Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)銅基粉末冶金制動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響

張學(xué)良，陳 躍，杜三明，張永振

(河南科技大學(xué) 河南省材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023)

Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)銅基粉末冶金制動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響

張學(xué)良，陳 躍，杜三明，張永振

(河南科技大學(xué) 河南省材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023)

為了提高制動(dòng)閘片的使用性能，采用粉末冶金技術(shù)制備Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比分別為2∶6、4∶4、6∶2 和 8∶0的銅基摩擦材料，測(cè)定其密度和硬度。用MM1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其摩擦磨損性能；用掃描電鏡觀察其表面的摩擦形貌，并分析其摩擦磨損機(jī)制。分析結(jié)果表明：隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制動(dòng)材料的孔隙率減小，布氏硬度增加。當(dāng)制動(dòng)初速度較低(2 303 r/min)時(shí)，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)減小，耐磨性能逐漸提高；當(dāng)制動(dòng)初速度較高(5 757 r/min)時(shí)，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)減小，耐磨性能先升高后降低。

銅基摩擦材料；孔隙率；粉末冶金；摩擦磨損

0 引言

銅基粉末冶金摩擦材料是以銅和銅合金為基體，添加適量摩擦組元和潤(rùn)滑組元，采用粉末冶金法制備的多元復(fù)合材料[1]。銅基粉末冶金摩擦材料具有良好的摩擦學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能，廣泛應(yīng)用于高鐵、汽車等制動(dòng)裝置中[2]?？赏ㄟ^調(diào)整和控制復(fù)合材料中各組元的形態(tài)、粒度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)來改善材料的摩擦磨損性能，最終得到綜合性能優(yōu)異的粉末冶金摩擦材料[3-4]。但目前在材料設(shè)計(jì)過程中，大多是研究單種成分的粒度或者質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)材料性能的影響[5-6]，而關(guān)于Al2O3和SiO2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)材料性能影響的研究較少。本文以含石墨的銅基粉末為基體，Al2O3和SiO2為摩擦組元，研究Al2O3和SiO2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和試樣制備

表1 試樣成分 %

試驗(yàn)材料：電解銅粉，粒度為200目，純度(銅質(zhì)量分?jǐn)?shù))≥99.7%；覆銅鐵粉200目；石墨80目，MoS2粒度為325目；Al2O3和SiO2的粒度為200目；鉻粉100目。試樣制備：根據(jù)課題組前期研究工作[7-8]，確定銅基粉末冶金摩擦材料的基礎(chǔ)成分，試樣成分如表1所示。選擇4種不同的Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比(見表1)，按照各種原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取粉末，經(jīng)手工混合后放入混料瓶中，混料時(shí)在混料瓶中加入球料比為1∶1的紫銅球，混料時(shí)間為8 h。將混合均勻的粉末放入模具中，利用MY-315型四柱液壓機(jī)在500 MPa的壓力下壓制。將壓制好的壓胚放入石墨模具中，在鐘罩爐上加壓燒結(jié)，保護(hù)氣體為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，加壓壓力為2～3 MPa，燒結(jié)溫度為930 ℃，保溫2 h之后隨爐冷卻。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 10421—2002《燒結(jié)金屬摩擦材料密度的測(cè)定》，采用液體懸浮法分別測(cè)試試樣的密度，試樣的理論密度ρ0按式(1)計(jì)算，孔隙率θ按式(2)計(jì)算。

(1)

其中：ρ0為試樣的理論密度，g/cm3；ρi(i=1，2，3，…)為各組分材料的理論密度，g/cm3；wi(i=1，2，3，…)為各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(2)

其中：θ為孔隙率，%；ρ0為試樣的理論密度，g/cm3；ρ為試樣的實(shí)際密度，g/cm3。

使用HB-3000B型布氏硬度計(jì)(壓頭直徑為5 mm，載荷為250 kg，保壓30 s)測(cè)定各試樣的布氏硬度。

在MM1000-Ⅱ型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試，配副摩擦盤材料為20Cr2Mo1VA。模擬列車的制動(dòng)過程，制動(dòng)壓力為0.8 MPa，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.500 4 kg·cm·s2，制動(dòng)初速度分別為2 303 r/min和5 757 r/min，對(duì)應(yīng)列車實(shí)際運(yùn)行速度分別為100 km/h和250 km/h。用精度為0.000 1 g的電子天平稱量試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量并計(jì)算單次磨損質(zhì)量。用掃描電鏡觀察材料磨損后的摩擦形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)銅基摩擦材料密度和孔隙率的影響

Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)材料密度和孔隙率的影響如表2所示。

表2 Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)材料密度和孔隙率的影響

由表2可以看出：由于Al2O3的密度比SiO2的大，因此隨著配比中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多，材料理論密度逐漸增加。制取摩擦材料試樣需要經(jīng)過混粉、壓制、燒結(jié)等工序，在壓制過程中粉末顆粒雖然發(fā)生塑性變形，但只是顆粒與顆粒的機(jī)械接觸，仍然存在較大的孔隙。但在燒結(jié)過程中，顆粒與顆粒之間通過晶界的融合，使得孔隙變小。因此，燒結(jié)前壓胚密度小于燒結(jié)后的密度。理論密度與實(shí)際密度之差隨著配比中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少而減小。

從表2可知：隨著配比中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，孔隙率逐漸減小。由于Al2O3的莫氏硬度為9，SiO2的莫氏硬度為7[9]，SiO2較脆，在壓力作用下容易斷裂破碎，導(dǎo)致孔隙堵塞，在燒結(jié)過程中不利于空氣的排出，從而影響燒結(jié)過程的致密化。因此，隨著配比中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，材料中破碎的顆粒減少，易碎顆粒對(duì)致密化的影響減小，材料的致密度逐漸增大，孔隙率逐漸減小。

2.2 Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)銅基摩擦材料布氏硬度的影響

Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)材料布氏硬度影響見表3。由表3可看出：隨著配比中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，銅基摩擦材料的布氏硬度逐漸增加。

表3 Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)材料布氏硬度的影響

文獻(xiàn)[10]報(bào)道的材料強(qiáng)度與孔隙率ξ和原始粉末粒度直徑D的關(guān)系式為：

σ=KD-αe-bε，

(3)

其中：K、α、b、e為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

由式(3)可知：當(dāng)粉末粒度直徑D一定時(shí)，材料的強(qiáng)度隨孔隙率的增大而減?。划?dāng)孔隙率一定時(shí)，材料強(qiáng)度隨粉末粒度直徑的增大而降低。結(jié)合表3可知：隨配比中的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，銅基摩擦材料的布氏硬度逐漸增加。文獻(xiàn)[11]研究表明：孔隙率對(duì)材料硬度的影響機(jī)理主要是減少了金屬鍵間的作用力，同時(shí)空隙作為應(yīng)力的集中區(qū)和微裂紋的產(chǎn)生源，在外力作用下，往往是材料破壞的直接因素。因此，對(duì)材料性能要求高的情況下，要控制好材料的孔隙率。

2.3 Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

表4為制動(dòng)初速度較低(2 303 r/min)時(shí)，不同Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的材料摩擦因數(shù)和摩損量。由表4可見：當(dāng)Al2O3和SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比從2∶6變?yōu)?∶0時(shí)，摩擦因數(shù)和磨損量逐漸變小。由表2可知：隨著配比中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，材料的孔隙率逐漸降低。孔隙率的降低使基體的強(qiáng)度提高，從而提高了基體對(duì)硬質(zhì)顆粒的束縛力，減少了在摩擦過程中進(jìn)入摩擦副之間參與摩擦的硬質(zhì)顆粒，使得摩擦因數(shù)和磨損量均降低。相反，當(dāng)SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，破裂的硬質(zhì)相在摩擦過程中容易脫落，增大摩擦材料和對(duì)偶材料之間的磨粒磨損，使得材料的磨損量增加。

表4 不同Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的材料摩擦因數(shù)和磨損量(2 303 r/min)

表5為制動(dòng)初速度較高(5 757 r/min)時(shí)，不同Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的材料摩擦因數(shù)和摩損量。由表5可知：隨著SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，摩擦因數(shù)逐漸變小。這是由于隨著孔隙率的降低，材料的散熱能力下降，使得表面溫度升高，致使基體軟化和氧化。一方面，使得摩擦阻力降低；另一方面，形成的第三體在高溫下潤(rùn)滑作用增強(qiáng)[12-13]，這都使得摩擦因數(shù)變小。由表2和表5可知：Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比由2∶6變?yōu)?∶2時(shí)，孔隙率逐漸降低，磨損量逐漸降低?？紫堵蚀髸r(shí)，導(dǎo)致材料基體強(qiáng)度不夠，使顆粒間的結(jié)合力較弱，耐磨性較低。隨著孔隙率的降低，材料的基體強(qiáng)度增加，耐磨性能也增加。由表2和表5還可知：Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比由6∶2變?yōu)?∶0，孔隙率繼續(xù)降低，硬度升高。過低的孔隙率，使得在高速摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量不能順利地散發(fā)出去，從而致使基體軟化，磨損量增大，耐磨性能降低。

