不同摩擦条件下铜-铁基粉末冶金材料的摩擦性能.pdf

第6 3 卷第2 期 20l1 年5 月 有色金属 N o n f e r m u sM e t a I s V 0 1 ．6 3 ．N o ．2 M a v2 Oll D o I l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 l ～0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 2 ．0 0 8 不同摩擦条件下铜一铁基粉末冶金材料的摩擦性能 符蓉，高飞，沈洪娟，宋宝韫 大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116 0 2 8 摘要采用粉末冶金技术制备铜．铁基复合材料，在制动，K 力o ．5 一1 ．2 M P a 范围内，通过定速摩擦试验机研究干、湿条件 下，速度、压力与材料摩擦磨损性能的关系。结果表明，干摩擦系数随摩擦速度增加I f l i 降低，湿摩擦明显降低丫低速摩擦系数而对 高速摩擦系数影响小大。低速摩擦系数随摩擦压力增加而增加，摩擦压力对高速摩擦系数影响小明显。 关键词金属材料铜．铁基粉末冶金材料；干摩擦；湿摩擦；第i 体． 中图分类号T G l 4 6 ．I l ；T F l 2 5 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 l 0 2 1 1 2 0 “ 0 2 一0 0 3 2 一0 6 随着列车速度的提高，对列车的制动性能提出 了越来越高的要求，高品质的制动性能一方面要求 摩擦副材料适用于高速高温的工作环境，另一方面 要求材料在各种条件下表现出相对稳定的摩擦系数 和良好的耐磨性。铜一铁基粉末冶金摩擦材料具有 摩擦系数稳定、耐磨性好等特点，已成为列车制动方 面一种重要的制动材料。因此，认识和掌握铜- 铁基 陶瓷强化材料的摩擦磨损性能越来越受到重 视‘2o ，如材料成分对摩擦磨损性能的影响“1 、摩 擦速度和压力与摩擦磨损性能的关系等“1 。然 而，从列车制动情况看，制动过程存在着压力波动、 速度变化、温度变化、雨雪环境等系列问题。1 。从 材料摩擦学行为看，摩擦性能不是材料的固有属性， 摩擦磨损性能很大程度上依赖于摩擦条件，当条件 变化时，必然影响到材料的摩擦学行为而造成摩擦 系数的变化，从而影响列车制动的安全性和舒适性。 显然，从列车制动的环境条件研究材料的摩擦学行 为是有意义的。制动条件下的摩擦特性属于存在较 大程度磨损的非润滑条件的摩擦，摩擦面上存在一 层被称为第三体的特定组织⋯，这层组织实际上是 由摩擦面损伤产生的磨屑构成的，它覆盖在摩擦面 上，形成一层具有厚度为几个微米到几十微米的粉 末层，这层组织的形态、运动特征与摩擦条件密切相 关，因此，它成为影响摩擦学行为的一个显著因 素’1 。”。当压力、速度、水汽等条件变化时，都会改 收稿日期2 0 I o 一0 7 一0 8 基金项目目家8 6 3 计划项目 2 ∞6 A 0 3 2 5 1 5 ；辽宁省自然科学基 金资助项目 2 ∞7 4 0 2 0 3 9 作者简介符蓉 1 9 8 3 一 ，女，辽宁锦州市人．翻教授，博士，主要 从事制动材料摩擦磨损性能等方面的研究。 变摩擦面的组织形态而联系到摩擦学行为的变化， 同时，其变化规律很大程度上与材料的成分有关。 然而，目前对这方面的认识仍是有限的。因此，研究 上述因素与摩擦学行为的关系成为制备高性能摩擦 材料的基础性工作。 针对铜一铁基粉末冶金摩擦材料，利用定速摩擦 试验机研究摩擦速度、成分、压力、干湿条件等对摩 擦磨损性能的影响，并考虑了摩擦条件与摩擦第三 体的关系。 1实验方法 试验材料由电解铜粉、还原铁粉、石墨和S i O 构成。电解铜粉粒度小于0 ．0 4 5 m m ，石墨和s i O ，的 粒度为0 ．2 一O ．3 1 5 m m 。还原铁粉的粒度小于 0 ．0 7 4 m m 。