摩擦磨损性能范文

摩擦磨损性能范文（精选9篇）

摩擦磨损性能 第1篇

参照刷镀基本工艺参数[1]并查阅文献同时结合实践经验现将本文的单因素实验参数分布表列举如表1:

根据表1的工艺参数进行刷镀制备八个镍镀层试样, 从制备好的镍镀层中切出规格如图1的长方体试样, 在金相磨平磨机上磨平, 并用砂纸进行抛光。

2摩擦磨损实验设备

本试验采用MMS-2A屏显式磨损试验机。摩擦副采用环块式滑动摩擦磨损的干摩擦磨损方式, 对磨环与测试试样形成滑动摩擦[2]。其中试验材料形状长方体块状, 对磨材料为环形。本试验选取对磨件材料是Cr12Mo V, 其硬度为HV760, 尺寸为外径为Ø40mm, 长度为10mm, 内径为16mm。试验条件为干摩擦, 对磨件转速为200r/min, 载荷为10kg。

3实验方法

试验前将长方体试样置于超声波清洗机中洗净, 然后用酒精擦拭烘干, 在精度为0.0001g的电子天秤上对块状试样进行称量, 取三次称量的算术平均值作为该试样的质量。磨损后的质量由摩擦试验结束后进行同样的步骤得出, 摩擦试验前后的质量值相减为试样在试验过程中失重的大小。

试验过程中, 对磨材料安装于下试样轴, 长方体试样安装于上试样轴且固定不动。对试样的转速、试验力大小、单个试样的试验时长等参数进行设定, 并开启MMS-2A试验机配套的监测软件来记录试验过程中摩擦系数、摩擦力矩、试验力大小等参量的变化, 生成摩擦系数-时间曲线进行分析[3]。

4实验结果

试验在MMS-2A微机控制摩擦磨损试验机上进行, 环形试样的转速为200r/min, 摩擦力大小为100N, 每个试样磨损时间为15min。试样在摩擦试验前后的质量如表2所示:

由表2可见试样3在同等条件下的磨损失重最小, 说明试样3的耐磨性有可能是最好的。具体还要参照试样的磨擦系数和时间图来判定。

试样1-8以及基体的摩擦系数-时间图分别如下:

由导出的实验报告表表可可以以总总结结如如表表33所所示示::

因此可见试样3的平均摩擦系数最低, 而且较稳定, 刚开始很低, 慢慢摩擦系数变大是因为基体和刷镀层结合部位性能不够稳定, 磨久了就到了基体, 所以摩擦系数总体成一个上升的趋势。即当刷镀电压为12V、刷镀时间为15min、阳极速率为20 m/min时得到镀层摩擦磨损性能最优。

参考文献

[1]朱文慧.纳米颗粒增强Ni基耐蚀耐磨复合镀渗表面合金层的研究[D].南京:南京航空航天大学, 2008.

[2]李静.电刷镀镍层摩擦磨损及船机部件修复中的应用[D].大连:大连海事大学, 2008.

矿山机械中摩擦磨损分析 第2篇

矿山机械中摩擦磨损分析

【摘要】对矿山机械的摩擦磨损进行了分析。矿山机械工作环境恶劣，液压泵的磨损主要是由于油液污染造成的，内燃机的磨损主要是由于加工工艺和润滑油造成。 【关键词】矿山机械;液压泵;内燃机;摩擦磨损 Analysis on wear of the ore machine YAN Sheng (College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining & TechnologyXuzhou221116China) 【Abstract】This paper analyses wear of the ore machine.Due to working in the harsh environment,oil pollution causes the wear of the hydraulic pumps, woring technique and oil pollution causes the wear of the internal-combustion engine. 【Key words】Ore machine;Hydraulic pumps;Internal-combustion engine;Wear by friction0.前言 机械设备3种主要失效形式是磨蚀、磨损和断裂，其中磨损造成的经济损失时巨大的。据有关数据统计，全球约有1/3~1/2的能源被消耗在摩擦上，转化为热能，由于摩擦导致的磨损失效占设备损坏的70%~80%，每年损失都在上千亿美元。在工况复杂且苛刻的条件下，特别是在高速、高温、高压等条件下工作的零件，往往会因其表面磨损而造成零件报废，导致设备停用，影响人类的生产活动。因此进行材料摩擦磨损的研究意义十分重大。 矿山机械中的提升机、破碎机、穿孔机、洗选和矿山专用起重设备及其一些辅助装置，应用液压传动的较多，且多在井下作业，周围环境恶劣，设备收冲击和振动大，液压元件磨损较为严重。内燃机也是矿山机械中常用的一种动力机构，它可以在高温、高压和受力比较复杂、还受各种振动的条件下工作。数据显示，内燃机摩擦有50%~60%消耗在缸套-活塞的摩擦副中。改善摩擦磨损，有利于提高系统的使用寿命，本文对矿山机械液压泵和内燃机的摩擦磨损进行了分析和探讨。 1.液压泵的摩擦磨损分析 1.1磨粒磨损 液压元件两相互摩擦表面中，微小硬质点不断滑磨较软材料表面，划出沟纹，使得液压泵泄露增大，减小液压泵的容积效率，造成流量及压力减小。 在污染的油液中，金属颗粒约占75%，尘埃约占15%，其他杂质约占10%。可见，固体颗粒危害最大。颗粒污染物的硬度、破碎强度、形状、尺寸大小及分布等特性对元件的污染磨损有直接的影响，实验结果表明[3]，泵的磨损与颗粒污染物的磨损性有很大关系，在试验污染物中煤粉的磨损性最小，淬火钢粉的磨损性最大。这与摩擦磨损理论是相符合的，材料抵抗磨损主要取决于磨粒硬度和材料表面硬度和耐磨性。 1.2粘着磨损 根据鲍顿和泰伯提出的粘着-犁沟摩擦理论，在液压泵的两表面接触时，在载荷作用下，某些接触点的单位压力很大，发生塑性变形，这些点将牢固的粘着，使两表面形成一体，称为粘着或冷焊。当一表面相对另一表面硬一些，则硬表面的粗糙微凹体顶端将会在较软表面上产生犁沟。 矿山机械液压泵往往工作于压力高、流量大、温度高，表面形成的润滑油膜，特别是物理吸附膜和化学反应膜，会在高温下解附。并且在重载下，将润滑油膜挤破，使得摩擦表面直接接触即干摩擦。由表面膜效应知，表面膜的剪切强度小于金属剪切强度，当表面膜消失时，摩擦系数迅速增大，使液压元件表面温度进一步升高，当温度很高使材料软化，导致粘着磨损的发生。例如，柱塞泵体中的柱塞与缸孔正常工作处于液体润滑状态，当存在制造误差与安装误差时，造成摩擦表面直接接触，导致粘着磨损的发生。 1.3气穴气屑 油液中的空气也会引起液压元件的.侵蚀磨损。气体在油液中的存在形式有两种：一、气体溶解在油液中，气体的溶解度也油液的压力有关，气体随着油压增大，溶解增强。二、气体混杂在液体中。在液压泵工作过程中，油液压力发生不断地波动，当压力降低到一定程度，油液中溶解的气体将会释放，并在元件壁上形成气泡，而当压力增大到大于气泡内的压力时，气泡爆破，产生瞬间压力冲击，冲击压力可以达到几百兆帕，使液压元件产生金属疲劳，金属表面剥落或出现孔洞。从金属表面掉下的金属磨粒进入油液中，造成进一步的磨损。 2.内燃机的摩擦磨损分析 2.1磨粒磨损 内燃机在井下作业，由于工况复杂，条件苛刻，加工工艺较差，表面粗糙度较大，在元件回转过程中产生大量的磨粒和磨屑，加之，井下灰尘浓度高，进入气缸内，从而加剧内燃机的磨损;燃烧后的残渣和积碳，对缸套内壁和活塞环表面，产生的微切削、刮伤、压伤和疲劳破坏，都是材料磨损的主要形式。 工作时，随着颗粒速度和浓度增加，当缸体内压力增加时，材料表面接触应力增加，磨粒在两表面之间来回摩擦，导致磨损增加。磨粒的形态有球形状、层状等，污染颗粒有尘埃、金属粉、煤屑、石棉纤维、滤器材料、密封材料等。磨粒的形状、大小和磨屑的成分及含量可用铁谱法和光谱法进行测量，但使用铁谱法主要依赖于个人经验和抽取合适的油样。 2.2粘着磨损 粘着磨损主要发生于机器的跑和阶段，由于表面粗糙度大，实际接触面积仅有名义接触面积的0.01%~0.1%，微凸体在强大的压力下，产生塑性变形并接着产生粘着磨损，磨损率是正常工作的50~100倍，磨去最大峰高度的65%~75%。因此，内燃机在跑和阶段若磨合不当就会造成严重的粘着、胶合并发生拉缸，使内燃机报废。 为防止擦伤和疲劳磨损，可以对缸体表面进行各种处理，如渗碳、渗碳、PCD、CVD等，增加表面硬度，增强表面耐磨性;为减少磨粒在材料表面磨出沟槽，降低内燃机的密合性，可减小发动机的耗油量。 3.结束语 矿山机械在实际工作过程中，上述摩擦磨损往往同时发生，或交替产生，不同机械元件磨损机理不同，需要对各元件做具体的综合分析。分析机械中的摩擦磨损现象，并有效避免，对于提高机械使用寿命有着重要的意义。■【参考文献】 [1]夏志新.液压系统污染控制[M].北京：机械工业出版社，1992. [2]陈家靖，李文袭.典型机械零部件润滑理论与实践[M].北京：中国石化出版社，1994. [3]徐粲铭.油膜理论与液压泵和马达的摩擦副设计[M].北京：机械工业出版社，1984:1-4. [4]贾锡印.内燃机的润滑与磨损[M].北京：国防工业出版社，1988. [5]孟凡明，张优云.运动颗粒对活塞环润滑的影响[J].内燃机学报，，(3)：169-175.

