混雜纖維增強(qiáng)摩擦材料摩擦磨損性能研究*

王振玉，王春利，劉景平，王利寧

摩擦材料是一種多元復(fù)合材料[1]，主要以樹脂黏結(jié)劑、纖維增強(qiáng)材料、功能性填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑為基本組成[2]，已經(jīng)被廣泛用于各種機(jī)車車輛、機(jī)電設(shè)備中的制動(dòng)器、離合器以及摩擦傳動(dòng)裝置中，其摩擦特性影響制動(dòng)和傳動(dòng)過程中的平穩(wěn)性能及安全性能。

增強(qiáng)材料[3]是構(gòu)成摩擦材料的主要基材，它能給摩擦制品提供足夠的強(qiáng)度。增強(qiáng)纖維[4]能使摩擦材料在承受一定沖擊、剪切、拉伸等機(jī)械作用下不至于出現(xiàn)裂紋、斷裂等機(jī)械損傷，使摩擦材料具有一定的強(qiáng)度和韌性。鋼纖維具有高韌性、強(qiáng)耐磨性、卓越的導(dǎo)熱性和耐熱性等優(yōu)良的力學(xué)性能，Kevlar纖維的軸向拉伸模量較高，但橫向強(qiáng)度較低[5]。

芳綸纖維和鋼纖維作為纖維增強(qiáng)材料被廣泛使用在半金屬摩擦材料中，馬保吉等[6]研究了芳綸纖維增強(qiáng)摩擦材料在模擬制動(dòng)工況下的摩擦學(xué)特性。王發(fā)輝等[7]研究表明，鋼纖維和莫來石陶瓷混雜纖維增強(qiáng)的陶瓷基摩擦材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的摩擦穩(wěn)定性和耐磨性能。劉震云等[8]研究了鋼纖維、芳綸纖維、銅纖維、硅灰石等混雜纖維增強(qiáng)材料對(duì)摩擦材料的摩擦磨損性能及硬度、沖擊韌度和三點(diǎn)彎曲性能的影響，多種纖維具有很好的混雜效應(yīng)，鋼纖維帶正電，芳綸纖維帶負(fù)電，兩者能夠在摩擦材料中產(chǎn)生“協(xié)同效應(yīng)”。

在前人實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，本文采用鋼纖維和芳綸纖維混雜增強(qiáng)的形式，選定配比(質(zhì)量比，下同)為5∶1和4∶1制備試樣，研究混雜纖維對(duì)摩擦材料摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

丁腈改性酚醛樹脂：濟(jì)南圣泉海沃斯化工有限公司；鋼纖維：常州宏泰摩擦材料有限公司；芳綸纖維：美國杜邦公司(中國集團(tuán)分公司)；紙基纖維、還原鐵粉：北京金科復(fù)合材料有限公司；石墨195、鉻鐵礦粉、氧化鎂：湖北省棗陽市盛泰化工建材有限公司；石油焦粉4705：常州特密高石墨有限公司；硫化銅：上海太知碳素有限公司；重晶石：黃石市鑫溢礦產(chǎn)有限公司；硅灰石：遼寧雕兵山孤山子有限公司；蛭石：河北省靈壽縣龍騰礦產(chǎn)品有限公司；摩擦粉6060：青島中孚行貿(mào)易有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

兩種增強(qiáng)纖維配比實(shí)驗(yàn)在吉林大學(xué)機(jī)電設(shè)備研究所生產(chǎn)的摩擦材料專用測(cè)試設(shè)備JF151型定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)[9]上進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。

圖1 JF151型定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)

1.3 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)GB/T 5763—98、GB/T 5764—98標(biāo)準(zhǔn)，以磨損率作為本次實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)指標(biāo)，其計(jì)算如式(1)所示。

v=A(d1-d2)/(2πR·N·fm)

(1)

式中：v為磨損率，cm3/(N·m)；R為試片中心與圓盤旋轉(zhuǎn)軸中心的距離，cm；N為實(shí)驗(yàn)時(shí)圓盤的總轉(zhuǎn)數(shù)；A為試片摩擦面的總面積，cm2；d1為實(shí)驗(yàn)前試片的平均厚度，cm；d2為實(shí)驗(yàn)后試片的平均厚度，cm；fm為實(shí)驗(yàn)時(shí)總平均摩擦力，N。

以衰退率為本次實(shí)驗(yàn)的另一項(xiàng)指標(biāo)，其衰退率是以100 ℃的平均摩擦系數(shù)為基準(zhǔn)和350 ℃的平均摩擦系數(shù)進(jìn)行比較[10]，如式(2)所示。

F=[(μF100 ℃-μF350 ℃)/μF100 ℃]×100%

(2)

式中：F為衰退率；μF100 ℃為100 ℃的平均摩擦系數(shù)；μF350 ℃為350 ℃的平均摩擦系數(shù)。

1.4 試樣的制備

1.4.1 配方設(shè)計(jì)

依據(jù)各原材料的摩擦性能，設(shè)計(jì)了兩個(gè)配方，如表1所示。兩個(gè)配方選取的原料相同，但增強(qiáng)纖維的配比不同，主要的增強(qiáng)纖維是鋼纖維和芳綸纖維，配方1中鋼纖維和芳綸纖維配比為5∶1，配方2中鋼纖維和芳綸纖維配比為4∶1。按照此配比通過電子天平量取相應(yīng)質(zhì)量的原料，將總質(zhì)量為2 000 g的原料分別投入到犁耙式混料機(jī)中，每種配方的原料均分3次混料，每次混合時(shí)間為50 s，每次間隔20 s。

