王振波，王秀飛,，尹彩流，白同慶，宋嘉?，謝奧林

(1. 北京優(yōu)材百慕航空器材有限公司，北京 100095；2. 廣西民族大學(xué) 摩擦材料研究所，南寧 530006)

膨脹蛭石對(duì)銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

王振波1，王秀飛1,2，尹彩流2，白同慶1，宋嘉?1，謝奧林2

(1. 北京優(yōu)材百慕航空器材有限公司，北京 100095；2. 廣西民族大學(xué) 摩擦材料研究所，南寧 530006)

采用粉末冶金法制備膨脹蛭石含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為0.1%，2%和4%的銅基摩擦材料，利用MM-1000摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)定該材料的摩擦磨損性能，并研究膨脹蛭石對(duì)磨損機(jī)理的影響。結(jié)果表明：加入1%膨脹蛭石時(shí)，銅基摩擦材料的摩擦因數(shù)提高，但隨蛭石含量繼續(xù)增加而逐漸降低。低轉(zhuǎn)速下，加入膨脹蛭石的材料磨損率顯著降低，磨損率受蛭石含量的影響較?。辉谥懈咿D(zhuǎn)速下，隨蛭石含量從1%增加到4%，材料的磨損率逐漸增大。加入膨脹蛭石后材料表面的摩擦膜更光滑，沒(méi)有出現(xiàn)易疲勞磨損的亞表面。在低轉(zhuǎn)速條件下，含膨脹蛭石的銅基摩擦材料的磨損機(jī)制以粘著磨損為主，在中高速條件下，其磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p、犁削磨損和疲勞磨損的復(fù)合磨損機(jī)制。

銅基摩擦材料；膨脹蛭石；摩擦因數(shù)；摩擦磨損；磨損機(jī)理

銅基粉末冶金摩擦材料因良好的摩擦磨損性能、抗粘結(jié)性、耐熱性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高鐵、航空、航天、風(fēng)電等領(lǐng)域的離合器和制動(dòng)裝置中[1?6]。在銅基粉末冶金摩擦材料中，潤(rùn)滑組元對(duì)材料的物理/力學(xué)性能與摩擦磨損性能都具有很大的影響。潤(rùn)滑組元多采用具有層片結(jié)構(gòu)的固體潤(rùn)滑劑，常見(jiàn)的有石墨、二硫化鉬等[7?8]。膨脹蛭石是一種層狀結(jié)構(gòu)的含水鎂鋁硅酸鹽礦物，片層間含有大量空隙，密度小，硬度低(莫氏硬度1～1.5)，溫度升高至1 200 ℃無(wú)相變結(jié)構(gòu)。膨脹蛭石與石墨、二硫化鉬的層狀結(jié)構(gòu)類(lèi)似，熱性能更加穩(wěn)定，作為一種典型的無(wú)機(jī)填料，因成本低、來(lái)源廣泛、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)在汽車(chē)剎車(chē)襯片、離合器以及軌道車(chē)輛的有機(jī)合成閘瓦(閘片)中得到大量應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外科研工作者就膨脹蛭石在半金屬型、低金屬型、NAO型等高分子合成摩擦材料中的應(yīng)用做了大量研究，結(jié)果表明膨脹蛭石能夠改善摩擦材料的摩擦學(xué)性能、提高抗熱衰性能以及降噪緩震等[9?13]。但膨脹蛭石在粉末冶金摩擦材料中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。本文作者采用粉末冶金法制備含膨脹蛭石的銅基摩擦材料，研究其摩擦磨損性能，并觀察摩擦材料的摩擦表面和亞表面形貌，分析摩擦磨損機(jī)理，以期對(duì)銅基摩擦材料的設(shè)計(jì)及配方改進(jìn)提供理論和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 摩擦材料制備

實(shí)驗(yàn)所采用的原材料為：電解銅粉，純度≥99.7%，粒度＜74 μm；還原鐵粉，純度≥99.0%，粒度＜74 μm；鱗片石墨，純度≥97%，粒度為154～590 μm；高碳鉻鐵，純度≥99.5%，粒度＜45 μm；膨脹蛭石：純度≥98.5%，粒度＜270 μm。表1所列為銅基摩擦材料的原料配比，膨脹蛭石的含量分別為0，1%，2%和4%。

