制动摩擦材料高速摩擦学性能的主要影响因素.[材料]_制动摩擦性能

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制动摩擦材料高速摩擦学性能的主要影响因素 Ξ 马东辉

张永振

陈 跃

官宝

(河南科技大学 材料科学与工程学院

河南洛阳

471039 摘要 :综述了高速条件下速度、温度、压力对制动材料摩擦学性能的影响。重点讨论了摩擦表面的相对滑动 速度对摩擦学性能的影响。

关键词 :相对滑动速度

压力

温度 The Main Influencing F actor of H igh 2speed Friction Ma Donghui Zhang Y ongzhen Chen Y ue Shangguan Bao(Department of Materials Science , Henan University of Science &T echn ology , Lu oyang 471039, China Abstract :The in fluence of friction under different preure , temperature and slide velocity condition introduced , and the in fluence of relative slide velocity on the frictional interfaces was discued.K eyw ords :R elative Slide V elocity Preure T emperature

高速摩擦学 , 是研究摩擦副处在相对高的滑动速 度时 , 两个表面之间相互作用、践的学科。, 对制动装置及制动 材料的性能也提出了更高的要求。例如制动材料要有 足够而稳定的摩擦系数 , 动、静摩擦系数之差小;良 好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度;良好的耐磨性和抗粘着性 , 不易擦伤对偶件 , 无噪 声;低成本 , 对环境无污染等。传统的制动材料已不 能满足高速条件下的需要 , 这就必须开发新的摩擦制 动材料 , 研究高速摩擦条件下各种因素对材料摩擦学 性能的影响。但这方面前人的研究工作不多 , 本文综 述了这方面的研究进展 , 着重讨论了高速条件下速 度、温度、正压力对材料摩擦学性能的影响。

1速度对材料摩擦学性能的影响(1 相对滑动速度 v 对摩擦系数 μ的影响

一般情况下 , 相对滑动速度 v 越大 , 摩擦系数 μ越小。具体减小的程度 , 不同的学者根据各自的实验 条件得出的结论也不一致。如法国人 Boehet 通过机 车车辆的制动试验得出了摩擦系数与滑动速度的关 系表达式为 [1] μ=k/(1+0173v(1 式中 :k 为系数 , 对于干燥钢轨 k =0145, 潮湿钢轨 0v(m/s。

Frank G 提出了摩擦系数与速度 的经验公式 μ=μ0+e-cv(2 式中 :μ0—

— — 静摩擦系数;C — — — 常数。对铁基烧结闸片在速度 10~32m/s 和压力 01005~1MPa 范围内进行的摩擦试验得出 : 图

1摩擦系数与滑动

速度的关系 [2] 1 当速度增大时摩 擦 系 数 随 着 减 小(图 1。当压力增大时摩 擦系数增大;但在较高 压力下 , 随速度增大摩 擦系数减小更快。对摩擦系数的影响 主要是由于摩擦发热升

温引起的 , 如果配偶材料的导热率较高及温升较小 , 那么影响不大。对于 Pb、Sn 等导热率和熔点都较低的金属 , 高 速下 , 由于表面层熔化或软化 , 滑动摩擦系数随着相

对速度增加会出现最小值。

μ值最小时 , 摩擦表面开 始形成熔化膜 , 摩擦系数回升的快慢取决于熔化膜的 粘度、厚度、速度、接触面积等因素 [3]。

在低的和中等的滑动速度时 , 摩擦主要是由于接 触区的局部粘着和剪切引起的 , 摩擦阻力表现为表

44《润滑与密封》

Ξ基金项目 :河南科技大学基金项目(20020003 1 作者简介 :马东辉 , 男 , 1976年生 , 硕士研究生 1E-mail :mdh760509@1631com 1 面发热 , 可以认为这种发热效应对总的摩擦机理不 会有大的影响 , 但在很高滑动速度下 , 金属表面产生 极为强烈的摩擦热 , 它将从本质上改变滑动的表面状 态。

