三維針刺C/SiC復(fù)合材料與30CrSiMoVA對(duì)偶的摩擦磨損性能與機(jī)理

劉何意, 范尚武, 殷小瑋, 袁 琦, 張立同, 成來飛

(西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072）

三維針刺C/SiC復(fù)合材料與30CrSiMoVA對(duì)偶的摩擦磨損性能與機(jī)理

劉何意, 范尚武, 殷小瑋, 袁 琦, 張立同, 成來飛

(西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072）

通過MM-1000Ⅱ摩擦試驗(yàn)機(jī),研究了三維針刺C/SiC復(fù)合材料與30CrSiMoVA對(duì)偶的摩擦磨損性能,并結(jié)合SEM,XRD,EDS、熱力學(xué)計(jì)算以及剎車過程溫度場(chǎng)有限元模擬,分析了剎車過程中的摩擦磨損機(jī)理和物相轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明:隨著初始剎車速率的增加,三維針刺C/SiC復(fù)合材料與30CrSiMoVA對(duì)偶剎車的平均摩擦系數(shù)減小,摩擦面溫度升高,三維針刺C/SiC復(fù)合材料與30CrSiMoVA線磨損率呈增大趨勢(shì)。初始剎車速率大于15m/s剎車時(shí),摩擦面最高溫度高于560℃,Fe與 SiC,Si以及O2發(fā)生反應(yīng)生成Fe3C,Fe3Si,FeO,γ-Fe2O3和 α-Fe2O3,以上反應(yīng)與磨粒磨損、粘著磨損以及疲勞磨損相互促進(jìn),加速了材料的磨損。

C/SiC剎車材料;30CrSiMoVA;溫度場(chǎng)模擬;摩擦磨損性能;摩擦磨損機(jī)理

C/SiC復(fù)合材料作為新一代高性能剎車材料,具有密度低 (約2.0g/mm3）、耐高溫、抗氧化、耐磨損、導(dǎo)熱性好、摩擦性能好、制動(dòng)平穩(wěn)等一系列優(yōu)異性能[1～5],在飛機(jī)、高速列車和汽車領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。德國(guó)宇航院(DLR）的Krenkel等人率先展開了C/SiC剎車材料的研究,現(xiàn)已成功應(yīng)用于保時(shí)捷、奧迪、法拉利和奔馳等高檔汽車[2,6,7]。國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)和中南大學(xué),分別以飛機(jī)和高速列車為背景,對(duì)C/SiC剎車材料的摩擦磨損性能和機(jī)理做了大量研究[8～12]。目前為止國(guó)內(nèi)外對(duì)C/SiC剎車材料的研究和報(bào)道主要集中在C/SiC剎車材料自摩擦的摩擦磨損性能方面,對(duì)C/SiC剎車材料與其它材料對(duì)偶的摩擦磨損性能與機(jī)理的研究罕見報(bào)道。

不同的交通工具和機(jī)械裝置,所使用的剎車對(duì)偶材料不盡相同。航空剎車副中最常用的對(duì)偶材料是C/C復(fù)合材料、合金鋼和粉末冶金材料[13,14]。合金鋼30CrSiMoVA不僅強(qiáng)度和韌性配合良好、抗回火穩(wěn)定性高,而且其過熱傾向低,高溫回火狀態(tài)下仍具有良好的綜合性能,可以承受航空剎車時(shí)的高溫、高壓以及高負(fù)荷,是廣泛應(yīng)用的航空剎車對(duì)偶材料[15]。研究C/SiC復(fù)合材料和金屬對(duì)偶的摩擦磨損行為,對(duì)深入研究其摩擦磨損特性,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域有重要意義。

采用化學(xué)氣相沉積(CVI）結(jié)合反應(yīng)熔體浸滲(RMI）方法制備三維針刺C/SiC復(fù)合材料[16]作為靜盤,動(dòng)盤選用合金鋼30CrSiMoVA,通過MM-1000Ⅱ型摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。結(jié)合剎車過程溫度場(chǎng)有限元模擬,分析了剎車過程中的物相轉(zhuǎn)變,并研究了物相轉(zhuǎn)變對(duì)摩擦磨損性能和機(jī)理的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣的制備

三維針刺C/SiC復(fù)合材料由三維針刺碳纖維預(yù)制體經(jīng)CVI沉積熱解碳(先驅(qū)體為丙烯,溫度為900～1000℃ ,時(shí)間為400～600h）和RMI滲硅(溫度為1550～1700℃,時(shí)間為2～3h）得到,其密度和組分含量見表1。合金鋼30CrSiMoVA是航空剎車副常用對(duì)偶材料之一,其組分含量見表2。