按照表1所列原料配比稱(chēng)取原料粉末，在V型混料器中混合4～6 h，然后將混合料在400 MPa壓力下冷壓成形。將壓坯置于鐘罩式加壓燒結(jié)爐中，在分解氨氣氛下進(jìn)行加壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950±15 ℃，壓力為2.0～4.0 MPa，保溫3 h。保溫結(jié)束后隨爐冷卻，得到銅基粉末冶金摩擦材料。

1.2 性能測(cè)試

用日本電子JSM?6380LV型掃描電鏡觀察摩擦材料的組織與形貌，利用JED?2300型能譜儀(EDS)對(duì)材料微區(qū)的元素種類(lèi)與含量進(jìn)行分析。

采用WDW?100EⅢ型萬(wàn)能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度測(cè)試按照HB 5434.5—2004《航空機(jī)輪剎車(chē)材料摩擦試驗(yàn)方法 第5部分 壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣尺寸為20 mm× 20 mm×20 mm。剪切強(qiáng)度按照TJ/CL 307—2014《動(dòng)車(chē)組閘片》附錄D“摩擦體剪切強(qiáng)度及粘接面剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法”進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為15mm×15mm ×10 mm。

洛氏硬度(HRR)測(cè)試按照GB/T230.1—2009《金屬洛氏硬度》測(cè)試方法進(jìn)行，樣品尺寸為25mm×25mm ×10 mm，每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)位置取算術(shù)平均值。

在MM?1000型摩擦試驗(yàn)機(jī)上對(duì)材料進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。試樣塊的尺寸為25mm×25mm×10 mm，均布安裝在直徑為10 cm的圓環(huán)卡槽上，試樣塊到圓心的距離為5 cm，對(duì)偶材料為30CrSiMoVA合金結(jié)構(gòu)鋼。按照HB 5434.7—2004《航空機(jī)輪剎車(chē)材料摩擦試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.98 kg/m2，制動(dòng)壓力為1.0 MPa，主軸轉(zhuǎn)速分別取3 000，4 000，5 000，6 000和7 000 r/min，每個(gè)試驗(yàn)條件做10次試驗(yàn)。測(cè)量試驗(yàn)前后試樣的體積，計(jì)算體積磨耗量與試驗(yàn)所吸收總能量的比值，作為材料的磨損率。采用體積/摩擦功的方式來(lái)計(jì)算材料的磨損率，可規(guī)避因材料密度和摩擦因數(shù)不同而造成對(duì)摩擦材料耐磨性能評(píng)估的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌與力學(xué)性能

圖1所示為含4%膨脹蛭石的銅基摩擦材料(4#試樣)的SEM組織。圖1(a)中黑色長(zhǎng)條狀組織為石墨，灰黑色條狀組織為膨脹蛭石，兩者呈現(xiàn)一致的取向，大致垂直于壓制力方向，與實(shí)際的摩擦方向平行。圖1(b)為局部放大圖，灰白色組織為銅基體，灰色的鐵和高碳鉻鐵組織彌散分布于銅基體中；膨脹蛭石顆粒疏松、分層；膨脹蛭石與金屬基體鑲嵌在一起，界面不平整。圖2所示為膨脹蛭石與金屬基體界面處的EDS分析結(jié)果。由圖可知，界面處金屬基體中Cu元素含量和蛭石中的Mg、Al、Si、Ca等元素含量存在峰值，表明金屬基體與膨脹蛭石之間不存在化學(xué)反應(yīng)，屬于機(jī)械結(jié)合。這是由于高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中銅基體與蛭石存在一定的界面潤(rùn)濕性，形成良好的機(jī)械鑲嵌，因而界面處孔隙較少[14]。

表1 銅基摩擦材料的原料配比Table 1 Formulation of copper-based friction materials (mass fraction, %)

圖1 含4%膨脹蛭石的銅基摩擦材料(4#試樣)SEM形貌Fig.1 SEM morphologies of 4# sample (with 1% expanded vermiculite) (a) Microstructure morphology; (b) Local amplification image

圖2 膨脹蛭石與金屬基體界面處的EDS分析Fig.2 The interface EDS analysis of expanded vermiculite and metal matrix