(2 相对滑动速度对材料磨损率的影响

通常情况下 , 磨损率随相对滑动速度的增大而减 小 , 达到一定程度 , 开始随速度的增大而增大。在这 个过程中 , 磨损机理可能发生了变化。

居毅 [4]对碳钢表面 C 2N 共渗层在高速干摩擦状态 下进行了研究 , 得出其磨损率随载荷和滑动速度变化 的关系如图 2。可见在不同载荷下 , 随着滑动速度的 增加 , 磨损率逐渐降低 , 当滑动速度达到 35m/s 时 , 随着滑动速度的增加 , 磨损率明显增大。由此可以推 测 , 当滑动速度在 35m/s 左右 , 磨损机理可能发生了

转变。与磨损率的关系 [1]

通过 SE M 观察可以 发现 , 当滑动速度在 25~35m/s 之间变化时 , 试 样磨损表面的 “ 凹坑” 尺 寸随着滑动速度的增加 而减小 , 减小。35m/s 时随着滑动速度的进一步提高 , 试样磨损表面出现了 “流线”特征 , 这是因为随着滑动速度的提高 , 试样磨损表面温度提 高 , 试样表层和亚表层软化 , 产生塑性变形。磨损表

面的微突体在高速摩擦状态的 “ 闪点”温度可能接近

熔点 , 而在宏观观察时 , 其磨损表面很平整。当滑动 速度达到 45m/s , 此时试样磨损表面出现了大量的微 裂纹和熔斑 , 大量的微裂纹对应于较高的磨屑剥落几 率 , 亦意味着磨损率增大。

通过磨损表面的 XPS 分析表明 :当滑动速度为 25m/s 时 , 试样磨损表面形成的氧化膜主要由 Fe 2O 3组成。当滑动速度增大至 45m/s 时 , 试样磨损表面的 氧化膜主要由 FeO 组成。另一方面 , 从摩擦副接触表 面温度的变化也可以推测试样表面的氧化物类型。当 摩擦表面平均温度大于 500℃ 时才可能形成 FeO , 而 摩擦表面

平均温度大于 200℃ , 即可以形成 Fe 2O 3。由 此可以得出结论 :当滑动速度为 25m/s 时 , 试样磨损 表面主要含有 Fe 2O 3;45m/s 时 , , , 20#钢 , 当滑动速度达到, 磨损率最小;此后随着速度的进一步

提高 , 磨损率显著提高 , 共渗层经历从轻微磨损向严 重磨损的转变。(3 制动初速度对磨损率、摩擦系数的影响

对于不同的材料 , 制动初速度对磨损率、摩擦系 数的影响不同。例如 C/C 复合材料与特种铸铁。杨 勇 , 吴洁君等人研究了制动初速度对 C/C 复合材料

摩擦学性能影响 [5~7] , 结果表明

(表 1 :表 1 不同制动速度下 C/C 复合材料的摩擦性能 [5] 制动速度 v(m/s 平均摩擦系数 μcp 单位面积能量 W S(J/cm 2 平均功率 P S(W/m 2 稳定系数 S 尺寸损失(μm 磨损质量损失(mg 501***0***100129684***11245***8714287******405***0***6116499***112106280******12730 0135 401510 50511 0166 39104

186130随着制动初速度的增大 , C/C 复合材料制动

盘的摩擦系数逐渐增大 , 当制动初速度在 20~25m/s 范围内时摩擦系数出现峰值。此后随着制动初速度的 继续增大 , 摩擦系数仍维持较高值。当制动初速度小于 15m/s 时 , 线性磨损和磨 损质量损失均较小 , 当制动初速度大于 15m/s 时 , 磨 损质量损失明显增大 , 当制动初速度达到 30m/s 时制 动盘的磨损质量损失最大。低速时 C/C 复合材料制动盘磨损表面由较薄 的磨屑层所覆盖 , 磨损较轻微;随着制动速度的增加

