摩擦面温度对铁基摩擦材料摩擦磨损性能影响机理的研究

第22卷第4期 2004年8月 粉末冶金技术 Powder Metallurgy Technokly Vo1．22，No．4 Aug．2004 摩擦面温度对铁基摩擦材料摩擦磨损 性能影响机理的研究 陈 洁 熊 翔 姚萍屏 彭剑昕 (中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083) 摘 要： 研究了摩擦过程中摩擦面温度对铁基粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的影响机理。研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，随 着摩擦速度的提高，摩擦面温度不断上升，材料的摩擦系数、磨损量都呈现先降低后升高的趋势；同时，材料摩 擦面层也发生了一系列的物理化学变化，摩擦层逐渐形成，在高速时，材料表面形成了比较理想的工作层。 关■词： 粉末冶金摩擦材料；摩擦磨损性能；摩擦速度 Effect of rubbed surface temperature on frictional behaviour of iron based P／，1Ⅵ friction materials Chen Jle。Xiong Xilng，Yao Pin~ing，Peng Jinnx-in (State Key Laboratory for Pouder Metallurgy。Central South Univorsity，Cb柚 h 410083，China) Abstract：Effect of rubbed surfacetemperatureonfrictionalbehaviourofFe-basedP／M frictionmaterials inves． tigated．The results show that，with rubbing speed increasing，the rubbed surface temperature increases，the fric． tion coefficient and wear decreases firstly，and then increases．At the 8~-ne time，great cllan窖咚 take place on the sIIrfaIce of friction ma teria1．At high speeId，favourable wearing layer is formed On the ma terial 8tll~aOe． Keywords：P／M frictionma terial；frictional behaviour；rubbing speed l 1葑畜 粉末冶金摩擦材料广泛应用于各种大型民用飞 机和高性能军用飞机及其它机械制动装置中[1--4】。 通过材料间的摩擦和磨损，将动能转化为热能并将 热量吸收和散发，从而达到制动的目的。因此，摩擦 热所引起的摩擦面温度的升高对摩擦材料摩擦磨损 性能的影响不容忽视。而摩擦温度对材料摩擦性能 的影响主要是通过摩擦热改变材料摩擦表面层的相 组织结构来实现的。在摩擦过程中，摩擦材料的性 能随其表面层组织结构的不断变化而发生改变【5 J。 一 般情况下，粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损性 能测定大多是选用热冲击刹车试验。但刹车试验的 影响因素较多，尤其摩擦速度在刹车过程中不断变 化，导致摩擦面温度不断改变，使得实验研究的复杂 性增大。因此，为了系统地研究摩擦面温度对铁基 摩擦材料摩擦磨损性能的影响机理，本实验选用摩 擦定速试验，在定速摩擦的工况下，结合 X射线衍 射分析、扫描电子显微镜(sEM)分析等手段，对材 料的摩擦系数和磨损量随摩擦面温度的变化情况及 摩擦面工作层的形成进行分析。 2 试验 2．1 材科制备 本试验选用的材料主要组分(质量分数)为： 60％～65％Fe，5％～10％Cu，5％～10％石墨 。2％ -- 6％MoS2，3％～5％ FeB，8％～12％ si0 。按比 例称取各种粉末，经手工混合后置于 v型混料器中 混合8h，然后在钢模中将粉末压制成密度为 4．8～ *陈洁(1978．11一)。女，硕士研究生。主要从事粉末冶金摩擦材料的研究。