湿式铜基摩擦材料的磨损图研究

谭慧强,姚萍屏,赵 林,肖叶龙,贡太敏,周海滨,左晓婷

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083)

自1987 年Lim[1]构建以钢铁为研究对象的第1 张磨损图以来,学者们构建了以合金、陶瓷、涂层等为研究对象的不同材料磨损图[2−4],通过磨损图研究,可直观、全面地展现材料在特定试验条件下的摩擦磨损特性及磨损机理转变等[5−6]。湿式铜基摩擦材料作为1种研究成熟的摩擦材料,广泛应用于汽车、军用车辆、工程机械的离合器与制动器的摩擦副中[7−8]。以往的湿式铜基摩擦材料研究主要集中在材料配方与性能分析等方面。近年来越来越注重摩擦磨损理论的系统化研究,研究方法的标准化、内容的系统化及试验工况的复杂化成为摩擦学研究的重要发展趋势,但至今没有关于湿式铜基摩擦材料磨损图的研究。为建立湿式铜基摩擦材料的摩擦磨损数据库,以达到评估和预测该材料摩擦学性能的目的,构建其磨损图具有重要意义。

本文作者运用模拟试验相似性原理[9],模拟摩擦副的实际工况条件,研究湿式铜基摩擦材料在模拟工况条件下的摩擦因数、磨损率及磨损机理,建立该材料的磨损图,通过对磨损图的分析,了解材料在不同工况条件下的摩擦特征及磨损机理转变趋势,为预估湿式铜基摩擦材料在实际应用中的摩擦学性能提供可行的研究方法和可靠的数据参考。

1 实验

1.1 实验材料

摩擦材料的原料配比列于表1。以电解铜粉为基体,加入锡粉等基体强化组元,添加石墨粉作为润滑组元、SiO2粉末为摩擦组元,通过加压烧结制备湿式铜基摩擦材料,并加工成外径和内径分别为67 mm和61 mm的摩擦试环。材料表面粗糙度Ra=1.2μm,表面硬度为15.0～18.0HB。对偶材料为30CrMnSiVA 合金结构钢,表面粗糙度Ra=1.6μm,表面硬度为35.0～39.0 HRC。

表1 摩擦材料的原料配比Table 1 Formulation of wet copper-based friction material(mass fraction,%)

图1所示为湿式铜基摩擦材料的微观结构。由图1(a)可见摩擦层表面石墨呈团状分布；从图1(b)看出材料中石墨含量很高且分布较均匀,成条状。两者显微组织的差异是由于试样在制备过程中加压方向不同所致,石墨更易在垂直于压力方向的面上移动。材料中石墨含量较高,石墨与铜基体的结合强度较低,导致材料的硬度、抗压强度等偏低,但高石墨含量使摩擦副表面更易形成润滑层,提高摩擦材料的耐磨性。摩擦副材料的抗压强度、断裂强度等基本力学性能及热导率、热膨胀系数等基本热学参数很大程度上决定摩擦副的摩擦磨损性能。

1.2 实验方法

利用MM-1000 摩擦磨损试验机进行湿式铜基摩擦副在模拟实际工况条件下的缩比试验。选用长城CD15W-40 柴油机油为润滑油,油温50～80℃,流量为20 mL/(min·cm2)。摩擦磨损试验参数包括：线速度4.0～25.0 m/s,载荷1～3 MPa,转动惯量0.98 N·m2。试验前后,将试样清洗干净并烘干,用螺旋测微计测量试样的尺寸,计算线性磨损率。

图1 摩擦材料的表面(a)与截面(b)的微观结构Fig.1 Microstructures of wet copper-based friction material

借助MeF3A型金相显微镜观察试样的显微组织；采用Jeol 公司生产的JSM-5600LV型扫描电镜(SEM)观察摩擦表面和磨屑的形貌。

2 结果与分析

2.1 相似性试验分析

磨损图的建立应以工程数据为依托。在工程试验技术中,以实际试件作为研究对象的试验称为原型试验或1:1 试验,但试件加工困难、试验成本高,故一般用缩比试件代替实际试件进行试验[10],而缩比试验不能完全模拟试件的实际工况,需要对缩比试验的试验参数和结果进行相似性分析和处理,使缩比试验的结果能较好地反映试件的实际摩擦磨损情况。

