摩擦壓力對(duì)銅基粉末冶金材料的影響范文

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《黃金科學(xué)技術(shù)》2016年06期

摩擦通常被看作是兩個(gè)物體間的相互作用，然而1984年，MGodet在潤(rùn)滑摩擦理論的基礎(chǔ)上，引入了第三體的概念。第三體就是磨損形成的覆蓋在摩擦表面的磨屑，常被人們稱為摩擦膜堯表面膜或摩擦轉(zhuǎn)移膜等，這部分組織存在于兩個(gè)摩擦主體之間。因此，要認(rèn)識(shí)和掌握摩擦學(xué)行為，不能忽略第三體的作用。在摩擦過(guò)程中，第三體并不是一成不變的，其組織特征堯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等都受到摩擦條件影響，進(jìn)而影響材料摩擦磨損性能。表面第三體的形貌具有顆粒區(qū)和壓實(shí)區(qū)兩種特征。第三體的壓實(shí)區(qū)和顆粒區(qū)是處于一個(gè)不斷相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程與摩擦學(xué)行為密切相關(guān)。

符蓉等針對(duì)Cu-SiO2燒結(jié)材料，分析第三體與SiO2硬質(zhì)點(diǎn)的塞積－覆蓋－分解－再覆蓋循環(huán)，并認(rèn)為SiO2的強(qiáng)度決定了第三體壓實(shí)區(qū)的存在周期。MEriksson[5]針對(duì)汽車用有機(jī)合成閘片，揭示了第三體以金屬纖維作為釘軋點(diǎn)和進(jìn)行壓實(shí)-分解-再壓實(shí)的循環(huán)過(guò)程，并指出第三體演化與載荷有關(guān)。DMajcherczak等研究碳素鋼材料的摩擦第三體發(fā)現(xiàn)，第三體粒子在不規(guī)則表面的接觸點(diǎn)堆積引起局部接觸應(yīng)力和溫度升高，壓實(shí)區(qū)承受較高的載荷導(dǎo)致破裂形成粒子。

上述研究使人們對(duì)于第三體形成過(guò)程有了一定了解，但研究工作仍局限于為數(shù)不多的摩擦材料和摩擦條件。銅基摩擦材料以其優(yōu)良的摩擦性能在高速列車制動(dòng)方面取得廣泛應(yīng)用，但由于材料組元的多樣化和摩擦條件的復(fù)雜性，增加了認(rèn)識(shí)第三體摩擦學(xué)行為的難度。鑒于此，本文針對(duì)銅基摩擦材料，研究了摩擦壓力的變化對(duì)摩擦表面第三體組織狀態(tài)的影響以及第三體狀態(tài)與摩擦磨損性能的關(guān)系，可為掌握高速列車制動(dòng)條件下制動(dòng)產(chǎn)品的摩擦磨損性能提供理論基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料與方法

采用粉末冶金工藝制備Cu-石墨-SiO2燒結(jié)材料，試驗(yàn)材料由電解銅粉淵300目冤堯石墨和SiO2(20～60目)構(gòu)成，三種組分的配比為石墨取10.0wt%，SiO2為6.0wt%，余量為銅。粉末經(jīng)均勻混合，在壓制壓力600MPa條件下壓制成型，在鐘罩式燒結(jié)爐中加壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力1.77MPa，燒結(jié)溫度820℃，保溫時(shí)間1.5h。制備的試樣尺寸為準(zhǔn)17mm伊15mm。摩擦磨損試驗(yàn)在銷盤(pán)式定速摩擦機(jī)上進(jìn)行，對(duì)偶盤(pán)為H13，摩擦半徑150mm，速度范圍200～3000r/min，相當(dāng)于線速度3.14～47.1m/s，摩擦壓力0.5～1.1MPa。表面形貌觀察采用OLYMPUS數(shù)碼成像顯微鏡。

2結(jié)果與分析

摩擦壓力對(duì)銅-石墨-二氧化硅材料摩擦系數(shù)的影響。可看出，隨摩擦壓力提高，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)摩擦壓力超過(guò)0.7MPa時(shí)，隨摩擦壓力提高，摩擦系數(shù)變化不大，集中在0.4。這是由于在一定速度下，銅基摩擦材料摩擦系數(shù)滋與摩擦壓力P之間的關(guān)系。摩擦壓力對(duì)銅-石墨-二氧化硅材料磨損率的影響。可看出，隨摩擦壓力的增加，材料磨損率變化不多，平均值都低于0.2g/MJ。這可能是由于所研究的銅基材料中含有SiO2和石墨顆粒，SiO2顆粒起到強(qiáng)化表面強(qiáng)度的作用，而石墨顆粒具有潤(rùn)滑效果，二者共同作用保證了材料良好的耐磨性。隨摩擦壓力的提高，一方面SiO2的破碎程度增加，另一方面破碎的SiO2顆粒存在再次嵌入材料表面的現(xiàn)象，這相當(dāng)于增加了SiO2顆粒在表面的含量，起到了耐磨的作用。同時(shí)，石墨顆粒的破碎增加了潤(rùn)滑作用，這些因素均是導(dǎo)致材料磨損率并沒(méi)有隨摩擦壓力增加而增加的原因。