E-mail：kitty]il211~yahoo．corn．cn 收稿日期：2003一o8—21 维普资讯 http://www.cqvip.com 224 粉末冶金技术 2004年8月 5．2g／em3的坯块，在加压烧结炉中于氢气保护在 (1000±30)℃ 下进 行烧 结，烧 结压 力为 5．5～ 7．5MP且，保温 3—4h，然后水冷至低于 100℃后出 炉。出炉后将烧结材料加工成 ~75mm×53ram的 环块 2．2 检测项目和方法 在 MM．1000型摩擦试验机上进行定速摩擦试 验，对偶件为~75mm x 53mm的 30CrMoSiVA试 环，硬度为40HRC。试验条件：压力为0．5MPa，转 动惯量为 0．25kg·m ，摩擦速度分别为 5m／s、 10m／s、15m／s、20m／s和25m／s五个速度点，摩擦时 间为 30s；通过固定在材料环块侧面距摩擦表面 2ram处的热电偶来测量材料摩擦面的温度：然后对 摩擦后的摩擦面及磨屑进行x射线分析和SEM分 析．对比不同速度条件下材料摩擦面形貌和成分随 摩擦面温度的变化。 3 试验结果与讨论 3．1 摩擦面形貌及成分随摩擦面温度的变化 表 1列出了由热电偶测得的不同速度摩擦时摩 擦面的温度。虽然由于受测试条件和手段的约束． 所测数据不能完全反映摩擦面的真实温度(或闪点 温度)．但仍具有相当的参考对比价值，即随着摩擦 速度的提高，摩擦表面温度不断升高，导致材料表面 层发生了一系列物理化学变化。通常所说摩擦速度 对摩擦材料摩擦磨损性能的影响，实质是摩擦表面 温度对材料摩擦性能的影响。 表 I 不同速度摩擦时摩擦面温度 韫度^： 175 295 380 450 570 粉末冶金摩擦材料工作的特点在于，摩擦表面 层在摩擦过程中会由于摩擦热的存在而发生成分和 性能的变化。速度对铁基摩擦材料摩擦磨损性能的 影响．主要是通过摩擦表面温度的变化对材料摩擦 表面层的影响来实现的，图 1为材料经过不同速度 实验后摩擦面的 SEM 照片。可以看出，材料经过 低速(10m／s)摩擦试验后，表面粗糙，有明显的划痕 和不规则的点状剥落[见图1(a)]；15m／s摩擦实验 后．表面明显生成了相互叠加的多层表面膜[见图1 (b)]；20m／s摩擦试验后，表面膜加厚并存在明显的 破坏剥落[见图1(c)】；当速度达到25m／s后，材料 摩擦表面形成了光滑的工作层[见图l(d)]。 (a】1Gm／sl(b)15m／s；(c】20m／sl(d)25m／s 图1 不同速度摩擦后摩擦面的SEM照片 维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第4期 陈 洁等：摩擦面温度对铁基摩擦材料摩擦磨损性能影响机理的研究 225 图2为材料经 15m／s、20m／s和25m／s摩擦后 摩擦面的x射线衍射图。从该图可以看出，当摩擦 速度达到 15m／s时，摩擦面温度达到400℃左右(见 表 1)，摩擦表面开始氧化，并且，随着摩擦速度的提 高，摩擦面温度进一步升高，氧化物由 FeO和 Fe304，逐步转化为FeO和Fe203。 2坝 。l (a)15m／a；(b)20m／a；(c)25m／s 图2 摩擦面x射线衍射图 根据以上试验结果可认为，低速时，虽然材料表 面温度较低(见表 1)，表面没有发生或很少发生氧 化反应等成分的变化，但摩擦过程中材料表面受到 的压力和摩擦热的作用足以使表面形成不稳定的温 度场和压力场。与金属材料不同，粉末冶金摩擦材 料是由金属组元和非金属组元共同组成的复合材 料，所以材料中各组元的热膨胀系数不同，这样就造 成了受热表面层和次表层的热膨胀率不同，以及表 面层中不同区域热膨胀率的差异。因此摩擦表面层 会产生褶皱或微裂纹，材料表面的这些褶皱和微裂 纹在压力的作用下经过与相对较硬的对偶件反复摩 擦，便造成了摩擦面的崩块和点状脱落现象。 摩擦速度达到 15m／s时，摩擦表面温度高于 300℃(见表 1)，在高温和空气介质的作用下，摩擦面 开始氧化，由图2(a)可知，此时摩擦表面形成了一层 Ve304加FeO的氧化膜 。随着摩擦的进行，摩擦表面 温度不断升高，生成的氧化膜不断加厚。这些不断增 加的氧化膜，在摩擦过程中受压力的作用，相互叠加、 覆盖，便形成了如图1(b)所示的叠层状表面膜。 当摩擦速度达到20m／s时，摩擦表面温度超过 45012(见表 1)，由图2(b)可知，该速度下的氧化膜成 分和15m／s摩擦后的氧化膜成分基本相同。