(大于 15m/s , 磨屑不断增多并形成较厚的表面膜

层。在高速(28~30m/s 下 , 由于剧烈的氧化和剪 切作用 , 大量的基质炭发生氧化剥落 , 同时碳纤维被 磨断和拔出 , 因此磨损剧烈。

钱坤才等人对高速列车特种铸铁制动盘进行了研 究 [8] , 用特种铸铁制动盘和半金属合成闸片进行台架 试验。结果表明 , 随着制动初速度的提高 , 平均摩擦 系数降低。制动初速度从 120km/h 提高到 250km/h , 平均摩擦系数 μ从 01331降到 01303。2 温度对材料摩擦学性能的影响42003年第 6期

摩擦制动过程是将物体的运动动能转化为热能 和其他形式的能量 , 从而达到制动的目的 , 其中约有 90%使物质内部的分子动能增加 , 表现为温度的升 高。由于摩擦热效应产生的温升和接触应力 , 它们对 摩擦副表层的结构与性能会产生一定的影响。(1 对表面膜的影响

从物理吸附膜和化学吸附膜看 [3], 摩擦使被吸附 分子的热运动加快 , 随温升发生失向、散乱、脱附 , 而失去作用。

从反应膜看 , 摩擦热补给化学反应所需的活化 能 , 不仅提高反应速率 , 增加反应膜的厚度;还可能 在超过反应温度之后 , 出现新的化学反应物。例如铁 的氧化 , 温升加快了氧离子向里扩散和铁离子向外扩 散 , Fe 2O 3减 少 而 Fe 3O 4增 多;并 且 氧 化 膜 在 超 过 750℃ 时出现 FeO 层 , 相应的显微硬度由 4900N/mm 2降低到 2940N/mm 2。

(2 对基体表层的影响 温升活化基体表层 , 属 , , 六方在 417℃

由 03增到 017。对于固 熔体 , , 例如淬火钢中 , 体心立方的马氏体在750~800℃ 很快通过共格转变的 方式转为面心立方的奥氏体;温升还可能使有序转变 为无序;使摩擦副之间易于相互扩散 , 发生粘着。鲍登(Bowdon 等人的试验表明 [3]:大多数金属 摩擦系数对应于环境 700-800℃ 出现最小值。

高聚物是弹性材料 , 对温度很敏感。随着温度升 温由玻璃相转变为橡胶相 , 因粘着作用加强而使 μ增大;温度进一步升高 , 因力学性能下降而使 μ下 降。

此外温度对材料表面变形性能和表层应力也有 一定的影响。刘佐民在对 M 50高速钢进行高温摩擦试验表 明 [9]:当试验温度处于

100~300℃ 范围时 , 材料的磨 损率随着温度的上升而明显增大 , 而摩擦因数的增大 甚微 , 基本保持在 0164左右;当温度高于 400℃ 时 , M 50高速钢的摩擦和磨损都明显减小 , 主要原因是界 面微接触点处材料发生软化融熔而在摩擦面上形成 了一层金属膜 , 使材料的磨损由微切削向金属膜间对 摩转变。在这种情况下 , 材料的磨损率主要取决于表 面膜的承载能力。

随着摩擦表面的温度变化 , 磨损机理发生变化;不同的摩擦副 , 磨损机理变化也不相同。3 压力对材料摩擦学性能的影响

钢、铁等金属材料与摩擦材料所构成的摩擦副随 着压力的增加摩擦系数不断增大。但颗粒增强铝基复 合材料随压力增加 , 摩擦系数变化规律与钢、铁等金 属材料有所不同。

S iC 颗粒增强 6061铝合金复合材料与添加铜颗粒 的碳基材料(颗粒体积分数 20%, 平均粒径 20μm

图 磨擦系数平均值随法 [10]配副的摩擦磨损试验结 果表明 :法向载荷与稳 定阶段摩擦系数平均值 的关系如图 3所示 , 随 着载荷的增加 , 摩擦系 数的平均值先后经历急 剧增大、阶

