含炭纖維濕式銅基摩擦材料的性能

第第頁含炭纖維濕式銅基摩擦材料的性能22

第15卷第2期粉末冶金材料科學(xué)與工程2022年4月Vol.15No.2MaterialsScienceandEngineeringofPowderMetallurgyApr.2022

含炭纖維濕式銅基摩擦材料的性能

(1.中南高校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長沙410083；2.中南高校粉末冶金國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，長沙410083)

嚴(yán)深浪1，張兆森2，宋招權(quán)1，徐慧1

摘要：采納粉末冶金方法制備含短炭纖維的濕式銅基摩擦材料，討論炭纖維含量對(duì)濕式摩擦材料的摩擦磨損性能和力學(xué)性能的影響，以及制動(dòng)條件對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響。結(jié)果說明：隨著炭纖維含量及材料的孔隙率增加、硬度及密度均降低，摩擦因數(shù)呈先增加后減小的改變趨勢(shì)，磨損量呈先減小后增大的趨勢(shì)。炭纖維含量為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))1%時(shí)材料的摩擦磨損性能最好，摩擦因數(shù)最大且最穩(wěn)定，磨損量最小。材料摩擦因數(shù)隨著載荷增大而增大，隨炭纖維含量增加磨損率呈先減小后增大的趨勢(shì)。炭纖維的加入提高了材料的能量許用值。

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第15卷第2期嚴(yán)深浪，等：含炭纖維的濕式銅基摩擦材料性能討論

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王秀飛等[7]探討了將短切炭纖維加入到濕式銅基摩擦材料中后對(duì)其摩擦性能的影響，指出濕式銅基粉末冶金摩擦材料中添加短切炭纖維能有效提高材料的能量許用負(fù)荷和動(dòng)摩擦因數(shù)，摩擦因數(shù)高且穩(wěn)定，但沒有系統(tǒng)討論炭纖維的含量對(duì)濕式銅基摩擦材料摩擦性能的影響規(guī)律。因此，本文將討論炭纖維含量對(duì)濕式銅基摩擦材料的摩擦磨損性能和力學(xué)性能的影響，并測(cè)試其在不同載荷、轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損性能。

505℃，流量8mL/(mincm2)。

首先，在0.4MPa、3000r/min條件下磨合300次，直到接觸面積達(dá)85%以上后進(jìn)行試驗(yàn)。固定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.5kgcms2，慣性輪初始速度分別為1000、2000、3000和5000r/min，在各速度下依次設(shè)定制動(dòng)比壓為0.5、1.0、1.5和2.0MPa。每種條件下測(cè)試15次，取動(dòng)摩擦因數(shù)的平均值作為材料的動(dòng)摩擦因數(shù)。在轉(zhuǎn)速300r/min、壓力1.0MPa時(shí)，制動(dòng)50次后，用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)量線性磨損量。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

電解銅粉；還原鐵粉；羰基鎳粉；電解鈦粉；不規(guī)章外形的自然石英砂，粒徑為150~246m；自然鱗片狀石墨，粒徑為246~500m；短切炭纖維：T700炭纖維。

表1含炭纖維濕式銅基磨擦材料的成安排比Table1Formulationoffrictionmaterials(massfraction,%)SampleNo.

FeCopper

Carbonfiber

+Ni+Ti+Snpowder

Others

2結(jié)果與分析

2.1炭纖維含量對(duì)物理性能的影響

炭纖維含量對(duì)濕式銅基摩擦材料力學(xué)性能的影響列于表2。可以看出隨著炭纖維含量增加，材料的孔隙度漸漸增加，密度及硬度均漸漸降低。表中不含炭纖維的樣品A4硬度高達(dá)99.5HB，而純銅的布氏硬度只有35HB?？梢姡~基體在Sn、Ti、Fe等合金元素的強(qiáng)化作用下，得到了很好的強(qiáng)化。在銅基摩擦材料中加入炭纖維后，一方面由于炭纖維與銅基體的結(jié)合性能較差，導(dǎo)致材料的孔隙及界面增加，這不僅會(huì)降

A1balance1.518~257~9低晶粒之間的連續(xù)性，使基體變得疏松，還會(huì)阻礙合A2balance1.018~257~9金元素在銅基體中的強(qiáng)化作用；另一方面炭纖維強(qiáng)化A3balance0.518~257~9是通過增大材料的塑性變形阻力，使銅基體的硬度增A4balance018~257~9加，但在高硬度的金屬基體中，由于炭纖維與金屬基