表1 摩擦材料配方

1.4.2 試樣制備

將混合均勻的原料分別稱取120 g，加入到兩個(gè)熱壓模具的模腔內(nèi)，設(shè)定壓機(jī)的熱壓壓力為20 MPa，熱壓溫度為155 ℃，總的熱壓時(shí)間為300 s，排氣時(shí)間為30 s，分5次排氣，采用摩擦材料一次裝料熱壓成型的定比壓熱壓法[11]，制備試樣尺寸為55 mm×55 mm×8 mm，選取每個(gè)試樣中心位置，通過試樣專用切割機(jī)切成25 mm×25 mm×8 mm的試樣，將上下表層磨削1 mm，最后制成25 mm×25 mm×6 mm的試樣，用以進(jìn)行摩擦磨損性能研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損評(píng)價(jià)結(jié)果

考察芳綸纖維和鋼纖維在不同配比下的摩擦材料試樣的性能。以衰退率[12]和磨損率作為主要實(shí)驗(yàn)指標(biāo),測(cè)得的兩個(gè)摩擦材料配方的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 兩個(gè)配方的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過表2測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到配方1和配方2的摩擦系數(shù)-溫度變化曲線，如圖2所示。由圖2可以很清晰地看出，配方2的摩擦系數(shù)在100 ℃、150 ℃、200 ℃、300 ℃和350 ℃下均高于配方1，磨損率和350 ℃衰退率略高一點(diǎn)，這主要是由于摩擦材料中鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～15%范圍內(nèi)，隨著鋼纖維含量增加，其與摩擦對(duì)偶的附著力增大，摩擦系數(shù)也隨之增大，其磨損率也增加。其原因是鋼纖維與摩擦對(duì)偶件材質(zhì)相同，其含量增大，在摩擦過程中容易形成更多的黏著點(diǎn)，從而使得摩擦系數(shù)提高，穩(wěn)定性增大，磨損也隨之增加；芳綸纖維由于其自身結(jié)構(gòu)特性，能在摩擦襯片與金屬對(duì)偶的摩擦結(jié)合面上形成均勻連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，當(dāng)轉(zhuǎn)移膜面積達(dá)到一定的飽和值時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定值。芳綸纖維使摩擦系數(shù)更穩(wěn)定，由于轉(zhuǎn)移膜的存在，更能降低磨損率，鋼纖維和芳綸纖維在一定的配比下，各自發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)定摩擦磨損性能，當(dāng)鋼纖維和芳綸纖維配比為4∶1時(shí)，高溫摩擦系數(shù)更穩(wěn)定，將減少熱衰退。

溫度/℃圖2 配方1、配方2試樣的摩擦系數(shù)曲線

2.2 試樣在各溫度點(diǎn)的摩擦系數(shù)對(duì)比分析

采用線性形式(Y=Ax+B)對(duì)兩個(gè)配方在各溫度點(diǎn)摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，配方1和配方2的擬合系數(shù)A、B及擬合判定系數(shù)R2分別見表3和表4。

表3 配方1在不同溫度點(diǎn)下摩擦系數(shù)的線性擬合系數(shù)

表4 配方2在不同溫度點(diǎn)下摩擦系數(shù)的線性擬合系數(shù)

圖3和圖4分別為在不同溫度下摩擦系數(shù)的分布(每個(gè)溫度點(diǎn)下分成5個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段隨機(jī)選取5個(gè)摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)，將選取的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)按時(shí)間順序分別編號(hào)為1～5)。

不同溫度點(diǎn)取樣編號(hào)圖3 配方1在各溫度點(diǎn)的摩擦系數(shù)分布

不同溫度點(diǎn)取樣編號(hào)圖4 配方2在各溫度點(diǎn)的摩擦系數(shù)分布

由表3、表4可知，在150 ℃溫度點(diǎn)下，配方1和配方2的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性最好，摩擦系數(shù)波動(dòng)最小，該溫度點(diǎn)的散點(diǎn)線性回歸曲線的斜率分別是0.002 5和0.002 3，配方2的斜率更小，其摩擦系數(shù)穩(wěn)定性要比配方1更好。在350 ℃溫度點(diǎn)下，配方1和配方2的摩擦系數(shù)隨著溫度的持續(xù)、拖磨時(shí)間的延長，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，衰退較明顯，該溫度點(diǎn)的散點(diǎn)線性回歸曲線的斜率的絕對(duì)值分別是0.008 7和0.008 4，配方2的斜率較小，表明配方2在350 ℃的衰退過程中，其摩擦系數(shù)穩(wěn)定性要比配方1更好。

3 結(jié) 論

(1) 隨著鋼纖維含量增加，其與摩擦對(duì)偶的附著力增大，摩擦系數(shù)也隨之增大，其磨損率也增加。芳綸纖維在摩擦結(jié)合面上容易形成均勻連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性更好，磨損率更低，鋼纖維和芳綸纖維配比為4∶1時(shí)，高溫摩擦系數(shù)更穩(wěn)定。

(2) 通過各溫度點(diǎn)的摩擦系數(shù)散點(diǎn)圖的線性回歸曲線斜率比較評(píng)價(jià)得知，在150 ℃溫度點(diǎn)下，兩種配方的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性最好，在350 ℃的衰退過程中，鋼纖維和芳綸纖維配比為4∶1時(shí)摩擦系數(shù)穩(wěn)定性更好。

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