表2所列為不同膨脹蛭石含量的銅基摩擦材料力學(xué)性能。由表可知，材料的密度、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和洛氏硬度都隨蛭石含量增加而下降。由于膨脹蛭石的密度和硬度較低，因此材料的密度和硬度隨蛭石含量增加而減小。銅基摩擦材料中的潤(rùn)滑組元石墨、膨脹蛭石與金屬基體之間的界面為機(jī)械結(jié)合，屬于弱結(jié)合界面，因此，銅基摩擦材料在受單向載荷時(shí)，界面損傷以脫粘為主，脫粘位置形成的界面裂紋成為主裂紋發(fā)展的路徑，最終導(dǎo)致材料斷裂。隨蛭石含量增加，裂紋源增多，故材料的抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度降低[15]。

表2 銅基摩擦材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the copper-based friction materials

2.2 摩擦磨損性能

圖3 轉(zhuǎn)速和膨脹蛭石含量對(duì)銅基摩擦材料磨損率的影響Fig.3 Effects of rotate speed and expanded vermiculite content on the wear rate of the friction materials

圖4 膨脹蛭石含量對(duì)銅基摩擦材料摩擦因數(shù)的影響Fig.4 Effects of rotate speed and expanded vermiculite content on the friction coefficient of the copper-based friction material

圖3和圖4所示分別為膨脹蛭石含量對(duì)銅基摩擦材料磨損率與摩擦因數(shù)的影響。由圖3看出，在低轉(zhuǎn)速條件下，加入膨脹蛭石后，材料的磨損率顯著降低，受膨脹蛭石含量影響較小。在中、高轉(zhuǎn)速下，材料的磨損率隨蛭石含量增加而增大。在轉(zhuǎn)速提高至7 000 r/min 時(shí)，蛭石含量為1%和2%的材料，其磨損率與不含蛭石材料的基本相當(dāng)，而含4%蛭石的材料磨損率明顯增大。從圖4可見(jiàn)，與不含膨脹蛭石的材料相比，加入1%膨脹蛭石的材料在所有轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)均有所提高。但隨膨脹蛭石含量增加，材料的摩擦因數(shù)逐漸降低，含4%膨脹蛭石的材料，其摩擦因數(shù)低于不含膨脹蛭石的材料。這是因?yàn)榕蛎涷问暮康陀?%時(shí)，膨脹蛭石與金屬基體結(jié)合較好，且具有較大表面積，使制動(dòng)時(shí)摩擦力矩增大，從而提高材料的摩擦因數(shù)；但從膨脹蛭石的片層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以推斷，膨脹蛭石在摩擦材料中產(chǎn)生類(lèi)似于石墨的潤(rùn)滑效果，因此隨膨脹蛭石含量增加，材料的摩擦因數(shù)降低[16]，同時(shí)過(guò)量的膨脹蛭石導(dǎo)致材料的力學(xué)性能惡化，二者界面結(jié)合減弱，導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低[17]。

2.3 磨損機(jī)理

圖5(a)和(c)分別為1#(不含膨脹蛭石)與3#(含3%膨脹蛭石)摩擦材料試樣在低轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)下摩擦試驗(yàn)后的截面形貌，圖6所示為摩擦表面形貌與EDS分析。由圖5(a)可知，不含膨脹蛭石的材料，其摩擦表面形成一層摩擦膜，膜層厚度約為5～8 μm，膜層表面呈波浪狀起伏。摩擦膜與基體之間有連續(xù)的裂紋，表明摩擦膜為由摩擦產(chǎn)生的磨屑經(jīng)碾壓后形成的附著在基體表面的磨屑混合層，這種現(xiàn)象與Bratu的研究結(jié)果類(lèi)似[18]。由圖6(b)可知該摩擦膜主要由石墨組成，含少量高碳鉻鐵、金屬及金屬氧化物。從圖5(a)觀察到1#材料的亞表面處存在厚度約為6～20 μm的塑性變形層，這是由于在剪切應(yīng)力的作用下，金屬基體尤其是其中的Fe顆粒，沿摩擦方向產(chǎn)生塑性流動(dòng)，從而在亞表面形成富Fe的塑性變形層。從圖5(b) 還觀察到1#材料亞表面的部分石墨顆粒接觸摩擦表面時(shí)，形成類(lèi)似于顆粒擠出的現(xiàn)象，在摩擦膜處形成鼓包，然后沿摩擦方向破碎、流動(dòng)、碾壓，逐漸在摩擦表面形成富碳的摩擦膜。由于石墨與基體的界面結(jié)合較弱，在反復(fù)交變應(yīng)力下，來(lái)自于塑性變形層的橫向裂紋沿弱界面擴(kuò)展交匯，在石墨顆粒處形成疲勞磨損。

