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摩擦压力对铜基粉末冶金材料的影响

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《黄金科学技术》2016年06期

摩擦通常被看作是两个物体间的相互作用,然而1984年,MGodet在润滑摩擦理论的基础上,引入了第三体的概念。第三体就是磨损形成的覆盖在摩擦表面的磨屑,常被人们称为摩擦膜尧表面膜或摩擦转移膜等,这部分组织存在于两个摩擦主体之间。因此,要认识和掌握摩擦学行为,不能忽略第三体的作用。在摩擦过程中,第三体并不是一成不变的,其组织特征尧运动状态等都受到摩擦条件影响,进而影响材料摩擦磨损性能。表面第三体的形貌具有颗粒区和压实区两种特征。第三体的压实区和颗粒区是处于一个不断相互转化的动态过程,这个转化过程与摩擦学行为密切相关。

符蓉等针对Cu-SiO2烧结材料,分析第三体与SiO2硬质点的塞积-覆盖-分解-再覆盖循环,并认为SiO2的强度决定了第三体压实区的存在周期。MEriksson[5]针对汽车用有机合成闸片,揭示了第三体以金属纤维作为钉轧点和进行压实-分解-再压实的循环过程,并指出第三体演化与载荷有关。DMajcherczak等研究碳素钢材料的摩擦第三体发现,第三体粒子在不规则表面的接触点堆积引起局部接触应力和温度升高,压实区承受较高的载荷导致破裂形成粒子。

上述研究使人们对于第三体形成过程有了一定了解,但研究工作仍局限于为数不多的摩擦材料和摩擦条件。铜基摩擦材料以其优良的摩擦性能在高速列车制动方面取得广泛应用,但由于材料组元的多样化和摩擦条件的复杂性,增加了认识第三体摩擦学行为的难度。鉴于此,本文针对铜基摩擦材料,研究了摩擦压力的变化对摩擦表面第三体组织状态的影响以及第三体状态与摩擦磨损性能的关系,可为掌握高速列车制动条件下制动产品的摩擦磨损性能提供理论基础。

1试验材料与方法

采用粉末冶金工艺制备Cu-石墨-SiO2烧结材料,试验材料由电解铜粉渊300目冤尧石墨和SiO2(20~60目)构成,三种组分的配比为石墨取10.0wt%,SiO2为6.0wt%,余量为铜。粉末经均匀混合,在压制压力600MPa条件下压制成型,在钟罩式烧结炉中加压烧结,烧结压力1.77MPa,烧结温度820℃,保温时间1.5h。制备的试样尺寸为准17mm伊15mm。摩擦磨损试验在销盘式定速摩擦机上进行,对偶盘为H13,摩擦半径150mm,速度范围200~3000r/min,相当于线速度3.14~47.1m/s,摩擦压力0.5~1.1MPa。表面形貌观察采用OLYMPUS数码成像显微镜。

2结果与分析

摩擦压力对铜-石墨-二氧化硅材料摩擦系数的影响。可看出,随摩擦压力提高,摩擦系数呈现下降趋势,当摩擦压力超过0.7MPa时,随摩擦压力提高,摩擦系数变化不大,集中在0.4。这是由于在一定速度下,铜基摩擦材料摩擦系数滋与摩擦压力P之间的关系。摩擦压力对铜-石墨-二氧化硅材料磨损率的影响。可看出,随摩擦压力的增加,材料磨损率变化不多,平均值都低于0.2g/MJ。这可能是由于所研究的铜基材料中含有SiO2和石墨颗粒,SiO2颗粒起到强化表面强度的作用,而石墨颗粒具有润滑效果,二者共同作用保证了材料良好的耐磨性。随摩擦压力的提高,一方面SiO2的破碎程度增加,另一方面破碎的SiO2颗粒存在再次嵌入材料表面的现象,这相当于增加了SiO2颗粒在表面的含量,起到了耐磨的作用。同时,石墨颗粒的破碎增加了润滑作用,这些因素均是导致材料磨损率并没有随摩擦压力增加而增加的原因。

两种摩擦压力条件下的摩擦表面截面形貌。可看出,在0.5MPa条件下,第三体对表层有良好的覆盖,与基体结合处有细微裂纹存在曰摩擦压力提高到0.9MPa时,第三体对表面覆盖的不均匀程度增加,亚表层出现的裂纹深度和裂纹扩展程度增加,同时第三体层厚度略有增加。这表明,高的摩擦压力加剧了对表面的破坏程度,形成的第三体不均匀程度增加,不均匀的第三体对表面的保护作用降摩擦压力对摩擦表面温度影响Fig.5Effectsoffrictionpressureonthetemperatureoffrictionsurface低,这又加剧了亚表层的损伤。因此,随摩擦压力的提高,摩擦表面的变形和破裂程度增加。摩擦压力增加对表面的损伤作用在于加剧了表面的塑性变形和裂纹形成。实际上,材料表面微观上是凸凹不平的,当两表面接触时,接触点上的压力非常高,导致材料在此区域发生塑性变形。然而,这些接触点的面积和高度是不相同的,即这些塑性变形区的尺寸是不一样的,这就直接导致了第三体的面积和厚度的不均匀。压力增加,亚表层形成一个较厚的滑移层,大的塑性变形使得基体中薄弱部位优先发生裂纹的形核与扩展,当裂纹扩展到摩擦表面时,片状磨屑将从表面断裂脱出。

另外,增加摩擦压力有利于提高第三体致密性,高的摩擦压力促使第三体及亚表层中的裂纹扩展。在摩擦过程中,亚表层区沿着摩擦方向发生塑性流动,在剪切和压应力的共同作用下,受热软化的亚表层材料形成一个较厚的滑移层,塑性变形的不断累积使得基体中薄弱部位发生裂纹的形核与扩展。当裂纹的头尾端扩展到摩擦表面时,一个大片状磨屑将从表面断裂脱出。当相对滑动速度一定时,提高压力可使亚表层塑性变形区深度增加,同一深度处的塑性变形量也更大,裂纹在更深处萌生且易于扩展,亚表层更易发生严重的断裂剥层,破坏了上面覆盖的第三体层,产生大的片状剥落,增加了第三体来源,有利于厚度提高。不同摩擦压力条件下摩擦试样温度变化。可看出,在相同摩擦速度时,随摩擦压力的提高,摩擦表面温度升高。这是因为摩擦压力的增加会使材料表面摩擦功率增加,因此材料表面的温度升高。摩擦压力对摩擦表面温度的影响也反映了摩擦表面第三体组织的变化,增加压力使得材料塑性变形加剧,大颗粒的第三体被直接推出摩擦区域,脱落的第三体尺寸和数量增多,且此时摩擦表面温度增加,易于第三体变形和粘着,使第三体致密。这类第三体尺寸较大,脱落后很难重新进入摩擦过程,这相当于减少了表面第三体的数量,这显然不利于形成对摩擦表层的保护。

3结论

(1)随摩擦压力的提高,摩擦系数呈现下降趋势,磨损率变化不明显。这是由于压力增加引起了SiO2和石墨的破碎,也起到了耐磨和润滑的作用。

(2)摩擦压力提高,有利于提高第三体致密性,原因在于摩擦压力提高,摩擦表面温度增加,易于第三体挤压变形和粘着。

作者:韩晓明1袁何卫东2袁李晓阳1袁藤颍丽1 单位:1.大连交通大学,2.大连交通大学

黄金科学技术杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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