如材料
的动态性能,高温疲劳性能分析,刹车的热机动态藕合等等,都是一些值得研究的问题。材料应用的条件不同则可能表现出不同的性能(比如被动围压),今后研究铜基粉末冶金摩擦材料可从以下几个方面考虑:
(l)摩擦时产生振动的原因分析。
琼斯矩阵(2)刹车时摩擦材料中的热应力测量,磨损测量等。
(3)具有减震层的摩擦材料的抗震和除噪研究。
(4)摩擦材料的高温冲击及冲击磨损性能研究。
(5)材料在高速刹车时抗冲击性的1:l试验研究等。
(6)摩擦材料冲击疲劳过程中的微观形变。
4.2 铜基粉末冶金材料效益
4.2.1经济效益(内容数据由郑州车辆北段技术设备科提供)
经估算,每吨铜基粉末冶金闸瓦的生产成本为1.3万元,每件闸瓦重SKg,成本价约40元左右。目前列车所用高磷铸铁闸瓦每件售价30元左右,复合材料闸瓦每件售价65元左右,由于铜基粉末冶金闸瓦性能优越,建议每件售价90元,即每吨售价为1.8万元。全国消耗闸瓦达5亿元以上。对中型粉末冶金厂,按年产850吨(约17万件)铜基粉末冶金闸瓦的生产能力计算,则:
铜基粉末冶金摩擦材料高温疲劳磨损和冲击性能研究年产值=年产量x售价=850x1.8=1530(万元)
年利润=年产量x(售价-成本价)=805x(1.8-1.3)=25(万元)
利润率=（利润/成本）x100%=425/（850x1.3）=38%
摩擦片的需求:每根轮轴上装有个制动盘,每个制动盘有2个闸片,每节车有4根轮轴,所以每节车上需用这种闸片32块,每片售价50元,一片的重量大约3Kg,即每吨售价为1.7万元。仍按年产850吨,则年产值为1445万元,年利润为340万元,利润率为31%。
4.2.2社会效益
铜基粉末冶金闸瓦寿命为高磷铸铁的4倍左右,消耗850吨闸瓦(约17万件)所用资金为1530万元,相当于消耗68万件(17万件x4)高磷铸铁闸瓦,所需资金为2040万元(68万件x30元/件)。因此年产850吨铜基粉末冶金闸瓦可为国家节约资金510万元(2040万元一1530万元)。若用铜基粉末冶金闸瓦/闸片,每件闸瓦/闸片寿命约为一年。这些闸瓦/闸片若全用铜基粉末冶金闸瓦代替,每年为我国节约的资金数目是非常庞大的。另外,采用铜基粉末冶金闸瓦,由于更换次数大大减少,可省去列车检修人员的大量工作,节省列车维修时间,其间接经济效益也很可观。
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