摩擦磨损性能 第3篇

在机器零件克服摩擦阻力而进行相对运动的过程中，不断有微粒脱落，必然会出现磨损。机件的磨损主要表现为改变原来的尺寸和几何形状，质量减轻，原来配合间隙加大，从而破坏了配合性质。磨损的过程可分为初期磨损、稳定磨损阶段和加速磨损阶段。

影响磨损的因素很多，如材料性能（包括材料的强度、硬度、弹性以及与其相对摩擦材料的相互粘附等）、工作条件（包括时间、负荷、速度、温度、有无润滑剂、润滑状态以及周围介质的作用）。

总之，磨损是随摩擦而产生的。按照磨损破坏的机理，可分为粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、微动磨损、表面腐蚀磨损、冲击磨损等。

以上可以看出，磨损来自摩擦，因此认识摩擦很有必要。

按摩擦状态可以分为：液体摩擦、干摩擦、边界摩擦和混合摩擦。

1.液体摩擦（液体润滑）

当两个相对滑动表面的最靠近部分被一定厚度的油膜所隔开，最小油膜厚度大于两个表面粗糙度之和时，载荷通过油膜传递，工作的摩擦与两滑动表面性质无关而只决定于润滑油膜的分子内摩擦性质，这种摩擦状态叫液体摩擦。滑动表面处于液体摩擦状态时，摩擦系数很小，没有磨损，使用寿命长，是最理想的摩擦状态。但要保证液体摩擦必须具备一定的条件：或是靠外压以保证供给静压，或是在一定条件下建立液体动压。

当润滑剂是气体时则为气体摩擦状态。液体摩擦和气体摩擦统称为流体摩擦。

2.干摩擦

在两个滑动表面之间没有任何润滑剂而直接靠表面传递载荷，当发生相对运动时就产生了干摩擦。事实上，在机器中绝对的干摩擦是不存在的，因为空气和水总是存在的。

3.边界摩擦

在两个滑动表面之间存在一层极薄的由吸附或化学反应生成的润滑膜，从而使摩擦状态介于流体摩擦和干摩擦之间，这种状态叫边界摩擦状态，润滑膜成为边界膜。边界膜的厚度很薄，约为几个分子到数千埃，边界摩擦的性质只取决于摩擦表面的性质和边界膜的结构和物理化学性质，而与润滑的黏度无关。

润滑油在固体表面上形成边界膜的能力称为油性。

边界膜的摩擦学机理是很复杂的，但在实用中极为重要。由于任何固体表面微观上总是高低不平的，因此两个摩擦表面间全部处于边界润滑的状态几乎是不存在的。但是只要在摩擦表面间架有润滑剂，即使在很大的载荷作用下，在看来似乎是金属接触的表面处，实际上一般总是存在着极薄的一层边界膜，这就大大改善了运动副之间的摩擦作用。即使是精心设计的液体动压润滑轴承，在起动、停车或载荷剧烈变动时，也会有局部处于边界摩擦状态。因此，对边界摩擦的研究是近代摩擦学的一个重要领域。

4.混合摩擦

当摩擦表面间有润滑油，但不足以保持液体摩擦时，就可能有部分接触处是边界摩擦，其余部分是液体摩擦；也可能在部分粗糙峰接触处是干摩擦，而其余部分则为边界摩擦或是液体摩擦。这些状态统称混合摩擦。混合摩擦在机器中是很常见的。

在实际机器中，工作时的载荷、速度等参数往往是改变的，因此相对运动表面间的摩擦状态也会随这些工作参数的改变而从一种摩擦状态转换到另一种摩擦状态。

润滑的原理

润滑就是在两个相互接触的表面之间，通过一定方式强制地加入润滑剂，使之形成一层具有一定承载能力的润滑膜。这种润滑膜既可以把相对摩擦的两个表面隔开，又可以改变其摩擦状态，即将直接接触的“干”摩擦状态变为润滑膜薄膜内部分子之间的内摩擦状态。如果润滑好，也会出现全液体摩擦状态。

在摩擦面内加入润滑剂不仅可以降低摩擦，减轻磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用。由于液体的不可压缩性，润滑油膜还具有缓冲吸震的能力。使用膏状的润滑脂，既可防止内部润滑剂的外泄，又可以阻止外部杂质的侵入，避免加剧机件的磨损。

润滑剂的分类及选用

机器中的润滑剂大致可分为液体、半固体、固体和气体4种。针对工厂的设备我们主要使用3种：润滑油、半固体润滑剂和固体润滑剂。

1.润滑油

在流体动压轴承中，当外载荷作用下，在两个相对运动表面间仍能维持一定厚度的油膜而不被挤掉，重要的一个原因是润滑油具有内摩擦力。润滑油的这种内摩擦力性质叫黏性，黏性只与润滑油本身有关。每种润滑油的黏性并不是固定不变的，而是随温度和压强而变化。

其特点为流动性好，内摩擦系数小，可用于高速机械，冷却作用较好，更换润滑油时，可不拆开机器。但它容易从箱体内流出，故常须采用结构比较复杂的密封装置，且需经常加油，如设备的齿轮变速箱等。

2.半固体润滑剂（润滑脂）

也称黄油，是由润滑油加稠化剂制成的一种油膏状润滑剂。根据稠化剂不同可制成各种润滑脂。

由于润滑脂较润滑油稠，受温度的影响不大和对载荷性质、运动速度的变化等有较大的应用范围，因此常用在：不允许润滑油滴落或漏出引起污染的地方，加、换油不方便的地方，不清洁而又不易密封的地方，特别适合低速、重载、间歇摇摆运动的机械。其缺点为：内摩擦力大，起动阻力大，流动性和散热性差，更换时需停机拆开机器。如电机的齿轮变速箱、轴承等。

3.固体润滑剂

主要有二硫化钼和石墨。它们可以在极高负荷、极低速度下工作，并且耐高温，具有良好的化学稳定性，和环境介质、溶剂、燃料不起反应。特别适合在一些工作条件下无法加油的摩擦面。它对机械零件表面的附着力低，缺乏流动性，润滑膜不易保护，但是它可以与润滑脂组成复合润滑脂。

当然，润滑方法也可分为：集中、分散、连续、间歇、压力、无压、循环、非循环润滑等，根据不同的机械结构原理，应该灵活选择不同的润滑方法。

所以，从摩擦学的观点来设计运动副，要力求使摩擦副工作在流体动压润滑状态。从管理角度讲，就是要通过有效的管理，使运动副保持良好润滑状态。这样，就可以大大降低摩擦因数，改善设备的运转性能，减少功能消耗，延长设备使用寿命，从而确保产品质量，降低产品成本，消降或减少噪音污染，为企业提高经济效益创造良好的物质条件。

钠钙硅玻璃摩擦磨损性能研究 第4篇

关键词：钠钙硅玻璃,摩擦磨损,双环实验

随着我国现代化进程的高速发展, 航空、汽车、火车的窗玻璃以及大型建筑上的玻璃幕墙等工程玻璃构件以及一些家用玻璃器件的安全性和可靠性显得越来越重要。各种玻璃材料的摩擦磨损性能的研究也得到了国内外学者的广泛研究, 然而针对钠钙硅玻璃摩擦学特性, 以及其磨损后的残余强度的研究报道却很少。考虑到在实际工程应用中, 玻璃与45#钢接触较多, 故采用钠钙硅玻璃与45#钢作为摩擦副。该文的目的是研究钠钙硅玻璃在不同载荷作用下与45#钢对磨时的摩擦磨损性能, 并初步探讨其摩擦机理, 为其应用推广提供更好的实验参考数据。

1 实 验

为考察钠钙硅玻璃的普遍性能, 选用外购平板玻璃为研究对象 (洛阳浮法玻璃集团生产) 。样品厚度为4 mm。经切割、研磨、抛光等工序加工成120 mm120 mm的玻璃试样共12块。对摩偶件材料为45#钢经820 ℃淬火后480 ℃回火, 平均硬度为HRC22。试验前, 试样均在丙酮中清洗, 后用热风吹干待用。摩擦磨损实验在多功能材料表面性能测试机上进行, 如图1所示。

试验时, 计算机控制调节材料表面性能试验机横梁位置, 带动检测装置缓缓向下移动, 使压头与玻璃样品接触并施加一定的垂直载荷Fy;启动电动机, 通过同步带传动, 使其玻璃样品与转盘一起以一定的转速旋转。在玻璃样品旋转过程中, 将产生水平摩擦力Fx, 通过水平传感器检测信号并将信号送到计算机中;预先施加的垂直力Fy通过垂直传感器检测信号并将信号送到计算机中。通过软件进行控制、数据处理, 得到Fx、Fy随时间的函数曲线, 以及摩擦系数μ=Fx/Fy随时间的函数曲线, 试验软件如图2所示。在试验过程中, 电动机转速保持500 r/min, 摩擦圆半径为20 mm, 载荷分别设定为5 N、10 N、15 N和20 N, 摩擦时间为600 s。用精密天平测量试样的磨损前后的质量, 并计算出试样质量损失。根据摩擦力矩值计算出摩擦系数。用SMZ168体式显微镜和HXD-1000TMC/LCD显微硬度计对试样磨损表面进行形貌观察。再对不同加载载荷的玻璃试样进行双环实验, 并计算其平均临界载荷, 其结果如表1所示。

2 数据处理与结果分析

在4种载荷 (5 N、10 N、15 N和20 N) 下, 对钠钙硅玻璃的耐磨性进行了评估, 其磨损试验结果如图3～图6所示。

由图3～图6的摩擦系数曲线, 得出45#钢球与钠钙硅玻璃对磨时的摩擦系数随载荷变化的规律曲线, 如图7所示。

从图7中可以看出, 在电机转速为500 r/min (摩擦点线速度0.335 m/s) 的情况下, 摩擦系数先增大后减小。当载荷为5 N时, 由于力比较小, 摩擦磨损过程在玻璃表面进行, 磨损量极少。当载荷增加到10 N时, 摩擦过程将很快进入玻璃内部形成犁沟, 犁削作用明显增强, 故摩擦系数增大。但随着力值的继续增加, 摩擦过程中局部温度升高, 玻璃塑性变形也随之增大, 故摩擦系数有所下降。

以载荷10 N为例, 分别对磨后形成的玻璃犁沟和钢球磨损形貌用SMZ168体式显微镜 (放大倍数为倍) 和HXD-1000TMC/LCD显微硬度计 (放大倍数为倍) 观察如图8, 图9所示。由图8可以看出:在10 N载荷下的钠钙硅玻璃试样磨损表面较为粗糙, 点蚀坑直径和深度明显见图8 (a) ;而10 N载荷下的45#钢球磨损表面较为光滑, 只存在轻微的点蚀坑, 而无明显剥落痕迹。

3 结 论

a.磨损率随着载荷的增加出现波动, 当载荷低于10 N时, 摩擦系数随载荷增加而明显增大, 而当载荷超过10 N时, 摩擦系数随载荷增加而明显降低。

b.45#钢球的磨损失效主要源于点蚀, 钠钙硅玻璃其磨损失效主要源于表层塑性变形。

c.钠钙硅玻璃的初始损伤对其强度影响至关重要, 但随着损伤的加剧对其强度并不明显。

参考文献

[1]宁莉萍, 王齐华, 简令奇.微晶玻璃的摩擦学特性研究进展[J].材料科学与工程学报, 2005, 23 (2) :306-309.

[2]赵运才, 肖汉宁, 张力军.转速对铝硅酸盐玻璃陶瓷摩擦磨损特性的影响[J].硅酸盐通报, 2003, (6) :20-23.