1.2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

采用MM-1000Ⅱ摩擦試驗(yàn)機(jī)模擬剎車過程,進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.235 kg·m,剎車壓力為0.7 MPa,初始剎車速率分別為5m/s,10m/s,15m/s,20m/s和25m/s,每組試驗(yàn)20次。采用螺旋測(cè)微儀測(cè)量每組靜盤和動(dòng)盤試驗(yàn)前后的厚度變化,計(jì)算其線磨損率。

表1 SiC復(fù)合材料的密度和組分含量Table 1 Density and component content of C/SiC composites

表2 30CrSiMoVA的組分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2 Component content of 30CrSiMoVA(mass fraction/%）

1.3 剎車盤的溫度場(chǎng)模擬

由于摩擦面實(shí)際溫度不易在線測(cè)量,本工作通過有限元方法模擬剎車過程中剎車盤的溫度場(chǎng)變化。剎車過程中,通過動(dòng)盤和靜盤的摩擦,動(dòng)能E在摩擦面處轉(zhuǎn)化為熱能。單位時(shí)間內(nèi),摩擦面處增加的熱能q0等于慣量盤減少的動(dòng)能dE/dt,同時(shí)摩擦面處的熱能又以熱輻射和熱傳導(dǎo)的方式向動(dòng)盤和靜盤擴(kuò)散。

E為剎車總動(dòng)能(J）,J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2）,n為轉(zhuǎn)速(r·min-1）。摩擦面處的熱平衡方程為:

K1,K2分別為靜盤和動(dòng)盤的熱傳導(dǎo)系數(shù)(W·m-1·K-1）,▽T1,▽T2分別為由摩擦面指向靜盤和動(dòng)盤的溫度梯度(K·m-1）,const為熱輻射常數(shù)(W·m-2·K-4）,Tamb為外界溫度(K）,T為摩擦面溫度(K）,A為摩擦面面積。

本研究利用多物理場(chǎng)模擬軟件COMSOL的傳熱模塊模擬以上過程中的動(dòng)盤和靜盤的溫度場(chǎng)變化,模擬中用到的參數(shù)如表3,其中Cp為材料的比熱容,K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

表3 模擬參數(shù)Table 3 Parameters of simulate

1.4 分析測(cè)試

通過體式顯微鏡觀察摩擦實(shí)驗(yàn)后的摩擦面形貌。采用帶有X射線能譜儀(EDS）的GSM-6700F型掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM）進(jìn)行磨屑的形貌觀察和元素分析。采用D/MAX-2400型X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD）分析磨屑物相組成和剎車前后合金鋼30CrSiMoVA摩擦面的相變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始剎車速率對(duì)摩擦性能的影響

圖1a是三維針刺 C/SiC與 30CrSiMoVA對(duì)偶剎車過程中的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。初始剎車速率為5m/s時(shí),摩擦系數(shù)在剎車過程中逐漸增加,在剎車終了時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最大(約0.7）。初始剎車速率為10m/s和15m/s時(shí),摩擦系數(shù)前期稍高,中間平穩(wěn),后期摩擦系數(shù)不斷升高,出現(xiàn)“翹尾”現(xiàn)象。隨著初始剎車速率的進(jìn)一步增大,摩擦曲線逐漸趨于“馬鞍”狀,“翹尾”現(xiàn)象減弱。速率增大至25m/s時(shí),剎車盤單位面積能載增大至3022 J/cm2,摩擦曲線仍保持較好的穩(wěn)定性,沒有出現(xiàn)劇烈的波動(dòng),保證了高速下安全平穩(wěn)剎車。

