C／C－SiC材料不同制動速率下的濕式摩擦磨損性能

李 專，肖 鵬，岳 靜，熊 翔

（中南大學 粉末冶金國家重點實驗，長沙410083）

濕式摩擦材料是指用于浸油封閉環境的摩擦材料，由于其特殊的工作環境，使其與干式摩擦材料相比具有磨損率低、能量吸收能力高、對外密封防塵好及受外界影響小等特性。近年來我國濕式摩擦材料的研發取得了顯著進展，但仍存在摩擦因數小、磨損量大的問題，不能滿足各類工程機械和重型車輛的濕式離合器的使用要求（摩擦因數≥0.08），大量軍用重型車輛離合器片仍須進口[1－3］。濕式摩擦材料的現場使用情況表明：摩擦片的翹曲變形、黏著、斷裂等為摩擦片的主要失效形式。主要失效原因是摩擦片冷卻不夠充分，工作時所產生的熱量超過了材料熱容極限[4，5］。研究人員嘗試通過改進冷卻通道并加大油壓來改善冷卻效果，實際情況卻不理想。因此研制高摩擦因數、高穩定度以及使用壽命長的離合器摩擦材料具有非常重要的經濟意義和軍事意義。

C／C－SiC，即炭纖維增強炭和碳化硅二元雙基體復合材料，是現今高性能輕質剎車材料的一個主要研究方向。C／C－SiC材料與傳統半金屬基和粉末冶金剎車材料相比，具有密度低、耐高溫、制動平穩、摩擦因數高、磨損少和使用壽命長等優點[6－8］。與炭／炭（C／C）材料相比，由于C／C－SiC制動材料中引入了SiC陶瓷相作為基體，不僅有效提高了材料的抗氧化性和摩擦因數，而且顯著改善了摩擦性能對外界環境介質（潮氣、霉菌和油污等）的適應性。近年來國內外研究者對C／C－SiC材料的干式摩擦磨損性能進行了廣泛的研究，而在濕態條件下的摩擦磨損性能卻鮮有報道[8－10］。

本工作以針刺炭纖維氈為預制體，采用化學氣相滲透法與熔融滲硅法相結合制得C／C－SiC復合材料；利用MM－1000型慣性試驗臺研究了C／C－SiC復合材料在不同制動速度下干態和CD15W－40柴油機油潤滑狀態下的摩擦磨損性能，以及濕態條件下的摩擦磨損機制。

1 實驗材料及方法

采用日本東麗公司（Toray）生產的PAN型T700（12K）炭纖維。將炭纖維分別制成無緯布和網胎，將單層0°無緯布、網胎、90°無緯布、網胎依次循環疊加，然后采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引入炭纖維束制得炭纖維整體氈。在1600℃對預制體進行高溫熱處理后，采用化學氣相滲透法增密得到C／C多孔體。最后將硅粉熔融浸滲C／C多孔體制得C／CSiC摩擦材料。在CVI增密工藝中，以C3H6為反應氣，H2為稀釋氣，1000℃沉積。

在MM－1000型摩擦磨損試驗機上進行干態和濕態條件下的摩擦磨損試驗，對偶件為30CrMoSiVA合金鋼，其硬度為HRC40～45。C／C－SiC與對偶件摩擦試環的外徑均為75mm、內徑53mm、厚20mm。濕態條件下C／C－SiC試環摩擦表面加工5條徑向油槽并磨平，油槽寬2.0mm、深1mm。所用潤滑油為中石化CD15W－40型高增壓柴油機油。濕態實驗前將C／CSiC試樣在柴油機油中浸泡24h以上，使試樣充滿油液，實驗開始后輸油管持續供油，油流量為110 mL／min。

MM－1000測試參數為：轉速分別為3000，4000，5000，6000r／min，制動比壓1.0MPa，轉動慣量0.1kg·m2。試驗機直接記錄制動力矩與時間的關系曲線。用精確到0.01mm的螺旋測微器測量試環上6點處摩擦前后的尺寸變化，在測量尺寸前均用吸油紙將試環表面潤滑油吸盡，取平均值得到線性磨損量。

采用阿基米德排水法測試C／C－SiC試樣的密度和開孔率。采用Digidrop GBX型接觸角測定儀測定C／C－SiC材料和對偶件與二次蒸餾水的接觸角。采用D／max 2550VB＋18kW轉靶X射線衍射儀對試樣進行物相組成分析。采用JSM－6360LV型掃描電子顯微鏡和KH－7700三維顯微鏡對C／C－SiC試樣顯微結構、摩擦表面及磨屑進行觀察。

