1 前言
金属陶瓷摩擦材料是一种含有金属和非金属多种组分的金属基复合材料，即以金属为基体，加入润滑组元和摩擦组元均匀混合后压制成型而成。金属陶瓷摩擦材料具有高而稳定的摩擦系数、良好的导热和耐磨性以及足够的机械强度，避免了传统的有机基摩擦材料的“三热”问题(即热衰退、热膨胀、热磨损)。为此，研制开发了重载汽车用金属陶瓷离合器片。
2 试验方法
试验材料为铜基金属陶瓷摩擦材料，基体组元Cu的含量为50%～80%，此外含有用以调节摩擦磨损性能的润滑组元石墨和摩擦组元SiO2以及强化Cu基体的合金元素等多种组分。
在试验工作的准备中，严格按照金属陶瓷离合器片的成分配比把粉末料混合，在5kg的混料筒中混合后使用。对混合料进行均匀性化学分析后，压制成型，与钢背粘结在一起，放入烧结炉内烧结。并按技术要求把试样加工成外75mm、内53mm的摩擦试验环，对偶采用铸铁件。采用MM-1000摩擦试验机进行摩擦磨损试验，试验条件为转动惯量0.2kg·m2，转速4200r/min（相当于14m/s），试验比压分别为0.4MPa和0.6MPa。分别进行10次试验后计算摩擦系数，并测量磨损量。金属陶瓷离合器片的技术要求为：摩擦系数不小于0.35，材料磨损不大于0.045mm/10次，对偶磨损不大于0.005mm/10次。
3 结果与讨论
3.1 压制成型
压制成型是将一定重量或体积的粉末混合料置于压模内，在一定压力及保压时间下，密实成具有与产品相适应的给定尺寸及形状的坯块的一道工序。压坯的形状及除厚度外的全部尺寸均与产品基本相同，压坯的厚度尺寸为产品的厚度加上压制后序工序所必需的余量。
压制压力应能保障压坯具有合适的密度和强度，保证在转入下一道工序时不被破坏，从而确保烧结后产品具有适宜的孔隙度、强度和硬度等。因此，压制压力的大小也就成为压制成型的关键因素。
试验采用98、147、196、245、294、343、392、441、490MPa共9个压力，并对不同压力下的试样进行密度测定，压坯密度曲线见图1。
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图1 压制压力与压坯密度的关系
从图1可以看出，压坯密度随压制压力的增大而升高，并渐趋平缓。在试验过程中，98MPa和147MPa的试样强度不够，较为疏松，机械强度低，不利于压坯的工序周转，且密度太低时，加压烧结尺寸稳定性差，烧结后易造成“鼓腰”。而压力太大时，脱模后易造成压坯分层，易出现微裂纹。压制压力过高，还会对模具造成一定损坏。随着压力的增大，密度增大愈来愈缓慢，因此生产过程中也不需要太大压力。
从生产过程的经济性考虑，结合对压制设备的要求，压制压力以196～343MPa为好。为了更好地选定压制压力，需测试其最终的摩擦磨损性能。在860℃温度和1.47MPa烧结压力下，于烧结炉中对不同压制压力下的压坯进行了烧结，测试其摩擦磨损性能。性能数据如表1所示。
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表1 不同压制压力下的摩擦磨损性能 mm/10次
由表1中数据可以看出：压制压力对产品性能有一定影响。在低压下（98、147MPa），材料的摩擦系数较低，刹车时间较长。而在压制压力大于196MPa时，材料性能基本无变化。这是由于压制压力太低时，压坯强度低，烧结后的材料密度不够，最终产品的强度太低，导致产品的性能下降。
综合表1和图1可以看出压制压力选择为196~343MPa的范围是合理的。从压坯的周转需要和压坯密度的选择，并考虑到对压制设备的要求，综合考虑其技术性和经济性，最佳压制压力取值为245MPa。
3.2 烧结工艺
金属陶瓷摩擦材料的烧结是在保护气氛下，于一定温度、一定压力及一定时间内在烧结炉中完成的。在烧结过程中，材料被密实，离合器片的摩擦材料被烧结在钢背上。
烧结过程的主要工艺参数有：烧结温度、烧结压力，对这两个参数的最佳值需经过试验来确定。
3.2.1 烧结温度T烧结 一般按照混合料中成分最多的基体粉末的熔点温度确定。金属陶瓷离合器片采用铜做基体，所以计算它的烧结温度T烧结一般是绝对熔点温度的2/3～4/5，即：T烧结约为722～ 866℃。
考虑到金属陶瓷中的不熔物较多，烧结温度取为840、850、860、870℃（烧结压力为1.47MPa，烧结时间3h）。不同烧结温度下产品的摩擦磨损性能见表2。
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表2 不同烧结温度下产品的摩擦磨损性能 mm/10次
表2数据表明，烧结温度对产品的最终性能有很大影响。温度在一定的范围内改变时，性能都能满足生产需要。840℃烧结时，试样的摩擦性能较差，因为温度过低，烧结过程所发生的各种致密化行为无法充分进行，使产品的性能达不到要求，造成产品“欠烧”。因此烧结温度不宜太低。烧结温度过高时，会增大烧结炉的投资和影响生产效率，因此应在满足产品性能的前提下，合理选择烧结温度。经过大量试验，确定产品的烧结温度为850～870℃。
3.2.2 烧结压力的选择 一般说来，孔隙度对摩擦材料的摩擦与磨损性能有较大的影响。摩擦材料的多孔性表面可被看作粗糙表面，当其孔隙和对偶表面的凸峰相互作用时，对摩擦副的摩擦系数和耐磨性有相当大的影响。孔隙度较大时，材料的强度降低，颗粒间的联结减弱，摩擦时的磨损增大。因此，每一种材料都有一最佳孔隙度。金属陶瓷摩擦材料的孔隙度与烧结压力密切相关，烧结压力越大，孔隙度就会越小。烧结压力主要是通过改变材料的孔隙度来影响其摩擦磨损性能。某种铜基摩擦材料的烧结压力对其性能的影响见图2。
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图2 烧结压力对铜基摩擦材料性能的影响
在生产离合器片时，摩擦材料层与钢背的联结质量也随着烧结时压力的提高而改善，烧结压力过小，会造成摩擦材料从钢背上脱落下来。
试验采用烧结时间固定不变和不同烧结压力(0.98、1.47、1.96、2.45、2.94MPa，烧结温度固定为860℃)下的烧结参数试验，结果见表3。
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表3 不同烧结压力下产品的摩擦磨损性能 mm/10次
从表3可以看出，在相同的烧结温度和烧结时间条件下，低烧结压力（0.98MPa）导致产品的摩擦系数明显较低，当烧结压力为1.47～2.94MPa时产品的摩擦磨损性能均能满足技术要求。
从生产过程看，烧结压力越大，则必然对生产设备（如烧结箱体及加压装置等）的材料性能提高技术要求，同时对设备的损坏程度也越大，导致产品成本增加。因此烧结压力选择为1.47～1.96MPa。
4 结论
通过对金属陶瓷离合器片生产工艺进行研究，确定重载汽车离合器片的最佳生产工艺参数为：采用多阶式混粉工艺，达到配方设计中不同组元之间的最佳烧结效果, 其压制和烧结工艺选择为：
压制压力245MPa；
烧结温度（860 ± 10）℃；
烧结保温压力1.47～1.96MPa；
烧结保温时间3h。