1.2樣品制備

按表1配比稱取各種粉末，在滾筒式球磨機(jī)中混合4~6h后，在300~500MPa壓力下冷壓成形。將壓坯與鋼背貼好，放置于鐘罩式加壓燒結(jié)爐中，在氫氣愛護(hù)下進(jìn)行加壓燒結(jié)，得到含炭纖維的濕式銅基摩擦材料試樣。燒結(jié)溫度為95030℃，壓力為1.5~4.0MPa，保溫3h。

1.2性能檢測(cè)

采納A-200布洛維三用硬度計(jì)測(cè)量試樣的硬度，壓頭直徑為2.5mm，壓力62.5kg；依據(jù)GB/T10421—2022《燒結(jié)金屬摩擦材料密度的測(cè)定》測(cè)定材料密度；根據(jù)JB/T7909—1999《濕式燒結(jié)金屬摩擦材料摩擦性能試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)方法》在MM1000Ⅱ型摩擦試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定試樣在潤滑條件下的摩擦磨損性能，試件尺寸為：外徑75mm內(nèi)徑53mm，厚約為4~6mm,并將表面加工成螺旋槽＋徑向槽；對(duì)偶材料為65Mn，其硬度為40~45HRC，所用潤滑油為液壓油32，油溫

體之間的界面結(jié)合較弱，導(dǎo)致其阻礙材料塑性變形的技能還不如基體本身的作用。因此，在高硬度摩擦材料中加入炭纖維會(huì)導(dǎo)致硬度減小。同時(shí)，由于炭的密度遠(yuǎn)小于銅的密度以及孔隙率增加，所以材料密度下降。

表2炭纖維含量對(duì)濕式銅基摩擦材料物理性能的影響Table2Effectofcarbonfibercontentonphysicalproperties

ofwetcopper-basedfrictionmaterial

Sample

No.

w(Carbonfiber)/%

HardnessDensity/

Porosity/%3

(HB)(gcm)

A11.55.1922.655.8A21.05.3620.764.9A30.56.277.274.7A406.611.199.5

2.2炭纖維含量對(duì)摩擦性能的影響

在制動(dòng)比壓P=1.0MPa和慣性輪初始速度v=2000r/min的條件下，炭纖維含量對(duì)摩擦因數(shù)的影響如

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188粉末冶金材料科學(xué)與工程2022年4月

圖1所示。由圖看出，添加炭纖維能提高材料的摩擦因數(shù)。當(dāng)炭纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%時(shí)，摩擦因數(shù)隨炭纖維含量增加而增大，當(dāng)炭纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%時(shí)，隨炭纖維含量增加，摩擦因數(shù)減小。

在炭纖維加強(qiáng)銅基復(fù)合材料中，炭纖維起減摩抗磨的作用，并隨炭纖維含量增加，材料的摩擦因數(shù)和磨損量降低，顯微硬度增大[8]。而在濕式銅基摩擦材料中，炭纖維可在肯定程度上起到增摩的作用。依據(jù)粘著理論，摩擦和摩擦阻力產(chǎn)生的主要緣由是：接觸點(diǎn)的粘著作用、表面微凸體間嚙合的機(jī)械作用、表面間邊界膜的剪切作用、表面間流體的剪切作用和滾動(dòng)接觸中的彈性滯后作用。再結(jié)合邊界潤滑理論[9]，邊界潤滑的摩擦因數(shù)BL為：

ττ

BL=αws+(1αw)L+P(1)

P

式中右邊第1項(xiàng)和第2項(xiàng)分別為固體接觸體接觸產(chǎn)生的摩擦因數(shù)；第3項(xiàng)P為犁溝效應(yīng)產(chǎn)生的摩擦因數(shù)；αw為固體接觸面積Am在真實(shí)接觸面積A中所占的比例；τs和τL分別為固體和流體表面的剪切強(qiáng)度；為平均壓力。

