铜铝石墨组合材料摩擦角度与摩擦性能的关系

韩晓明，王亚楠，符蓉，苏琳琳

(大连交通大学 连续挤压工程研究中心，辽宁 大连 116028)*



铜铝石墨组合材料摩擦角度与摩擦性能的关系

韩晓明，王亚楠，符蓉，苏琳琳

(大连交通大学 连续挤压工程研究中心，辽宁 大连 116028)*

通过组合法制备了铜、铝、石墨三种材料构成的组合材料，利用定速摩擦试验机，研究了摩擦速度为200～2 000 r/min和制动压力为0.25～0.64 MPa条件下，摩擦角度对摩擦系数的影响.试验结果表明：摩擦角度对摩擦系数的影响与压力有关.当压力小于0.51 MPa时，摩擦角度的改变对摩擦系数影响不大；当压力超过0.51 MPa时，45°方向的摩擦系数要明显高于0°方向和90°方向的摩擦系数，原因在于摩擦角度为45°时，摩擦表面容易发生整体剪切流动，较强的粘着力形成鱼骨状裂纹，使剪切作用力增大，导致摩擦系数增高.

组合材料；摩擦性能；摩擦角度

0　引言

高性能摩擦材料在具有较高摩擦系数的同时，还要求随工况条件的变化，摩擦系数保持稳定.为使材料达到这种苛刻的性能要求，通常采用多组元材料来制造摩擦材料.高速列车制动闸片就是一种由铜、铁、铝、铬和石墨多组元构成的粉末冶金材料[1- 3].在摩擦中，利用材料中各组元不同的特性，达到控制摩擦系数的目的.因此，为设计高性能的摩擦材料，需要认识材料中每种组元对摩擦性能的摩擦机理以及影响程度[4- 5].为认识这些作用对摩擦性能的影响，需要通过观察表面组织的形态特征来揭示每种组元对摩擦性能的作用机制.然而，由于粉末冶金材料中的多种组元呈弥散分布状态，各组元在摩擦力的作用下发生剪切流动而叠加，难于甄别每种组元的演化特征，同时，混合了各组元粒子的第三体组织覆盖在摩擦表面上，进一步增加了认识每种组元和及相应的第三体在摩擦中变化过程的难度.为了解决这个问题，文献[6]提出了一种机械组合方法，将几种材料组成一种结构有序的层片式组合材料，由于这种方法形成的组元层次分明，对于认识和甄别各组元在摩擦表面的交互作用是十分有利的.通过这种方法发现了铜、铝和铁的组织形成特征与摩擦性能的关系，这为认识材料特性与摩擦性能的关系提供了一条新路径.可见，利用这个方法，进一步研究非金属材料，如石墨与其它金属组元的相互关系也应当是可行的.同时，当不同性质的材料组合在一起时，组元的排列方式也可能对摩擦学行为有影响.因此，借助于机械组合方法揭示摩擦材料中组元特性对摩擦性能的影响机制，对研制高性能制动摩擦材料是有指导意义的.

本文采用机械组合方法，将铜、铝和石墨组成两种排布方式的组合材料.通过摩擦试验的方法，研究了在不同摩擦条件下，两种组合材料与摩擦性能的关系.观察分析了不同摩擦区域表面组织的演化特征，以达到认识石墨组元与金属组元间相互作用机制的目的.

1　试验材料与方法

试验材料选用铝片和铜片(图1)，采用交替的排列顺序进行排布，通过机械啮合的方式过盈配合到夹具中，夹具可以在夹头中实现0°、45°、90°三个角度的调整(图2)，达到实现金属片的排列方向和摩擦方向分别成平行、垂直以及45°角方向摩擦的目的.金属片的长和宽分别为21 mm和15 mm.铜片、铝片的厚度分别为0.4 mm和0.8 mm.铜铝的摩擦面积比为2∶1.

图1　层片式摩擦材料示意图

(a)层片平行于 摩擦方向 (b)层片与摩擦方 向成45°角 (c)层片垂直于 摩擦方向

图2层片方向与摩擦方向分别成0°、45°以及90°

试验采用GF150D型定速摩擦机，摩擦对偶盘材料为H13钢，摩擦半径是150 mm，摩擦压力分别为0.25、0.38、0.51和0.64 MPa，摩擦速度为200～2 000 r/min，每次的摩擦时间为30 s.每种测试条件下测试三次，测试结果为三次的平均值.摩擦表面的形貌观察采用OLYMPUS光学显微镜.

2　结果与讨论

图3是三种摩擦角度(0°，45°，90°)对摩擦系数的影响.可以看出，三个摩擦角度下的摩擦系数都随摩擦速度的提高而有所降低.从整体上观察，当压力小于0.51 MPa时，三个方向的摩擦系数值比较接近，摩擦角度的改变对摩擦系数影响不大；当压力超过0.51 MPa时，45°方向的摩擦系数要明显高于0°方向和90°方向的摩擦系数，90°方向的摩擦系数与0°方向的摩擦系数基本持平.

图4是金属片平行于摩擦方向(0°)时，摩擦表面的形貌变化.由图可见，当速度为200 r/min时，摩擦表面的犁沟现象比较明显，粗糙度较大.当转速增加到600 r/min时，铝表面区域平整，铜表面出现了剥落坑，并且犁沟现象比较严重.当速度为1 800 r/min时，铝表面的平整度进一步提高，铜表面出现了彩色的氧化物，犁沟现象减弱，几乎看不到剥落坑的存在.由此表明，金属片平行于摩擦方向时，在低速时，铝表面易形成犁沟，在随后的摩擦过程中，铝的表面形态变化不大.而铜表面会形成致密的第三体层，使表面粗糙度得到明显的降低，但由于氧化物的脆性，在摩擦过程中会形成剥落坑.