[3]Komeropoulos K, Suh N P, Saka N.Wear of BoundaryLubricated Surfaces[J].Wear, 1986, 107:107-132.

[4]Finkin E F.An Explanation of the Wear of Metals[J].Wear, 1978, 47:107-117.

[5]Luo Jianbin, Liu Shan, Pan Guoshun, et al.Study onNano Mixed Lubrication[J].Journal of Mechanical Engi-neering, 2003, 39 (2) :2-7.

[6]XIA Yan-qiu, WANG Shi-jie, XUE Qun-ji.Friction andWear Proper of Electron Beam Irradiated Boron Permeat-ed Carbon Steel under Lubrication[J].Tribology, 2003, 23 (6) :485-489.

[7]Chen Yanglin, Lai Xintu, Wang Dongfang.In-situ Dy-namicStudies on Friction and W ear of a Friction Pair ofStee Steel[J].Tribology, 1996, (1) :76-80.

[8]陈卓君, 张祖立, 贾春德, 等.钢/玻璃的摩擦磨损性能动态观测研究[J].润滑与密封, 2005, (4) :88-90.

摩擦磨损性能 第5篇

关键词：搅拌摩擦加工,铝基复合材料,磨损性能

金属基复合材料具有硬度高、强度大、耐磨性好、热膨胀因数低等优点,是一种先进的结构材料,在航空、航天、汽车等领域具有广阔的应用前景。铝基复合材料是金属基复合材料的典型代表,是在纯铝或铝合金中分散有特殊第二相的多相材料,具有特殊物理力学性能的第二相极大地增强了材料的强度、硬度、耐磨、耐热等性能。通过将不同性能的铝基体和强化相复合在一起,可使材料的性能显著提高[1]。

搅拌摩擦加工技术(Friction Stir Processing,FSP)是基于搅拌摩擦焊原理的一种新型材料改性与制备新技术[2,3]。搅拌摩擦加工过程中,加工区在摩擦热及机械搅拌的共同作用下,经历了剧烈的塑性变形及组织的动态再结晶,从而实现了加工组织显著致密化和均匀化[4,5]。搅拌摩擦加工利用加工区金属剧烈的塑性变形和流动,通过加入一定体积分数的元素或第二相可以进行微观组织的改性[6,7],在耐磨表面复合材料制备[8,9]等方面是一种非常有效的加工技术。

颗粒增强铝基复合材料是目前较为成熟、应用较多的金属基复合材料[10],其制备工艺主要有挤压铸造、喷雾沉积、粉末冶金等方法。挤压铸造、喷雾沉积等方法适合制备颗粒含量较低的铝基复合材料,粉末冶金方法可以制备高体积分数的铝基复合材料,但设备及生产成本较高[11]。国内外有关颗粒增强铝基复合材料摩擦磨损性能的研究报道不少[12,13,14,15]。本研究选用广泛应用的ZL109铝合金为基体,通过加入一定体积分数的B4C颗粒作为强化相,利用搅拌摩擦加工技术制备铝基复合材料,并对其显微组织和磨损性能进行探索研究,以期为颗粒增强铝基复合材料的进一步研究和实际应用提供可靠的理论与技术积累。

1 实验

采用共晶型Al-Si-Cu-Mg系ZL109铸造铝合金,该合金是常用的铝合金活塞材料。添加粉末为颗粒度10μm的B4C颗粒。实验在FSW2.4CX-006龙门式数控搅拌摩擦焊机上进行。搅拌头材料为H13热作模具钢,轴肩摩擦面为双圆环,轴肩直径12mm,搅拌针形状为带螺纹的圆台型,搅拌针直径3.6mm,长度5.2mm。

搅拌摩擦加工试样的尺寸为150mm×150mm×6mm,加工区域表面采用金相砂纸研磨,使其具有相同的表面粗糙度。试板表面采用机械加工方法加工深3mm、宽1.5mm的矩形沟槽,开槽后用酒精或丙酮清理。将粉末均匀地添加于沟槽,先用无针平轴肩搅拌头封堵粉末,再用圆台型螺纹搅拌针进行四道次重复加工,每道中间间隔20min。搅拌摩擦加工参数为:搅拌头转动速率为1000r/min,前进速率为100mm/min,倾角为2°。

将搅拌摩擦加工区域在UMT-2型摩擦磨损试验机上进行球盘式干摩擦滑动磨损实验,摩擦副为直径9.38mm的不锈钢球,摩擦半径为5mm。磨损实验参数为:磨损载荷为50N,磨损转速为150r/min,磨损时间为20min。摩擦因数由与摩擦磨损试验机相连的电脑直接读出。采用SEM观察其磨痕形貌。

2 实验结果与分析

图1为不同温度下ZL109铸态和搅拌摩擦加工制备铝基复合材料的摩擦因数-时间关系摩擦磨损曲线。图2为两种不同状态材料摩擦因数随温度变化曲线。可以看出,摩擦因数的变化趋势均为随着磨损温度的增大而增大。两种状态材料的摩擦磨损曲线均存在较大的波动,但其变化趋势均表现为先上升,然后相对平稳,最后再上升。铸态材料本身硬度较低,且组织不均匀,因此,随着磨损温度的升高,其磨损曲线的波动较大(见图1(a));不同温度下搅拌摩擦加工制备的复合材料在磨损初期的摩擦因数曲线整体比较平缓,随时间变化的波动较小(见图1(b)),从摩擦因数的数据的均方差值来看,摩擦因数的分散度较小,所以摩擦性能相对较稳定。因为碳化硼的加入,材料的表面硬度比较高,在磨损过程中,碳化硼承担了部分载荷,随着磨损的进行,形成了机械混合层又强化了磨损面,所以表现出较好的磨损性能。

图1 不同温度下的摩擦磨损曲线(a)铸造铝合金;(b)搅拌摩擦加工复合材料Fig.1 Friction coefficient curves at various temperatures(a)as-cast Al alloy;(b)friction stir processed composite

图3为不同温度下两种状态材料磨损表面的形貌。由图3可以看出,铸态未处理材料的磨损面除出现较浅的犁沟外,还有磨屑脱落后留下的犁沟凹坑(见图3(a-1))。200℃时的磨损面塑性变形痕迹开始比较明显,并出现剥离痕迹(见图3(b-1)),300℃时,铸态未处理材料的磨损面更粗糙,塑性流动更加严重,且存在明显的波浪纹(见图3(c-1))。这是因为在磨损过程中,铸态材料表面的微凸在对磨材料不锈钢球和旋转力矩的切削作用下,产生塑性变形,并从其表面脱落形成磨屑,导致磨损面上出现凹坑。产生的磨屑附在对磨材料不锈钢球的接触表面,形成三体磨损,犁削复合材料的表面而成;随着磨损的进行,复合材料的表面开始产生细粉状磨屑,经过反复地切削磨损作用,破碎为更细小的颗粒,并被碾压平铺于磨痕表面,而且部分被碾压堆积的磨屑剥落。300℃时,在高温磨损载荷作用下,磨损形成的磨屑由于高温影响在新的表面产生黏着、“焊合”,随后又被切断、转移,使磨损表面形成犁沟,产生较大的塑性变形,产生大量块状磨屑。同时由于高温作用使基体材料变软,铝合金的塑性增加,摩擦因数增加,同时极易造成试样与表层粘附着的磨屑的黏合,磨损量也大幅度增加,形成大量块状的磨屑。根据判断可以分析出此阶段以黏着磨损为主。100℃时,搅拌摩擦加工制备复合材料的磨损表面光洁完整(见图3(a-2)),由于少许脱落的碳化硼颗粒残留在对磨材料上,犁削复合材料表面形成较浅的犁沟。此时的磨损机理主要为磨粒磨损。随着温度升高到200℃时复合材料的磨损表面塑性变形痕迹开始比较明显(见图3(b-2)),磨损过程中脱落的碳化硼颗粒相对较多,犁沟也比较深,凹坑逐渐变大。在磨损载荷的作用下,磨屑和脱落的细小的碳化硼颗粒形成一定的机械复合层。300℃的磨损表面变得粗糙,出现一定的塑性流动痕迹,而且也出现较大的块状磨屑脱落的痕迹(见图3(c-2))。所以此阶段的磨损主要为黏着磨损。

图2 不同温度下的平均摩擦磨损因数Fig.2 Average friction coefficient curves at various temperatures

(a)100℃;(b)200℃;(c)300℃(a)100℃;(b)200℃;(c)300℃

图3 不同温度下的磨损表面形貌1-铸造铝合金;2-搅拌摩擦加工复合材料Fig.3 SEM morphologies of worn surface at different temperatures 1-as-cast Al alloy;2-friction stir processed composite

图4为不同温度下的磨屑形貌及其EDS图谱。在磨损温度较低(100℃)时,搅拌摩擦加工制备的铝基复合材料磨损过程中形成的磨屑,宏观上体现为非常细小的黑色粉末状(见图4(a)),此时磨损处于轻微磨损阶段。随着磨损的温度升高,在温度300℃时,磨屑宏观上呈银白色的粗大的块状(见图4(b)),同时伴随着一些比较小的粉末状磨屑,但其所占体积分数甚小。

从能谱分析结果可知,复合材料在温度为100℃的条件下磨损形成的黑色细小磨屑尺寸均在10μm以下,除了材料基体中所含有的Al、Si元素外,还存在较多的O元素。分析认为主要来自磨损过程中复合材料表面氧化形成的Al2O3。由此可以表明,这个阶段的磨损以氧化磨损为主。当温度达到300℃时形成的磨屑,其形状为大块状,尺寸约500μm。从图示的能谱图中可以清晰地看到,磨屑中同样含有Al、Si和O三种元素,但其中O元素的含量较少。由此可说明,随着温度升高,复合材料的磨损机理由氧化磨损转变为黏着磨损,同时伴随着少量的氧化磨损。

图4不同温度下的磨屑形貌(1)及其EDS图谱(2)(a)100℃;(b)300℃Fig.4 Morphology(1)and EDS(2)of wear debris at different temperatures(a)100℃;(b)300℃

3 结论

(1)铸态情况下的摩擦因数高于搅拌摩擦加工制备的铝基复合材料,并且两种材料的摩擦因数都随磨损温度的升高而增大。

(2)铸态情况下的摩擦因数比搅拌摩擦加工制备的铝基复合材料的波动大,所以复合材料的摩擦性能更稳定。

摩擦磨损性能 第6篇

关键词：铜基复合材料,颗粒增强,石墨自润滑,碳纤维,碳纳米管,摩擦磨损

0 引言

铜基复合材料具有较高的强度及良好的导电导热性、减磨耐磨性、耐蚀性等一系列优点,在摩擦减磨材料、电接触材料和机械零件材料等领域发挥着重要的作用[1，2]。随着铜基复合材料应用的越来越广泛,其对摩擦性能要求越来越高,因此需要不断开发耐磨铜基复合材料。

