目前，全世界为应对能源需求日益增加，资源日益减少的问题，大力发展清洁能源。2020年，中国政府也提出了2030年的碳达峰、2060年碳中和的宏伟目标。而风能作为一种无污染、可再生的新能源，技术成熟，成本较低，商业潜力巨大。计划到2030年，太阳能、风电发电总装机量达到12亿千瓦以上。风电联轴器作为是风力发电机组中制动系统的关键部件，用于连接发电机轴和齿轮箱，通常包括扭矩限制器、胀紧套、弹性元件、中间传动轴，具有传递扭矩、防止过载的作用[1]。而扭矩限制器广泛用于风电机组，其核心部件摩擦片好坏将决定扭矩限制器打滑过程中，防止过载、传递扭矩的性能。
图1 风电联轴器示意图
常见的风电联轴器用摩擦片为树脂基摩擦材料，存在高温摩擦系数热衰退和热磨损问题，一般温度超过 300℃就会出现性能衰退。而粉末冶金方法制备的铜基摩擦材料，适用于较高温度下的制动与传动工况条件，具有摩擦系数稳定，导热性好，强度高、磨损小的特点。风力发电设备要求在户外长期稳定运行，需要面对复杂的风变载荷考验，而高性能铜基粉末冶金摩擦摩擦片优异的性能，可有效提高风电机组的运行时间，降低修修成本，是风电联轴器的理想选择。目前风电联轴器用高性能铜基粉末冶金摩擦片基本采用进口件，相关报道几乎没有。因此风电联轴器用高性能铜基粉末冶金摩擦片研制工作，对于风电机组有重要意义。
1． 成分选择
通过采用粉末冶金烧结技术，获得一种配方合理、工艺简单、成本可控，在使用工况下摩擦系数稳定，性能良好的铜基粉末冶金摩擦片。选用合金铜粉为基体，锡粉作为基体强化组元，石墨等作为润滑组元、铁合金粉等作为摩擦组元，原材料要求见表1。该摩擦材料具有摩擦系数稳定、导热性良好、较好的耐磨性和抗粘接性能。
表1 原材料技术要求
2． 试验方法
铜基粉末冶金摩擦片制造的主要工艺流程如图2所示，根据铜基摩擦片结构特点，采用压坯与经表面处理后的钢背同时加压烧结，制成铜基烧结片，性能检测后机加工得到最终摩擦片。
图2 铜基粉末冶金摩擦片工艺流程图
按表2的成分配比称取粉末，手工预混后，将混合料置于滚动混料器混合均匀；采用冷压成形工艺，压力200~400Mpa，得到压坯；压坯连同钢背置于以保护气氛的钟罩式加压烧结炉中，进行加压烧结，烧结温度为820~880℃，压力为1.5MPa~3.00MPa，保温2~4小时，保温完毕后将试样水冷至100℃以下出炉。
表2 铜基摩擦材料的化学组成 wt%
将摩擦片加工成10mm×10mm×10mm：①电子天平上测量重量，计算密度：②布氏硬度机检测烧结材料硬度；③蔡司Axio Scope A1型金相显微镜观察材料的显微组织；
将摩擦片加工成φ64mm×φ53mm×10mm：在MM3000型摩擦磨损实验机进行摩擦磨损试验，对偶材料选用Q345。
3． 结果分析
3.1不同烧结保温压力对材料致密化的影响
图3 不同烧结压力下摩擦材料密度变化曲线
图3为保温温度850℃时，不同保温压力摩擦材料的密度变化曲线。由图可知，当保温压力从1.5MPa增至2.4MPa时，试样密度随烧结压力的增加而增大，继续增大至2.7 MPa，材料密度略有降低，说明随着保温压力的提高，材料密度逐渐升高，且当保温压力为2.4MPa时，材料密度到达峰值。表明在2.4MPa的烧结压力，材料已经充分烧结，致密度高。
图4 不同烧结压力下材料的显微组织
（a）1.8MPa; (b) 2.1MPa ;( c) 2.4MPa ;( d) 2.7MPa
对不同保温压力下摩擦材料的显微组织进行分析。由图4（a）可知，当烧结压力1.8MPa时，基体内存在较多的间隙，各组元并未联结成整体，空隙较大，说明在此烧结压力下合金化尚未完全，基体中不同组元的界面上还存在较多的孔隙。当烧结压力提高至2.1MPa、2.4MPa时，基体内各组元之间间隙减小，材料致密度明显提高。有文献报道[2]：压力在粉末冶金摩擦材料烧结过程中，可以提高原子的扩散系数，同时会限制体积膨胀，提高产品孔致密度。随着压力的提高，不同组元的原子克服晶格畸变能力提高，扩散运动加快，合金化程度提高，组元间界面消失，孔隙度减小，材料致密度提高。但随着压力增大到2.7MPa，材料致密度无明显变化。说明在保温温度850℃下，保温压力2.4MPa时，材料相互之间已充分反应，无需继续增大压力。
