碳材料摩擦性能淺談

王志剛

（哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

0 前言

穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性是高性能摩擦材料重要的性能指標。碳材料如何降低摩擦磨損、調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)，調(diào)節(jié)材料孔隙率等方面來保證材料摩擦系數(shù)、減少材料磨損值有重要作用。因此摸索碳材料摩擦性能十分必要。

試驗主要內(nèi)容

本文通過以下試驗，摸索碳材料以下3個方面內(nèi)容：

1 試驗轉(zhuǎn)速變化對碳材料摩擦系數(shù)的影響試驗

1.1 試驗機理

為了解不同試驗機轉(zhuǎn)速條件下，在MG-2000試驗機上分別進行了不同轉(zhuǎn)速的摩擦試驗。對磨件為：碳（試樣mm：Φ6×18）與40CR或5CR。

試驗條件：實驗?zāi)Σ粮睘楸P銷式試件，下試樣為試樣盤是40CR或5CR，上試樣為試樣是碳。潤滑劑為15#航空液壓油。試驗溫度為常溫，試驗時間五分鐘。

圖1 試驗?zāi)Σ两佑|如圖Fig.1 Test Friction Contact

從圖1中可以看出，碳與對磨件為面接觸。當有潤滑摩擦時，其潤滑的目的在摩擦表面之間形成具有法向承載能力而切向剪切強度低的潤滑膜，用它來減少摩擦阻力和降低材料磨損，使摩擦性能良好。潤滑膜可以是液體膜或氣體組成的液體膜或固體膜[1]。我們選用的是液體膜為15#航空液壓油。

1.2 根據(jù)潤滑膜的形成原理和特征，潤滑狀態(tài)可以分為

(1)流體動壓潤滑; (2)流體靜壓潤滑; (3)彈性流體動壓潤滑(簡稱彈流潤滑) ; (4)薄膜潤滑; (5)邊界潤滑; (6)干摩擦狀態(tài)等 6 種基本狀態(tài)[2]。

1.3 試驗步驟

1試驗前用超聲波清洗機對試樣盤進行清洗（丙酮）15分鐘，將清洗后的試樣放入恒溫干燥箱進行干燥，干燥溫度60℃，時間30分鐘。2安裝試樣銷與試樣盤，設(shè)置轉(zhuǎn)速及載荷。3在軟件界面設(shè)置采樣頻率2（即每秒采樣二次），點擊運行，開始試驗。

試驗一對磨件為5Cr相應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 碳與5Cr試驗壓力與摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)Table 1 Data of Pressure and Friction Coefficient for Carbon and 5Cr Tests

并將其轉(zhuǎn)化成曲線圖如圖2、圖3所示：

圖2 碳與5Cr試驗壓力與摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)圖Fig.2 Data Diagram of Pressure and Friction Coefficient for Carbon and 5Cr Tests

試驗中，碳與5CR對磨在MG-2000上試驗：

㈠壓力21 MPa時，此碳材料隨著轉(zhuǎn)速由30增大到70，摩擦系數(shù)增大；而另外兩個壓力，變化不規(guī)律。

圖3 碳與5Cr試驗轉(zhuǎn)速與摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)圖Fig.3 Data Diagram of Rotational Speed and Friction Coefficient of Carbon and 5Cr Tests

㈡當30 r/min和54 r/min轉(zhuǎn)速時，碳材料隨壓力減小，摩擦系數(shù)增大；而另外三個轉(zhuǎn)速變化無趨勢。

試驗二對磨件40cr相應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 碳與40Cr試驗壓力與摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 Pressure and Friction Coefficient Data of Carbon and 40Cr Tests

并將其轉(zhuǎn)化成曲線如下圖：

圖4 碳與40Cr試驗壓力與摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)圖Fig.4 Data Diagram of Pressure and Friction Coefficient for Carbon and 40Cr Tests

圖5 碳與40Cr試驗轉(zhuǎn)速與摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)圖Fig.5 Data Diagram of Speed and Friction Coefficient of Carbon and 40Cr Test