颗粒增强是常见的在提高复合材料整体强度的同时还可以提高其耐磨性的途径,常用的增强颗粒有TiC[3-5]、Al2O3[6]、FeAl[7]、SiC[8]和WC等。石墨作为自润滑材料也是常见的提高铜基复合材料耐磨性的增强体,其本身的结构使得复合材料兼有基体性能和良好的耐磨性。纤维是一种新的增强体,它比传统的颗粒增强体具有更优异的性能,研究较多的纤维增强体是碳纤维、Al2O3纤维[9]、W纤维[10]、SiC纤维[11]和B纤维[12]等。新型的增强体还有碳纳米管,其增强作用与碳纤维增强相比更为明显。

1 颗粒增强铜基复合材料的摩擦磨损性能

颗粒增强即在软韧的Cu基体中形成弥散分布的硬质颗粒,既能改善基体的室温和高温性能,又不明显降低基体的导电性,达到导电、强度和耐磨性能综合提高的效果。由于颗粒增强铜基复合材料具有制造成本低、性能优异等优点,其研制和开发日趋广泛[13]。

TiC颗粒硬度高,具有良好的力学性能,是优良的耐磨材料。例如,将Cu-Cr-Zr作为基体材料,与TiC粉末混合制备成TiC弥散强化铜基复合材料,在销盘式摩擦试验机上进行干摩擦磨损实验,结果表明,随着TiC颗粒体积分数的增加复合材料的磨损率先降低后增大,当TiC颗粒体积分数约为3%时磨损率最低[14]。Rajkumar K等[15]研究了Cu-TiC-C复合材料的摩擦性能,实验用纯铜作为基体,TiC和C作为增强体,利用微波烧结技术制备出了(5% ~15%)TiC-(5%~10%)C的铜基复合材料,同时以纯铜试样作对比,在销盘式摩擦试验机上测试两种材料的摩擦性能。结果表明,纯铜磨损量远大于含增强体的复合材料,并且随着TiC和C含量的增加磨损率呈降低趋势。这是由于随着石墨含量的增加,复合材料在摩擦过程中更容易产生石墨磨粒,这些磨粒起到了润滑作用,降低了复合材料的磨损率。而随着TiC含量的增加,复合材料摩擦滑动的初始阶段发生了磨损,这些硬质粒子裸露在磨损表面承载了摩擦载荷,减缓了铜基体的继续磨损。

Al2O3也是常见的增强体之一。Fathy A等[16]研究了纳米尺寸的Al2O3颗粒增强铜基复合材料的摩擦磨损性能,实验结果证明,经Al2O3增强的铜基复合材料耐磨性提高,摩擦性能较好。

在WC颗粒增强的铜基复合材料上添加适量合金元素可以进一步改善原有复合材料的摩擦性能。Eunji Hong等[17]分别制备了含铟和不含铟的WC颗粒增强铜基复合材料,并对其进行摩擦磨损实验,结果证明铟的固溶减小了复合材料的摩擦系数,尤其在较高的滑动位移下,减磨效果更为明显。

La2O3的加入同样可以提高铜材料的耐磨性能,用粉末冶金法内氧化生成Cu-La2O3复合材料,其耐磨性能高于不含La2O3的纯铜材料[18],并且在适当含量范围内随着La2O3含量的增加磨损量下降。

2 自润滑铜基复合材料的摩擦磨损性能

在金属基体中加入固体自润滑材料可提高材料的摩擦磨损性能[19，20],而石墨由于其本身具有良好的自润滑作用、稳定的化学性质、良好的导电性,以及不易与铜或铜基体中含有的常见的锡和铅等元素反应等特性,在铜基自润滑材料中应用广泛[21，22]。

铜-石墨类材料广泛用于低电压直流发电机、汽车起动机,以及传导电流和传输信号的滑动接触点等[23]。由于石墨的自润滑作用,铜-石墨复合材料的摩擦系数比纯基体要小。在一定含量范围内,适量的石墨有助于提高铜基复合材料的耐磨性能,减小其摩擦系数,并且随着石墨含量的增加摩擦系数逐渐降低,磨损率也逐渐减小;超过临界值,磨损率随石墨含量的增加呈增高趋势[24]。

焦明华等[25]以青铜合金粉作为复合材料的基体,石墨作为固体润滑组元,适量添加镍和铁等合金元素制备了镀镍石墨铜基复合材料,探究了其摩擦磨损性能。试样采用粉末冶金复压复烧工艺制备,在室温和干摩擦条件下进行实验。结果表明,随着载荷增加,复合材料的磨损率逐渐增大,而摩擦系数受到的影响较小。当载荷小于40N时,其摩擦系数随载荷增加而逐渐减小,磨损率缓慢增加;当载荷大于40N时,石墨含量为6%的镀镍复合材料摩擦系数逐渐增大而且磨损率增幅较快。继续增加载荷至60N时复合材料磨损率仍然较低,其摩擦系数也处于较低(0.23)水平。该实验证明石墨的添加显著提高了铜基复合材料的摩擦性能。

在石墨自润滑铜基复合材料的基础上添加MoS2等化合物,并在室温下测试这种含石墨和MoS2的铜锡自润滑材料的干摩擦磨损性能,结果表明石墨的加入有效地减小了复合材料的摩擦系数,尤其当石墨体积分数为40%时复合材料的摩擦系数达到最小值(0.15)。而随着MoS2体积分数的增加复合材料的磨损率也呈进一步降低趋势。

铜-石墨-MoS2是典型的滑动电接触材料[26],由于MoS2的电阻率高、导电性能差,同时石墨、MoS2较软,可能导致电接触材料的承载能力和耐磨性差,而滑动电接触材料的工作环境是大电流,会产生电火花,使温度升高,吸附在表面的水分挥发,破坏了表面膜的完整性,造成磨粒磨损,因此需要进一步优化和改良铜-石墨-MoS2复合材料。

刘元等[27]用纳米NbSe2材料与青铜粉配制成含纳米NbSe2质量分数分别为5%、10%、15%、20%的复合材料,并采用球盘式接触摩擦形式测试其摩擦性能。结果表明,纳米NbSe2的质量分数为5%时,摩擦系数显著降低并且比较稳定,基本不随载荷的变化而变化,并且纤维状纳米NbSe2表现出比片层状纳米NbSe2材料更好的减磨效果;当纤维状纳米NbSe2的质量分数为15%时,复合材料表现出的减磨效果最佳。

3 纤维增强铜基复合材料的摩擦磨损性能

最常用的增强纤维是碳纤维,碳纤维具有高比强度、高比模量、高的导热和导电性以及低的热膨胀系数[28],此外,碳纤维缺陷数量少、比表面积大、结构致密,并且有自润滑作用,已被广泛应用于电子元件材料、滑动材料及耐磨器件等领域。碳纤维在铜基复合材料中的主要作用是承受载荷,减少磨损,而铜基的作用是承受部分载荷并将载荷传递给碳纤维。其摩擦磨损的基本过程为:较软的基体先磨损,硬质纤维逐渐突出并承受大部分载荷,纤维本身的耐磨性较好,且其大部分表面又受到基体的保护而不易受到损伤,形成纤维的露头,从而保护基体。在摩擦力的作用下碳纤维变成微小的碳颗粒,涂覆在磨损面上,起到了一定的自润滑作用。

龙卧云等[29]的实验发现,在干摩擦条件下,随着碳纤维含量的增加,碳纤维增强铜基复合材料的磨损量下降,耐磨性提高,纤维含量小于5%时,耐磨性提高很明显,纤维含量大于5%时,耐磨性随碳纤维含量的增加增幅不明显[30]。

唐谊平等采用新的电镀技术在短碳纤维上镀铜,之后用冷压烧结工艺制备出了耐磨性能较好的短碳纤维增强的铜基复合材料。实验在干摩擦条件下进行,随着纤维含量的增加,摩擦系数和磨损量明显下降,如表1所示[31],说明碳纤维的加入提高了材料的耐磨性。通过对磨损表面形貌的分析可以判断碳纤维的加入能有效地阻碍基体变形,这是由于碳纤维具有高温稳定性,可以阻碍基体软化。

Ding T等[32]在探究电流强度和温度对碳纤维增强铜基复合材料摩擦磨损性能的影响时发现,在没有电流的情况下,试样进行摩擦磨损试验时的温度开始上升迅速,然后逐渐上升并维持在38 ℃左右,摩擦系数随着温度的上升而增大;在有电流的情况下,温度随着电流的增加而上升,温度上升幅度随电流增强幅度增大而增大,并且摩擦系数也随着电流增加而增大。碳纤维的磨损主要是热磨损和电弧侵蚀造成的,电弧放电比温度上升对碳纤维磨损量具有更大的影响。

多种增强体增强金属基复合材料比单一增强体复合材料具有更连续的优异性能[33],因此将颗粒增强与碳纤维增强结合也能达到良好效果。研究表明[34],镀铜Ti3SiC2和碳纤维增强的铜-石墨复合材料的摩擦磨损性能优于未镀铜Ti3SiC2和碳纤维增强的复合材料。通过比较得出,用2%的镀铜Ti3SiC2、1%的碳纤维代替铜-石墨复合材料中的部分石墨后,复合材料的耐磨性最好。

夏龙等[35]在研究碳纤维增强Cu-Sn-Zn基复合材料和ZQSn663锡青铜在干摩擦条件下的摩擦性能时发现,碳纤维增强Cu-Sn-Zn基复合材料的磨损率和摩擦系数远远低于ZQSn663锡青铜,当碳纤维体积分数为12%时,复合材料的磨损率达到最低值,说明碳纤维的加入提高了材料的耐磨性。

4 碳纳米管增强铜基复合材料的摩擦磨损性能

碳纳米管同样具有强度高、弹性模量大、减磨耐磨性优良、导电导热性好和自润滑性优良等特性[36],其吸波能力也强,可达吉赫兹水平[37]。与碳纤维相比碳纳米管的性能更为优良,可能是目前比强度和比刚度最高的材料[38-40]。

Lin C B等[41]研究了体积分数分别为5%、10%、15%、20%的经真空烧结的碳纳米管增强铜基复合材料的摩擦磨损性能。结果表明,随着碳纳米管含量的减少,复合材料的摩擦系数呈增加趋势,当碳纳米管的含量在10%~15%范围内时复合材料的磨损率达到最低水平,意味着在这个范围内材料的磨损性能最为优异。

