石墨在铜基粉末冶金摩擦材料中的发展和应用

铸铁基摩擦材料、粉末冶金磨擦材料以及碳/碳复 合摩擦材料等，都被用于制造列车制动闸片。粉末冶 金工艺制得的材料具有优良的综合性能和经济性，因而 被广泛用于高速列车制动闸片的制造。铜基粉末冶金 摩擦材料，主 要 是 由 基 体、摩擦组元和润滑组元组成。 基体主要决定了摩擦材料的力学性能，对材料的耐磨性 能、导热性能产生主要的影响，常用的基体有铜基、铁基 等;摩擦组元主要是为了弥补由于润滑组元的添加而导 致的低摩擦因数并提高耐磨性;润滑组元主要起润滑作 用，以减少材料的磨损，提高材料的抗粘结能力。 我国的 石 墨 资 源 丰 富，储 量 居 全 球 第 二 位。 石墨的抗剪切强度低，层与层之间容易滑移，具有很好 的润滑性能。石墨因为自身独特的结构、优良的性能以 及经济性，可作为润滑组元被广泛应用于铜基粉末冶金 摩擦材料。本课题综述了石墨作为润滑组元所具有的 物理化学性质对材料不同性能的影响，以及含石墨的摩 擦材料制备工艺的改变对铜基粉末冶金摩擦材料性能 的影响。

石墨理化性质对摩擦材料性能的影响石墨作为润滑组元通常分布在摩擦材料的表面和内部。在 摩 擦 材 料 中，C 在 Cu中的 溶 解 度 非 常 低，它们之间结合力 较 差，但 Cu具有良好的塑性变形能力，因此存在于材料内部的石墨会被挤出表面，被挤出的石墨与原本基体表面存在的石墨共同涂敷在摩擦表面，从而增加了摩擦表面的石墨覆盖面积。粘附在摩擦表面的石墨颗粒受到剪切力作用，其内部容易在各层之间断裂，从而起到润滑作用，降低摩擦因数和磨损率。

1.1 石墨类型对材料性能的影响

张发厅、陈帮军等研究了鳞片石墨和致密墨对铜基粉末冶金摩擦材料摩擦性能的影响，发现鳞片石墨比致密石墨有更加明显的层状结构，鳞片石墨表面积要大于致密石墨，当片状的鳞片石墨分布在摩擦材料基体中时，对摩擦材料导热性的影响比添加致密石墨要好;陈军等比较了鳞片石墨和人造石墨对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响，发现人造石墨大多以游离状态存在于材料中，削弱了基体的强度，因此采用鳞片石墨的摩擦材料的磨损率要低于采用人造石墨的摩擦材料;王晔[17]研究发现，与添加单一种类石墨相 比，在 含有鳞片石墨的试样中继续添加人造石墨，可提高摩擦材料的硬度、抗弯强度，但一定程度上会降低孔隙率。原因是鳞片石墨自身的片状结构相较于其他形状的表面积更大，相互之间接触为面接触，从而使得鳞片石墨之间孔隙减少。但是仅添加鳞片石墨会使得孔隙率过低，产生尖锐的噪音，所以在含有鳞片石墨的试样中继续添加人造石墨，既保证了摩擦材料的力学性能，又不会得到过低的孔隙率。WANGJX 等、KARZO V 等[19]研究了在铜基粉末冶金摩擦材料中添加膨胀石墨对摩擦磨损性能的影响，发现在摩擦材料中加入膨胀石墨后，试样的摩擦因数和磨损率随着膨胀石墨含量的增加呈现出先快速下降后平缓上升的趋势。添加膨胀石墨试样的摩擦因数和磨损率比添加鳞片石墨试样的低，并且添加适量的膨胀石墨会使得试样的抗弯强度得到提升。增加膨胀石墨的含量，摩擦材料在滑动摩擦时表面会形成富有石墨的机械混 合 层，会减小摩擦材料之间的直接接触面积，摩擦因数随之减小;但当机械混合层厚度达到一定时，材料会产生磨料磨损，摩擦因数又随磨料磨损的加剧而升高。

