礦用卡車離合器用鋅鎢合金增強(qiáng)銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損性能

謝茂青，王雷剛，彭鵬，楊國(guó)盛，張嘉浩

礦用卡車離合器用鋅鎢合金增強(qiáng)銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損性能

謝茂青1, 2，王雷剛1，彭鵬3，楊國(guó)盛3，張嘉浩4

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 2120013；2. 浙江鐵流離合器股份有限公司，杭州 311101；3. 南通萬達(dá)摩擦材料有限公司，南通 226622；4. 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009)

在現(xiàn)有銅基粉末冶金摩擦材料配方中加入Zn-W合金，設(shè)計(jì)不同鋅鎢合金含量(Zn-W)以及不同壓制密度，制備礦用卡車離合器用銅基摩擦材料，分析和測(cè)試材料的組織與摩擦磨損性能，并進(jìn)行能量/功率等級(jí)遞增試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)果表明：銅基摩擦材料的表面硬度隨(Zn-W)增加而下降，隨致密度增加而升高；摩擦因數(shù)隨(Zn-W)增加而增大，隨致密度增加而減小。(Zn-W)為6%、且致密度比現(xiàn)有配方的銅基摩擦片致密度提高10%的銅基摩擦片具有合適的表面硬度和動(dòng)/靜摩擦因數(shù)以及較好的耐磨性能，并能降低汽車的噪聲、振動(dòng)及聲振粗糙度，比不添加鋅鎢合金的銅基摩擦片的能量輸出提高2級(jí)，可承受第6級(jí)能量輸出(753.16 J/cm2)，主要性能略高于國(guó)外進(jìn)口銅基摩擦片。

鋅鎢合金；密度；銅基摩擦材料；摩擦性能；臺(tái)架試驗(yàn)

世界上三大汽車離合器制造國(guó)，日本、法國(guó)、德國(guó)的礦用卡車離合器均采用鐵基、鐵?銅基粉末冶金摩擦材料。日本的三部隆宏等[1?2]專家經(jīng)研究得出：銅基粉末冶金摩擦材料比鐵基材料具有更好的綜合性能，且具有優(yōu)異的傳動(dòng)效果。銅基摩擦材料具有良好的導(dǎo)熱性能、高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)以及較好的耐磨性能，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、高鐵、風(fēng)力發(fā)電、高負(fù)荷重載應(yīng)用工況車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)裝置中[3?5]。在開發(fā)高性能粉末冶金摩擦材料方面，我國(guó)已做了大量研究[6?9]，研究了鐵基和鐵?銅基粉末冶金摩擦材料，但對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料在礦用卡車上的應(yīng)用研究較少。礦用卡車離合器所采用的國(guó)產(chǎn)銅基粉末冶金摩擦片，由于材料耐熱性差導(dǎo)致失效頻繁，維修量大幅提高[10]。目前國(guó)外主流礦用卡車離合器的銅基摩擦材料供應(yīng)商為美國(guó)卡萊公司[11?13]，材料的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.52～0.60，靜摩擦因數(shù)為0.55～0.65，能量密度為780 J/cm2，功率密度為485 W/cm2，表面洛氏硬度為60～100 (R15X)。離合器要求摩擦材料的動(dòng)靜摩擦因數(shù)接近，能量密度和功率密度均較高。礦用卡車離合器用銅基粉末冶金摩擦材料以銅及銅合金為基體，添加錫、鋅、鐵以及摩擦性能調(diào)節(jié)組元。國(guó)內(nèi)外對(duì)材料配方組元的研究主要集中在單一組元元素[14]，而合金組分對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料性能影響的研究較少[15?17]。本文作者在銅基粉末冶金摩擦材料配方中添加Zn-W合金，以期通過鋅元素與銅元素形成銅鋅合金來降低材料的硬度，增大摩擦因素，并利用鎢元素改善機(jī)體材料本身的耐熱性，從而提高銅基摩擦材料的綜合性能。并通過工藝控制來改變材料的致密度，研究鋅鎢合金含量及材料致密度對(duì)摩擦磨損性能的影響，通過能量/功率等級(jí)遞增試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)定摩擦片離合器的性能，并與國(guó)外進(jìn)口件進(jìn)行對(duì)比，為提高國(guó)產(chǎn)礦用卡車離合器摩擦片的綜合性能提供理論依據(jù)和工藝指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