将体积分数为10%的碳纳米管增强铜基复合材料和纯铜块体试样在销盘式摩擦试验机上测试摩擦磨损性能,结果表明[42],载流条件下碳纳米管能明显提高铜基复合材料的摩擦磨损性能,电流对纯铜的摩擦磨损性能的影响要比对碳纳米管增强铜基复合材料的影响明显得多,如图1所示。

当碳纳米管直径增大到24~76nm,长度增加到几微米时,通过比较微波烧结的不同体积分数(5%、10%、15%和20%)碳纳米管的铜基复合材料发现[43],复合材料表现出了比纯铜高出4~5倍的抗磨损能力。碳纳米管体积分数从5%增加到15%的过程中,复合材料摩擦系数减小,而碳纳米管体积分数超过15%时复合材料摩擦系数随着碳纳米管体积分数的增加而增加,当达到20%时随着载荷的增加磨损率急剧增加。

放电等离子烧结的碳纳米管增强材料的摩擦性能比未增强的铜材高3倍。这种强化效果归结于碳纳米管在铜基体中的均匀分布、与铜基体良好的界面结合以及铜基体相对较高的密度[44]。由于放电等离子烧结成本较高,而微波烧结成本相对较低,因此微波烧结使用比较广泛。

5 结束语

铜基复合材料作为一种新型材料,已引起国内外众多学者的关注,但是依然存在一些尚不成熟的问题。目前增强铜基复合材料的制备工艺已多样化,但有些工艺并不适合规模化工业生产,如何选择最经济的制备方法,研究出真正适合于工业化生产的耐磨铜基复合材料,将是今后的主要研究方向。

从碳纤维(碳纳米管)增强铜基复合材料的研究现状来看,今后对其研究将主要侧重于进一步简化工艺,降低成本,探讨碳纤维在基体中的含量和分布与强度、耐高温性以及摩擦性能之间的关系。

对于自润滑增强铜基复合材料,由于目前还没有提出完整系统的摩擦磨损理论,相关理论研究还不够深入,因此难以对材料的设计和研制起到参考作用[45]。

摩擦磨损性能 第7篇

在摩擦材料中金属纤维和陶瓷纤维常被用来增强基体[8]。如钢纤维具有成本低,强度和韧性高等优良性能,在半金属摩擦材料领域,甚至粉末冶金摩擦材料领域获得良好效果[9,10]。然而,钢纤维易氧化锈蚀,易引起尖叫震动等问题。在以陶瓷纤维为增强纤维方面,研究较多是碳化硅纤维[11],硅氧铝陶瓷纤维[12]等,而对莫来石陶瓷纤维的研究报道较少。莫来石纤维属于氧化物陶瓷纤维,具有高温性能稳定、弹性模量高、抗氧化能力强等特性,与氧化铝陶瓷有着相近的热膨胀系数[13],有望成为陶瓷基摩擦材料中优良的理想增强纤维。基于此,本工作选用钢纤维/莫来石陶瓷纤维混杂作为增强材料制备陶瓷基摩擦材料,研究莫来石纤维含量对其摩擦磨损性能的影响,利用SEM观察试样磨损表面微观形貌,分析与探讨其磨损机理,以期为研制高性能陶瓷基摩擦材料提供技术参考。

1 实验

1.1 原料及试样制备

陶瓷基摩擦材料是由陶瓷组分、增强纤维、摩擦调节剂组成的多元复合材料。陶瓷组分由板状刚玉(80~140目)、黏土(320目)和钾长石(200目)组成;增强纤维为钢纤维和莫来石陶瓷纤维。钢纤维为珠海大正金属纤维有限公司生产的D3-52F型钢纤维,莫来石陶瓷纤维由山东鲁阳有限公司提供,其直径为5~10μm,长度为3~5mm。摩擦调节剂包括碳化硅、鳞片石墨等。

采用氮气保护热压烧结方法,通过配料混合压坯加压烧结工艺制备陶瓷基摩擦材料。即,用高速混料机将各原料按比例配合搅拌15min,在搅拌后的混料中添加质量分数为1.7%的聚乙烯醇溶液,搅拌均匀,并将最终混料体烘干。最终混料体在YX32-500型油压机上压制成型,压制力25MPa。并在DGNL-300多功能烧结炉中用氮气作保护气氛进行加压烧结,烧结温度为1100℃,烧结压力2MPa,保温保压时间2h。不含莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料试样的主要组分(质量分数)为:陶瓷组分60%~70%,钢纤维10%~25%,摩擦调节剂8%~14%。保持以上各组分比例不变,分别添加质量分数为8%,16%和24%的莫来石纤维,得到钢纤维/莫来石纤维增强陶瓷基摩擦材料试样。

1.2 实验方法

在XD-MSM型定速摩擦磨损试验机上评价陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损性能。根据GB57632008,将样品加工成尺寸为25mm25mm6mm的试样,每次实验使用的2块试样均来自于同一块摩擦材料试样。对偶摩擦盘为45钢,摩擦盘转速为480r/min,恒定载荷1225N。实验温度依次为100,150,200,250,300℃和350℃,每个温度下旋转5000r。通过所测摩擦力与载荷的比值计算得出摩擦因数μ,根据所测量的每个温度下摩擦实验前后的厚度,由计算机自动计算得出试样的磨损率V。

利用HR-150DT型洛氏硬度计测量实验前试样的硬度;通过WAW型液压万能试验机测定试样的剪切强度和压缩强度。为了研究试样的磨损机制,将试样放入108MANUAL型真空镀膜仪内为磨损表面镀金,镀金时间为40s,然后采用ZEISS型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察喷金试样磨损表面形貌。

2 结果与分析

2.1 硬度和力学性能

图1为陶瓷基摩擦材料的硬度、力学性能(剪切强度和压缩强度)随莫来石纤维含量变化的关系。可以看出,加入莫来石纤维的试样的硬度表现出随纤维含量增加而增大的趋势。不同莫来石纤维含量对试样力学性能有所差别,当莫来石纤维含量为8%时,试样的力学性能明显高于未添加莫来石纤维的试样,而当莫来石纤维含量提高至24%时,其抗剪强度和抗压强度明显降低(同含8%莫来石纤维的试样相比降低幅度分别达45%和55%以上)。主要是因为,随着莫来石纤维含量增大,纤维在基体中分散不易均匀,产生局部聚积,莫来石纤维的增强效果受到影响。

2.2 摩擦磨损性能

图2为莫来石纤维含量对陶瓷基摩擦材料摩擦因数的影响关系曲线。可以看出,莫来石纤维含量的不同对摩擦材料的摩擦因数具有较严重的影响。在升温过程中,添加了莫来石纤维的摩擦材料在各个温度下的摩擦因数均高于未添加莫来石纤维的摩擦材料,且其摩擦因数随莫来石纤维含量增加而增大。除此之外,在摩擦温度100℃到350℃升温过程中,未添加莫来石纤维的材料摩擦因数从100℃时的0.43降低到350℃时的0.33,说明摩擦因数出现了较严重的热衰退。而添加8%或16%的莫来石纤维的材料,其摩擦因数变化较平稳,当莫来石纤维含量达到24%时,摩擦因数波动起伏较大。

莫来石纤维含量对陶瓷基摩擦材料磨损率的影响如图3所示。可见,随着摩擦温度的升高,陶瓷基摩擦材料的磨损率都表现出增加的趋势,在100~200℃之间,其磨损率总体以缓慢的速度增加,而在200℃以上,其磨损率增加较明显。值得注意的是,在高温300℃以上,添加了莫来石纤维的摩擦材料在各个温度下的磨损率均高于没有添加莫来石纤维的材料,且其磨损率随莫来石纤维含量增加而增大。如在350℃时,添加了24%的莫来石纤维比未加入莫来石纤维的摩擦材料,其磨损率增大了1.65倍,显示出严重的磨损。由于钢纤维的导热性能高于莫来石纤维,在陶瓷基摩擦材料中加入莫来石纤维,钢纤维的含量必定减少,莫来石纤维含量越多,钢纤维含量越少,从而更加导致陶瓷基摩擦材料摩擦表面的热传递速率降低。在高温下,摩擦表面热量积聚越高,就更易降低陶瓷基摩擦材料的摩擦表面强度,在摩擦过程中摩擦表面损耗程度增大,磨损率随之增加[14]。并且莫来石纤维含量越大,因团聚的莫来石纤维在摩擦过程中更易破碎、断裂,破坏摩擦表面,从而也增大了陶瓷基摩擦材料的磨损率。

2.3 磨损表面形貌

磨损表面形貌是判定磨损机制最直接且主要的依据。图4为实验后未添加莫来石纤维增强的陶瓷基摩擦材料磨损表面形貌的SEM图。可见,在摩擦过程中,未添加莫来石纤维的材料摩擦表面上的微凸体被碾细,并且在摩擦力作用下在摩擦表面形成摩擦层,摩擦层除了出现刮削的犁沟和擦伤外,还存在较大的剥落坑(图4(a))。同时发现,在摩擦表面A区域出现了较明显的微裂纹(图4(b)),并且裂纹扩展至摩擦表面亚表层(图4(c))。分析认为,随着摩擦温度的升高,摩擦表面瞬时温度则更高,陶瓷基摩擦材料在载荷压力和摩擦温度的作用下,摩擦表面将形成不稳定的接触压力场和温度场[15]。一方面,在不稳定的循环接触压力和摩擦剪切力反复作用下,摩擦表面产生塑性变形和位错,加上摩擦表面上的陶瓷基体与纤维间变形不连续,从而易产生应力集中,导致疲劳微裂纹出现在摩擦表面上,进而扩展至摩擦亚表层中,因此出现疲劳磨损;另一方面,由于陶瓷基摩擦材料中各组分的热膨胀系数的差异,使得受热摩擦表面层、亚表层以及摩擦表面层中不同区域热膨胀率不同,从而导致摩擦表面也会出现热应力微裂纹[16]。经过反复摩擦,这些微裂纹的存在使得摩擦表面上形成的摩擦层被撕裂并且局部剥落,形成较大剥落坑(图4(a)中B区域),加速了

材料的脆性脱落,脱落的颗粒进一步对摩擦表面产生磨损作用,部分剥离后的颗粒在磨损表面起到磨料磨损作用,刮擦摩擦表面,出现机械磨损犁沟痕迹,从而也加速磨损。由此可以得出,未添加莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式主要是脆性脱落和疲劳磨损,伴有磨粒磨损。