三維針刺C/SiC與30CrSiMoVA對(duì)偶剎車的平均摩擦系數(shù)隨初始剎車速率變化的關(guān)系曲線如圖1b。隨著剎車速率的增大,平均摩擦系數(shù)降低。當(dāng)初始剎車速率為5m/s剎車時(shí),平均摩擦系數(shù)最大(約為0.39）。觀察磨屑和30CrSiMoVA摩擦面形貌(如圖2b,c）,可見磨屑呈細(xì)小的顆粒狀,其中伴有少量的單根纖維和絲帶狀磨屑,30CrSiMoVA摩擦面上均勻分布著大量的細(xì)小溝槽。由能譜可知(如圖2a）,絲帶狀磨屑主要成分為金屬,這是由30CrSiMoVA摩擦表面發(fā)生微觀切削產(chǎn)生。摩擦學(xué)上,任何摩擦面都不是理想的光滑表面,存在大量的微凸體。三維針刺C/SiC摩擦面上細(xì)小的微凸體硬度大于合金鋼30CrSiMoVA,摩擦?xí)r在正應(yīng)力的作用下壓入30CrSiMoVA摩擦面,在剪切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生犁溝效應(yīng),摩擦系數(shù)較高。同時(shí),微凸體為硬脆相,剪切應(yīng)力的作用下會(huì)斷裂,產(chǎn)生了細(xì)小的顆粒狀磨屑。

當(dāng)初始剎車速率增加到15m/s時(shí),平均摩擦系數(shù)減小至0.3。磨屑、30CrSiMoVA摩擦面及三維針刺C/SiC摩擦面形貌如圖3。磨屑由簇狀剝落纖維、片狀磨屑以及較粗的絲帶狀磨屑組成,磨屑尺寸增大。30CrSiMoVA摩擦面上存在微坑和較寬的溝槽,同時(shí)三維針刺C/SiC摩擦面部分區(qū)域覆蓋有片狀摩擦膜。由于剎車能量較大,摩擦面溫度較高,金屬磨屑軟化后與粉末狀SiC和C混合在一起,在正應(yīng)力的作用下覆蓋在摩擦面上,形成少量的摩擦膜。摩擦膜的作用,降低了摩擦面上微凸體的作用,減小了摩擦助力,表現(xiàn)為摩擦系數(shù)降低。

當(dāng)初始剎車速率增大到25m/s時(shí),摩擦系數(shù)最小(0.23）。由圖4可以看出,其磨屑以片層狀磨屑為主,存在少量粗而長(zhǎng)的條狀磨屑;30CrSiMoVA摩擦面上存在寬的溝槽,表面出現(xiàn)分層和塊狀剝落;同時(shí)三維針刺C/SiC摩擦面覆蓋著大量不連續(xù)的摩擦膜。初始剎車速率為25m/s時(shí),剎車能量高達(dá)3022J/cm2,摩擦面溫度較高,在較大的剪切速率和高的摩擦面溫度作用下,磨屑更易變形,覆蓋在摩擦面上形成較完整的摩擦膜,摩擦面上微凸體的作用進(jìn)一步減弱,摩擦阻力減小。同時(shí)30CrSiMoVA摩擦面在正應(yīng)力和切應(yīng)力的反復(fù)作用下出現(xiàn)加工硬化,硬度升高,細(xì)小的微凸體難以壓入鋼盤表面,這也使得犁溝效應(yīng)減弱,摩擦系數(shù)降低。

2.2 磨屑及摩擦面物相分析

圖5是初始剎車速率分別為5m/s,15m/s,25m/s時(shí)的磨屑和初始剎車速率為25m/s的鋼盤摩擦面的XRD圖譜。分析可知,初始剎車速率為5m/s時(shí),磨屑主要由SiC,C,α-Fe和Si組成。初始剎車速率為15 m/s時(shí),磨屑主要由 SiC,C,Si,α-Fe,FeO和Fe3C組成,其中FeO和Fe3C的衍射峰較低。初始剎車速率為25m/s時(shí)磨屑主要由SiC,C,Si,α-Fe,FeO,Fe3C,γ-Fe2O3和 α-Fe2O3組成,且與初始剎車速率為15m/s時(shí)的磨屑相比FeO和Fe3C的衍射峰增強(qiáng)。初始剎車速率為25m/s時(shí)的鋼盤摩擦面主要由 γ-Fe2O3,α-Fe和Fe3C組成。由于在XRD圖譜中,Fe3Si的峰值與其它相重合較為嚴(yán)重,僅通過圖5無法確定磨屑中是否含有該相。

有限元模擬不同初始剎車速率剎車時(shí)動(dòng)盤及靜盤的溫度場(chǎng)變化,計(jì)算出剎車過程中摩擦面最高溫度,如圖6。隨著初始剎車速率的增高,剎車能量E急劇增加,摩擦面溫度升高。低速(5m/s）剎車時(shí),摩擦面溫度低于180℃;初始剎車速率升高到15m/s時(shí),摩擦面最高溫度升至560℃;高速 (25m/s）剎車時(shí),摩擦面最高溫度可達(dá)700℃以上。盡管SiC是結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定的共價(jià)鍵晶體,然而當(dāng)SiC與Fe,Cr接觸時(shí),在它們的催化作用下,可以在比較低的溫度條件(＜700℃）下發(fā)生分解[17]。Pelleg等[18]報(bào)道了Fe與SiC反應(yīng)的產(chǎn)物為Fe的硅化物和鐵素體。