銅粉、錫粉和鉛粉的粒度均小于45 μm，石墨粒度為150~600 μm，摩擦顆粒(主要成分為SiO2和Cr2O3)的粒度小于150 μm。Zn-W合金(Zn-W-S-C)粉末由美國(guó)Chemetall公司生產(chǎn)，型號(hào)SRL11，粒度小于45 μm，松裝密度約為3.0～3.2 g/cm3。鋅鎢合金粉末的主要成分列于表1。

1.2 銅基摩擦材料的制備

銅基摩擦材料的原有配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：(Cu) 60%～65%、(Sn)8%～10%、(Pb)0～3%、(C) 4%～6%，摩擦顆粒16%～28%。在此配方中添加Zn-W合金(Zn-W-S-C)粉末，使材料中的(Zn-W)分別為2%、4%、6%和8%，相應(yīng)減少摩擦顆粒。每種成分的銅基摩擦材料均設(shè)計(jì)4種壓制密度，分別比原有配方的壓制密度(5.20 g/cm3)增加5%、10%、15%和20%，即壓坯密度分別為5.20、5.72、5.98和6.24 g/cm3，通過調(diào)整壓力制備不同密度的壓坯。表2所列為銅基粉末冶金摩擦材料的編號(hào)、(Zn-W)和壓制密度。

表1 鋅鎢合金粉末的成分

表2 銅基粉末冶金摩擦材料的編號(hào)、Zn-W合金含量和壓制密度

首先根據(jù)材料的設(shè)計(jì)配方稱取各種原料粉末，用V型混料機(jī)混合30 min。將混合粉末在液壓式壓力機(jī)上冷壓成礦用卡車離合器的摩擦片，壓制壓力為500～600 MPa，保壓時(shí)間為10 s。將壓制好的粉片與電鍍好的芯片(芯片基體材料為65Mn，表面鍍銅，厚度≥12 μm)通過定位孔組裝在一起，放入鐘罩式燒結(jié)爐中，通入N2與H2的混合氣體((N2):(H2)=9:1)，在880 ℃燒結(jié)，保溫3 h。待爐內(nèi)溫度降到400 ℃以下，吊開外罩，冷卻到室溫，得到一系列不同(Zn-W)和不同密度的銅基粉末冶金摩擦片。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 形貌觀察與硬度測(cè)試

用美國(guó)Leco公司的LR310型洛氏硬度計(jì)測(cè)定銅基粉末冶金摩擦材料的硬度，載荷為147 N。每個(gè)編號(hào)的樣品取1片，測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，取平均值。采用LEO-1450型掃描電鏡(SEM)觀察材料的微觀組織和形貌。

1.3.2 摩擦性能測(cè)定

根據(jù)礦用卡車離合器對(duì)摩擦材料的要求，選取表面洛氏硬度(R15X)平均值不低于60的材料進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試。將摩擦片拼接成外徑為75 mm、內(nèi)徑為53 mm的圓環(huán)，鉚接在試驗(yàn)環(huán)上，用MM3000型摩擦磨損性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)如下：摩擦凈面積22 cm2；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.1 kg?m2；對(duì)偶材料45#鋼；接合速度2 950 r/min；制動(dòng)壓力0.5 MPa。連續(xù)制動(dòng)100次，測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù)的平均值。施加0.7 MPa壓力至自動(dòng)盤打滑3次，測(cè)定平均靜摩擦因數(shù)。

1.3.3 能量/功率等級(jí)遞增試驗(yàn)

按照J(rèn)B/T7269—2011標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不滿足礦用卡車的平均動(dòng)摩擦因數(shù)低于0.52、平均靜摩擦因數(shù)低于0.55要求的材料，不進(jìn)行能量等級(jí)遞增試驗(yàn)和高溫磨損率測(cè)試。用MM3000摩擦磨損性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行能量/功率等級(jí)遞增試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)列于表3。通過增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和主軸轉(zhuǎn)速，提高輸入的能量密度等級(jí)，測(cè)定材料的臨界能量/功率密度。試樣凈面積為22 cm2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.1 kg?m2，每個(gè)能量密度下制動(dòng)200次，若動(dòng)摩擦因數(shù)在該能量等級(jí)下下降超過20%，則判定材料失效，臨界能量/功率密度為上一個(gè)能量密度等級(jí)。第6級(jí)能量和功率密度等級(jí)為國(guó)外產(chǎn)品達(dá)到多年使用的標(biāo)準(zhǔn)。礦車離合器用銅基摩擦材料最大能量和功率密度如果低于第6級(jí)，在實(shí)際使用時(shí)存在較大的“燒片”風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.4 耐磨性能測(cè)試