但材料 摩擦表面形貌却完全不同，此时的表面出现明显剥落 [见图1(c)]。这是因为，一方面，随着摩擦的进行，表 层氧化膜不断加厚，氧化膜与基体结合强度降低，并 且含多种氧化物的氧化膜本身比较脆，所以在摩擦过 程中造成了氧化膜的破坏；另一方面，不断加厚的氧 化膜可封锁基体中的位错，使之不能在表面露头，结 果在氧化膜下形成了高应力和变形区，导致表面裂纹 的形成和扩展，氧化膜也随之破裂剥落【6】。 当摩擦速度继续增加到25m／s后，摩擦表面温 度进一步升高(见表1)，瞬时温度达到了闪点温度。 高温下，材料表面层发生软化和大量塑性变形，改善 了摩擦表面形貌。同时摩擦层发生回复、再结晶、碳 化物溶解等组织变化[ ，图2(c)中已无碳化物的衍 射峰，此时表面层成分更加复杂，氧化膜成分由上一 温度点的Fe304加 FeO转变为 Fe304加 Fe203。此 外还形成了MoB4和Fe23B6两种化合物。由于多种 化合物的存在改善了摩擦面的摩擦性能，材料表面 较20m／s摩擦后的表面发生了自修复，在摩擦面形 成了良好工作层。另外，高速摩擦时，由于磨屑易滞 留在材料表面，对偶材料在运动过程中将细微磨屑 重新压入摩擦面，加之摩擦表面温度很高，致使高速 摩擦后材料形成光滑的表面层。 3．2 摩擦面温度对材料摩擦磨损性能的影响 随着摩擦速度的增加，摩擦面温度不断升高，材 料摩擦磨损性能随摩擦速度变化实际体现了摩擦面 温度对材料摩擦磨损性能的影响。 图3为材料摩擦系数随摩擦速度的变化，由图 可知，随着摩擦速度的提高，摩擦表面温度相应提 高，材料的摩擦系数先降低后增加，15m／s的速度对 应摩擦系数的最低值。图4为材料磨损量随摩擦速 度的变化，由图4可知，材料磨损量随摩擦速度的变 化趋势与摩擦系数随摩擦速度的变化趋势基本一 致，先减小后增大，15m／s时的磨损量最低。 另外，摩擦过程中产生的磨屑也反映了材料不 同的磨损机制，揭示了摩擦材料表面破坏和摩擦层 的形成、发展过程。本试验不同速度摩擦后的磨屑 形貌见图5。从图5可看出，随着摩擦速度的提高， 即随着摩擦面温度的提高，磨屑由片状过渡到条状， 最后为近球状。 维普资讯 http://www.cqvip.com 粉末冶金技术 2004年8月 0 02 《 · 0 逮 ，( ’) 圈3 耐jI斗摩擦系数与摩擦建度的关系 脚 fm $-i) 匿4 材抖磨损量与摩擦速度的关系 豳 翳豳 a)10m，s；(b)15m／s；(c)20m／s；【d)25m^ 图5 不同速度摩擦后，磨渭形貌 SEM 由摩擦学中广泛应用的分子一机械理论可知， 摩擦系数的定义为： ，上= +KA宴 (1) 其中口表示由范德华力引起的分子粘着对摩擦 系数的贡献，K表示机械变形阻力所引起的摩擦系 数部分．A 为摩擦面的实际接触面积。因此材质 相同．压力恒定时。摩擦系数的变化是由摩擦的机槭 分量和分子分量共同作用的结果 J 另外，摩擦过 程中材料的磨损量与摩擦材料表面、对偶材料表面 的硬度匹配．材料表面膜的性质等有关．并且磨损的 特殊本质还可以由摩擦时得到的磨屑来确定。 低速时，材料表面的温度较低，摩擦表面凹凸不 平所引起的机械啮合机制起主导作用，摩擦的分子 分量影响不显著；对偶表面微凸体硬度高于材料硬 度，此时主要是对偶表面硬质徽凸体对材料的摩擦 作用。如前所述，低速时由于力和热分布不均匀．以 及材料组元热膨胀系数的差异，表面产生 了一系列 微裂纹，表面裂纹一旦形成，在反复摩擦过程中将扩 张、传播，当裂纹在受热表面层下连接。便形成了如 图5(a)所示的以片状为主的磨屑。所以低速时材 料的磨损量较大，摩擦系数也较高。 随着摩擦速度的提高。表面温度增加，当速度增 加到 15m／s时，材料摩擦系数、磨损量达到最小值， 其原因有两方面。一方面，如前所述，摩擦表面发生 氧化，表面形成了一层致密的氧化膜(FeJ04、FeO)， 减少了摩擦表面间微凸体的接触．即减少了微凸体 间的机械啮合对摩擦系数的贡献，从而降低了材料 的摩擦系数，同时氧化膜的存在起到了一定的润滑 作用．所以大大降低了材料的磨损量。尤其是尖晶 型的Fe Od，文献[9]指出表面形成的该物质膜非常 有利，可大大降低摩擦系数和磨损量；另一方面．由 于分子键的抗剪强度具有热波动性” ．即 r= r。exp(”／Kv)，随温度升高，分子键的抗剪强度降 低，从而导致摩擦系数的分子分量相应降低，所以在 该速度点．材料的摩擦系数低．