圖5 磨屑和30CrSiMoVA摩擦面的XRD圖譜Fig.5 XRD pattems of debris and friction surface 30CrSiMoVA

從摩擦學(xué)的角度看,兩個(gè)摩擦面互相接觸時(shí),真實(shí)的接觸是由一系列不連續(xù)的微小接觸點(diǎn)組成,真實(shí)接觸面積通常只有名義接觸面積的0.01%～0.1%[19]。在摩擦力作用下產(chǎn)生大量的熱能聚集在微小接觸點(diǎn)處,產(chǎn)生局部高溫(高于模擬值）。同時(shí),真實(shí)接觸點(diǎn)處的正應(yīng)力和切應(yīng)力遠(yuǎn)高于名義應(yīng)力值。高溫高壓的作用下真實(shí)接觸點(diǎn)處很容易發(fā)生物相轉(zhuǎn)變。

圖6 初始剎車速率對(duì)摩擦面溫度的影響Fig.6 The effect of initial braking velocity on the friction surface temperature

對(duì)于剎車過程中可能發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,如下:

由表4可知,從熱力學(xué)角度考慮,除反應(yīng)(2）外以上反應(yīng)均可能發(fā)生。

分析圖5可知,隨著初始剎車速率的增大,磨屑中Fe,C,SiC和Si的含量減少,FeO,γ-Fe2O3,和 α-Fe2O3和Fe3C的含量增加。由于反應(yīng)(2）不可能發(fā)生,磨屑中的Fe3C應(yīng)該為反應(yīng)(3）生成;磨屑中Si的含量減少,說明發(fā)生了反應(yīng)(4）。以上兩個(gè)反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)將生成Fe3Si,結(jié)合圖5可證明,初始剎車速率大于15m/s剎車時(shí),磨屑中存在Fe3Si。同時(shí)隨著初始剎車速率的增大,摩擦面溫度升高,氧化速率加快,磨屑中 FeO,γ-Fe2O3,和 α-Fe2O3的含量增加。

表4 各反應(yīng)的Table 4 of the possible reactions(kJ·mol-1）

表4 各反應(yīng)的Table 4 of the possible reactions(kJ·mol-1）

(1） (2） (3） (4） (5） (6） (7）-27.01～-25.37 9.69～2.01-17.32～-23.36-94.85～-90.91-440.64～-403.14-1134.25～-986.57-1289.44～-1139.35

2.3 磨損性能與機(jī)理

2.3.1 初始剎車速率對(duì)磨損率的影響

圖7 初始剎車速率對(duì)30CrSiMoVA與三維針刺C/SiC線磨損率的影響曲線Fig.7 The effect of initial braking velocity on the linear wear rate of 30CrSiMoVA and 3D needled C/SiC

由圖7可以看出,隨著初始剎車速率的提高,三維針刺C/SiC的磨損率逐漸增大。當(dāng)初始剎車速率小于10m/s時(shí),磨損率較小;當(dāng)初始剎車速率大于10m/s時(shí),磨損率隨著初始剎車速率的提高迅速增大。在初始剎車時(shí)速率小于15m/s時(shí),30CrSiMoVA的磨損率較小且變化不大;隨著初始剎車速率的繼續(xù)增大,其磨損率急劇升高。高速下(25m/s）,三維針刺C/SiC和30CrSiMoVA的磨損率分別達(dá)到2.8 μ m/次和 3.2 μ m/次,大于相同條件下三維針刺 C/SiC自對(duì)偶摩擦的磨損率(1.2 μ m/次）[14]。

2.3.2 磨損機(jī)理

在初始剎車速率小于15m/s時(shí),隨著初始剎車速率的增加,單位面積能載增加,三維針刺C/SiC盤摩擦表面斷裂的微凸體數(shù)量增加,線磨損率增大,磨損機(jī)制主要為磨粒磨損;由于初始剎車速率為15m/s時(shí)摩擦表面部分覆蓋了摩擦膜,犁溝效應(yīng)減弱,鋼盤磨損率較低。

