銅鋁石墨組合材料摩擦角度與摩擦性能探析范文

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《大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第5期

摘要:

通過(guò)組合法制備了銅、鋁、石墨三種材料構(gòu)成的組合材料，利用定速摩擦試驗(yàn)機(jī)，研究了摩擦速度為200～2000r/min和制動(dòng)壓力為0．25～0．64MPa條件下，摩擦角度對(duì)摩擦系數(shù)的影響．試驗(yàn)結(jié)果表明:摩擦角度對(duì)摩擦系數(shù)的影響與壓力有關(guān)．當(dāng)壓力小于0．51MPa時(shí)，摩擦角度的改變對(duì)摩擦系數(shù)影響不大;當(dāng)壓力超過(guò)0．51MPa時(shí)，45°方向的摩擦系數(shù)要明顯高于0°方向和90°方向的摩擦系數(shù)，原因在于摩擦角度為45°時(shí)，摩擦表面容易發(fā)生整體剪切流動(dòng)，較強(qiáng)的粘著力形成魚骨狀裂紋，使剪切作用力增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增高．

關(guān)鍵詞:

組合材料;摩擦性能;摩擦角度

0引言

高性能摩擦材料在具有較高摩擦系數(shù)的同時(shí)，還要求隨工況條件的變化，摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定．為使材料達(dá)到這種苛刻的性能要求，通常采用多組元材料來(lái)制造摩擦材料．高速列車制動(dòng)閘片就是一種由銅、鐵、鋁、鉻和石墨多組元構(gòu)成的粉末冶金材料［1-3］．在摩擦中，利用材料中各組元不同的特性，達(dá)到控制摩擦系數(shù)的目的．因此，為設(shè)計(jì)高性能的摩擦材料，需要認(rèn)識(shí)材料中每種組元對(duì)摩擦性能的摩擦機(jī)理以及影響程度［4-5］．為認(rèn)識(shí)這些作用對(duì)摩擦性能的影響，需要通過(guò)觀察表面組織的形態(tài)特征來(lái)揭示每種組元對(duì)摩擦性能的作用機(jī)制．然而，由于粉末冶金材料中的多種組元呈彌散分布狀態(tài)，各組元在摩擦力的作用下發(fā)生剪切流動(dòng)而疊加，難于甄別每種組元的演化特征，同時(shí)，混合了各組元粒子的第三體組織覆蓋在摩擦表面上，進(jìn)一步增加了認(rèn)識(shí)每種組元和及相應(yīng)的第三體在摩擦中變化過(guò)程的難度．為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)［6］提出了一種機(jī)械組合方法，將幾種材料組成一種結(jié)構(gòu)有序的層片式組合材料，由于這種方法形成的組元層次分明，對(duì)于認(rèn)識(shí)和甄別各組元在摩擦表面的交互作用是十分有利的．通過(guò)這種方法發(fā)現(xiàn)了銅、鋁和鐵的組織形成特征與摩擦性能的關(guān)系，這為認(rèn)識(shí)材料特性與摩擦性能的關(guān)系提供了一條新路徑．可見(jiàn)，利用這個(gè)方法，進(jìn)一步研究非金屬材料，如石墨與其它金屬組元的相互關(guān)系也應(yīng)當(dāng)是可行的．同時(shí)，當(dāng)不同性質(zhì)的材料組合在一起時(shí)，組元的排列方式也可能對(duì)摩擦學(xué)行為有影響．因此，借助于機(jī)械組合方法揭示摩擦材料中組元特性對(duì)摩擦性能的影響機(jī)制，對(duì)研制高性能制動(dòng)摩擦材料是有指導(dǎo)意義的．本文采用機(jī)械組合方法，將銅、鋁和石墨組成兩種排布方式的組合材料．通過(guò)摩擦試驗(yàn)的方法，研究了在不同摩擦條件下，兩種組合材料與摩擦性能的關(guān)系．觀察分析了不同摩擦區(qū)域表面組織的演化特征，以達(dá)到認(rèn)識(shí)石墨組元與金屬組元間相互作用機(jī)制的目的．

1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用鋁片和銅片(圖1)，采用交替的排列順序進(jìn)行排布，通過(guò)機(jī)械嚙合的方式過(guò)盈配合到夾具中，夾具可以在夾頭中實(shí)現(xiàn)0°、45°、90°三個(gè)角度的調(diào)整(圖2)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)金屬片的排列方向和摩擦方向分別成平行、垂直以及45°角方向摩擦的目的．金屬片的長(zhǎng)和寬分別為21mm和15mm．銅片、鋁片的厚度分別為0．4mm和0．8mm．銅鋁的摩擦面積比為2∶1．試驗(yàn)采用GF150D型定速摩擦機(jī)，摩擦對(duì)偶盤材料為H13鋼，摩擦半徑是150mm，摩擦壓力分別為0．25、0．38、0．51和0．64MPa，摩擦速度為200～2000r/min，每次的摩擦?xí)r間為30s．每種測(cè)試條件下測(cè)試三次，測(cè)試結(jié)果為三次的平均值．摩擦表面的形貌觀察采用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡．