磨损量最小。 当摩擦速度进一步提高到20m．is时．由图5(c) 可知，该速度摩擦后产生了清晰的条形磨屑。其原因 是不断加厚的氧化膜发生剥落，剥落的氧化膜滞留 在摩擦副间成为硬质磨料．造成了材料的犁淘磨损， 导致该速度下材料的摩擦系数提高，磨损量增加。 当摩擦速度提高到 25m,is后，摩擦表面温度进 一 步升高，材料表面发生了一系列的相成分和结构 变化，形成了较理想的工作膜。表面多种相成分的 存在，造成了表面显微硬度的合理匹配，其中Fe203 的显微硬度高达 1000HV“ 。摩擦时．金属与金属 之间的啮合作用一方面来自于对偶硬质微凸体与材 料基体中低硬度相之间的啮台力．另一方面来自于 材料基体中高硬度相与对偶件的啮合力．从而使材 料摩擦系数获得了提高。并且由于混合组织与对偶 件金属显微组织晶格结构的差异，有效地抑制了金 属粘结，进一步提高了材料摩擦系数的稳定性u】 。 该速度摩擦后磨屑成球形或近球形[如图5(d)]，进 — — l R 6 4 2 E罩蚓— 蜚 维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第4期 陈 洁等：摩擦面温度对铁基摩擦材料摩擦磨损性能影响机理的研究 227 一 步 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 高速下，摩擦面温度达到了相当高的值(闪 点温度)，这就使得摩擦表面局部熔化或磨屑排泄不 通畅，造成了磨屑形状的改变。 4 结论 1)摩擦速度对摩擦材料摩擦磨损性能的影响， 实质上是通过摩擦表面温度的变化对摩擦材料摩擦 表层的组织结构的影响来实现的。 2)随着摩擦速度的提高，摩擦表面温度不断升 高，铁基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数先降低后提 高，速度为 15m／s对应摩擦系数的最低值；磨损量 也是先降低后提高，速度为 15m／s对应磨损量的最 低值。 3)材料表面随摩擦速度的提高，温度不断升 高，表面层发生了一系列物理化学变化。中速时摩 擦面氧化，形成了致密的氧化膜；高速时氧化膜破 坏，同时摩擦层发生软化、塑性变形以及回复、再结 晶、碳化物溶解等组织变化，形成了理想的工作层， 提高了材料的摩擦磨损性能。 {_|考文献 1 谭明福，黄尚文，刘先交，等 ．直八型多用直升机旋翼刹车材料研 究 ．粉末冶金技术，1989，7(3)：149～155 2 (苏)费多尔钦科HM．现代摩擦材料 ．徐润泽译 ．北京：冶金工 业出社 ，1983．97～99． 3 Locker K D．Friction Materials—on Overview．Powder Metallurgy， 1992，35(4)：253～255 4 张连荣，李东生，叶菊兰 ．民航飞机刹车装置选材研究 ．材料工 程 ，1996，5：27～30 5 张家驷 ．摩擦磨损机理现代概念及磨损计算探讨 ．润滑与密封， 1995，1(3)：80 6 Qiang Y H，Ge S R。Xue Q J．Microstructure and tribological be- haviour of nitrocarburizing-quenching duplex treated stee1．Tfibology International，1999，32(3)：131～136 7 Leggoe J W ，MammoliAA，BushM B，eta1．Finite elementmod- eling of deformation in particulate reinforced 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系含油轴承，第十章低噪音精密烧结金属含油轴承，第十一章高、低速旋转用烧结金属含油轴承，第十二章铝 基粉末冶金含油轴承，第十三章烧结金属含油轴承设计，第十四章烧结金属石墨轴承，第十五章内燃机用钢 一 烧结铜合金双金属轴承材料，第十六章干摩擦轴承。全书约50万字。售价45元。 在编写这部书的过程中，承蒙日本早稻田大学名誉教授、著名粉末冶金专家渡边恍尚先生的大力支持， 提供了大量的难得的文献资料，值此这部书出版之际，特向渡边恍尚教授致以谢意。 这部书已由北京化工出版社出版，全国新华书店发行。 维普资讯 http://www.cqvip.com