用MM3000摩擦磨損性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定摩擦片的耐磨性能。每種材料依次在0.4、0.6、0.8和1.0 MPa壓力下制動(dòng)2 000次，轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.1 kg?m2。在試樣上取均勻分布的3個(gè)點(diǎn)，在摩擦性能測(cè)試前后，用三豐293-100高精度數(shù)顯千分尺分別測(cè)試每個(gè)點(diǎn)所在位置的厚度，精確到0.001 mm，計(jì)算實(shí)驗(yàn)后每個(gè)位置的厚度變化，即試樣的厚度磨損量，然后計(jì)算3個(gè)點(diǎn)厚度磨損量的平均值。

1.3.5 離合器摩擦性能臺(tái)架試驗(yàn)

將制備的Zn-W合金增強(qiáng)銅基摩擦片和國(guó)外進(jìn)口銅基摩擦片分別組裝成礦用卡車430離合器，委托浙江鐵流離合器股份有限公司進(jìn)行離合器摩擦力矩臺(tái)架試驗(yàn)和離合器摩擦片磨損性能臺(tái)架試驗(yàn)。

1) 離合器摩擦力矩臺(tái)架試驗(yàn)：包括靜摩擦力矩試驗(yàn)和滑動(dòng)摩擦力矩試驗(yàn)，動(dòng)、靜摩擦力矩的比值能反映離合器摩擦片的振顫抖動(dòng)程度，也是汽車的重要衡量指標(biāo)。摩擦力矩試驗(yàn)條件為：摩擦片內(nèi)半徑和外半徑分別為120 mm和215 mm，摩擦片表面積為999.3 cm2；試驗(yàn)前工作壓緊力為31.9 kN；試驗(yàn)后工作壓緊力為30.5 kN。

靜摩擦力矩試驗(yàn)：首先將離合器在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行磨合，磨合條件與試驗(yàn)條件一致，磨合次數(shù)為1 000次，磨合時(shí)表面溫度不要超過100 ℃；在室溫條件下加載至打滑；然后讓磨合好的離合器在試驗(yàn)臺(tái)上處于完全接合狀態(tài)，將主(或從)動(dòng)部分固定，對(duì)從(或主)動(dòng)部分緩慢加扭轉(zhuǎn)載荷，直至打滑，測(cè)量并記錄開始打滑時(shí)的扭矩。測(cè)量次數(shù)不少于3次，取算術(shù)平均值。實(shí)驗(yàn)測(cè)得靜摩擦力矩為5 736 N·m；單位面積靜摩擦力矩2.87 N·m/cm2。

表3 能量/功率等級(jí)遞增試驗(yàn)參數(shù)

動(dòng)摩擦力矩試驗(yàn)：首先將離合器在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行磨合，磨合條件與試驗(yàn)條件一致，磨合次數(shù)為1 000次，磨合時(shí)表面溫度不超過100 ℃；從動(dòng)盤總成固定不動(dòng)，離合器蓋總成轉(zhuǎn)速為離合器摩擦片外徑處線速度為(17±0.5) m/s時(shí)的轉(zhuǎn)速；隨著強(qiáng)制滑磨的進(jìn)行，摩擦表面溫度從室溫升至320 ℃。將磨合好的離合器安裝到試驗(yàn)臺(tái)上；啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的控制裝置，按照以上磨合條件進(jìn)行強(qiáng)制滑磨，直至溫度升高到320 ℃,直接獲得摩擦力矩隨溫度(或時(shí)間)的變化曲線。

2) 離合器摩擦片磨損性能臺(tái)架試驗(yàn)：首先將離合器在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行磨合，磨合次數(shù)為1 000次，磨合時(shí)表面溫度不要超過100 ℃，模擬汽車連續(xù)起步；接合頻率為0.05～0.1Hz；摩擦表面溫度不超過160 ℃；試驗(yàn)次數(shù)為4 000次。然后進(jìn)行磨損性能臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與磨合條件相同。試驗(yàn)前測(cè)量蓋總成的工作壓緊力為31 902 N，稱取從動(dòng)盤總成的質(zhì)量和蓋總成的質(zhì)量為9 823.9 g；將離合器安裝于試驗(yàn)臺(tái)上；按以上試驗(yàn)條件接合離合器，待試驗(yàn)臺(tái)主、從動(dòng)部分同步之后，分離離合器、制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)從動(dòng)部分至停止，完成一個(gè)循環(huán)。如此循環(huán)4 000次。最多每500次測(cè)量一次從動(dòng)盤總成的質(zhì)量。試驗(yàn)前后從動(dòng)盤總成的質(zhì)量差即為磨損量。繪制磨損量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度

