一種新型摩擦材料在水潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能研究

周子涵，何福善，鄭開魁，高誠(chéng)輝，林有希，江威

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

摩擦材料廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸設(shè)備和工業(yè)設(shè)備的制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有較好的安全性、智能性、環(huán)保性以及機(jī)械設(shè)備的操作舒適性[1]。為達(dá)到以上要求，摩擦材料應(yīng)具有適當(dāng)大小且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、良好的導(dǎo)熱性、耐熱性和耐磨性。在特殊工況下工作時(shí)，摩擦材料應(yīng)對(duì)水、油或制動(dòng)液的吸收性差[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年發(fā)生的交通事故有三成是因剎車失靈造成的。雨雪天氣導(dǎo)致剎車片濕滑，高速公路連續(xù)長(zhǎng)下坡、大車重載超載等導(dǎo)致剎車片過(guò)熱，都是導(dǎo)致剎車失靈的主要原因。因此有必要研究水潤(rùn)滑狀態(tài)下載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦材料的摩擦學(xué)性能影響。葛毅成等[3]研究了不同載荷下干摩擦和水潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)C/C復(fù)合材料摩擦磨損特性的影響。E1-Tayeb等[4-5]研究了不同載荷下水噴霧對(duì)剎車片材料的摩擦磨損性能影響。賈均紅等[6]研究了不同載荷下碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料在水潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)行為。韓曉明等[7]通過(guò)濕潤(rùn)滑模擬雨雪天氣，研究了不同速度下水分對(duì)銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。BLAU等[8]對(duì)速度對(duì)商業(yè)卡車盤式制動(dòng)摩擦材料的性能影響作了實(shí)驗(yàn)性研究。這些研究都表明轉(zhuǎn)速、載荷、干摩擦或是水潤(rùn)滑都對(duì)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能有影響。

稀土化合物作為高溫潤(rùn)滑劑、抗磨涂層添加劑添加到材料中，能夠很好地改善高溫摩擦磨損性能。課題組前期研究了稀土溶液改性竹纖維對(duì)制動(dòng)材料力學(xué)與摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)稀土溶液的改性提高了竹纖維與樹脂基體的界面黏結(jié)性和竹纖維的耐熱性能，從而改善竹纖維增強(qiáng)材料的硬度、沖擊強(qiáng)度、高溫摩擦系數(shù)及其穩(wěn)定性[9]；還研究了稀土化合物改性樹脂基體對(duì)制動(dòng)材料摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)稀土化合物的加入提高了制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)，減小制動(dòng)材料對(duì)載荷和轉(zhuǎn)速的敏感性，起到了穩(wěn)定摩擦因數(shù)的作用；稀土的加入還使樹脂與其他填料更牢固地黏合在一起，使材料黏著磨損得到有效抑制，改善了材料表面的磨損狀況[10]。在此基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)采用模擬實(shí)驗(yàn)方法研究水潤(rùn)滑條件下制動(dòng)載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)稀土改性摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)比了干摩擦條件下材料的摩擦磨損行為，并分析其機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)選擇制動(dòng)摩擦材料配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：14%的稀土氧化物、18%的改性樹脂、14%的增強(qiáng)纖維、54%的摩擦性能調(diào)節(jié)劑。將稱重后的復(fù)合材料倒入JF810S 型混料機(jī)中充分?jǐn)嚢杈鶆?。利用Y32-63四柱液壓機(jī)進(jìn)行熱壓成型，熱壓成型溫度為160℃～200℃，壓力為8MPa～10MPa，保壓5min～10min。在JF980S型熱處理箱內(nèi)進(jìn)行熱處理，在30min內(nèi)升溫至100℃～200℃，保溫12h后隨爐冷卻。采用MMS-2A微機(jī)控制摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行環(huán)塊式摩擦性能測(cè)試。試樣尺寸為6mm×7mm×30mm的長(zhǎng)方體，對(duì)偶件為材質(zhì)HT250的圓環(huán)，實(shí)驗(yàn)條件：滑動(dòng)速度為300r/min～500r/min，載荷為200N～400N。實(shí)驗(yàn)開始前先磨合5min，再進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為100min。以每分鐘60～70滴的速度滴注蒸餾水到對(duì)偶環(huán)上實(shí)現(xiàn)水潤(rùn)滑?；瑒?dòng)接觸摩擦副的示意圖如圖1所示。