表面產(chǎn)生富炭層，炭的吸附性作用會(huì)改善吸附膜的狀態(tài)，增大潤滑膜的剪切力。因此，炭纖維的加入會(huì)導(dǎo)致濕式銅基摩擦材料的摩擦因數(shù)提高。但假設(shè)炭纖維加入過量，在混料時(shí)，炭纖維簡單團(tuán)聚和產(chǎn)生偏析，分布不勻稱，導(dǎo)致基體疏松，界面結(jié)合強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)下降。

2.3摩擦試驗(yàn)條件對(duì)摩擦因數(shù)的影響2.3.1摩擦速度

在摩擦壓力為1.5MPa的條件下，濕式銅基摩擦材料的摩擦因數(shù)隨摩擦速度的改變關(guān)系如圖2所示。可見，隨摩擦速度增加，摩擦因數(shù)均是先減小后增大，速度從1000r/min增至3000r/min時(shí)，全部材料的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)線性下降，A2的降幅最大，A1的降幅最??；從3000r/min增至5000r/min時(shí)，摩擦因數(shù)均上升，A1和A4增幅較大，而A2和A3改變不明顯。整體而言，含炭纖維的摩擦材料的摩擦因數(shù)均高于不含炭纖維的摩擦材料A4。

摩擦速度增大導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，一方面是由于粗糙表面的平均膜厚與速度具有指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，制動(dòng)速度增加，油膜厚度將增加，所以摩擦因數(shù)減小。另一方面，制動(dòng)速度增加導(dǎo)致潤滑油及材料表面溫度上升，致使?jié)櫥宛ざ冉档停w變軟，嚙合作用減弱，使得摩擦因數(shù)降低。此外，在高速下潤滑油的切應(yīng)變率稀化，也導(dǎo)致潤滑油的黏度下降而呈現(xiàn)非牛頓性。在高剪切力作用下分子排列規(guī)章化，從而減削相鄰層之間的作用而降低表觀黏度，使摩擦因數(shù)降低。

圖1摩擦因數(shù)與炭纖維含量的關(guān)系

Fig.1Relationshipbetweenfrictioncoefficientandthe

carbonfibercontent

通常在油膜存在的狀況下，P與前2項(xiàng)相比很小，可以忽視。但由于炭纖維與金屬粉末潤濕性較差，炭纖維的加入必將增加材料表面的粗糙度,并使得材料具有更高的比強(qiáng)度和比模量，導(dǎo)致嚙合作用加強(qiáng)，油膜撕裂程度加大。因此，P不能忽視。同時(shí)，由于炭纖維硬度比基體小，可以認(rèn)為在Am不變的狀況下還增加了炭纖維與對(duì)偶的接觸面積，這在更大程度上阻礙了油膜的連續(xù)性，增加了材料與對(duì)偶的徑直接觸面積，進(jìn)而使摩擦因數(shù)增加。此外，由于炭纖維的加入會(huì)在

當(dāng)摩擦轉(zhuǎn)速增加到肯定值時(shí)，潤滑油和基體溫度快速上升，潤滑油黏度快速降低，剪切強(qiáng)度減小，基體快速變軟而導(dǎo)致嚴(yán)峻的塑性變形，以致涌現(xiàn)裂紋。

圖2摩擦速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

Fig.2Effectsoffrictionspeedonfrictioncoefficient

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第15卷第2期嚴(yán)深浪，等：含炭纖維的濕式銅基摩擦材料性能討論

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此時(shí)，潤滑油被快速擠出減削，熱量無法實(shí)時(shí)帶走，更加劇了基體的塑性變形，導(dǎo)致摩擦副徑直接觸面積增大，粘著作用加強(qiáng)。同時(shí)，由于基體軟化，硬質(zhì)炭纖維漸漸突出，油膜撕裂程度加大，致使摩擦因數(shù)增大。甚至涌現(xiàn)干摩擦狀態(tài)，摩擦因數(shù)大幅上升。試樣A4在5000r/min時(shí)摩擦因數(shù)急劇上升的緣由就是涌現(xiàn)了干摩擦狀態(tài)。