表4所列為(Zn-W)對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料硬度的影響。從表4看出：隨(Zn-W)增加，銅基摩擦材料的硬度降低。燒結(jié)過程中，Zn元素與Cu元素形成硬度較低的Cu-Zn合金，所以材料的硬度隨(Zn-W)增加而降低。從表4還看出，(Zn-W)相同的材料，密度越大，硬度越高。在礦用卡車離合器應(yīng)用中，較低硬度的銅基粉末冶金摩擦材料，有利于減少對(duì)偶件離合器壓盤以及發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的損傷，嚙合過程也較平順，出現(xiàn)異響的概率較少[18]。然而硬度過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致銅基摩擦材料自身磨損較快。對(duì)于礦用卡車來講，表面洛氏硬度R15X值低于60的摩擦材料容易出現(xiàn)使用壽命過短的情況。(Zn-W)為8%的13#～16#材料硬度低于60，不符合硬度要求，所以不進(jìn)行摩擦磨損 試驗(yàn)。

2.2 顯微組織

圖1所示為不含鋅鎢合金的0#和(Zn-W)為6%的10#銅基摩擦材料的SEM形貌。圖1(a)所示0#材料中的灰色相為銅錫合金，孔隙率較低，有一定的硅/鉻等摩擦組元顆粒分布在其中；黑色相為片狀石墨，完整性較好，與銅錫合金界面明顯，但沒有明顯縫隙，在摩擦材料使用過程中石墨相能起到很好的潤(rùn)滑作用。但又在一定程度上使得摩擦材料的摩擦因數(shù)很難提高。圖1(b)所示10#材料中，灰色相為銅錫合金，部分表面平整；黑色相為片狀石墨，平整性不如0#材料中的石墨相；亮色區(qū)域?yàn)殂~鋅合金，其中含有一定量的鎢元素和硅/鉻等增摩顆粒。由于Cu-Zn合金的形成，使得材料表面粗糙，從而降低石墨的潤(rùn)滑作用，在離合過程中獲得相對(duì)較高的摩擦因數(shù)。

圖2(a)和(b)所示分別為10#材料中Cu元素和W元素的面分布，可見鎢分布較均勻。鎢具有良好的導(dǎo)熱性能，均勻分布的鎢可提高Cu基摩擦材料的熱導(dǎo)率，在離合過程中能迅速地散熱，使得材料能夠承受更高的能量輸入，礦用卡車在長(zhǎng)時(shí)間上/下坡時(shí)離合器使用更耐久。

表4 w(Zn-W)對(duì)銅基摩擦材料硬度的影響

圖1 0#和10#銅基摩擦材料的SEM形貌

圖2 10#材料中Cu元素與W元素的面分布

表5 銅基摩擦材料的平均摩擦因數(shù)

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1 摩擦因數(shù)

表5所列為銅基摩擦材料的平均動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)。對(duì)比表5和表4看出，材料的摩擦因數(shù)與硬度有一定的相關(guān)性：硬度較低的材料具有相對(duì)高的動(dòng)/靜摩擦因數(shù)。其中4#～10#材料的平均動(dòng)摩擦因數(shù)大于0.52，平均靜摩擦因數(shù)大于0.55，并且滿足硬度要求，可用作礦用卡車離合器的摩擦片。

2.3.2 臨界能量/功率密度和磨損率

分別對(duì)0#和4#～10#摩擦片進(jìn)行能量/功率等級(jí)遞增試驗(yàn)，0#在第5級(jí)能量/功率等級(jí)處失效，摩擦因數(shù)下降嚴(yán)重，試樣斷裂，如圖3(a)所示，從表3可知其臨界能量密度和臨界功率密度分別為504.18 J/cm2和336.12 W/cm2。4#～9#材料均在第6級(jí)能量/功率等級(jí)上失效，臨界能量密度和臨界功率密度分別為622.45 J/cm2和389.03 W/cm2，高于0#材料的臨界能量密度。美國(guó)卡萊公司S277配方的銅基摩擦材料的能量密度為780 J/cm2，功率密度為485 W/cm2，硬度為60～100(R15X)。4#～9#材料的臨界能量/功率密度雖與未添加Zn-W合金的0#材料相比有所提高，但與美國(guó)卡萊公司的材料相比，臨界能量/功率密度仍相對(duì)較低。10#材料((Zn-W)為6%，密度為5.72 g/cm3)在第7級(jí)能量/功率密度等級(jí)上失效，動(dòng)摩擦因數(shù)下降超過20%，材料表面內(nèi)外圈均產(chǎn)生一定的“燒片”現(xiàn)象，如圖3(b)所示。