圖1 滑動(dòng)接觸摩擦副的示意圖

具體磨損率計(jì)算參考文獻(xiàn)[11] ，對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行了3次重復(fù)測(cè)試以盡量減少誤差。本實(shí)驗(yàn)采用Phenom Pro臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀察試樣表面磨損形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 水潤(rùn)滑條件下載荷與轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦學(xué)性能影響

分別以載荷和轉(zhuǎn)速作為單因素實(shí)驗(yàn)變量，實(shí)驗(yàn)得出水潤(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化如圖2所示。

圖2 水潤(rùn)滑狀態(tài)下載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響

由圖2(a)可以看出，隨著載荷增大，摩擦系數(shù)普遍呈下降的趨勢(shì)。載荷在200N～300N時(shí)，隨著載荷的增加摩擦系數(shù)有明顯下降。載荷在300N～400N時(shí)，轉(zhuǎn)速為400r/min和350r/min的試樣摩擦系數(shù)上下波動(dòng)，轉(zhuǎn)速為300r/min、450r/min、500r/min的試樣摩擦系數(shù)降低趨勢(shì)減緩。這是因?yàn)檩d荷增大導(dǎo)致溫度升高使材料產(chǎn)生了熱衰退。由圖2(b)可以看出，水潤(rùn)滑條件下，載荷為200N、250N、350N時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)沒有明顯的影響。載荷為300N和400N時(shí)，摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大上下波動(dòng)。

分別以載荷和轉(zhuǎn)速作為單因素實(shí)驗(yàn)變量實(shí)驗(yàn)得出水潤(rùn)滑條件下磨損率隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化如圖3所示。

圖3 水潤(rùn)滑狀態(tài)下載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)磨損率的影響

由圖3(a)可以看出，試樣磨損率隨著載荷的增大整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，尤其在載荷200N～300N之間，試樣磨損率波動(dòng)較大。載荷為300N～400N，試樣磨損率波動(dòng)無(wú)明顯規(guī)律，波動(dòng)幅度較小。由圖3(b)可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增大，磨損率整體呈下降的趨勢(shì)。載荷為200N、250N、300N的試樣磨損率波動(dòng)幅度較大，載荷為350N和400N的試樣隨著轉(zhuǎn)速增大，磨損率波動(dòng)較小。

2.2 磨損機(jī)制分析

選取200N+300r/min、400N+300r/min和200N+500r/min 3組試樣對(duì)比不同載荷與轉(zhuǎn)速下水潤(rùn)滑條件時(shí)摩擦磨損行為，其磨損表面形貌SEM如圖4所示。上方為200倍表面形貌圖，下方為2000倍背散射圖。

圖4 水潤(rùn)滑條件下不同載荷，不同轉(zhuǎn)速磨損試驗(yàn)后的試樣SEM圖

由圖4(a)可以看出，載荷低時(shí)表面犁削磨損程度低，這主要是因?yàn)樵嚇幽Σ帘砻媾c對(duì)偶環(huán)真實(shí)接觸面積少。由圖4(b)可以看出，載荷增加至400N時(shí)犁溝的深度和密度增加，這主要因?yàn)樵嚇优c對(duì)偶環(huán)接觸面積增加，加劇了犁削磨損和磨粒磨損。對(duì)比圖4(d)、圖4(e)可以看出高載荷下出現(xiàn)了明顯的黏著剝落。剝落的磨屑在摩擦表面形成膜，減少試樣與水和對(duì)偶環(huán)的接觸面積，所以水在對(duì)磨過(guò)程中對(duì)試樣表面裂紋的擠壓減少，降低了疲勞剝落導(dǎo)致摩擦系數(shù)磨損率下降。

由圖4(a)、圖4(c)分析比較可以看出，低載荷下轉(zhuǎn)速提高，使得表面更為光滑，犁溝減少深度變淺。雖然轉(zhuǎn)速使表面溫度升高，但是水有降溫的作用，并且由于轉(zhuǎn)速的提高，水在試樣表面與對(duì)偶環(huán)之間形成了更穩(wěn)定的水膜[12]造成邊界潤(rùn)滑，故摩擦系數(shù)磨損率降低。由圖4(d)、圖4(f)可以看出，高轉(zhuǎn)速下試樣表面裂紋減少，磨粒磨損和疲勞剝落都減輕了。

2.3 材料在水潤(rùn)滑和干摩擦條件下摩擦性能測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)