按照几何学相似、动力学相似等相似原则,确定摩擦材料缩比试验模拟准则为：摩擦副的结构形式及材质与实际试件一致,几何尺寸具有比例关系；制动初速度相等；摩擦面单位载荷相等；摩擦材料单位面积承担的滑摩功相等。

在MM-1000 摩擦磨损试验机上进行模拟实际工况的缩比试验(scaling test),试环外径和内径分别为67 mm和61 mm,试验参数为制动初速度20 m/s、载荷1 MPa、能量密度1500 J/cm2。将缩比试验结果与北方车辆研究所离合器1:1 台架试验结果(试环外径和内径分别为520 mm和470 mm,试验参数一致)进行对比。1:1 台架试验和缩比试验的摩擦因数曲线如图2所示。

图2 缩比试验与1:1 台架试验的摩擦因数对比Fig.2 Comparison of friction coefficients of scaling test and 1:1 dynamometer test

由图2可看出,随制动次数增加,摩擦因数都略有下降。1:1 台架试验的摩擦因数曲线更加平稳,在前50 次试验中,缩比试验的摩擦因数与1:1 试验很接近,但前者起伏较大,后50 次试验,二者的摩擦因数变化趋势几乎一致,相似常数为0.90。因此在选取相似试验的试验次数时,以80～100 次为宜。构建磨损图时,缩比试验数据需要根据相似常数进行修正。

2.2 摩擦因数分析

研究摩擦因数的变化及其影响因素,对了解材料的摩擦磨损过程具有重要意义。图3所示为摩擦因数随制动初速度的变化曲线。在相同载荷下,随制动速度增大,摩擦因数上升。当载荷为1 MPa、制动速度由7.7 m/s 增大到20.1 m/s时,摩擦因数由0.062 增加到0.092,增加48.4%；载荷从1 MPa 增加到2 MPa时,摩擦因数由0.078 增加到0.099,增加26.9%。摩擦因数呈非线性增加,随制动速度增大,摩擦因数的增加速率逐渐减小。

根据边界润滑理论[11],摩擦力F可表示为

式中：A为滑动面之间的真实接触面积；aW是固体接触面积Am占真实接触面积A的百分比,aW=Am/A；τS和τL分别是固体和流体表面剪切强度,τS>τL；FP为犁沟效应产生的阻力。

图3 摩擦因数随载荷和制动初速度的变化Fig.3 Variations of friction coefficients with sliding velocity at loads

随制动速度增大,摩擦副吸收的能量增加,导致摩擦副表面温度升高,一方面致使润滑油的温度升高,另一方面使材料的弹性模量减小。润滑油温度升高,润滑性能变差,当温度过高时,油膜发生局部碳化,从而使液固接触面积减小,固−固接触面积Am相应增大；材料弹性模量减小使摩擦表面更加容易产生塑性变形,从而使固−固接触面积Am增大。因此由式(1)可知,随制动速度增大,摩擦副的摩擦因数增加。当速度过高时,摩擦副表面离心力很大,不容易形成连续油膜,从而使犁沟效应增加,导致摩擦因数增加。

随载荷增加,摩擦因数增大。其原因主要是载荷改变摩擦副接触面积的大小和油膜厚度,随载荷增大,润滑油被挤出,油膜厚度降低,基体的塑性变形增加,使表面微凸体的接触面积和数量都增加,从而使摩擦因数增大。

2.3 磨损图的建立与分析

图4所示为摩擦材料的磨损率随工况条件的变化图。由图可知,在制动初速度和载荷很低时,磨损量很小,检测不出磨损率；随制动初速度和载荷增加,磨损率逐渐增加。

通过对不同工况下磨损机理的分析,根据线性磨损率W的大小,构建图5所示湿式铜基摩擦材料在模拟实际工况条件下的磨损图。磨损图可划分为3个区域,即轻微磨损区(I 区,W<10−5mm/次)、过渡区(II区,10−510−4mm/次),分别对应图4中的Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区。