圖5 1#和3#摩擦材料在3 000 r/min條件下的截面形貌Fig.5 Cross-section morphologies of 1# and 3# friction material samples under rotate speed of 3 000 r/min (a), (b) 1# sample; (c), (d) 3# sample

圖6 1#與3# 材料在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下的摩擦表面形貌與EDS分析Fig.6 Friction surface morphologies and EDS analysis of the 1# and 3# samples under rotate speed of 3 000 r/min (a), (b) 1# sample; (c), (d) 3# sample

由圖5(c)可知，含2%膨脹蛭石的材料，其摩擦表面形成的摩擦膜厚度與不含膨脹蛭石的材料大致相當(dāng)，但膜層表面較平滑，由圖6(d)可知，表面摩擦膜中存在少量的蛭石成分；在亞表面處未形成連續(xù)的塑形變形層。塑性變形層與材料的抗塑性變形能力、溫度以及所受剪切力等因素相關(guān)。由圖5(d)可見(jiàn)膨脹蛭石與金屬基體交錯(cuò)，結(jié)合緊密，膨脹蛭石對(duì)摩擦膜的貢獻(xiàn)與石墨對(duì)摩擦膜的貢獻(xiàn)類(lèi)似。由于未形成連續(xù)的塑性變形層以及膨脹蛭石與金屬基體的良好結(jié)合，材料出現(xiàn)疲勞磨損的幾率降低。形成摩擦膜后，材料與對(duì)偶之間的摩擦從彈塑性變形、粘著等二體摩擦及夾雜磨屑的三體摩擦，轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)變化的摩擦膜、亞表面層與對(duì)偶表面的摩擦[19]。以上結(jié)果與分析表明，加入膨脹蛭石后，材料表面的摩擦膜與亞表面層的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料摩擦因數(shù)和磨損率的變化。

從6(b)可知，不含膨脹蛭石的材料表面摩擦膜的元素組成主要為C、Fe、Cu及其氧化物。Fe元素的大量出現(xiàn)表明摩擦過(guò)程中發(fā)生了從對(duì)偶向摩擦表面的材料轉(zhuǎn)移。摩擦膜的剝落出現(xiàn)在亞表面的石墨顆粒處，材料的磨損主要表現(xiàn)為低應(yīng)力的磨粒磨損和疲勞磨損。磨粒與加工硬化的膜表面產(chǎn)生接觸應(yīng)力，與摩擦膜表面發(fā)生磨粒磨損。而在亞表面處則產(chǎn)生塑性變形，裂紋沿石墨與金屬界面擴(kuò)展交匯，最終產(chǎn)生疲勞磨損。從圖6(c)可見(jiàn)，加入膨脹蛭石的材料的摩擦膜完整光滑，目視下呈現(xiàn)出金屬銅的金黃色，表面少見(jiàn)層狀剝落，由圖6(d)可知，摩擦膜主要含有Cu元素，其次為Fe元素。膨脹蛭石與金屬基體結(jié)合良好，并且填充了摩擦表面的凹坑，同時(shí)材料基體中的Cu顆粒破碎后在摩擦表面經(jīng)碾壓后充分塑性延展，并與對(duì)偶發(fā)生粘結(jié)。粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度低于摩擦材料及對(duì)偶材料的強(qiáng)度，因而剪切發(fā)生在結(jié)合面上。因此在低轉(zhuǎn)速下，加入膨脹蛭石的材料的摩擦磨損機(jī)理為粘著磨損，摩擦因數(shù)較大，磨損率降低。