图3　不同摩擦角度对摩擦系数的影响

(a)200 r/min (b)600 r/min (c)1 800 r/min

图4平行于摩擦方向(0°)时，铜铝表面的形貌变化

(a)200 r/min (b)600 r/min (c)1 800 r/min

图5垂直于摩擦方向时，铜铝表面的形貌变化

图5是层片方向与摩擦方向垂直时，铜铝表面的形貌变化，由图可见，当转速为200 r/min时，铜和铝之间发生了相互覆盖的现象，其中，铝向铜上的覆盖比较明显，摩擦表面整体上存在大量细小的犁沟，表面粗糙度较大.当速度增加到600 r/min时，铜铝的混合程度进一步增加，已经难以区分铜片与铝片之间的界限，粗糙度有所降低，摩擦表面的流线已经完全和摩擦方向平行，即垂直于金属片方向.当速度增加至1 800 r/min时，摩擦表面的氧化现象比较严重，其中颜色较浅的部位是以铝为主要成分的，而铜氧化物颜色较深.由此表明，当层片方向与摩擦方向垂直时，在低速时，由于金属要发生剪切流动，而且是垂直于层片方向流动，提高了该条件下的摩擦系数，当速度增加到600 r/min时，两组元混合的更加充分，表面粗糙度得到了改善，当速度为1 800 r/min时，高速下的温升使材料表面的氧化程度严重，另外使得基体软化，表面粗糙度降低，进而降低了摩擦系数.

图6是与摩擦方向成45°角时，铜铝表面的形貌变化情况，其中图6(a)～6(c)对应的压力为0.38 MPa下的表面形貌,由图可见，当速度为200 r/min时，铝向铜的表面发生了剪切流动，当速度增加到600 r/min时，摩擦表面的两种组元进一步混合，表面粗糙度略有增加，当转速为1 800 r/min时，混合后的摩擦表面形成了连续的第三体层，局部出现了剥落坑，其尺寸相对较大.由此表明，当层片方向与摩擦方向成45°角时，与层片垂直于摩擦方向类似，在低速情况下均发生大面积的剪切流动.图6(d)～6(f)对应的是0.64 MPa下的表面形貌，由图可见，当转速为200 r/min时，在摩擦表面出现了压实区，混合后的两组元已分不清彼此之间的界限，当速度为600 r/min时，在铝的表面出现了大块剥落的铜，摩擦表面的犁沟现象比较明显.当速度增加到1 800 r/min时，摩擦表面出现黏着物和撕裂情况.由此表明，当压力为0.64 MPa，低速时摩擦表面的整体剪切流动现象比较明显，当速度增加到600 r/min时，出现了表层物质块状的剥离，当速度为1 800 r/min时，由于层片方向与摩擦方向成45°角，因此两端和中间的流动速度存在差异，表面温升也有所不同，而温升大的部位由于基体软化导致的黏着撕裂现象明显，进而提高了摩擦系数.

图6　与摩擦方向成45°角时，铜铝表面的形貌变化

3　结论

(1)摩擦角度对摩擦系数的影响与压力有关.当压力小于0.51 MPa时，摩擦角度的改变对摩擦系数影响不大；当压力超过0.51 MPa时，45°方向的摩擦系数要明显高于0°方向和90°方向的摩擦系数；

(2)压力超过0.51 MPa，摩擦角度为45°时，摩擦表面容易发生整体剪切流动，较强的粘着力形成鱼骨状裂纹，使剪切作用力增大，导致摩擦系数高于摩擦角度为0°和90°的摩擦系数.

[1]GUERIN J D,BRICOUT JP,LADEN K.High thermal diffusivity materials for railway brake discs[J].Tribology letters,1997(3):257- 267.

[2]王广达,方玉诚,罗锡裕.粉末冶金摩擦材料在高速列车制动中的应用[J].粉末冶金工业,2007,17(4):77- 81.

[3]高红霞,刘建秀,朱茹敏.铜基粉末冶金列车闸瓦材料的摩擦磨损性能研究[J].材料科学与工程学报,2005,23(6):871- 874.

[4]樊毅,张金生,高游,等.石墨粒度对Cu-Fe基摩擦材料性能的影响[J].摩擦学学报，2000，20(6)：475- 477.

[5]吴炬，程先华．干摩擦和水润滑条件下芳纶浆粕/环氧树脂复合材料摩擦磨损性能研究[J]．摩擦学学报,2006,26(4):325- 329.

[6]高飞，杨亭亭，符蓉，等.层片式复合材料摩擦性能与表面形态的研究[J]. 摩擦学学报,2013,33(4):321- 328.

Relationship Between Angle and Tribological Properties of CopperAluminum-Graphite Assembled Materials

HAN Xiaoming,WANG Yanan,FU Rong,SU Linlin

(Continuous Extrusion Engineering Research Center,Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The material consisting of copper, aluminum and graphite is assembled, and the relationship between angle of materials and friction coefficient were studied by using constant speed friction test machine with the speed range from 200 to 2 000 r/min and the pressure from 0.25 to 0.64 MPa. The test results show that the effects of angle on friction performance are closely related to the friction pressure. When the pressure is lower than 0.51 MPa, the friction coefficient is not sensitive to the angle. When the pressure is greater than 0.51 MPa, the friction coefficient at 45° is higher than the friction coefficient at 0°and 90°.

assembled material;friction performance;friction angle

1673- 9590(2016)05- 0099- 04

2016- 03- 14

辽宁省教育厅科学研究计划资助项目(L2013188)；中国铁路总公司重点科技计划资助项目(2013J011-E)

韩晓明(1982-)，女，讲师，博士，主要从事制动材料摩擦磨损性能的研究

E-mail:hanxm@djtu.edu.cn.

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