其中铁粉含量为5 ％一2 0 ％，石墨和 s i o 的含量分别为5 ％，余量为铜粉。粉末经混合 均匀后，在压机上压制成型，成型压力为6 0 0 M P a ，烧 结在钟罩式烧结炉中进行，烧结压力为1 ．7 7 M p a ，烧 结温度为8 2 0 ℃，保温时间为1 ．5 h ，制备出的试样尺 寸为咖1 7 m m 1 5 m m 。 摩擦磨损试验在G F D l 5 0 型定速摩擦机上进 行，对偶盘材料为H 1 3 ，摩擦半径为1 5 0 m m 。试验 摩擦速度为2 0 0 一3 0 0 0 r ／m i n ，摩擦时间为3 0 6 0 s ， 摩擦压力为O ．5 一1 ．1 M P a ，湿摩擦时加水量为 4 ．7 m L ／m i n 。磨损量的测定采用精度为万分之一的 电子天平称量磨损前后的质量损失。采用0 L Y M ． P u S 光学显微镜和J S M 一6 3 6 0 L V 型扫描电子显微镜 进行材料表面形貌的观察。试样表面温度测量如图 l 所示，在试样一端钻币3 m m 孔，将热电偶插入并用 塞子将热电偶固定，热电偶距摩擦接触表面3 一 万方数据 第2 期 符蓉等不同摩擦条件下铜．铁基粉末冶金材料的摩擦性能 3 3 4 m m o J - 一’，t h e r m o c o u p l ． 卜s 锄P 1 e ◆ f l _ ic t io ns u r f a c e 图l温度测量示意图 F i g ．1 S c h e m a t i co ft e m p e r a t u 弛m e a 8 u r e m e n t 2 试验结果与讨论 2 ．1 摩擦面温度的变化 图2 为在干、湿两种摩擦条件下，摩擦试样温度 随摩擦速度的变化情况。可以看出，随着摩擦速度 的提高，温度升高。干、湿摩擦相比，干摩擦面温度 大于湿摩擦的温度，两者的差别随速度增加而增加。 摩擦中，摩擦表面微凸体间相互黏结、剪切、断裂形 成的变形能转变为热量6 。，摩擦能量与摩擦速度的 平方成正比，因此，随摩擦速度增加时，摩擦温度升 高。湿摩擦时，水分对摩擦表面起到润滑和冷却作 用，降低了摩擦面的温度。随着摩擦速度的升高，表 面温度增加，水对高温表面的冷却作用增加，从而使 干湿摩擦条件下的温度差增加。 芝 簧 速度， r m i n - 1 图2 摩擦面温度随摩擦速度的变化 1 0 ％F e ，0 ．5 M P a F i g ．2 S u T f a c et e m p e 豫t u r eo fd r ya n d w e tf r i c t i o n 1 0 ％F e ，O ．5 M P B 2 ．2 摩擦速度对摩擦系数的影响 图3 为干、湿摩擦条件下摩擦速度对摩擦系数 的影响。由图3 可见，干摩擦条件下，随摩擦速度的 增加，摩擦系数降低。对于湿摩擦，在摩擦速度较低 时i 摩擦系数随摩擦速度的升高而升高，在摩擦速度 高于1 0 0 0 r ／m i n 时，摩擦系数趋于稳定。干、湿摩擦 相比，在低摩擦速度条件下，干摩擦条件下的摩擦系 数大于湿摩擦，在高摩擦速度条件下，两者相差不 大。 蒸 蓉 速度， r 咖n ．1 图3 摩擦速度对摩擦系数的影响 { F e 含量1 0 ％。O ．5 M P a F i g ．3 E f 耗c t so ff h c t i o ns p e e do nf I { c t i o nc o e 侬c i e n t o fd r ya n dw e t 1 0 ％F e ，O ．5 M P a ’ 摩擦系数是两摩擦表面间相互粘着和啮合程度 及其性质的函数。摩擦中，接触点间产生相对运动， 发生剪切现象，剪切力成为摩擦阻力。在低摩擦速 度时，对于干摩擦，摩擦表面温升不大，摩擦表面未 发生相变等组织变化，摩擦阻力主要来源于材料表 面微凸体间的相互作用。微凸体间的相互剪切造成 变形和断裂，产生磨损粒子，见图4 a ，磨损粒子又 被称为第三体，它覆盖在摩擦表面，对摩擦磨损性能 起到重要作用。