兩種摩擦壓力條件下的摩擦表面截面形貌。可看出，在0.5MPa條件下，第三體對(duì)表層有良好的覆蓋，與基體結(jié)合處有細(xì)微裂紋存在曰摩擦壓力提高到0.9MPa時(shí)，第三體對(duì)表面覆蓋的不均勻程度增加，亞表層出現(xiàn)的裂紋深度和裂紋擴(kuò)展程度增加，同時(shí)第三體層厚度略有增加。這表明，高的摩擦壓力加劇了對(duì)表面的破壞程度，形成的第三體不均勻程度增加，不均勻的第三體對(duì)表面的保護(hù)作用降摩擦壓力對(duì)摩擦表面溫度影響Fig.5Effectsoffrictionpressureonthetemperatureoffrictionsurface低，這又加劇了亞表層的損傷。因此，隨摩擦壓力的提高，摩擦表面的變形和破裂程度增加。摩擦壓力增加對(duì)表面的損傷作用在于加劇了表面的塑性變形和裂紋形成。實(shí)際上，材料表面微觀上是凸凹不平的，當(dāng)兩表面接觸時(shí)，接觸點(diǎn)上的壓力非常高，導(dǎo)致材料在此區(qū)域發(fā)生塑性變形。然而，這些接觸點(diǎn)的面積和高度是不相同的，即這些塑性變形區(qū)的尺寸是不一樣的，這就直接導(dǎo)致了第三體的面積和厚度的不均勻。壓力增加，亞表層形成一個(gè)較厚的滑移層，大的塑性變形使得基體中薄弱部位優(yōu)先發(fā)生裂紋的形核與擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到摩擦表面時(shí)，片狀磨屑將從表面斷裂脫出。

另外，增加摩擦壓力有利于提高第三體致密性，高的摩擦壓力促使第三體及亞表層中的裂紋擴(kuò)展。在摩擦過(guò)程中，亞表層區(qū)沿著摩擦方向發(fā)生塑性流動(dòng)，在剪切和壓應(yīng)力的共同作用下，受熱軟化的亞表層材料形成一個(gè)較厚的滑移層，塑性變形的不斷累積使得基體中薄弱部位發(fā)生裂紋的形核與擴(kuò)展。當(dāng)裂紋的頭尾端擴(kuò)展到摩擦表面時(shí)，一個(gè)大片狀磨屑將從表面斷裂脫出。當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度一定時(shí)，提高壓力可使亞表層塑性變形區(qū)深度增加，同一深度處的塑性變形量也更大，裂紋在更深處萌生且易于擴(kuò)展，亞表層更易發(fā)生嚴(yán)重的斷裂剝層，破壞了上面覆蓋的第三體層，產(chǎn)生大的片狀剝落，增加了第三體來(lái)源，有利于厚度提高。不同摩擦壓力條件下摩擦試樣溫度變化。可看出，在相同摩擦速度時(shí)，隨摩擦壓力的提高，摩擦表面溫度升高。這是因?yàn)槟Σ翂毫Φ脑黾訒?huì)使材料表面摩擦功率增加，因此材料表面的溫度升高。摩擦壓力對(duì)摩擦表面溫度的影響也反映了摩擦表面第三體組織的變化，增加壓力使得材料塑性變形加劇，大顆粒的第三體被直接推出摩擦區(qū)域，脫落的第三體尺寸和數(shù)量增多，且此時(shí)摩擦表面溫度增加，易于第三體變形和粘著，使第三體致密。這類第三體尺寸較大，脫落后很難重新進(jìn)入摩擦過(guò)程，這相當(dāng)于減少了表面第三體的數(shù)量，這顯然不利于形成對(duì)摩擦表層的保護(hù)。

3結(jié)論

(1)隨摩擦壓力的提高，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，磨損率變化不明顯。這是由于壓力增加引起了SiO2和石墨的破碎，也起到了耐磨和潤(rùn)滑的作用。

(2)摩擦壓力提高，有利于提高第三體致密性，原因在于摩擦壓力提高，摩擦表面溫度增加，易于第三體擠壓變形和粘著。

作者：韓曉明1袁何衛(wèi)東2袁李曉陽(yáng)1袁藤潁麗1 單位：1.大連交通大學(xué)，2.大連交通大學(xué)