表6所列為10#銅基摩擦片和從美國(guó)進(jìn)口的銅基摩擦片依次在0.4，0.6，0.8和1.0 MPa制動(dòng)壓力下制動(dòng)2 000次后總的厚度磨損量。從表6可知，10#摩擦片的厚度磨損量及其對(duì)偶件壓盤的厚度磨損量分別為0.065 mm和0.017 mm，進(jìn)口摩擦片的厚度磨損量及其對(duì)偶?jí)罕P的厚度磨損量分別為0.067 mm和0.018 mm，10#銅基摩擦片的耐磨性能略好于進(jìn)口摩擦片。

圖3 0#和10#摩擦片在能量/功率等級(jí)遞增試驗(yàn)后的形貌

2.4 離合器摩擦性能臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 摩擦力矩

把0#、10#銅基摩擦片和進(jìn)口銅基摩擦片分別組裝成礦用卡車430離合器總成，進(jìn)行摩擦力矩臺(tái)架試驗(yàn)。表7所列為10#摩擦片離合器在不同實(shí)驗(yàn)溫度下的摩擦力矩和單位面積的摩擦力矩，圖4所示為離合器的動(dòng)摩擦力矩和摩擦因數(shù)隨溫度的變化曲線。按照QC/T27—2014汽車干摩擦式離合器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法中的規(guī)定，要求430離合器在250 ℃時(shí)單位面積滑動(dòng)摩擦力矩不小于常溫時(shí)的70%；320 ℃的滑動(dòng)摩擦力矩不小于常溫時(shí)的50%。從表5可知：10#摩擦片離合器在250 ℃時(shí)單位面積滑動(dòng)摩擦力矩為1 846 N·m，是常溫下摩擦力矩2 254 N·m的82%；320℃的單位面積滑動(dòng)摩擦力矩為1 827 N·m，是常溫摩擦力矩的81%，均高于國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在銅基摩擦材料中加入Zn-W合金時(shí)，Zn元素與Cu形成的銅鋅合金可在一定程度上降低材料的硬度，增大摩擦因數(shù)，并且動(dòng)摩擦因數(shù)與靜摩擦因數(shù)較接近，而摩擦因數(shù)增大能縮短離合器的打滑時(shí)間，減少離合器嚙合過程中的發(fā)熱。并且鎢元素能夠改善基體材料的耐熱性，使得材料能承受更高的能量等級(jí)和溫度。10#摩擦片離合器的動(dòng)摩擦力矩與常溫滑動(dòng)摩擦力矩非常接近，起步時(shí)離合器從靜止?fàn)顟B(tài)到啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)的力矩變化非常小，從而使高溫傳動(dòng)扭矩非常平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生扭矩傳遞突變而引起汽車振顫。

2.4.2 耐磨性能

離合器摩擦性能臺(tái)架試驗(yàn)中摩擦片的磨損量直接反映摩擦片的耐磨性能和離合器使用壽命。對(duì)10#銅基摩擦片離合器進(jìn)行1 000次循環(huán)和4 000次循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)前從動(dòng)盤總質(zhì)量為9 823.9 g。表8所列為離合器從動(dòng)盤總成的質(zhì)量磨損量隨循環(huán)次數(shù)的變化，圖5所示為離合器從動(dòng)盤的質(zhì)量磨損量隨試驗(yàn)次數(shù)的變化。按照QC/T27—2014汽車干摩擦式離合器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法中的規(guī)定，該430離合器經(jīng)過1 000次離合循環(huán)后，允許磨損量應(yīng)小于12.5 g；經(jīng)過4 000次離合循環(huán)，允許磨損量應(yīng)符合小于49 g。從表8可知：10#銅基摩擦片離合器在1 000次循環(huán)后，質(zhì)量磨損量為8.1 g，4 000次循環(huán)后的磨損量為44.3 g，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