图5和图6分别为实验后添加了莫来石纤维增强的陶瓷基摩擦材料磨损表面形貌SEM图。可知,添加了莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料的摩擦表面相对未添加莫来石纤维的均粗糙不平。当在陶瓷基摩擦材料中添加莫来石纤维后,具有高导热性的钢纤维含量减少,降低其摩擦表面的热传导。在高温下,摩擦表面的瞬间温度将更高,此时产生较软材料向较硬材料的摩擦表面转移,在摩擦表面上形成一层转移膜[17],且材质相同的黏着趋势更显著,在摩擦表面形成大量黏着点,在摩擦力反复作用下,黏着点将脱离,从而破坏摩擦表面上生成的转移膜,因此在摩擦表面因黏着而产生了大量瘤状物和凹坑,造成摩擦表面粗糙不平,发生了黏着磨损。从图5中可看出,试样摩擦表面存在着明显的黏着坑,形成了显著的黏着带。根据机械-分子作用理论[18],摩擦力主要来源于机械作用力(犁沟,刮擦等)和分子作用力(黏着等),温度升高,材料的黏着磨损加剧,黏着产生的摩擦力增加,因此摩擦因数有所增大,同时加剧了磨损。此外,在摩擦表面还存在平行于摩擦方向的犁沟。综合可见,含8%莫来石纤维的试样出现了黏着磨损和磨粒磨损。

从图6可以清晰地看出,含16%和24%的莫来石纤维的两种摩擦材料的磨损表面存在共同点,即在磨损表面上也都存在一些大小不等的黏着坑,发生了黏着磨损。在摩擦过程中,对偶盘摩擦表面上的凸峰压入摩擦表面并撕扯,使黏着坑扩大和深化。此外,莫来石纤维部分表面明显裸露在磨损表面上。由于莫来石纤维耐高温,在高温下不会软化,但韧性弱。当莫来石纤维含量越多时,在陶瓷基体分散得越不均匀,更容易团聚,使得莫来石纤维与陶瓷基体界面结合性能弱,在摩擦力作用下,暴露于摩擦表面的莫来石纤维容易破碎、断裂,脆性断裂的莫来石纤维形成坚硬的碎屑,滞留于摩擦副间,在磨损表面起到磨料作用,加剧了摩擦材料的磨粒磨损,磨损表面变得粗糙不平,摩擦表面的相对运动阻力增大,导致两种摩擦材料能够具有较高的摩擦因数(图2),同时磨损率增大(图3)。因此,分析表明16%和24%莫来石纤维增强的陶瓷基摩擦材料的磨损形式仍以黏着磨损和磨粒磨损为主。

3 结论

(1)加入莫来石纤维的试样的硬度表现出随莫来石纤维含量增加而增大的趋势,当莫来石纤维含量为8%时,试样的力学性能明显高于未添加莫来石纤维的试样,含24%莫来石纤维试样的力学性能同含8%莫来石纤维试样相比明显下降。

(2)莫来石纤维的加入能够显著提高陶瓷基摩擦材料的摩擦因数,且随莫来石纤维含量增加而增大。在高温下,添加了莫来石纤维的摩擦材料在各个温度下的磨损率均高于未添加莫来石纤维的摩擦材料,其磨损率随莫来石纤维含量增加而增大。

(3)未添加莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式主要是脆性脱落和疲劳磨损,伴有磨粒磨损;而添加莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式转化为黏着磨损和磨粒磨损。

摘要：利用氮气保护热压烧结法制备含0%～24%(质量分数)莫来石纤维增强陶瓷基摩擦材料,采用XD-MSM型定速摩擦试验机研究莫来石纤维含量对摩擦材料摩擦磨损性能的影响,借助于扫描电子显微镜观察实验后试样的磨损表面形貌,并探讨其磨损机理。结果表明:莫来石纤维的加入能够显著提高陶瓷基摩擦材料的摩擦因数,且随莫来石纤维含量增加而增大。在高温下,陶瓷基摩擦材料的磨损率随莫来石纤维含量增加而增大。未添加莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式主要是脆性脱落和疲劳磨损,伴有磨粒磨损;而添加莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式转化为黏着磨损和磨粒磨损。

摩擦磨损性能 第8篇

关键词：陶瓷摩擦学,干摩擦,温度,湿度

0引言

陶瓷材料因具有高硬度、高强度、良好的耐磨性以及抗氧化性而被广泛地应用于机械、航空、化学等工业以及空间技术、新能源开发等新型产业。陶瓷材料在不同环境下表现出来的摩擦磨损性能对其能否良好地服役至关重要。目前, 诸多学者已在陶瓷摩擦学方面做了大量的研究工作,并发现影响陶瓷材料摩擦磨损性能的因素很多,如陶瓷材料的断裂韧度、试验时的载荷、滑动速度、试验持续时间、润滑条件以及环境温度和湿度等。本文综合阐述了几种典型陶瓷材料在室温干摩擦条件下和不同温度、湿度条件下的摩擦磨损性能,并探讨了温度和湿度对陶瓷摩擦学行为的影响机理。

1磨损试验方法及陶瓷磨损机理

为了研究材料的摩擦学性能,保证材料在试验过程中的磨损机理与实际系统的磨损机理一致,需根据实际运行工况对磨损试验进行设计。

1.1磨损试验设计要素

磨损试验主要包括4个基本要素:模拟试验、加速试验、 试样制备和摩擦磨损参数测量。

模拟磨损试验是为了保证试验系统与实际系统之间的功能相似,对试验输入量进行控制。影响模拟过程的重要因素有:试验的配副情况(通常采用3种接触配副,即点接触、 线接触和同曲表面接触)、运动形式(一般有滑动、滚动、旋转和冲击4种形式)、载荷(一般采用弹簧、液压加载或电磁加载等方式施加静载或动载)、速度、润滑状况、运行环境 (污染、温度和湿度)等。

加速磨损试验成本低且周期短,但是若加速不当,材料的磨损机理模拟可能改变。加速磨损通常通过强化载荷、速度或者温度等方式实现,减少界面润滑剂用量或连续运转也具有一定的加速磨损效果。

试样制备是影响试验结果的可重复性或可再现性的重要因素。在制备试样时尽量做到控制两配副材料的表面粗糙度、几何形状、微观结构、材质均匀性、硬度和表面吸附层等因素,以保证试验结果的真实性。

摩擦磨损参数测量包括摩擦因数和磨损量的测量。摩擦因数又称摩擦系数,是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力的比值,是一个没有单位的数值。其与接触物体的材料、表面光滑程度、干湿程度、表面温度、相对运动速度等都有关系;磨损量常用的表征参数有失重、体积损失、 磨痕宽度或深度等,利用SEM(扫描电子显微镜)、STM(扫描隧道显微镜)、AFM(原子力显微镜)观察磨损表面也可以测量微观磨损量。

1.2几种典型配副的磨损试验

典型配副磨损试验主要有:滑动磨损试验、磨粒磨损试验、滚动疲劳试验、颗粒冲蚀试验和腐蚀试验。

在滑动磨损试验中,根据摩擦配副的形式又将滑动磨损试验机分为:销-盘配副、销-平面配副、销-环配副、环-环配副、 销-套配副、环-块配副、柱-柱配副、四球配副等形式,依次如图1(a)-(h)所示。

磨粒磨损试验可分为两体磨粒磨损试验和三体磨粒磨损试验。在两体磨粒磨损装置中,其中一个运动部件是磨削体。在三体磨粒磨损装置中,研磨粒介入接触界面。磨粒磨损试验可将滑动磨损试验装置中的一个表面换为磨削材料或介入研磨颗粒即可。

滚动疲劳试验评价的是滚动接触材料或润滑剂的摩擦学性能,如齿轮和滚动轴承的磨损性能就可以利用滚动疲劳试验进行模拟。

颗粒冲蚀试验采用气喷试验装置从颗粒给料器把冲蚀颗粒输送到颗粒与气流混合腔,然后将一定体积的冲蚀颗粒直接喷到一个或多个试样上。

腐蚀试验是利用材料与环境发生的电化学或化学作用通过电解腐蚀试验和加速腐蚀试验两种方法来测试材料的腐蚀性并预测实际条件下的零件寿命。

1.3陶瓷磨损机理

陶瓷属于脆性材料,滑动摩擦时,陶瓷表面断裂的临界载荷比静态下低得多。在摩擦过程中,摩擦表面产生连续变迁的间隙局部应力集中,进而产生微裂纹。由于陶瓷中晶界的阻挡,迫使微裂纹无法进一步扩展,只能聚集而导致微区脆性断裂。图2为室温下陶瓷磨损面上呈现出典型的微区脆性断裂特征,图框内则可以看到明显的微裂纹现象。

陶瓷配副在室温的塑性比金属的延展性小很多,因此, 断裂韧度是影响陶瓷磨损的重要因素,对于低韧性的陶瓷材料来讲,其磨损机理主要是微犁耕、轻微刮擦;而高韧性陶瓷材料的主要磨损机理是裂纹扩展和剥落[1]。一般情况下,材料的硬度越高,耐磨性就越好,但耐磨性不能仅以硬度、抗弯强度或断裂韧性等来表征。同时,工况条件(滑动速度、载荷以及温度湿度)对陶瓷配副的磨损机理也有着重要影响。

至今,陶瓷材料的力学性能和耐磨性之间尚未找出完全对应的关系,还有待进一步研究。

2常见陶瓷材料在室温下的干摩擦研究

室温干摩擦条件下,陶瓷材料在配副摩擦的过程中,一般表现出较高的摩擦因数和磨损率(指被磨试样的体积与磨擦功的比值,即单位摩擦功所磨试样的体积,反映了材料的耐磨性能,与磨损量相关)。Czichos等研究认为,陶瓷/陶瓷配副的摩擦因数一般大于0.5,磨损率一般高于10-6mm3/ (N·m)[2,3],而金属在相同条件下摩擦因数相对较低,如在室温下铸铁自配副干摩擦时的摩擦因数为0.18,相同条件下钢和铸铁配副时的摩擦因数为0.2。对于陶瓷自配副时的高摩擦因数现象,究其原因,主要是陶瓷摩擦时所发生的断裂、 疲劳和剥落等导致的高摩擦因数和磨损率。陶瓷材料在室温干摩擦条件下的摩擦学性能依陶瓷类型各有不同。

2.1室温下非氧化陶瓷的干摩擦

2.1.1Si3N4陶瓷

非氧化物陶瓷中目前应用最为广泛的是Si3N4基陶瓷 (含Si3N4)。赵明等[4]采用MM 200型环块摩擦磨损试验机在载荷50N,转速400r/min,磨程15000m的无润滑试验条件下进行了Si3N4自配副摩擦磨损试验,结果表明,磨损量较小,为3.7mm3,摩擦因数稳定后保持在0.2。摩擦表面较为平滑,仅发生了晶粒断裂和脱落;而同试验条件下,Si3N4/SiC配副时的磨损量则为18.2mm3,摩擦因数为0.75。这是由于SiC硬度高,极易对Si3N4表面产生 切削和犁 耕,导致Si3N4产生较高磨损率。