010时 , 摩 擦 系 数 的 平 均 值 由 0013;大约在 0125MPa 时 , 摩擦系 , 在 012~013MPa 范围内 , 摩擦系数的 平均值基本保持不变;随着法向载荷的进一步增大 , 摩擦系数呈减小的趋势 , 但减小的幅度较小 , 而且 , 在 015~018MPa 范围内 , 摩擦系数的变化很小。吴洁军等人认为 [12]:颗粒增强铝基复合材料磨 损过程随载荷的变化经历三个阶段 , 第一个阶段是磨 合阶段 [13], 这是开始磨损阶段 , 载荷较低 , 相对运 动距离短(一般 ≤ 50m , 摩擦系数 μ不是常数 , 磨 损率先较快增长 , 然后缓慢增长 , 磨粒磨损是这一 阶段的主要磨损机理。第二个阶段是稳定磨损 [13~15]阶

段 , 在较低载荷、较低运动速度的情况下 , 磨损 率较低 , 摩擦系数保持不变 , 第二阶段非常关键 , 它的长短决定了材料的磨损失效寿命。第三阶段是严 重磨损阶段 , 如果继续增加载荷 , 材料将进入严重 磨损阶段 , 磨损率突增近两个数量级 , 摩擦系数达到 最大值 , 占主导的磨损机理是粘焊 , 磨屑是由剥层和 擦伤造成的。

颗粒增强铝基复合材料在正压力由小到大时 , 磨 损率由大变小 , 超过临界载荷又突然增大;摩擦系数 随滑动速度增大而减小 , 压力愈高则摩擦系数越小。4 结束语

随着速度的不断提高 , 制动摩擦材料正经历着从 黑色金属钢铁 — — — 陶瓷颗粒增强铝基复合材料 — — — 碳 纤维增强碳基复合材料和陶瓷的变化。其中 C/C 复 合材料与陶瓷可以作为发展 350km/h 的超高速列车的 制动系统 [16~18]。

一般情况下 , 低速下是摩擦系数增大 , 磨损也增 64《润滑与密封》

大 , 随着摩擦速度的增大并达到某一极限 , 摩擦系数 开始减小 , 磨损更加严重。现有的研究集中在单一因 素对高速摩擦磨损的研究 , 还缺乏系统性的研究。然 而高速摩擦的影响因素是复杂的 , 不能只看单一因 素 , 必须综合考虑各因素对摩擦的影响 , 同时还必须 更深入的研究高速摩擦。

目前 , 对摩擦速度在 40~100m/s 的研究比较少 , 对这么高的速度条件下的摩擦磨损研究是将来摩擦 学的主要工作方向之一。

参考文献

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值即可在 90%的概率下反映相应谱片的磨屑群体特 征参数数值 [2,6];对于任一个油样而言 , 只须利用旋 转式铁谱仪 , 按照制谱规范 [2]制得一张谱片 , 并按谱 片上磨屑群体特征参数的提取规范 , 提取谱片的磨屑 群体特征参数数值 , 则该数值即可在 99%的概率下 反映出相应油样磨屑群体特征参数的数值 , 即旋转式 铁谱仪制得的谱片具有很好的重复性 [2]。

4结

论

旋转式铁谱仪的磁场磁力线方向与制谱时油样 的流动方向一致 , 从根本上改变了分析式铁谱仪由于 油流方向与磁力线方向垂直带来的弊端。

旋转式铁谱仪制得的谱片上磨屑的沉积区域远 大于分析式铁谱仪制得谱片上磨屑的沉积区域 , 且具 有等几率沉积的特点 , 为数理统计、模糊数学、时间 序列等数学工具的应用 , 提供了大量可供分析的样本 数据。

旋转式铁谱仪制得的谱片具有很高的统计规律 性和重复性。参考文献

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