表6 10#銅基摩擦片和進(jìn)口片的耐磨性能

表7 10#銅基摩擦片離合器的動(dòng)摩擦力矩

圖4 10#銅基摩擦片離合器的動(dòng)摩擦力矩與摩擦因數(shù)曲線

同時(shí)對(duì)0#和10#進(jìn)口銅基摩擦片離合器進(jìn)行1 000次循環(huán)和4 000次循環(huán)離合器摩擦片磨損性能試驗(yàn)，表9所列為1 000次和4 000次循環(huán)后，離合器從動(dòng)盤的質(zhì)量磨損量。由表9可知，10#摩擦片的質(zhì)量磨損量低于0#和進(jìn)口摩擦片的磨損量。這是因?yàn)?0#銅基摩擦片的表面硬度適中，R15X為66；同時(shí)其動(dòng)摩擦因數(shù)大于0.52，能夠很好地傳遞扭矩；并且10#銅基摩擦片的密度比0#大10%，使其耐磨性能提升。

表8 10#銅基摩擦片離合器從動(dòng)盤的質(zhì)量磨損量隨離合次數(shù)的變化

圖5 10#銅基摩擦片離合器的質(zhì)量損失量隨離合次數(shù)的變化曲線

表9 0#、10#和進(jìn)口銅基摩擦片離合器在1 000次和4 000次離合循環(huán)后的質(zhì)量磨損量

綜合離合器的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，(Zn-W)為6%的10#銅基摩擦片具有較好的綜合性能，具有適中的硬度，能減少離合器對(duì)偶件壓盤和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的損傷；提高其密度可減少摩擦片自身的磨損，延長(zhǎng)離合器使用壽命；另外其動(dòng)摩擦力矩與常溫滑動(dòng)摩擦力矩差異小，使得離合器接合平順，出現(xiàn)異響的概率降低。

3 結(jié)論

1) 在銅基粉末冶金摩擦材料中添加Zn-W合金制備礦用卡車離合器用鋅鎢合金增強(qiáng)銅基摩擦片，可有效提高材料的動(dòng)/靜摩擦因數(shù)，也可提高銅基粉末冶金摩擦材料的能量/功率輸入條件。

2)(Zn-W)為6%和壓制密度提高10%的10#銅基摩擦片，具有最高的能量/功率等級(jí)。其臨界能量/功率等級(jí)是第6級(jí)，能量密度和功率密度分別為753.15 J/cm2和470.73 W/cm2。

3) 10#銅基摩擦片在離合器摩擦力矩臺(tái)架試驗(yàn)中，320 ℃時(shí)單位面積滑動(dòng)摩擦力矩為1 827 N·m，是常溫摩擦力矩2 254 N·m的81%，高于國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(70%)；對(duì)10#銅基摩擦片離合器進(jìn)行4 000次循環(huán)后，離合器摩擦片的質(zhì)量磨損量為44.3 g，低于國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的49 g，也低于進(jìn)口摩擦片的質(zhì)量磨損量46.6 g。

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Friction and wear properties of PM Zn-W alloy reinforcing copper-based friction material for mining truck clutches

XIE Maoqing1, 2, WANG Leigang1, PENG Peng3, YANG Guosheng3, ZHANG Jiahao4

(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Zhejiang Tieliu Clutch Co., Ltd., Hangzhou 311101, China;3. Nantong Wanda Friction Material Co., Ltd., Nantong 226611, China;4. School of electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The copper baseed friction materials for mine truck clutch were prepared by adding Zn-W alloy into the existing copper base powder metallurgy friction material formulation, with different Zn-W alloy content and different pressing density. The microstructure and friction and wear properties of the materials were analyzed and tested, and the incremental energy/power level test and bench test were carried out. The results show that the surface hardness of Cu based friction materials decreases with the increase of Zn-W alloy content and increases with the increase of density. The friction coefficient increases with the increase of Zn-W alloy content and decreases with the increase of density. The copper based friction plate with mass fraction of 6%Zn-W alloy and 10% higher density has suitable surface hardness, dynamic/static friction coefficient and good wear resistance, and can reduce the noise, vibration and acoustic vibration roughness of automobile. Compared with the friction plate without Zn-W alloy, the energy output of the friction plate can be increased by two levels, and the sixth level energy output (753.16 J/cm2) can be sustained. The main performance of the friction plate is slightly higher than that of the imported copper based friction plate.

Zn-W alloy; density; copper-based friction material; friction property; bench test

TB36

A

1673-0224(2020)05-440-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51775249)

2020?07?26；

2020?08?01

王雷剛，教授，博士。E-mail: lgwang@ujs.edu.cn

(編輯 湯金芝)