硫酸鈣晶須增強(qiáng)樹脂基制動材料在不同工況下摩擦磨損性能研究

沈鵬飛，高誠輝,b，何福善,b

(福州大學(xué) a. 機(jī)械工程及自動化學(xué)院， b. 摩擦研究所，福建 福州 350002)

硫酸鈣晶須增強(qiáng)樹脂基制動材料在不同工況下摩擦磨損性能研究

沈鵬飛a，高誠輝a,b，何福善a,b

(福州大學(xué) a. 機(jī)械工程及自動化學(xué)院， b. 摩擦研究所，福建 福州 350002)

硫酸鈣晶須作為摩擦材料增強(qiáng)纖維具有諸多優(yōu)點(diǎn)，研究了硫酸鈣晶須增強(qiáng)的樹脂基摩擦片在干摩擦與水潤滑狀態(tài)下與淬火45鋼配副時，載荷與對偶件的轉(zhuǎn)速對試樣摩擦磨損性能的影響，并試分析其磨損機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干摩擦狀態(tài)下的摩擦因數(shù)與磨損率均顯著大于水潤滑狀態(tài)，并且在水潤滑時試樣的摩擦因數(shù)與磨損率隨著載荷與速度的升高而降低；對偶材料的磨損率在兩種工況下隨速度與載荷變化呈現(xiàn)出不同的趨勢。

汽車；制動材料；樹脂基；摩擦性能

0 引言

摩擦材料的性能對汽車制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，自從無石棉摩擦材料問世以來，尋求新型增強(qiáng)纖維一直是摩擦材料研究的重點(diǎn)[1]。主要的增強(qiáng)纖維包括金屬纖維、天然纖維、有機(jī)纖維、及無機(jī)纖維[2-4]。硫酸鈣晶須作為無機(jī)纖維的一種，具有耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、韌性好、強(qiáng)度高、與聚合物的親和能力強(qiáng)、毒性小等優(yōu)點(diǎn)，且價格低廉，是一種具有廣泛研究前景的材料[5-7]。Shoubing Chen[8]等人采用硫酸鈣晶須填充蓖麻油聚氨酯和環(huán)氧樹脂的交聯(lián)聚合物提高了其抗拉強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及阻尼特性。J. Y. Liu[9]等人研究了熔融混合法與共沉淀法制備硫酸鈣晶須填充聚已酸內(nèi)酯復(fù)合材料對其機(jī)械性能與生物相容性的影響。J. C. Wang[10]等用硫酸鈣晶須改性室溫硫化硅橡膠，提高了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延展性，并且使其在350 ℃～700 ℃具有良好的熱穩(wěn)定性。上述研究表明硫酸鈣晶須能有效改善復(fù)合材料的性能。

目前已有學(xué)者將硫酸鈣晶須用于提高汽車摩擦材料的性能[11]，制動材料的摩擦學(xué)性能與其使用工況有較大的關(guān)系，文中以具有較高摩擦因數(shù)以及較穩(wěn)定摩擦性能的酚醛樹脂為基體材料，硫酸鈣晶須為增強(qiáng)纖維，輔以一定成分的填料制成的摩擦材料為研究對象，與45鋼配成摩擦副，研究其在不同工況下的摩擦行為，探討該材料的摩擦性能與磨損機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

為了研究配副的摩擦學(xué)性能，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用濟(jì)南益華摩擦學(xué)測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MMS-2A微機(jī)控制磨損試驗(yàn)機(jī)，試樣及其尺寸見圖1。

實(shí)驗(yàn)配方使用課題組優(yōu)化配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：硫酸鈣晶須40%、樹脂20%、銅粉10%、長石粉15%、氧化鋁12%、石墨3%。試樣的制作使用Y32-63T熱壓成型機(jī)模壓成型，將制作好的試樣加工成7mm×7mm×30mm的長方體，試樣放置于卡槽中用螺釘固定，通過下配偶環(huán)的轉(zhuǎn)動形成摩擦副，實(shí)現(xiàn)相對滑動。配偶環(huán)的材料采用45鋼，表面高頻淬火硬度大于HRC40。實(shí)驗(yàn)工況為干摩擦、水潤滑兩種狀態(tài)；實(shí)驗(yàn)載荷為100N、150N、200N、250N；轉(zhuǎn)速分別為200r/min、400r/min。實(shí)驗(yàn)開始先進(jìn)行磨合，使得試樣與對偶件接觸面積達(dá)到80%以上，實(shí)驗(yàn)時間為40min。通過工業(yè)計(jì)算機(jī)測得實(shí)際過程中的摩擦力矩，并每隔10s計(jì)算一次摩擦因數(shù)，取其平均值。實(shí)驗(yàn)使用Philips-FEI XL30 ESEM-TP環(huán)境掃描電鏡觀察磨損后試樣的表面形貌，并用STIL型光學(xué)表面形貌儀測試表面磨損狀況。