隨著剎車速率的增加,單位面積能載進(jìn)一步增加,初始剎車速率大于15m/s時(shí),摩擦面最高溫度高于560℃,Fe與SiC,Si及O2發(fā)生反應(yīng),磨損率增大。如圖3b所示,鋼盤摩擦面上出現(xiàn)了粘著磨損產(chǎn)生的粘著微坑。這是由于摩擦面出現(xiàn)局部過熱而形成熱點(diǎn),熱點(diǎn)處劇烈反應(yīng),形成固態(tài)連接,隨著運(yùn)動(dòng)的繼續(xù),材料由一個(gè)摩擦面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)摩擦面,形成粘著磨損(如圖8a）。如圖4b所示,30CrSiMoVA摩擦面出現(xiàn)了分層和剝落現(xiàn)象,這是由于正應(yīng)力和切應(yīng)力的反復(fù)作用下30CrSiMoVA摩擦面出現(xiàn)加工硬化,塑性和韌性降低,疲勞裂紋產(chǎn)生后向周圍擴(kuò)展,并最終分層剝落,形成疲勞磨損(如圖8b）。

圖8 粘著磨損與疲勞磨損示意圖 (a）粘著磨損[20];(b）疲勞磨損Fig.8 Schematic illustration of adhesion wear and fatigue wear(a）adhesion wear;(b）fatigue wear

三維針刺C/SiC與30CrSiMoVA對(duì)偶剎車過程中除了存在磨粒磨損、氧化磨損、粘著磨損和疲勞磨損之外,還存在著Fe與SiC,Si的反應(yīng),反應(yīng)不僅消耗了材料本身,同時(shí)也促進(jìn)了以上四種磨損機(jī)制的進(jìn)行。

3 結(jié)論

(1）三維針刺C/SiC與30CrSiMoVA對(duì)偶剎車過程中,摩擦曲線平穩(wěn),波動(dòng)較小,平均摩擦系數(shù)隨著初始剎車速率的升高而減小。

(2）隨初始剎車速率升高,三維針刺C/SiC和30CrSiMoVA的線磨損率增大,初始剎車速率增大至25m/s時(shí),兩者的磨損率分別為 2.8 μ m/cycle-1和3.2 μ m/cycle-1。

(3）隨著初始剎車速率的升高,摩擦面溫度急劇增加,初始剎車速率為25m/s剎車時(shí),摩擦面最高溫度高達(dá)712℃。

(4）初始剎車速率大于15m/s時(shí),磨屑和摩擦面發(fā)生氧化生成FeO,γ-Fe2O3和 α-Fe2O3,同時(shí)Fe分別與Si,SiC發(fā)生了反應(yīng),生成Fe3Si和Fe3C,以上反應(yīng)的發(fā)生促進(jìn)了磨粒磨損、氧化磨損、疲勞磨損和粘著磨損的進(jìn)行,加速了材料的磨損。

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Tribological Properties and Wear Mechanisms of the Couple of 3D Needled C/SiC Composite and 30CrSiMoVA

LIU He-yi, FAN Shang-wu, YIN Xiao-wei, YUAN Qi, ZHANG Li-tong, CHENG Lai-fei
(National Key Laboratory of Thermo structure Composite Materials,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China）

The tribological properties of the couple of three-dimensional needled C/SiC composite and 30CrSiMoVA were investigated on MM-1000Ⅱfriction testing machine.The wear mechanisms and phase transformation were analysed with SEM,XRD,EDS,thermodynamics,and finite element simulation of braking temperature field.The results show that,with the increase of the initial braking speed,the average friction coefficient of the couple of three-dimensional needled C/SiC composite and 30CrSiMoVA decreases,the temperature of friction surface increases,and the linear wear rate of three-dimensional needled C/SiC composite and 30CrSiMoVA tended to increase.When the initial braking speed is greater than 15m/s,the maximum temperature on the friction surface exceeds 560℃.Besides,Fe3C,Fe3Si,FeO, γ-Fe2O3and α-Fe2O3was found,which was supposed come from the reactions of Fe,SiC,Si and O2.This reaction together with abrasive wear adhesive wear and fatigue wear,accelerate the wear of materials.

C/SiC brake materials;30CrSiMoVA;simulation of temperature field;tribological properties;wear mechanisms

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.5.010

TB333

A

1005-5053(2011）05-0051-07

2010-10-19;

2011-03-07

凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目(46-QP-2009）

劉何意(1986—）,男,碩士研究生,(E-mail）heyiliu@163.com。