1.2 石墨粒度对材料性能的影响

目前，对石墨粒度的研究主要集中在两个方面，一方面是对微米级石墨粉末的研究，另一方面是对纳米级石墨粉末的研究。杜明在研究石墨粒度对摩擦材料性能的影响时发现，随着石墨粒度的变大，在平行于压制方向上石墨呈细长的带状分布，试样的密度和硬度表现为先上升再下降，而试样的摩擦因数和磨损率却先下降后上升的趋势。黎凯强等研究了不同粒度的镀 Cu石墨粉 对 摩擦材料性能的影响，发现镀 Cu石墨颗粒的粒度对材料的抗弯强度、电阻率及耐磨性等方面都有影响。石墨颗粒越大，材料的抗弯强度越好，电阻率也越大。当石墨含量超过一定值时，过多的石墨颗粒会导致材料的孔隙率增大，材料承受外力的有效横截面积会减少，材料的强度降低。相反，石墨颗粒越大，则材料中的石墨会在摩擦过程中不断向摩擦表面提供润滑介质，在摩擦表面形成稳定的润滑膜，因此磨损率降低、润滑效果好。合适的粒度，既能填补基体上存在的孔隙，又能使覆盖在石墨上的基体不易脱落，保持摩擦表面光滑平整，从而得到良好的摩擦磨损材料。此外，纳米级石墨颗粒在摩擦学中的应用同样受到了广泛关注。VAROLT 等、CHEN T H研究了纳米级石墨粉末对材料摩擦性能的影响。发现纳米石墨颗粒在基体中的分布有两种方式，一种是在晶界之间分布，另一种则是团聚分布在 Cu基体中。纳米石墨颗粒的团聚率随石墨颗粒含量的增加而增加，从而导致孔隙率增加，其烧结性能变坏，密度和硬度也会下降。但是，在基体材料中加入纳米级的石墨颗粒，可提高摩擦材料的润滑性能，使其摩擦表面变得更光滑，摩擦表面无明显的犁沟和划痕，耐磨性得到提高，降低了摩擦材料的磨损量。制备工艺对铜基摩擦材料性能的影响对于采用粉末冶金法制备的摩擦材料而言，主要的工艺为混料、压 制 和 烧 结，而 粉 料 的 配 比、压 制 时 的 压力、烧结时的温度等参数，最终都会影响到摩擦试样的性能。

2.1 复压、复烧对材料性能的影响
       尹延国研究了含石墨材料加工工艺中压制和烧结过程对粉末冶金摩擦材料的影响。第 1 次 压 力 为300～500MPa，压坯经300～400 ℃预氧化2h，然后在830～880℃下烧结2h，随后以600～800MPa压力，经750～820 ℃压制 和 烧 结。经过复压复烧工艺后，摩 擦材料没有明 显 的 孔 隙，并且石墨颗粒均匀分布在基体中。最后得到的摩擦材料，在致密度、硬度、压溃强度等性能上都有大幅提高。摩擦材料中如果存在过多的孔隙，则会破坏材料基体的连续性，对材料进行二次压制，可以减少摩擦材料中第1次压制后存在的孔隙，有效地提升摩擦材料的致密度。摩擦材料中不同组分在进行烧结时，是一种不同颗粒间发生扩散和合金均匀化的过程，石墨和 Cu粉颗粒之间化学性质及物理性能差异较大，所以石墨的存在会阻碍基体铜粉之间的扩散和合金均匀化过程，导致烧结后的摩擦材料中石墨与其他成分结合不牢，而对摩擦材料进行二次烧结，则会加剧颗粒间的扩散运动，消除摩擦材料中的孔洞，使得石墨与其他成分之间结合得更加紧密牢固。
      2.2 成型压力对材料性能的影响
     姜许等、刘建秀等研究了不同的成型压力对摩擦材料性能的影响。发现随着成型压力不断增大，摩擦材料内部颗粒会发生位移填充四周孔隙，摩擦材料的孔隙率随之降低。原先无序分布、表面宽大的石墨颗粒会逐渐变得窄长，呈层状分布垂直于压制方向，Cu基体的连续性 也 随 之 得 到 提 高。随着压制压力增大，试样的摩擦因数、硬度和密度先增加后减小然后再上升。

3 应用展望

目前，越来越多的研究者试图用新方法改变石墨的形态，以达到改进材料性能的目的。高纯度石墨、石墨烯、碳纳米管等一系列石墨的衍生品不断被研究，并试图加入粉末冶金材料中。在材料制备过程中，精准控制石墨在基体中的分散与排列，消除团聚现象，使得材料性能更加均匀，是未来研究的重要方面。此外，改进烧结方式，增加石 墨 与 Cu基体 的 界 面 结 合 强 度，使 得 摩擦材料的物理性能更好也是研究热点。伴随着列车运行速度的提高，对制动闸片性能的要求也更高。越来越多的新材料作为润滑组元应用于制备摩擦材料中，但益于石墨的诸多优点，在相当一段时期内它仍然是制动闸片中作为润滑组元的主要材料。