低速摩擦形成的这些颗粒状第三体 增加了摩擦面微凸体间的啮合程度，表现出较高的 摩擦阻力，因此，摩擦系数处于较高值，如图3 所示。 图4 b 是摩擦速度为2 0 0 r ／m i n 湿摩擦条件时的表 面状态，可见摩擦表面的光滑程度大大增加，颗粒状 第三体显著减少。显然，由于水分对表面的清洗作 用，带走了大量颗粒状第三体，减少了颗粒状第三体 对摩擦力的贡献，同时，水的润滑作用降低了微凸体 间的啮合力，这些都有利于降低摩擦系数，见图3 。 从边界膜的角度，水近似起到了边界润滑的作用，形 成固体．边界膜．固体摩擦系统。边界膜减少了固体 与固体的直接接触，故摩擦系数比干摩擦系数要小 得多‘⋯。 摩擦速度较高时，对于干摩擦，由于大量摩擦热 导致材料摩擦表面温度迅速提高，基体铜的高温软 化和变形，降低了微凸体间的机械啮合力。同时，高 温条件下形成的磨损颗粒容易挤压粘合在一起，形 成致密第三体层覆盖在摩擦表面，见图4 c 。它的 万方数据 有色金属第6 3 卷 存在一方面阻隔了对偶材料问的直接接触，另一方 面它的变形和流动起到了润滑作用，这都有利于摩 擦系数的降低，见图3 。当处于湿摩擦时，高速摩擦 的离心作用和高温加速了水分蒸发和抛离摩擦面， 这都容易减少水膜在表而的存留量，使水膜的润滑 作用降低。因此，高速湿摩擦条什下的摩擦表面组 织状态与干摩擦相似，见图4 d 。另一方面，水的 蒸发过程带走了一定的热量，使摩擦表面温度低于 干摩擦条件，见图2 ，表面金属组织的强度要高于干 摩擦状态。因此，摩擦系数在一定程度略高于干摩 擦状态，如图3 所示。 陵察裹霪囔蠹簧甏．≤ f ．舞瘩二l 霉害， l 瑚程回野嘲2 ⋯‘。一 ． 国日回1 B 一于摩擦2 0 0 r ／m n b 一湿摩擦2 0 0 r ／m i “； c 一十摩擦3 0 0 0 r ／⋯； d 一湿摩攘3 0 0 0 r ／m - n 图4 不同摩擦方式和不同摩擦速度下的摩擦表面第三体形态 F 酶4 T h i r db o d i e s o nf r i c t i ㈣u 南⋯n d e rd i f f e r e n I 丘i c t i ⋯8 y sa n dd l m r e nL8 p e e d s 2 ．3 摩擦速度对磨损量的影响 图5 所示为十摩擦条件下摩擦速度、材料组分 与磨损率的关系。在摩擦速度为5 0 0 r ／m i n 左右，磨 损量处于较低值，随后随着摩擦速度的增大，磨损率 增大。材料中铁含量增加，磨损量增加。 材料磨损量随摩擦速度的变化可能在于摩擦表 面温度的影响。在低速摩擦条件下，摩擦温度低 见图1 ，摩擦表面的变形硬化程度大，降低了材料 的韧性，从而使表层金属基体的破碎程度增加，见图 4 a ，结果表现出较高的磨损量。图2 表明，随摩 擦速度增加，表面温度增加，降低了表面变形组织的 硬化程度，从而有利于降低磨损量。当摩擦速度进 一步增加，高速摩擦产生的高温显著降低了铜基体 的强度，减弱了基体金属的承载力”，从而表现出 高的磨损量，如图5 所示。 材料中含有F e ，F e 以游离颗粒态镶嵌于c u 基 体之中，并和c u 基体存在有明显的界面，如图6 所 示。材料中F e 对材料磨损率的影响可能足由于F e 对基体铜的分割作用，破坏了基体的连续性”。当 速度，I r m l n ‘1 图5 干摩擦时摩擦速度对磨损率 的影响 0 ．5 M P a F I g5 E f f e c l so f 而c t i ⋯p e e d ⋯e a r r a l eu n d e rd r yh i c t i o n 0 ．5 M P a 摩擦犁沟形成时，由于c u 与F e 间的界面存在，容 易造成摩擦面上磨损颗粒剥落。，使磨损率较大。 表l 是干、湿两种摩擦条件下对于铁含量为 1 0 ％材料的磨损量测试结果。相比较而言，湿摩擦 条件下的蜜损量略高，这是由于在湿唪擦过程中，水 一一，r当＼许军峰 万方数据 第2 期 符蓉等小1 】胖擦条什卜制- 铁蚺粉术冶金劓料的悻撩‘陀能 毒。二．