孟凡英等[5]对Si3N4基陶瓷材料摩擦磨损特性进行了深入研究,结果表明Si3N4自配副时,摩擦面上会由于应力集中而产生微裂纹,不利于摩擦,摩擦因数稳定在0.3。

据Evans-Marshall的横向断裂机 理[6],在Si3N4/Al2O3配副时,Si3N4的硬度和断裂韧性均比Al2O3的高,而Si3N4的摩擦氧化反应使磨损面上形成的氧化物膜对Al2O3磨屑有较强的吸附力,并形成Al2O3磨屑吸附层,以致表现出低的摩擦因数。

刘敏等[7]在研究Si3N4/SiC配副时也发现,由于高硬度的SiC对Si3N4表面产生切削和犁沟现象,从而表现出较高的摩擦因数。Si3N4材料的磨损也比较严重,且低断裂韧性的SiC容易出现脆性剥离,磨损体积损失比较大。

赵兴中等[8]在研究Si3N4/45号钢摩擦副在干摩擦滑动条件下的摩擦学性能时发现,陶瓷/金属配副时由于原子间吸附力,摩擦面上会作用产生粘着磨损,同时由于陶瓷材料塑性低,抗拉强度较低,所以微断裂磨损也常常发生。

2.1.2SiC陶瓷

非氧化物陶瓷中SiC陶瓷也是一种常见的陶瓷材料,其硬度高,仅次于金刚石、立方BN等少数物质[9]。由于SiC陶瓷摩擦学性能对环境因素(温度、湿度等)更为敏感[10],空气中的水汽在摩擦表面产生吸附层,吸附层在摩擦时降低了摩擦因数,而表面的主要磨损机理为断裂和犁削磨损[11]。

Cranme[12]也报道了相似的结论,在室温(25 ℃)、滑动速度为0.5~5.5m/s、载荷为225N和450N条件下,对SiC自配副摩擦表层的塑性变形、犁耕磨损表面层断裂和磨屑犁耕断裂进行SEM(扫描电子显微镜)分析,发现断裂和犁削磨损是SiC陶瓷在室温下主要的磨损机理。Martin等[13]还在研究α-SiC自对偶在真空中摩擦面的氧化时发现氧气的存在会大大地减小摩擦因数。

2.2室温下氧化陶瓷的干摩擦

2.2.1Al2O3陶瓷

Al2O3陶瓷是在工业中广泛应用的一种陶瓷。Al2O3陶瓷自配副时,载荷和滑动速度为摩擦磨损性能的主要影响因素。曹同坤等[14]在研究Al2O3、Al2O3/TiC与Al2O3/(W, Ti)C三种陶瓷刀具材料时发现,随着试验载荷的增大磨损率呈上升趋势、摩擦因数呈下降趋势。当Al2O3与合金对磨载荷为50N时,摩擦因数最大,为0.85左右。当载荷为110 N时,摩擦因数最小,为0.42左右。

Al2O3陶瓷在与不同金属配副时,其摩擦磨损性能的表现也会大相径庭。Dong[15]研究发现,Al2O3与钢配副时的磨损量远远低于其与钛合金配副时的磨损量,结果相差3个数量级,说明与钛合金配副时其耐磨性表现极差。Al2O3/钢配副时,陶瓷表面形成钢的转移膜,使得Al2O3与钢的摩擦转化为钢与钢的摩擦,从而降低了Al2O3的磨损量。

2.2.2ZrO2陶瓷

在氧化物陶瓷中ZrO2由于突出的综合力学性能,也正在成为广泛使 用的氧化 物陶瓷之 一。根据黄传 真等[16]对ZYA30(70% 3Y-TZP和30%Al2O3)ZYW35(65%3Y-TZP和35%(W,Ti)C)两种材料进行摩擦学性能试验,发现在相同磨损条件下,ZYA30的耐磨性能比ZYW35好。两种材料的磨损机理基本相同,低载荷下主要 是塑性变 形和粘着 磨损,较高载荷下主要是塑性变形和分层剥落。

孙兴伟等[17]对ZrO2/Cr12钢在干摩擦条件下进行试验, 发现摩擦因数在0.4~1.0之间,磨损机理为粘着磨损和疲劳磨损。在摩擦过程中ZrO2表面形成的粘附膜,可抑制摩擦副的磨损行为。当高载荷时,ZrO2表面发生了少量的马氏体相变,它能有效地抑制材料由于脆性剥离而产生的磨损,使得载荷增加时磨损量降低。

总体来说,在室温干摩擦条件下,大多数陶瓷没有较好的摩擦学表现。陶瓷与陶瓷摩擦时,由于脆性都比较大,其磨损机理多表现为断裂、疲劳和磨粒磨损;而陶瓷在与金属对磨时,金属的硬度较陶瓷低得多,陶瓷容易对金属造成切削,磨损机理多为粘着磨损。

3温度对陶瓷摩擦的影响

材料的摩擦磨损性能是一个综合性能的表现,受众多因素影响,其中温度对摩擦磨损性能的影响最为明显。但是目前温度对材料的摩擦磨损性能的影响还没有形成一个统一的共识。主要有两点:(1)温度的变化会影响摩擦面表面膜和吸附层的形成,而表面膜和吸附层则会对陶瓷材料的摩擦磨损性能产生影响;(2)摩擦过程中,温度会改变摩擦表面层物相组织和晶粒的结构,从而影响陶 瓷材料的 摩擦磨损 性能。

Labruquere等[18]解析了高温时陶瓷材料的摩擦学性能。 高温会促使摩擦面的摩擦化学反应,而反应最终会生成致密氧化层还是直接发生氧化腐蚀,尚待进一步的研究和完善。

3.1SiC陶瓷

常春等[19]在研究SiC在高温下的摩擦磨损性能时发现, 在1360 ℃以下,SiC表面的SiO2氧化层具有抗氧化性能,耐磨性稳定;随着温度升高到1360 ℃以上,表面氧化层厚度增加,抗氧化性增强;高于1520 ℃后,表面的SiO2氧化层处于熔融态,流动性较好,使内部易于形成孔洞,为氧的进入提供通道,破坏了氧化层的保护作用,SiC快速氧化,耐磨性下降。

肖汉宁[20]也得到类似结论,SiC的高温磨损机理由塑性变形和剥离所控,其在高温条件下可获得较好的耐磨性,是由于SiC陶瓷裂纹扩展所需的临界应力强度将随温度升高而降低。此外高温有利于SiC陶瓷发生自润滑,改善摩擦学性能。

周松青[11]从晶粒结构方面解释了SiC在高温时的耐磨性。他在对SiC高温磨损层进行显微结构分析时发现,晶粒的尺寸会影响SiC高温时的摩擦磨损性能。晶粒越细小,晶界界面越多,则利于摩擦氧化反应。α-SiC晶粒比β-SiC晶粒粗好几倍,在600~1000 ℃、载荷为0.2 MPa、滑动速度 为0.2m/s的条件下进行试验,发现 α-SiC的磨损情况比β-SiC要严重很多。

3.2B4C陶瓷

赵能伟[21]研究发现,B4C陶瓷的常温化学性质稳定,耐磨性非常高,但在高温(730 ℃时)空气中会产生致密表面氧化膜B2O3,抑制氧与B4C的进一步反应。持续升温到高于850 ℃时,B2O3的挥发度增大且热膨胀系数大,陶瓷容易发生龟裂,不再具有高温耐磨性。

3.3Si3N4陶瓷

陈雪梅[22]在温度对Si3N4/3Cr2W8V钢摩擦副的试验中阐述了陶瓷表面的金属粘附物会影响摩擦磨损性能,室温时钢盘的强度高,陶瓷销上的金属粘附物少,无法形成有效的分离层,磨损机理为微区脆性断裂,磨损严重,磨损率为3× 10-6mm3/(N·m)。而在高温(600 ℃)下钢盘软化,陶瓷表面出现较多的金属氧化物粘附,摩擦面逐渐转为钢/钢接触, 极大地缓和陶瓷磨损,此时的磨损量为5×10-7mm3/(N· m)。同时,摩擦接触点处的闪点温度要高于环境温度,更大程度地促进晶界玻璃相粘性流动。

3.4Al2O3陶瓷

张辉等[23]指出,Al2O3/TiC基陶瓷刀具在高温下的氧化作用对摩擦磨损有显著影响。高温下陶瓷刀具随着环境温度的升高,磨损量升高,数值在(4~9)×10-7mm3/(N·m) 之间。摩擦因数先升高,在600℃ 时开始下降,摩擦因数在0.1~0.4之间,这是因为在600℃时,TiC相发生高温氧化反应(2TiC+3O2→2TiO2+2CO),摩擦表面生成的TiO2氧化膜对摩擦面有润滑作用。周仲荣等[24]也指出Al2O3陶瓷在添加TiB2后也可以表现出良好的高温自润滑性。

综上所述,陶瓷材料在高温条件下的摩擦多有利于生成氧化膜或形成磨屑层,磨损机制从以磨粒磨损为主转变成以化学磨损为主,从而改善陶瓷材料的摩擦磨损性能。在这种情况下,陶瓷材料的高温自润滑特性已 日益引起 学者的关 注,相关研究已经大幅度地展 开,并发现SiC、Al2O3、ZrO2、 WC等[25,26]陶瓷材料均有可能在高温下发生自润滑现象,这就为促进陶瓷材料在高温工况下的推广应用提供实验依据。 当然,关于陶瓷材料在高温工况下获得自润滑性能的具体环境要求和摩擦磨损数据还有待进一步完善和探讨。

4湿度对陶瓷摩擦的影响

陶瓷材料的摩擦学行为对水分子的存在十分敏感,故外部环境的湿度情况对陶瓷材料的 摩擦磨损 性能影响 较大。 而湿度因素对不同的陶瓷材料摩擦学性能的影响机制也不尽相同,其体现出来的研究结果亦存在差别。

4.1湿度对氧化物陶瓷的影响

对于氧化物陶瓷而言,湿度对其摩擦学性能的影响会导致两种结果:(1)湿度增加使陶瓷材料出现静态疲劳现象,陶瓷表层位错活动能 力增加,表面塑性 增大,会使磨损 加剧; (2)湿度增加利于陶瓷与空气中的水蒸气和氧气发生摩擦化学反应,生成氧化膜,改善摩擦磨损性能。

4.1.1Al2O3陶瓷

Bharat Bhushan[27]报道,Al2O3陶瓷的摩擦因数和磨损率都会随着湿度的增大而增大,这是因为裂纹尖端的金属离子与氧化物离子的结合键受到水分侵蚀之后,裂纹扩展速度加快,导致磨损率增大。