試驗中，碳與40CR對磨在MG-2000上試驗：

①壓力21 MPa時，碳材料隨著轉(zhuǎn)速由30增大到70，摩擦系數(shù)增大；而另外兩個壓力，變化不規(guī)律。。

②當30 r/min和36r/min低轉(zhuǎn)速時，碳材料隨壓力減小，摩擦系數(shù)增大；而另外三個轉(zhuǎn)速變化無趨勢。

結(jié)論：由此可得，碳材料在MG-2000試驗機試驗，在有航空15#機油做潤滑時，碳與5Cr或40Cr進行對磨時，可歸納如下：一壓力一定時，碳材料在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增大，摩擦系數(shù)增大。二當轉(zhuǎn)速較低時，碳材料隨壓力減小，摩擦系數(shù)增大。

上述規(guī)律驗證了，在摩擦學系統(tǒng)中摩擦系數(shù)最初隨速度的增大而減小，到高速時隨速度的增大而增大。即摩擦系數(shù)最初隨轉(zhuǎn)速的增大而增大而減小，當轉(zhuǎn)速在一定時，摩擦系數(shù)最小，但當轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時，摩擦系數(shù)增大。也證明了，當轉(zhuǎn)速一定時，在摩擦學系統(tǒng)中壓力較小時，摩擦系數(shù)增大，當壓力較大時，摩擦系數(shù)也增大。

2 試驗機定轉(zhuǎn)速下，變化壓力時對碳材料動靜摩擦系數(shù)的影響試驗

在MM-200試驗機上，了解定轉(zhuǎn)速條件下，壓力變化對碳材料摩擦系數(shù)影響。試驗設(shè)備：MM-200試驗機，對磨件為：碳（試樣mm：6×7×30）與40CR和5CR。

2.1 試驗條件

實驗?zāi)Σ粮睘楸P銷式試件，下試樣為試樣碳，上試樣為試樣盤40CR和5CR。潤滑劑為15#航空液壓油。試驗溫度為常溫，試驗時間五分鐘。

圖6 碳與對磨件為點線接觸。Fig.6 Carbon is in point-line contact with abrasive parts.

從圖6中可以看出，碳與對磨件為點線接觸。特點：當有潤滑摩擦時，當試驗壓力增大是，二者的接觸是由點線接觸變?yōu)榍娼佑|。

2.2 試驗步驟

1)試驗前用15#航空油浸漬標準件。2)安裝試樣銷與試樣盤，設(shè)置轉(zhuǎn)速及載荷。3)調(diào)節(jié)試驗載荷，啟動試驗機的主電源，開始試驗。試驗線速度為0.42m/s。

動摩擦試驗：試驗一對應(yīng)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 5cr與碳摩擦系數(shù)與壓力試驗數(shù)據(jù)Table 3 Friction Coefficient and Pressure Test Data of 5cr and Carbon

圖6 5cr與碳摩擦系數(shù)與壓力關(guān)系Fig.6 5cr and the Relationship Between Carbon Friction Coefficient and Pressure

5cr與碳分析：當轉(zhuǎn)速一定，動摩擦系數(shù)隨壓力增大，摩擦系數(shù)在一個0.07-0.05狹小區(qū)域波動。 試樣1號與2號隨著壓力減小，動摩擦系數(shù)減小。試樣1號與2號動摩擦系數(shù)相當。

試驗二對應(yīng)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 40cr與碳摩擦系數(shù)與壓力試驗數(shù)據(jù)Table 4 Friction Coefficient and Pressure Test Data of 40Cr and Carbon

圖7 40cr與碳摩擦系數(shù)與壓力關(guān)系Fig.7 40 Cr vs.Carbon Friction Coefficient VS.Pressure

40cr與碳分析：當轉(zhuǎn)速一定，動摩擦系數(shù)隨壓力增大，摩擦系數(shù)在一個0.09-0.05狹小區(qū)域波動。試樣1動摩擦系數(shù)隨著壓力減小，而摩擦系數(shù)減小。試樣1號與2號在與40CR和5CR對磨時，動摩擦系數(shù)變化不大。