图4 磨损率随制动初速度和载荷的变化图Fig.4 The distribution map of wear rate with sliding velocity and load

轻微磨损区的磨损率很小,在油润滑工况下,几乎检测不出磨损量。此区域内的典型磨损表面如图6(a1)所示,摩擦表面很光滑,犁沟很少且浅,边缘平整；磨屑如图6(a2)所示,为不规则形状的细小磨屑。在此工况条件下,摩擦机理以微犁削和塑性变形为主。因为在较小制动初速度和较小载荷的工况条件下,单位制动功率较低,且润滑状态良好,因此摩擦材料的磨损很小。铜基摩擦材料的弹性模量较低,且随温度升高而逐渐下降,因此摩擦表面容易发生塑性变形。随着制动初速度和载荷增加,摩擦表面所受应力增加,当应力超过材料的弹性极限时,摩擦表面产生塑性变形,塑性变形基本不会产生磨损,但塑性变形一方面使摩擦材料产生表面硬化,另一方面由于材料各组分的塑性变形量不同而在摩擦次表面产生残余应力,这两方面因素的综合作用会加剧摩擦材料的摩擦磨损。

图5 湿式铜基摩擦材料的磨损图Fig.5 Wear mechanism map of wet copper-based friction material

图6 磨损表面及磨屑的微观形貌Fig.6 Micro-morphologies of the wear surface and debris

轻微磨损向严重磨损转变的过渡区域的主导磨损机理为磨料磨损。表面的典型磨损形貌如图6(b1)所示,表面犁沟很多,呈平行连续状；典型磨屑为犁沟效应产生的条状磨屑(见图6(b2)),磨屑一面较光滑,一面呈平行纹路的褶皱状,光滑一面为基体原表面,褶皱状条纹是硬质相切削基体产生的典型形貌。相较于轻微磨损区,此区域的摩擦表面的表面硬化程度增加,硬质突起或第三体与硬化表面的接触由弹性接触转变为刚性接触,犁削作用加剧。

严重磨损区的磨损率较大(W>10−4mm/次),磨损机制以疲劳磨损为主导。磨损表面粗糙,微裂纹较多,犁沟深且不连续,边缘不平整(见图6(c1))；磨屑很多,以片状磨屑为主(参见图6(c2)),并有少许残留在磨损表面上。相较于Ⅱ区,Ⅲ区除了犁削效应影响外,疲劳磨损占据主导,犁沟的不连续和边缘不平整都是由于疲劳磨损导致的材料脱落所造成。随制动初速度与载荷增加,摩擦表面的润滑条件变差,次表面的残余应力不断集中。摩擦副在反复加载过程中次表面的孔隙或两相交界处极易产生疲劳裂纹,随着试验进行裂纹逐渐扩展至材料表面,导致局部材料从基体脱落。犁削效应的加剧和润滑油的“尖劈效应”[11]都会加快表面裂纹的扩展,从而加剧疲劳磨损程度,加快局部材料从基体表面脱落,使磨损率增加。由于Cu的塑性较好,较易形成尺寸较大的片状磨屑,大片状磨屑从基体脱落后,一部分以第三体形式受到再次磨损,形成细小片状或层状堆叠磨屑。另外,由于润滑状态下降,少量磨屑不能随润滑油快速从摩擦表面排出,被反复研磨压紧而残留在摩擦表面。

3 结论

1)在制动初速度7～21 m/s 范围内,随速度增加,湿式铜基摩擦副的摩擦因数呈非线性增大,增大速率逐渐减小。相同制动初速度条件下,随载荷由1 MPa 增加到2 MPa,摩擦因数增大。

2)在低制动初速或低载荷工况条件下,铜基湿式摩擦材料的磨损机理主要为塑性变形和显微犁削,线性磨损率W<10−5mm/次；随制动能量增加,磨料磨损逐渐成为主导磨损机理,10−510−4mm/次。

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