2結(jié)果與討論

圖3是三種摩擦角度(0°，45°，90°)對(duì)摩擦系數(shù)的影響．可以看出，三個(gè)摩擦角度下的摩擦系數(shù)都隨摩擦速度的提高而有所降低．從整體上觀察，當(dāng)壓力小于0．51MPa時(shí)，三個(gè)方向的摩擦系數(shù)值比較接近，摩擦角度的改變對(duì)摩擦系數(shù)影響不大;當(dāng)壓力超過(guò)0．51MPa時(shí)，45°方向的摩擦系數(shù)要明顯高于0°方向和90°方向的摩擦系數(shù)，90°方向的摩擦系數(shù)與0°方向的摩擦系數(shù)基本持平．圖4是金屬片平行于摩擦方向(0°)時(shí)，摩擦表面的形貌變化．由圖可見(jiàn)，當(dāng)速度為200r/min時(shí)，摩擦表面的犁溝現(xiàn)象比較明顯，粗糙度較大．當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到600r/min時(shí)，鋁表面區(qū)域平整，銅表面出現(xiàn)了剝落坑，并且犁溝現(xiàn)象比較嚴(yán)重．當(dāng)速度為1800r/min時(shí)，鋁表面的平整度進(jìn)一步提高，銅表面出現(xiàn)了彩色的氧化物，犁溝現(xiàn)象減弱，幾乎看不到剝落坑的存在．由此表明，金屬片平行于摩擦方向時(shí)，在低速時(shí)，鋁表面易形成犁溝，在隨后的摩擦過(guò)程中，鋁的表面形態(tài)變化不大．而銅表面會(huì)形成致密的第三體層，使表面粗糙度得到明顯的降低，但由于氧化物的脆性，在摩擦過(guò)程中會(huì)形成剝落坑．圖5是層片方向與摩擦方向垂直時(shí)，銅鋁表面的形貌變化，由圖可見(jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)，銅和鋁之間發(fā)生了相互覆蓋的現(xiàn)象，其中，鋁向銅上的覆蓋比較明顯，摩擦表面整體上存在大量細(xì)小的犁溝，表面粗糙度較大．當(dāng)速度增加到600r/min時(shí)，銅鋁的混合程度進(jìn)一步增加，已經(jīng)難以區(qū)分銅片與鋁片之間的界限，粗糙度有所降低，摩擦表面的流線已經(jīng)完全和摩擦方向平行，即垂直于金屬片方向．當(dāng)速度增加至1800r/min時(shí)，摩擦表面的氧化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，其中顏色較淺的部位是以鋁為主要成分的，而銅氧化物顏色較深．由此表明，當(dāng)層片方向與摩擦方向垂直時(shí)，在低速時(shí)，由于金屬要發(fā)生剪切流動(dòng)，而且是垂直于層片方向流動(dòng)，提高了該條件下的摩擦系數(shù)，當(dāng)速度增加到600r/min時(shí)，兩組元混合的更加充分，表面粗糙度得到了改善，當(dāng)速度為1800r/min時(shí)，高速下的溫升使材料表面的氧化程度嚴(yán)重，另外使得基體軟化，表面粗糙度降低，進(jìn)而降低了摩擦系數(shù)．圖6是與摩擦方向成45°角時(shí)，銅鋁表面的形貌變化情況，其中圖6(a)～6(c)對(duì)應(yīng)的壓力為0．38MPa下的表面形貌，由圖可見(jiàn)，當(dāng)速度為200r/min時(shí)，鋁向銅的表面發(fā)生了剪切流動(dòng)，當(dāng)速度增加到600r/min時(shí)，摩擦表面的兩種組元進(jìn)一步混合，表面粗糙度略有增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1800r/min時(shí)，混合后的摩擦表面形成了連續(xù)的第三體層，局部出現(xiàn)了剝落坑，其尺寸相對(duì)較大．由此表明，當(dāng)層片方向與摩擦方向成45°角時(shí)，與層片垂直于摩擦方向類似，在低速情況下均發(fā)生大面積的剪切流動(dòng)．圖6(d)～6(f)對(duì)應(yīng)的是0.64MPa下的表面形貌，由圖可見(jiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)，在摩擦表面出現(xiàn)了壓實(shí)區(qū)，混合后的兩組元已分不清彼此之間的界限，當(dāng)速度為600r/min時(shí)，在鋁的表面出現(xiàn)了大塊剝落的銅，摩擦表面的犁溝現(xiàn)象比較明顯．當(dāng)速度增加到1800r/min時(shí)，摩擦表面出現(xiàn)黏著物和撕裂情況．由此表明，當(dāng)壓力為0．64MPa，低速時(shí)摩擦表面的整體剪切流動(dòng)現(xiàn)象比較明顯，當(dāng)速度增加到600r/min時(shí)，出現(xiàn)了表層物質(zhì)塊狀的剝離，當(dāng)速度為1800r/min時(shí)，由于層片方向與摩擦方向成45°角，因此兩端和中間的流動(dòng)速度存在差異，表面溫升也有所不同，而溫升大的部位由于基體軟化導(dǎo)致的黏著撕裂現(xiàn)象明顯，進(jìn)而提高了摩擦系數(shù)．

3結(jié)論

(1)摩擦角度對(duì)摩擦系數(shù)的影響與壓力有關(guān)．當(dāng)壓力小于0．51MPa時(shí)，摩擦角度的改變對(duì)摩擦系數(shù)影響不大;當(dāng)壓力超過(guò)0．51MPa時(shí)，45°方向的摩擦系數(shù)要明顯高于0°方向和90°方向的摩擦系數(shù);

(2)壓力超過(guò)0．51MPa，摩擦角度為45°時(shí)，摩擦表面容易發(fā)生整體剪切流動(dòng)，較強(qiáng)的粘著力形成魚骨狀裂紋，使剪切作用力增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)高于摩擦角度為0°和90°的摩擦系數(shù)．

參考文獻(xiàn):

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作者:韓曉明 王亞楠 符蓉 蘇琳琳 單位:大連交通大學(xué)連續(xù)擠壓工程研究中心