靜摩擦試驗：試驗一5cr與碳同動摩擦同一設(shè)備，只是用手盤進行試驗，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 5cr與碳靜摩擦試驗數(shù)據(jù)Table 5 5cr and carbon static friction test data

5cr與碳分析：一靜摩擦系數(shù)隨壓力增大，靜摩擦系數(shù)減小。并且變化區(qū)域較大。

二試樣1號比2號動靜摩擦系數(shù)，當壓力較小時，2號比1號大，當壓力增大時，2號和1號相當。

試驗二40cr與碳對應(yīng)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 40cr與碳靜摩擦試驗數(shù)據(jù)Table 6 40 Cr and Carbon Static Friction Test Data

40cr與碳分析：一靜摩擦系數(shù)隨壓力增大，靜摩擦系數(shù)減小。并且變化區(qū)域較大。

二試樣1號比2號動靜摩擦系數(shù)，當壓力小時，相差較大；當壓力增大時基本相當。

試驗結(jié)論：綜合表三和表五、表四和表六可看出：一靜摩擦系數(shù)隨壓力增大，靜摩擦系數(shù)減小。并且變化區(qū)域較大。動摩擦系數(shù)隨壓力增大，也有減小趨勢，但變化區(qū)域較小。二試樣1號是比2號動靜摩擦系數(shù)，當壓力小時，相差較大；當壓力增大時基本相當。三靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)。

可以看出，在較小的試驗壓力下，碳材料的摩擦系數(shù)較高，當試驗壓力增大時，碳材料摩擦系數(shù)略有下降，但在每一個特定壓力下摩擦系數(shù)波動不大。

3 變化壓力時對碳材料磨損值的影響試驗

磨損是零件損壞或機器和設(shè)備失效的主要原因之一，因此了解材料磨損也很重要的。設(shè)備為MM-200磨損試驗。溫度是常溫。

3.1 碳的磨損試驗步驟：

1)試驗前用航空油浸漬標準件。2)安裝試樣銷與試樣盤，設(shè)置轉(zhuǎn)速及載荷。3)調(diào)節(jié)試驗載荷，試驗機的主電源，開始試驗。試驗線速度為0.42m/s。4)先通電運行一小時，測試試樣高度，再裝機該試樣運行二小時后，測試試樣高度，測試的磨損結(jié)果如下表七。

表7 5cr或40cr與碳磨損試驗數(shù)據(jù)Table 7 Data of 5cr or 40Cr and Carbon Wear Test

3.2 磨損試驗結(jié)論

從表上數(shù)據(jù)可看出：①碳在40cr中的磨損值比在5cr的磨損值小。②在40cr對磨中磨損值1號比2號磨損小，在5cr對磨則1號比2號磨損大。③不論在40cr和5cr對磨過程中，壓力大，碳材料的磨損值也增大。

4 上述試驗結(jié)論

經(jīng)過上述試驗，可得出以下結(jié)論：

4.1 轉(zhuǎn)速一定試驗

一摩擦系數(shù)隨壓力增大，摩擦系數(shù)在一個0.07-0.05狹小區(qū)域波動。

二試樣1號比2號動摩擦系數(shù)大。試樣1號與2號在與40CR和5CR對磨時，動摩擦系數(shù)變化不大。

4.2 壓力一定試驗

一壓力一定時，碳材料隨著轉(zhuǎn)速增大，摩擦系數(shù)增大。

二當轉(zhuǎn)速較低時，碳材料隨壓力減小，摩擦系數(shù)增大。

4.3 壓力變化下動靜摩擦系數(shù)的影響

隨壓力增大，靜摩擦系數(shù)減小，并且變化區(qū)域較大；動摩擦系數(shù)隨壓力增大，動摩擦系數(shù)減小，并且變化區(qū)域較小。

試樣1號和2號動靜摩擦系數(shù)，當壓力小時，相差較大。

靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)。

4.4 壓力大小對碳材料摩擦磨損的影響

① 碳在40cr中的磨損值比在5cr的磨損值小。

② 不論在碳與40cr或5cr對磨過程中，壓力大，碳材料的磨損值也大。