2.2微量元素锡对硬度的影响
图5 不同锡含量对硬度变化曲线
图5为不同锡含量条件下材料硬度变化曲线。由图5可知，当微量元素锡粉质量百分数由0%增至4%时，材料硬度显著提高，不含锡含量，材料硬度42.7HBW，当增加至4%时，材料硬度增加到58HBW，锡对铜基粉末冶金材料的硬度影响显著。造成该现象可归因于铜-锡相图，在720~760℃温度区间，铜锡α固溶体中锡百分含量最大可达15%，因此，在铜基粉末冶金材料中加入一定量的锡粉，起固溶强化作用，可有效强化基体和提高硬度。但过量的锡粉会生成游离的锡，变成润滑组元，降低性能[3]。
2.3摩擦磨损性能分析
为研究风电联轴器中摩擦片性能，参考风电实际的工况，设计耐疲劳打滑测试。试验过程全程保持压力恒定，通过调节电机转动时间控制转动打滑角度。设计单次打滑60°，进行100000°打滑疲劳测试，试验过程分为预磨和试验两个阶段。预摩阶段进行6~12圈，确认摩擦系数稳定后进入试验阶段，否则继续进行磨合。在相同条件下，可认为摩擦系数变化就是力矩变化情况，因此试验过程中记录不同转动角度摩擦系数的变化趋势，即代表力矩变化，试验结果如表3所示。研制的铜基粉末冶金摩擦片系数为0.18~0.22，系数波动±10%，波动情况如图7所示；而进口件在相同试验条件下，摩擦系数为0.15~0.19，系数波动±11.7%，研制的铜基粉末冶金摩擦片摩擦性能优于进口件。同时研制件摩擦系数的增加，可以提高扭矩限制器的打滑阀值，提升风电联轴器过载保护能力。
表3 耐疲劳摩擦试验摩擦系数结果
图6 疲劳试验摩擦系数曲线
图6为研制的铜基粉末业金摩擦片100000°疲劳试验摩擦系数曲线，从图中可看出，经过预磨合后，试验前期，摩擦曲线缓慢上升，到达20000°之后，摩擦系数基本稳定在0.20以上。摩擦试验开始到预磨合完成，按照摩擦学粘经典的附理论，摩擦力来自于分子接触的粘结力，摩擦力的大小与接触面积成正比。磨合阶段，材料表面粗糙度高，接触面积小，造成摩擦系数小。随着试验进行，接触面积增大，初期材料表面脱落的硬质颗粒，在压力作用下，会形成小的犁沟，此时摩擦力来自于表面的机械咬合和分子力，摩擦系数上升。当试验不断进行，材料表面的金属由于积累的热量作用，在空气中的会形成稳定的氧化膜，由于氧化膜是非稳态的易变形，对硬质颗粒有一定包覆性，同时具有自适应性，促进摩擦系数趋于稳定，同时降低磨损[4]。
4． 结论
1、通过选用合金铜粉为基体，锡粉作为基体强化组元，石墨、二硫化钼作为润滑组元、铁合金粉作为摩擦组，采用加压烧结工艺制备的铜基粉末冶金摩擦片，具有摩擦系数稳定，导热性好，强度高、磨损小的特点。
2、在850℃保温压力条件下，烧结压力2.4MPa时，铜基粉末冶金摩擦片可达到最大致密度，合金化程度高。
3、锡含量对于铜基粉末冶金摩擦材料的性能由于铜-锡相图，有固溶强化作用。
3、通过对研制的铜基粉末冶金摩擦片进行耐疲劳打滑试验，摩擦性能优于进口件。
参考文献：
[1]王亚平，顾笑然,等.风电联轴器的结构类型及技术特点[J].机械工程师.2014,11（72-74）.
[2]盛洪超，姚萍屏,等.烧结压力对铜基粉末冶金航空刹车材料的影响[J].润滑与密封.2006，11:（44-49）.
[3]孙忠刚, 高 飞,等.锡对粉末冶金铜基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J].润滑与密封.2014， 12:（29-33）.
[4]费多尔钦科И M. 现代摩擦材料[M]. 徐润泽. 北京: 冶金工业出版社, 1983.