表5 不同Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的材料摩擦因數(shù)和磨損量(5 757 r/min)

2.4 摩擦形貌分析

圖1為制動(dòng)初速度較低(2 303 r/min)時(shí)，不同Al2O3與SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的制動(dòng)材料摩擦表面形貌。從圖1中可以看出：隨著配比中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，摩擦表面的剝落坑數(shù)逐漸減少。結(jié)合表2可知：隨著配比中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，材料的孔隙率逐漸下降，耐磨性能提高。

分析認(rèn)為，一方面，由于孔隙率高時(shí)，石墨出現(xiàn)分層聚集現(xiàn)象[14-15]。分層聚集使得石墨在摩擦次表面平行擴(kuò)展，難以擠出摩擦表面，從而造成摩擦面潤(rùn)滑不足[16]，致使摩擦表面多項(xiàng)應(yīng)力增強(qiáng)，因此，摩擦表面無法形成穩(wěn)定的摩擦膜，造成摩擦面磨損嚴(yán)重。孔隙率的減少有效阻止了石墨分層聚集現(xiàn)象。被擠出的石墨在摩擦表面形成了強(qiáng)度較低的薄膜層，使得接觸區(qū)的裂紋萌生得到抑制[17]，從而有利于摩擦膜的形成，減小了磨損。另一方面，孔隙率的下降使材料的強(qiáng)度增加，提高了材料的耐磨性，從而降低了低速情況下摩擦表面脫落、損傷區(qū)域，摩擦膜逐漸變得連續(xù)。

圖1 不同Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的材料摩擦表面形貌(2 303 r/min)

圖2為制動(dòng)初速度較高(5 757 r/min)時(shí)，不同Al2O3與SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的材料摩擦表面形貌。結(jié)合圖2和表2可知：孔隙率較高時(shí)(見圖2a)，摩擦表面剝落坑較多；隨著孔隙率的降低，摩擦面逐漸平整(見圖2b和圖2c)；孔隙率為8.1%時(shí)，摩擦面出現(xiàn)犁削現(xiàn)象(見圖2d)。

圖2 不同Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比的材料摩擦表面形貌(5 757 r/min)

高速摩擦?xí)r，在摩擦表面逐漸形成一層由金屬氧化物及材料各組分組成的機(jī)械混合物的工作膜層[18]。這層氧化膜降低了微凸體的接觸面積，從而降低了摩擦因數(shù)。同時(shí)，這層氧化膜也起到了一定的潤(rùn)滑作用，從而降低了磨損量。在孔隙率較高的情況下，基體強(qiáng)度較低，形成的氧化膜在摩擦過程中容易脫落，使得磨損嚴(yán)重，從而無法形成連續(xù)的摩擦膜。但過低的孔隙率，在摩擦過程中不利于熱量傳出，致使摩擦面溫度迅速升高，從而使得基體軟化，因此，在摩擦過程中易被犁削和剝落，使得磨損量增加。

3 結(jié)論

(1)Al2O3和SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比由2∶6變?yōu)?∶4時(shí)，銅基粉末冶金制動(dòng)材料的致密化程度顯著增加；質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比由4∶4變?yōu)?∶0時(shí)，銅基粉末冶金制動(dòng)材料的致密化程度有所增加，但增幅變小。隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，銅基粉末冶金制動(dòng)材料的布氏硬度增加。

(2)當(dāng)制動(dòng)初速度較低(2 303 r/min)時(shí)，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，銅基粉末冶金制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)減小，耐磨性能逐漸提高；當(dāng)制動(dòng)初速度較高(5 757 r/min)時(shí)，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，銅基粉末冶金制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)減小，耐磨性能先升高后降低。

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國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1034002)；河南省重大科技攻關(guān)基金項(xiàng)目(122101210100)；河南省科技廳省院科技合作基金項(xiàng)目(112106000034)

張學(xué)良(1989-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士生；陳躍(1957-)，男，通信作者，湖北南漳人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椴牧媳砻鎻?qiáng)化技術(shù)、材料耐磨性能及材料高速摩擦學(xué)性能.

2016-12-21

1672-6871(2017)04-0001-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.001

TH117

A