1 图6 摩擦材料的组织 F 瞎6 S u r h ‘㈣ff r i c t i o n m a I e H l s 对材料表面的冲刷清洗，加速r 的第三体的流失，是 磨损量增大的原因。 表1 干湿摩擦条件下的磨损量 F e 含量 1 0 ％，摩擦压力0 ．5 M P a T a b l el C o m p a r i s o no rw e a 。q u a n t i t yu n d e r d r v 打i c 【i ⋯1 1 dw e t 厅i c I i o n 壁堡生苎 壁堡 塑壁堡 垫堕塑皇 竺 ． 竺 1 2 ．4 摩擦压力对摩擦系数的影响 图9 是] 二摩擦 摩擦压力分别为0 ． 蚓7 为摩擦压J J 对摩擦系数的影响。“{ 摩擦速 度较低时，摩擦系数随摩擦压力增加而略钉增火，在 高摩擦速度范闹，摩擦压力刘摩擦系数影响不I 则娃。 压力，M P 8 图7 摩擦压力对摩擦系数的影响 F i g7 E f f e c t so f I o a do nh h l ⋯o e m c i e n t 图8 是干摩擦条件下，摩擦速度为5 0 0 m i n ／r ，摩 擦蚯力分别为0 ．5 M P a 和09 M P a 时摩擦表面的形 貌。两种压力相比，高摩擦压力表面呈现出较多的 犁沟。 表面分布大最犁沟 貌的影响不明显。 H 一05 M P 8 ； b 一09 M P “ 图9高速干摩擦时压力对摩擦面形貌的影响 摩擦速度3 0 0 0 r ／m i n F 碡9 E f f e c dl o a do n 梳t i ⋯u 山c ek Ⅱt u mu n d e rd 7 yh ㈨o n 叩e e d3 0 0 0 r ／m i n 图8 ～图9 表面组织状态的变化表明，摩擦雎 力、摩擦速度、干湿条件对摩擦表面组织的影响是明 鞯罡嫩莓f ～一一。～ 万方数据 3 6 有色金属第6 3 卷 显的，从而表现出不同的摩擦磨损性能。摩擦压力 对摩擦磨损性能的影响主要受到两方面因素的控 制拉“，一是表面微凸体间的真实接触面积，二是微 凸体间的接触应力。在低摩擦速度条件下，摩擦压 力增加，微凸体间的真实接触面积和接触应力增加， 表面破损程度增加 图8 、犁沟程度增加 图9 ，从 而表现出摩擦系数随摩擦压力的增加而增加。在高 摩擦速度条件下，由于摩擦高温对表面金属的软化 作用，显著降低了基体强度，使表面微凸体间形成充 分的接触和变形流动，在这种情况下，增加摩擦压 力，真实接触面积变化不大，因此，摩擦压力对表面 状态和摩擦系数影响不明显 图7 。干、湿摩擦相 参考文献 比，干摩擦表面犁沟现象明显。这表明湿摩擦表面 的水膜起到了隔离微凸体的作用。 3结论 摩擦面温度随摩擦速度提高而提高，湿摩擦时 水分对表面的冷却作用降低了表面温度。干摩擦系 数随摩擦速度增加而降低，湿摩擦明显降低了低速 摩擦系数而对高速摩擦系数影响不大。低速摩擦系 数随摩擦压力增加而增加，摩擦压力对高速摩擦系 数影响不明显。摩擦压力增加，表面损伤程度大，磨 损率增大，湿摩擦降低了高摩擦压力的磨损量。 [ 1 ] G u e r i nJD ，B r i c o u tJP ，L a d e nK ，e ta 1 ．H i g ht h e 瑚a ld i f f u s i v i t ym a t e r i a l Bf o rm i l w a yb r a k ed i s c s [ J ] ．T r i b o l o g yL e t t e 璐，1 9 9 7 3 2 5 7 2 6 7 ． [ 2 ] 符蓉，宋宝韫，高飞，等．c u S i 0 烧结材料的摩擦磨损性能研究[ J ] ．摩擦学学报，2 0 0 7 ，2 7 4 3 7 7 3 8 1 ． [ 3 ] 浩宏奇，丁华东，李雅文，等．石墨含量对铜基材料摩擦磨损性能的影响[ J ] ．中国有色金属学报，1 9 9 7 ，7 3 1 2 0 1 2 3 ． [ 4 ] 尹延国，刘君武，郑治祥，等．