圖7所示為1#和3#材料在5 000 r/min轉(zhuǎn)速下摩擦試驗(yàn)后的摩擦表面形貌。由圖可知，不含蛭石材料的摩擦磨損機(jī)理仍然以磨粒磨損和疲勞磨損為主。與圖6對(duì)比可知，隨轉(zhuǎn)速增大，摩擦表面的溫度和應(yīng)力提高，因此加入膨脹蛭石的材料表面的粘著磨損程度增大，并且出現(xiàn)摩擦膜的剝落，導(dǎo)致材料的磨損率增大(見(jiàn)圖3)。圖8(a)、(b)分別為1#和3#材料在7 000 r/min轉(zhuǎn)速下的摩擦表面形貌。由圖可知，在7 000 r/min轉(zhuǎn)速下，1#和3#材料的摩擦磨損機(jī)理都轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p、犁削磨損和疲勞磨損的復(fù)合磨損機(jī)制，因此兩者的磨損率接近。加入4%膨脹蛭石的材料，由于膨脹蛭石的密度很低，在材料中的體積分?jǐn)?shù)很大，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度大大降低，其疲勞凹坑的面積和深度都增大，磨損率急劇升高。

圖7 1#與3# 材料在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下的摩擦表面形貌Fig.7 Friction surface morphologies of the1# sample (a) and 3# sample (b) under rotate speed of 3 000 r/min

3 結(jié)論

1) 隨膨脹蛭石含量增加，銅基粉末冶金摩擦材料的密度、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及硬度均降低。膨脹蛭石與金屬基體之間的結(jié)合屬于機(jī)械嵌合。

圖8 1#與3# 材料在7 000 r/min轉(zhuǎn)速下的摩擦表面形貌Fig.8 Friction surface morphologies of the 1# sample (a) and3# sample (b) under rotate speed 3 000 r/min

2) 在低轉(zhuǎn)速條件下(3 000 r/min)，膨脹蛭石的加入使銅基粉末冶金摩擦材料的磨損率顯著減小；在中、高轉(zhuǎn)速下，隨膨脹蛭石含量增加，材料的磨損率增大。加入1%的膨脹蛭石時(shí)，材料的摩擦因數(shù)增大，但隨膨脹蛭石含量提高，材料的摩擦因數(shù)減小。

3) 在低轉(zhuǎn)速條件下，隨膨脹蛭石加入，銅基摩擦材料的磨損機(jī)制由磨粒磨損和剝落磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p，磨損率較小。隨摩擦轉(zhuǎn)速增大，不含膨脹蛭石與含2%膨脹蛭石的材料的磨損機(jī)制都轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p、犁削磨損和疲勞剝落磨損的復(fù)合磨損機(jī)制，材料的磨損率增大。

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(編輯 湯金芝)

Effect of expanded vermiculite particles on friction and wear properties of copper-based friction materials

WANG Zhenbo1, WANG Xiufei1,2, YIN Cailiu2, BAI Tongqing1, SONG Jiajie1, XIE Aolin2
(1. Beijing Youcaitec Material Co., Ltd, Beijing 100095, China; 2. Institute of Friction Materials, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China)

Copper-based friction materials with different contents (mass fraction of 0%?4%) of expanded vermiculite were fabricated using powder metallurgy method. Friction and wear properties of these materials were tested under different speeds via MM-1000 type friction tester. Effect of expanded vermiculite on friction and wear mechanism was analyzed. The results show that the copper-based friction materials with 1% expanded vermiculite has higher friction coefficient than those without expanded vermiculite, while the friction coefficient decreases with the content of the expanded vermiculite increasing from 1% to 4%. At the low speed, the wear rate of the copper-based friction materials with expanded vermiculite decreases rapidly, and the effect of the expanded vermiculite content on wear rate is little. For medium and high speeds, the wear rate increases with increasing the expanded vermiculite content from 1% to 4%. The friction film of the friction material is more smooth through addition of vermiculite, and there is no the sub-surface tending to fatigue wear. Under the low speed, the wear mechanism of the copper-based friction materials with the addition of expanded vermiculite is the adhesive wear, while the wear mechanism is dominated by a comprehensive wear consisting of adhesive wear, plough wear and fatigue wear at medium and high speeds.

copper-based friction materials; expanded vermiculite; friction coefficient; friction and wear; wear mechanism

TB331

A

1673-0224(2017)04-496-07

廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014GXNSFAA118332)

2016?07?21；

2016?10?30

王秀飛，高級(jí)工程師，博士。電話(huà)：13811284346；E-mail: wangxf4346@163.com