2 結果與討論

2.1 顯微結構與接觸角分析

C／C－SiC試樣的密度為2.26g·cm－3，開孔率為6.4%。C／C－SiC材料的顯微形貌及其炭纖維氈體結構示意圖如圖1所示。由圖1（a）可以看出，C／C－SiC材料是典型的非均質材料，無緯布和網胎相互交替排布，具有明顯的亞結構單元。圖1（a）黑色區域為炭纖維和熱解炭，灰白區域為β－SiC及殘留Si。由圖1（b）炭纖維氈體結構示意圖可知，無緯布層纖維排列整齊緊密，網胎層短纖維隨機雜亂排列。因此熔融滲硅過程中，Si（l）只能滲入無緯布層纖維束間或沿著針刺纖維附近的孔隙滲入，而網胎層孔隙尺寸大而且數量多，Si（l）很容易滲入。Si（l）滲入到孔隙中與接觸到的熱解炭和纖維束外部的炭纖維反應生成SiC，并有部分Si來不及反應完全而殘余（如圖1（c）所示），同時材料中還有部分孔隙沒有被填充。前期研究表明，C／CSiC材料中適當的開孔率有利于制動過程中磨屑在摩擦表面的聚集，同時可降低制動噪音。

圖1 C／C－SiC材料的截面形貌（a）及其炭纖維氈體結構示意圖（b）和微區顯微形貌（c）Fig.1 Typical SEM micrographs of C／C－SiC composites and schematic of carbon fiber preform（a）section morphology；（b）schematic of carbon fiber preform；（c）typical SEM micrograph

從圖1（c）還可以看出，纖維外圓及兩層熱解炭之間存在灰白色的環狀物，EDX結果表明環狀物為SiC。這是因為熔融滲硅過程中，大量Si發生氣化，Si（g）擴散至纖維與熱解炭和兩次沉積的熱解炭之間的界面，與炭反應生成SiC。

由于不能直接用潤滑油測試其與試樣的接觸角，便通過測試試樣的親水性來判斷其親油性。圖2是C／C－SiC摩擦材料和鋼對偶件與二次蒸餾水的接觸角的測量圖。由圖2（a）可知，C／C－SiC摩擦材料與水的接觸角為80.5°左右，為疏水性材料，即親油性材料。由圖2（b）可知，鋼對偶與水的接觸角為82.5°左右，為疏水性材料，即親油性材料。

圖2 C／C－SiC材料（a）和對偶件（b）與二次蒸餾水的接觸角測量圖Fig.2 Contact angle measurement chart of C／C－SiC composites and dual piece distilled water（a）C／C－SiC composites；（b）steel opposing material

2.2 摩擦磨損性能

圖3是C／C－SiC材料不同制動速度下干態和CD15W－40柴油機油潤滑狀態下的摩擦磨損性能。由圖3（a）可以看出，在干態下隨著制動速度的增加，摩擦因數先減小后略有增加，在5000r／min時達到最小值0.21。C／C－SiC材料的線性磨損量先減小后增大，在4000r／min時達到最小值0.2μm／cycle。鋼對偶件的線性磨損量也呈現同樣的趨勢，在4000r／min時達到最小值0.5μm／cycle。

圖3 制動速度對C／C－SiC材料摩擦磨損性能的影響 （a）干態；（b）濕態Fig.3 Tribological behaviors of the C／C－SiC composite during different braking speeds（a）dry condition；（b）wet condition

而在CD15W－40柴油機油潤滑狀態下（如圖3（b）所示），摩擦因數先增大后減小，在4000r／min時達到最大值 0.21；C／C－SiC 材料的線性磨損量 也是在4000r／min時達到最大值1.1μm／cycle，為3000r／min時的三倍多，而在5000r／min和6000r／min時，其線性磨損量均為0。鋼對偶件線性磨損量的變化趨勢和C／C－SiC材料相似，在3000r／min時最小，為0.8μm／cycle，4000r／min時最大值1.4μm／cycle。

圖4是C／C－SiC材料在制動速度為3000r／min時干態和濕態條件下的制動曲線。干態條件下制動曲線線形呈“梯形”，波動起伏較大，曲線翹尾比較明顯。這是由于C／C－SiC材料的摩擦表面存在有大量的微突體，制動過程中由于剪切力的作用微突體斷裂脫落成為磨屑，磨屑在低速下難以進一步被磨細，因而在摩擦表面之間形成第三體磨粒磨損，從而使得干態條件下具有最高的摩擦因數（0.39）和較高的線性磨損率。

圖4 C／C－SiC材料在干態和濕態下的制動曲線Fig.4 Braking curves of C／C－SiC composites at dry condition and wet condition