石墨对铜基白润滑材料高温摩擦磨损性能的影响[ J ] ．摩擦学学报，2 0 0 5 ，2 5 3 2 1 6 2 2 0 ． [ 5 ] 樊毅，张金生，高游，等．石墨粒度对c u F e 基摩擦材料性能的影响[ J ] ．摩擦学学报，2 0 0 0 ，2 0 6 4 7 5 4 7 7 ． 【6 ] 高飞，郎剑通，符蓉．铝对铜基粉末冶金材料摩擦磨损性能的影响[ J ] ．润滑与密封，2 0 0 8 ，3 3 1 1 8 2 1 ． [ 7 ] 符蓉，宋宝韫，高1 ；，等．摩擦制动条件对列车制动闸片材料摩擦性能影响[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 8 ，1 8 7 1 2 2 3 一1 2 3 0 ． [ 8 ] 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t o r ，2 0 0 5 2 9 l 一3 1 6 ． [ 1 5 ] L i n c kV ，B a i l l e tL ，B e r t h i e rY ．D r y 舾c t i o n c o n ∞q u e n c e “l ∞a ld y n 锄i c 鹳p e c to nc o n t ∞lp 他s s u 陀，k i n e m a t i c 8 蚰d 酗c t i o n [ M ] ．城市，国家E I s e v i e rs c i e n c e ，T r i b o l o g ys e f i e s4 8 ，2 0 0 4 5 4 5 5 5 2 ． [ 1 6 ] 陈洁，熊翔，姚萍屏．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[ J ] ．粉末冶金技术，2 0 0 4 ，2 2 4 2 2 3 2 2 7 ． [ 1 7 ] 支龙，吴新跃，崔玉珂．青铜一石墨热喷涂层在于摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能[ J ] ．润滑与密封，2 ∞6 ，1 7 5 3 5 l 一5 4 ． 【1 8 】Q i 锄gYH ，G esR 。x u eQJ ．M i c 瑚t r u 咖弛锄dt r i b o l o g i c a lb e h 耵i o u ro fn i t №a I b u r i z i n g q l I e n c h i n gd u p l e x Ⅱ龃湖8 t e e l 【n ％b o l o g yI n t e m “o n a I ，1 9 9 9 ，3 2 3 1 3 l 1 3 6 ． 【1 9 ] 钟志刚，邓海金，李 明．铁含量对铜基金属陶瓷摩擦材料摩擦磨损性能的影响[ J 】．材料工程。2 0 0 2 ，1 2 8 1 7 2 3 ．一 [ 加] S u c k c h ∞nkA8 m d yo f 酗c “o Ⅱ锄dw 嘲rc h a 邯l e r i s t i ∞o f ∞p p 盱蚰di r o n ．b 矗s e ds i n 妇dm 眦r i 幽[ J ] ．w e 盯。l ∞3 ，1 6 2 万方数据 第2 期 符蓉等不同摩擦条件下铜．铁基粉末冶金材料的摩擦性能3 7 1 3 1 1 2 3 1 1 2 8 ． [ 2 1 ] L e g g o eJW ，M a m m o l iA ，B u 8 hMB ，e ta 1 ． F i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go fd e f ．o 硼a t i o ni n p a r t i c u l B t er e i n f b 咒e dm e t a lm a t r i x c o m p o B i t e 8 Ⅱ6 b e rr e i n f b r c e m e n ta n dl a m e l l B ri n c l u 8 i o n 8 [ J ] ．