Kapelski[28]研究了Al2O3的摩擦因数和磨 损率受相 对湿度的影响时也得到了这样的结论,在相对湿度为20%时, 摩擦因数为0.08,相对湿度增加到80%时,摩擦因数增加到0.19。但是也有学者认为Al2O3在潮湿的环境下摩擦面将生成氢氧化铝膜,对摩擦起改善作用[9],这主要取决于试验条件和Al2O3表面的粗糙程度。

4.1.2Y-TZP陶瓷

Basu[29]的研究也证实了湿度影响的第二种结果,Y-TZP (氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷材料)在不同相对湿度条件下干摩擦,随着湿度的增加,磨损率降低。试验结果显示在RH 5%和RH 50%条件下主要磨损机制是塑性变形并伴随分层,而在RH 85%~90%条件下形成的磨屑的XPS分析表明高湿度下主要磨损机制是化学磨损。

4.2湿度对非氧化物陶瓷的影响

对于非氧化陶瓷,湿度对其摩擦学性能的影响一般是有利的。非氧化物陶瓷暴露在潮湿的空气中可以生成氢氧化物表层,而表层膜会改善陶瓷的摩擦磨损性能。

4.2.1Si3N4陶瓷

在摩擦过程中,Si3N4陶瓷与大气环境下的O2、H2O发生的摩擦 化学反应 (Si3N4+3O2→3SiO2+2N2,Si3N4+ 6H2O→3SiO2+2NH3,Si3N4+H2O→SNxOy)产生的氧化膜以及氢氧化膜是降低摩擦磨损的主要原因。

宋宝玉[30]试验时发现,在加湿的气体中Si3N4的磨损量比干燥气体中小。因为水蒸汽以化学吸附的形式附着在摩擦表面,形成一层吸附膜,这层膜起到润滑剂的作用,所以磨损量较小。而对于干燥气体,因为没有吸附膜的作用,所以磨损量较大。

Bharat Bhushan[27]也得出了Si3N4自配副时磨损率及摩擦因数随相对湿度增大而降低的结果。他描述了Si3N4表面发生的水合 作用 (Si3N4+6H2O→3SiO2+2NH3,Si3N4+ 2H2O→Si(OH)4),指出生成的氢氧化硅薄膜较柔软而且抗剪强度较低,因此使摩擦因数和磨损率降低。

4.2.2SiC陶瓷

Boch[31]的研究也表明,湿度的提高利于SiC摩擦学性能的改善,在湿度为5%时,SiC/SiC配副的摩擦因数为0.95、 磨损率为3.6×10-6mm3/(N·mm);而在空气中相对湿度为75%,摩擦因数为0.43、磨损率为0.2×10-6mm3/(N· mm)。说明相对湿度的提高,增加了水汽在SiC/SiC摩擦表面的吸附和润滑作用,降低了摩擦因数和磨损率。

陈宇红[32]在研究湿度对SiC陶瓷摩擦磨损性能的影响中也得到了相同的结果,并且发现复相陶瓷SiC-TiC-TiB2在不同湿度下都可以表现出稳定的摩擦行为,显示出其在摩擦领域很好的应用前景。

湿度对陶瓷材料的摩擦磨损性能影响究其原因是摩擦化学反应的作用,而反应表面膜的吸附、润滑或者是抗剪性能均会对陶瓷摩擦学性能产生进一步的影响。一般情况下, 陶瓷材料在使用过程中不可避免地与 水汽或者 水接触,因此,明晰湿度对陶瓷摩擦性能的影响是非常重要的。但不同试验条件、试验方法和试验参数均会使研究结果表现出较大的差异,湿度对陶瓷材料摩擦磨损性能的影响机理目前还未有统一的结论。

5结语

本文讨论了陶瓷材料在不同环境下的摩擦磨损性能,重点从干摩擦条件、温度和湿度3个方面阐述了典型陶瓷的摩擦学性能。可以看出,在干摩擦的条件下,大多数陶瓷材料的摩擦学性能较差,很难满足工程应用,原因是陶瓷自配副对磨过程中发生断裂、剥落以致磨粒磨损,与金属配副摩擦时磨损机制以粘着磨损为主,使其表现出高的摩擦因数和磨损率。温度对陶瓷材料摩擦磨损性能具有极大的影响,并且在高温下大部分的陶瓷材料都表现出较好的耐磨性,究其原因为高温有利于氧化膜的生成,从而改善了陶瓷的自润滑性能,这对拓展陶瓷材料的工程应用是极为有利的。此外,湿度对陶瓷材料的影响也不容忽视,其影响主要表现在水汽与陶瓷摩擦表面反应生成的表面膜,表面膜的形成有效地保护并润滑摩擦表面,降低摩擦因数和磨损率。

摩擦磨损性能 第9篇

关键词：刹车片材料,性能,磨擦性,发展方向

1 高性能刹车片材料的基本性能要求

汽车制动材料的使用和它的制备需要合适的材料还要有适合的工艺才可以进行更好的工艺流程制作。图1就是汽车制动材料的一个工艺制备流程图。

(1) 合理的寿命:无论任何的产品都会有它合理的寿命。后制动器刹车片的最长寿命是9万km, 前制动器刹车片的最长寿命是4万km, 这是按照行驶正常的车辆进行的寿命制定。 (2) 满意的舒适性:从异味、粉尘、噪音、制动感觉等方面表现出了摩擦性在舒适性能下的状态。刹车片的噪音是车主最关心的问题。 (3) 可靠的稳定性:在不同的温度下都有一个非常可靠的稳定性, 这个稳定性决定了刹车片的磨擦系数。 (4) 合适的摩擦系数:每一辆车在行驶中都会出现摩擦, 汽车在不同的行驶过程中它的摩擦系统也不一样。合理的寿命、满意的舒适性、可靠的稳定性和合适的摩擦系数是一个汽车的刹车片具有高性能高要求的标准条件。以这四个条件进行汽车制动材料的准备工作在经过图1的流程就可以完整的制造出最全的工艺过程。

2 刹车片材料发展方向

2.1 黏结剂材料的研究

为了使刹车片在不同的温度中有完整的运行状态, 也为了将刹车片黏结在一起从而使用了黏结剂。最常用到的黏结剂主要采用了酚醛树脂这一材料, 树脂主要有悬浮法树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、环氧改性酚醛树脂、氰酯改性酚醛树脂、硼酸改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、COPNA树脂。每一种树脂在不同的使用中所达到的效果也不相同, 从而最终会形成适用于汽车刹车片的最好材料, 很大程度上也提高了刹车片的摩擦系数。

2.2 摩擦性能调节剂

在摩擦材料中添加摩擦性能调节剂可以完善磨损率的特质和摩擦系数, 它主要有两种分别是研磨剂和润滑剂。这两个材料都是为了使减少摩擦性能而使用的材料。图2是刹车片的磨损量, 每一个刹车片的类型不同它所受到的磨损程度也会有很小的影响。图2里所使用的就是树脂基和陶瓷基两种不同的刹车片所形成的磨损量。刹车片和刹车盘经过长时间的运行都会受到很大程度上的磨损, 而磨损的过程和厚度也是不一样的, 图3就是刹车片和刹车盘的磨损测量方法。为了使这种摩擦的性能减小, 就要使用到摩擦调节剂, 调节剂所使用的各种材料也不同。

2.3 增强纤维在刹车片材料中的应用

刹车片材料可以使用到增强纤维。因为这些纤维的作用不同因此在使用时也会运用到不同的地方, 每一种纤维的使用都是为了使刹车片能够发挥最好的作用, 使刹车片耐磨损性、抗热衰退性和摩擦系数稳定性有了很大的提高。

2.4 填料类型对刹车片材料性能的影响

填料包括无机和有机的两大类。无机填料可以起到热衰退的作用。刹车片经常遇到高温的现象, 因此高温的现象也要使用耐高温非常强的填料, 填料的选择对刹车片有着保护作用, 使刹车片的运行更加的合理更加的完善。

3 刹车片性能分析

3.1 汽车刹车片分类

(1) 石棉型刹车片, 耐高温强价格便宜, 是最早的用于刹车片上的一种, 但已被禁用, 因为在医学检测时发现了致癌物。 (2) 半金属型刹车片, 此刹车片在散热和温控上都要比传统的高出很多。但是因为压力大从而出现了很大的磨损, 噪音也加大了。 (3) 低金属型刹车片, 减少了噪音, 同时也解决了磨损问题, 但是寿命太短。 (4) 陶瓷型刹车片。现在运用最多的就是陶瓷型刹车片, 它具有环保、使用寿命长、不腐蚀轮毂、无落灰、无噪声等特点, 是一种新型的刹车片。图4是树脂基刹车片与陶瓷基刹车片的比对图。 (5) NAO (无石棉有机物) 型刹车片, 该刹杀片也具有噪音小、使用寿命长、磨损低、无污染无落灰的特点, 性能也有很大的提升, 但是成本非常的高。

3.2 刹车片的性能特点

(1) 导热性, 汽车在行驶时会产生很大的摩擦热, 因为刹车片要具有很强的导热性, 散热系统一定要到位, 这就全靠刹车片的功能, 具有较高的导热性可以提升汽车的运行速度和寿命。 (2) 热疲劳性, 汽车的功能中最常用到的就是刹车片, 在运行的过程中刹车片的使用率是最高的, 所以刹车片的热疲劳性非常的好, 就是为使汽车能够坚持长远的运行。 (3) 耐磨性, 在汽车的行驶过程中会产生很大的磨擦力, 磨擦力的产生就会在各方面减轻汽车的寿命和各部件的寿命, 因此在刹车片的耐磨性上一定要加强。 (4) 刹车鸣叫, 汽车的刹车鸣叫非常的重要, 所以当刹车鸣叫非常明显时一定要观察自己的车子, 要了解自己车子的性能, 刹车片在选用时也会考虑到鸣叫这一问题, 不会让汽车在进行刹车时出现这样的声音。在很多的实验中也可以看出噪音的产生很多都是因为磨擦所产生, 如果汽车的磨擦力减小了鸣叫声也减小了。

4 结论

本文通过多方面的介绍和论述, 对刹车片各方面都做了详细的介绍和全面的分析, 使刹车片在使用中和选择上都有很大的帮助, 使刹车片能够更加的适应汽车的性能, 为汽车的不同程度上提供了很大的帮助, 在这样的刹车片的选择上要具有多方面的功能才能更好的发挥它的作用在汽车不断增产的社会, 人们对汽车各方面的要求都非常的高, 尤其是刹车片的要求更是重中之重。刹车片的噪音减小, 耐磨性提升, 还有导热性能的增加都使汽车在各方面提升了一个层次, 刹车片是汽车中最关键也是最明显反应性能的一部分, 因此在刹车片的开发与研究和使用上一定要做好监督和检查。

参考文献

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