取載荷400N轉(zhuǎn)速300r/min干摩擦和水潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步分析水潤(rùn)滑條件下摩擦學(xué)行為特點(diǎn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，試樣在水潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)為0.399，低于干摩擦狀態(tài)下0.51，這是因?yàn)樵嚇颖砻嫘纬闪怂?，起到了邊界?rùn)滑的作用[13]。水潤(rùn)滑狀態(tài)下試樣的磨損率為1.00×10-5(mm3·N-1·m-1)，也明顯低于干摩擦下2.91×10-5(mm3·N-1·m-1)，這是因?yàn)樗梢云鸬綕?rùn)滑和冷卻的作用，降低試樣表面溫度，減輕試樣表面因高溫引起的塑性變形和剝落[14-15]。

表1 干摩擦和水潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)和磨損率(400N,300r/min)

圖5所示為試樣在400N載荷和300r/min轉(zhuǎn)速下在干摩擦和水潤(rùn)滑條件下磨損后的SEM圖。上方為200倍表面形貌圖，下方為2000倍背散射圖。

圖5 相同工況條件(400N，300r/min)干摩擦和水潤(rùn)滑的SEM圖

由圖5(a)、圖5(b)對(duì)比分析可以看出，干摩擦條件下試樣表面較為平滑，僅有輕微的犁溝形成。水潤(rùn)滑條件下的試樣劃痕密度較大，犁溝較深，犁削作用明顯。但表面較為平整，凹坑較少。無(wú)論干摩擦還是水潤(rùn)滑條件下表面都較為平整，結(jié)合課題組前期研究可以認(rèn)為經(jīng)稀土化合物改性過(guò)的竹纖維和樹脂基體在干摩擦和水潤(rùn)滑條件下都有較好的界面結(jié)合性。由圖5(c)可以看出，干摩擦條件下的試樣表面粗糙，出現(xiàn)了局部的磨料剝落，并且剝落的顆粒被擠壓形成塑性流動(dòng)與對(duì)偶環(huán)表面轉(zhuǎn)移形成轉(zhuǎn)移膜，產(chǎn)生了黏著磨損，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較高且試樣磨損率較大。由圖5(d)可以看出水潤(rùn)滑條件下試樣表面平整，但可能受水的沖刷出現(xiàn)了龜裂。由于水帶走了一部分顆粒，所以表面磨粒較少，塑性流動(dòng)減輕，因此摩擦系數(shù)相對(duì)較低。試樣的磨損率降低一方面是由于水滲入表面的龜裂或空洞內(nèi)，以其靜壓作用破壞了表面膜，阻斷了轉(zhuǎn)移膜的形成；另外一方面，水的冷卻作用也減小了試樣因摩擦熱產(chǎn)生的塑性流動(dòng)和黏著以及水膜形成邊界潤(rùn)滑阻斷了轉(zhuǎn)移膜的形成。結(jié)合圖5(c)、圖5(d)可以看出，稀土改性試樣磨損表面雖然出現(xiàn)了黏著剝落，但面積都較小，即使水潤(rùn)滑條件下出現(xiàn)了裂紋但也并未導(dǎo)致基體過(guò)多的剝落，可以推測(cè)在水潤(rùn)滑條件下稀土化合物的作用與在干摩擦條件下相同，都起到了提高竹纖維和基體的界面結(jié)合性以及抑制材料黏著剝落的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 水潤(rùn)滑條件下，稀土改性摩擦材料隨著載荷增大，摩擦系數(shù)和磨損率普遍呈下降的趨勢(shì)。這主要是由于載荷增加并促進(jìn)試樣與對(duì)偶環(huán)接觸表面穩(wěn)定摩擦膜的形成，減少了水在對(duì)磨過(guò)程中對(duì)試樣表面裂紋的擠壓，降低了疲勞剝落導(dǎo)致摩擦系數(shù)和磨損率下降；隨著轉(zhuǎn)速的增大，摩擦系數(shù)沒有明顯變化，但磨損率整體上呈下降的趨勢(shì)。這主要是由于轉(zhuǎn)速的增加試樣表面形成穩(wěn)定的水膜造成邊界潤(rùn)滑，試樣表面裂紋減少磨粒磨損和疲勞剝落都減輕，所以磨損率有所降低。

2) 與干摩擦相比，摩擦材料在水潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)與磨損率都出現(xiàn)了較大的降低。這主要是由于水起到了沖刷和冷卻的作用，阻止了轉(zhuǎn)移膜的形成，并在材料表面形成水膜起到了邊界潤(rùn)滑的作用。稀土化合物的加入使摩擦材料在水潤(rùn)滑和干摩擦條件下表面都較平整，黏著剝落較少，起到了提高竹纖維和基體的界面結(jié)合性及抑制材料黏著剝落的作用。