A c t aM a t e r ，1 9 9 8 ，4 6 1 7 6 0 7 5 6 0 8 8 ． F r i c t i o nP r o p e r t yo fC u - F e - b a s e dP o w d e rM e t a H u r g yM a t e r i a l su n d e rD r ya n dW e tF r i c t i o nC o n d i t i o n s F UR o n g ，G A oF e i 。S H E NH o R g ．j t ‘口n 。s 0 N cB ∞- y t ‘托 S c o o f 矿肘口‘e r i 口如s c i e 聊e 口哆d 蜀喈f n e e r f n g ，D 口f 缸n “口o l D ，l g ￡胁i 埘一i 秒，D 口Z 谊n1 1 6 0 2 8 ，L f 口o ，I f 厅g ，c i M A b s t r a c t C o p p e r 。i r o n ‘b a s e dc o m p o s i t e sa r ep r e p a r e dt h I D u g hp o w d e rm e t a l l u r g i ct e c h n i q u e ．T h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n s p e e da n dp r e s s u r eo ff h c t i o n8 n dt h ef h c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l sa r es t u d i e do nap i n o n ．d i s kt e 8 t e r i nt h ep r e 8 s u r er a n g eo f0 ．5 ～1 ．2 M P au n d e rd r ra n dw e tc o n d i t i o n 8 ． T h er e s u l t s8 h o wt h a tt h ed r yf r i c t i o n c o e f h c i e n ti sd e c r e a 8 e dw i t ht h ei n c r e a s eo ff h c t i o nV e l o c i t y ，a n dt h eI } i c t i o nc o e f h c i e n ti ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e df o r t h ew e tf r i c t i o nw i t hl o ws p e e d ，b u ti th a sl i t t I ee f ．f e c t o nt h a tw i t hh i g hs p e e d ．T h e 衔c t i o nc o e m c i e n tw i t hl o w 8 p e e di si n c l ．e a s e dw i t ht h ei n c I | e a 8 eo ft h ep r e s s u 陀， K e y w o r d s m e t a Im a t e r i a l ； c o p p e r i r o n ．b a s e d b o d y b u ti ti sn o to b V i o u s l y8 f f ．e c t e db yp r e 8 s u r ew i t hh i g hs p e e d ． p o w d e rm e t a l l u r g ，m a t e “a l ；d r yf r i c t i o n ；w e t 硒c t i o n ；t h i r d 责任编辑张振健 万方数据