圖3所示為不同炭纖維含量的濕式銅基摩擦材料在摩擦壓力為0.5MPa、轉(zhuǎn)速為5000r/min條件下摩擦后的表面形貌。從圖可見，A4表面劃痕最嚴(yán)峻，涌現(xiàn)了較深的犁溝，溝痕粗糙，塑性變形非常嚴(yán)峻，并且表面由于較大塑性變形涌現(xiàn)了裂紋。A1表面也存在塑性變形，但表面未涌現(xiàn)較深的犁溝，這正表達(dá)了炭纖維在高負(fù)荷下的潤滑特性。而A2和A3表面塑性變形特別稍微，A2甚至看不出存在表面變形。這說明，適當(dāng)添加炭纖維不僅可以提高材料的摩擦因數(shù)，還可提高材料的最高能量負(fù)荷許用值。2.3.2摩擦壓力

在摩擦轉(zhuǎn)速為2000r/min條件下，不同炭纖維含量的濕式銅基摩擦材料的動(dòng)摩擦因數(shù)隨摩擦壓力的改變關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?，含炭纖維的材料的摩擦因數(shù)均高于不含炭纖維的材料，這說明炭纖維能有效提高材料的摩擦因數(shù)。圖4還說明摩擦因數(shù)隨著摩擦壓力增大而漸漸增大。炭纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的樣品A2具有最高的摩擦因數(shù)，且摩擦因數(shù)較穩(wěn)定。

由于炭纖維與銅的潤濕性較差，其加入導(dǎo)致材料

的硬度和密度降低，孔隙率及表面粗糙度增加。而孔隙率增加有利于潤滑劑進(jìn)入基體，加快熱量的散發(fā)，防止基體過熱而發(fā)生粘著磨損。表面粗糙度增加以及硬度降低，都有利于增加微凸體的相互嚙合數(shù)量和面積，從而表現(xiàn)出較高的摩擦因數(shù)。所以添加炭纖維能提高濕式銅基摩擦材料的摩擦因數(shù)。壓力通過轉(zhuǎn)變接觸面積的大小和變外形態(tài)來影響摩擦力，當(dāng)壓力增大時(shí)，潤滑油被擠壓排出，油膜的厚度降低，基體塑性變形加大，導(dǎo)致微凸體相互嚙合的面積和數(shù)量增加；同時(shí)，硬質(zhì)炭纖維漸漸突出，加大了油膜的撕裂程度。所以摩擦因數(shù)隨著壓力增大而增大。

2.4炭纖維含量對(duì)磨損量的影響

圖5所示為在P=1.0MPa，v=3000r/min條件下，炭纖維添加量對(duì)濕式銅基摩擦材料磨損量的影響。當(dāng)炭纖維含量小于1%時(shí)，隨著炭纖維含量提高，材料的磨損量快速降低，即耐磨性提高；當(dāng)炭纖維含量大于1%時(shí)，隨著炭纖維含量提高，材料的磨損量略有上升，即耐磨性略微下降。在炭纖維加強(qiáng)銅基復(fù)合材料中短炭纖維具有石墨微晶結(jié)構(gòu)，在干摩擦過程中，炭纖維不僅能阻礙金屬的塑性變形，防止基體剝落，同時(shí)當(dāng)炭纖維最終被剝離而暴露出來時(shí)，這些炭纖維被碾碎成細(xì)小的顆粒，在磨損表面壓制并鋪展在表面上，起到固體潤滑劑的作用。同樣，在濕式摩擦中，由于有油膜的存在，在低載荷時(shí)，油膜阻擋金屬表面徑直接觸，可在肯定程度上防止粘著磨損的產(chǎn)生，此

圖3不同碳纖維含量的濕式銅基摩損表面形貌

Fig.3Wornsufacemorphologiesofwetcopper-basedfrictionmaterialswithdifferentcarbonfibercontent

(a)—SampleA1;(b)—SampleA2;(c)—SampleA3;(d)—SampleA4

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190粉末冶金材料科學(xué)與工程2022年4月

2)炭纖維含量對(duì)濕式銅基摩擦材料摩擦磨損性能具有明顯的影響，隨著炭纖維含量增加，摩擦因數(shù)先增大后減小，磨損領(lǐng)先減小后增大。在炭纖維含量為1%時(shí)，材料的綜合性能最正確。

3)添加炭纖維能提高濕式銅基摩擦材料最高能量負(fù)荷許用值和抗粘著磨損的技能。

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圖4壓力對(duì)摩擦因數(shù)的影響

Fig.4Effectsoffrictionpressureonfrictioncoefficient

圖5碳纖維含量與磨損量的關(guān)系Fig.5Wearratevscarbonfiber