在CD15W－40柴油機油潤滑狀態下，制動曲線線形呈“馬鞍形”，制動曲線穩定，有拖尾的現象產生，但制動時間長，說明潤滑油起到了較好的潤滑作用。

2.3 摩擦表面及磨屑形貌

圖5是C／C－SiC材料不同制動速度下干態和CD15W－40柴油機油潤滑狀態下的摩擦表面形貌。由圖5（a－1），（b－1），（c－1）和（d－1）可見，干態條件下，隨著制動速度的升高，C／C－SiC材料的摩擦表面越來越光滑。圖5（a－1）可見許多犁溝狀的劃痕，這是因為摩擦表面微凸體出現互相嚙合、變形、剪切及斷裂等情況，微突體的斷裂會產生大量的磨粒，磨粒會在兩摩擦表面產生犁溝效應，使摩擦因數增大，同時導致摩擦曲線出現“前峰”現象。

隨著制動速度的增加，試樣表面的微突體進一步斷裂并被不斷碾細；同時摩擦表面溫度升高，磨屑在摩擦過程中易變形并填滿周圍的凹坑，在局部開始形成連續的摩擦膜，如圖5（a－1），（c－1）所示。摩擦膜有潤滑作用，使得摩擦因數不斷降低。C／C－SiC制動過程中其磨損率與產生磨屑和磨屑被擠壓形成摩擦膜是一個動態過程，當產生動態平衡時，即產生磨屑的量與磨屑被擠壓形成摩擦膜的量相等時，則磨損率降到最低值零。制動速度越高，產生的磨屑越多，而磨屑被擠壓形成摩擦膜的量是基本固定的，因此從4000r／min到6000r／min，磨損率不斷增大。圖5（d－1）的摩擦表面最為平整，幾乎沒有劃痕，圖中的黑色區域是炭纖維束被剪斷脫落后形成的凹坑。

由圖5（a－2），（b－2），（c－2），（d－2）可見，CD15W－40柴油機油潤滑狀態下，圖5（a－2），（b－2）的摩擦表面形貌形成了摩擦膜，而圖5（c－2），（d－2）的摩擦表面顯得凹凸不平。在油潤滑狀態下，由于潤滑油分子量大，黏度高，能形成完整的邊界膜，使得試樣與對偶的直接接觸面積減小，所以，犁削磨損程度降低，摩擦表面較為平滑。4000r／min時C／C－SiC摩擦表面形成了較為完整的摩擦膜，因此制動過程中的流體潤滑相對來說是最少的，相應地C／C－SiC材料與金屬對偶件的接觸面積也就最大，因此其摩擦因數和磨損率最高。而5000r／min和6000r／min時，摩擦表面形貌有利于潤滑油很好地鋪展，絕大部分載荷由潤滑劑油膜承擔，少部分則由相互接觸的表面微凸體承擔，主要表現為流體邊界潤滑，因此摩擦因數基本保持穩定，線性磨損率甚至降為零。

圖6是干態條件下C／C－SiC材料在制動速度分別為3000r／min和6000r／min時的磨屑顯微形貌。由圖6（a）可見，磨屑中除大量的塊狀的磨屑和少量的片狀磨屑外，還有較多的金屬絲狀物磨屑。這說明低速制動過程中以磨粒磨損為主，同時C／C－SiC材料摩擦表面中的SiC等硬質相嵌入金屬對偶件中進行刮擦。由圖6（b）可見，6000r／min下的磨屑基本以片狀為主，顆粒狀磨屑較少，同時可見短炭纖維。并且片狀磨屑一面是平的，另外一面在中間部位突起。這是因為C／C－SiC在制動過程中不可避免地會產生壓力場和溫度場，導致摩擦次表面產生微裂紋，微裂紋隨制動的進行不斷擴展，最后導致摩擦表面的局部摩擦膜脫落。

3 結論

（1）C／C－SiC與合金鋼組成的摩擦副的摩擦因數在CD15W－40柴油機油潤滑狀態下，隨制動速度從3000r／min升高到6000r／min，在4000r／min時達到最大值0.21隨后降低至0.17，其線性磨損量也是在4000r／min時達到最大值1.1μm／cycle，為3000r／min時的3倍，而在5000r／min和6000r／min時，其線性磨損量均為0。

（2）C／C－SiC摩擦材料與水的接觸角為80.5°左右，為親油性材料，其在油潤滑狀態下的摩擦磨損機制為流體邊界潤滑。

（3）C／C－SiC材料在濕態條件下能保持較高的摩擦因數，制動曲線平穩，磨損率低，可作為新一代工程機械和重型車輛濕式離合器用摩擦材料的候選材料。

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