2 摩擦磨損性能分析

2.1 干摩擦狀態(tài)下制動片的摩擦磨損性能

圖2為試樣在干摩擦狀態(tài)下，速度與載荷對試樣摩擦磨損性能的影響。

圖2 干摩擦狀態(tài)下載荷與速度對試樣摩擦磨損性能的影響

從圖2(a)可以看出，干摩擦狀態(tài)下無論是低速還是高速情況，摩擦因數(shù)均隨載荷增加而增加。在載荷由100N到150N時，摩擦因數(shù)均有顯著的增加，增長幅度都超過了15%，這與載荷增加初期的摩擦面實(shí)際接觸面積快速增大有關(guān)；隨著載荷繼續(xù)增大，摩擦因數(shù)的增長速率放緩，最終都維持在0.40左右，說明在載荷增大，摩擦溫升加劇致使基體材料軟化的情況下，硫酸鈣晶須提高了材料的熱衰退性能，使其具有較為穩(wěn)定的摩擦因數(shù)。

從圖2(b)可以看出，干摩擦狀態(tài)下的磨損率在低速與高速情況下均隨載荷增加而升高。從增長幅度來看，不同速度條件下都在1倍左右，但相同載荷不同轉(zhuǎn)速情況下的磨損率差距較小，可見該材料的磨損性能穩(wěn)定。

2.2 水潤滑狀態(tài)下制動片的摩擦磨損性能

圖3為試樣在水潤滑狀態(tài)下，速度與載荷對試樣摩擦磨損性能的影響。

圖3 水潤滑狀態(tài)下載荷與速度對試 樣摩擦磨損性能的影響

從圖3(a)可以看出，水潤滑狀態(tài)下，試樣在低速情況下摩擦因數(shù)隨載荷增高而降低，在高速情況時摩擦因數(shù)也呈現(xiàn)下降的趨勢。兩種速度下，輕載與重載的摩擦因數(shù)較為接近，分別為0.24左右和0.21左右。與干摩擦相比，由于流動水吸附在摩擦表面形成水膜，從而減少了表面微凸體的接觸，邊界潤滑效果增強(qiáng)，摩擦因數(shù)顯著下降。

從圖3(b)可以看出，與干摩擦狀態(tài)相反，水潤滑狀態(tài)下，試樣在低速與高速時的磨損率均隨載荷升高而降低。由于硫酸鈣晶須對基體的強(qiáng)化和流動水的導(dǎo)熱作用，摩擦溫升導(dǎo)致的基體材料軟化程度減少；并且轉(zhuǎn)速越快時，摩擦界面間的水膜承載能力越強(qiáng)，同時壓力的增大又促進(jìn)了水的展開與浸潤，這就解釋了為何高速時的磨損率較低速時更低。值得注意的是低速輕載狀態(tài)下水潤滑的磨損率略高于干摩擦狀態(tài)，這可能與水的滲透作用和水膜對基體間隙的擠壓促進(jìn)了纖維與基體的分離，從而加快磨損有關(guān)。

2.3 工況對對偶件磨損率的影響

圖4為不同工況下對偶件的磨損率。

圖4 不同工況下對偶件磨損率

從圖4(a)可以看出，對偶件在干摩擦狀態(tài)下的磨損率隨載荷與速度的增加呈現(xiàn)上升趨勢。由于淬火45號鋼的硬度較大，與摩擦材料接觸時大量產(chǎn)生摩擦熱，接觸表面高溫接觸點(diǎn)多，易出現(xiàn)咬合與粘著現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)速增高時，摩擦溫升加劇，從而使得磨損更為嚴(yán)重。從圖4(b)可以看出，對偶件在水潤滑狀態(tài)下的磨損率與干摩擦?xí)r相反，隨速度與載荷的增加而降低。這主要是在濕摩擦條件下，流動水的冷卻作用減小了樹脂的熱損，磨損主要來自材料本身的硬質(zhì)顆粒對對偶件的磨削；當(dāng)載荷升高時，摩擦熱增加加速了水分子在摩擦副表面擴(kuò)散，試樣表面由于水的滲入使得抗剪力減小，降低了對對偶件的磨損；當(dāng)速度升高時，在摩擦界面間形成的水膜更加連續(xù)，表面微凸體的接觸減少也降低了對對偶件的磨損。

3 試樣磨損表面形貌分析

從以上的分析可以得出，在有潤滑介質(zhì)的情況下，試樣的摩擦因數(shù)和磨損率的變化趨勢與干摩擦狀態(tài)下有所不同。總體來說摩擦因數(shù)顯著降低，磨損率隨載荷上升而降低，因此選擇上述參數(shù)數(shù)值相差最大的高速重載情況下的試樣進(jìn)行表面形貌與表面磨損狀態(tài)的分析。圖5為不同工況下試樣磨損表面的SEM照片。

圖5 不同工況下試樣的磨損表面 形貌(400 r/min 250 N)

從圖5(a)可以看出，干摩擦狀態(tài)下試樣表面磨痕較深，呈現(xiàn)明顯的因黏著后分離而造成的表面拉傷，也有部分溝狀劃痕，表面還殘留有高亮的硬質(zhì)顆粒；在重載荷情況下，壓力與摩擦熱增加，試樣表面脫落的顆粒會在表面產(chǎn)生順著滑動方向的劃痕。從圖5(b)可以看出，在水潤滑狀態(tài)下，表面損傷與劃痕明顯減少，摩擦表面光滑平整。由于水的流動性強(qiáng)，磨屑與脫落的顆粒能夠及時的被沖刷走，因此在材料的劃痕以及凹坑處沒有殘留的磨屑，而是不斷有新的材料露出來，一些晶須散落在表面而沒有像干摩擦?xí)r形成的大片摩擦膜。載荷的增大提高了水的吸附作用，減低了表面能，粘著磨損減少，從而導(dǎo)致磨損率較干摩擦?xí)r下降。

圖6為光學(xué)表面形貌儀測量的試樣磨損后的表面輪廓圖。

圖6 光學(xué)表面形貌儀測量的不同工況下的表面輪廓圖(400 r/min 250 N)

由白光干涉儀測得干摩擦狀態(tài)下試樣的摩損面輪廓最大深度達(dá)到0.2mm以上，水潤滑狀態(tài)下試樣的摩損面輪廓最大深度達(dá)到0.16mm以上。從圖6(a)可以看出，劃痕連續(xù)，排列均勻，表面分布著細(xì)小的凹坑，表明其磨損形式有粘著磨損和磨粒磨損。從圖6(b)可以看出，水潤滑狀態(tài)下磨損量小于干摩擦狀態(tài)，磨損表面更為均勻光滑，粗糙度小。摩擦表面所形成的水膜起到的潤滑與冷卻作用大大減少了粘著磨損的發(fā)生，磨屑的及時排出也減少劃痕的產(chǎn)生，因此相對于干摩擦狀態(tài)，磨損表面變得光滑連續(xù)。

4 結(jié)語

1) 干摩擦狀態(tài)下試樣的磨損率顯著大于水潤滑狀態(tài)。干摩擦?xí)r磨損率隨載荷與速度增大而增大；水潤滑時則相反。

2) 干摩擦狀態(tài)下試樣的摩擦因數(shù)隨著載荷與速度增加而增加，且能保持較高的摩擦因數(shù)，說明硫酸鈣晶須增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料在一定范圍內(nèi)具有良好的抗衰退性能；在水潤滑狀態(tài)下，摩擦因數(shù)會有大幅度的下降，受速度

的影響較小而受載荷的影響較大。因此，應(yīng)當(dāng)盡量避免摩擦片在有水及雨雪環(huán)境中的使用。

3) 干摩擦?xí)r對偶件的磨損主要受摩擦熱的影響，而水潤滑時對偶件的磨損主要來自于試樣中硬質(zhì)顆粒對于表面的磨削。

4) 在干摩擦狀態(tài)下試樣磨損表面有較深的劃痕與凹坑，磨損以磨粒磨損和粘著磨損為主。水潤滑狀態(tài)下水膜的形成減少了粘著磨損，試樣表面更為光滑。

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Research on Friction and Wear Properties of Resin-based Composites Filled withCalcium Sulfate Whisker in Different Conditions.

SHEN Pengfeia,GAO Chenghuia,b,HE Fushana,b

(a. College of Mechnical Engineering & Automation,b. Tribology Research Institute Fuzhou University, Fuzhou 350002,China)

The Calcium sulfate whisker has many advantages when it is used in friction material as reinforced fibers. This paper studies the friction and wear properties of the matrix friction plate which is reinforced by filling calcium sulfate whisker in different load and speed and compares. the sample against 45 quenched steel under the dry and wet conditions. The experiment result indicates that the friction coefficient and the wear rate of the samples in dry condition are obviously higher than the ones in wet condition. Meanwhile, they are decreased along with the rising of the load and speed, the wear rate of the counterpart appears to be different tendency with different working conditions when the speed and load are changed.

car; brake materials; resin matrix; wear property

國家自然科學(xué)基金(51075074)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014J01182)；教育部博士點(diǎn)基金(51175085)

沈鵬飛(1984-)，男，福建南平人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)及表面工程。

TH117.1

B

1671-5276(2015)05-0007-04

2014-03-06