銅鋁石墨組合材料摩擦角度與摩擦性能的關系

韓曉明，王亞楠，符蓉，蘇琳琳

(大連交通大學 連續擠壓工程研究中心，遼寧 大連 116028)*

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銅鋁石墨組合材料摩擦角度與摩擦性能的關系

韓曉明，王亞楠，符蓉，蘇琳琳

(大連交通大學 連續擠壓工程研究中心，遼寧 大連 116028)*

通過組合法制備了銅、鋁、石墨三種材料構成的組合材料，利用定速摩擦試驗機，研究了摩擦速度為200～2 000 r/min和制動壓力為0.25～0.64 MPa條件下，摩擦角度對摩擦系數的影響.試驗結果表明：摩擦角度對摩擦系數的影響與壓力有關.當壓力小于0.51 MPa時，摩擦角度的改變對摩擦系數影響不大；當壓力超過0.51 MPa時，45°方向的摩擦系數要明顯高于0°方向和90°方向的摩擦系數，原因在于摩擦角度為45°時，摩擦表面容易發生整體剪切流動，較強的粘著力形成魚骨狀裂紋，使剪切作用力增大，導致摩擦系數增高.

組合材料；摩擦性能；摩擦角度

0　引言

高性能摩擦材料在具有較高摩擦系數的同時，還要求隨工況條件的變化，摩擦系數保持穩定.為使材料達到這種苛刻的性能要求，通常采用多組元材料來制造摩擦材料.高速列車制動閘片就是一種由銅、鐵、鋁、鉻和石墨多組元構成的粉末冶金材料[1- 3].在摩擦中，利用材料中各組元不同的特性，達到控制摩擦系數的目的.因此，為設計高性能的摩擦材料，需要認識材料中每種組元對摩擦性能的摩擦機理以及影響程度[4- 5].為認識這些作用對摩擦性能的影響，需要通過觀察表面組織的形態特征來揭示每種組元對摩擦性能的作用機制.然而，由于粉末冶金材料中的多種組元呈彌散分布狀態，各組元在摩擦力的作用下發生剪切流動而疊加，難于甄別每種組元的演化特征，同時，混合了各組元粒子的第三體組織覆蓋在摩擦表面上，進一步增加了認識每種組元和及相應的第三體在摩擦中變化過程的難度.為了解決這個問題，文獻[6]提出了一種機械組合方法，將幾種材料組成一種結構有序的層片式組合材料，由于這種方法形成的組元層次分明，對于認識和甄別各組元在摩擦表面的交互作用是十分有利的.通過這種方法發現了銅、鋁和鐵的組織形成特征與摩擦性能的關系，這為認識材料特性與摩擦性能的關系提供了一條新路徑.可見，利用這個方法，進一步研究非金屬材料，如石墨與其它金屬組元的相互關系也應當是可行的.同時，當不同性質的材料組合在一起時，組元的排列方式也可能對摩擦學行為有影響.因此，借助于機械組合方法揭示摩擦材料中組元特性對摩擦性能的影響機制，對研制高性能制動摩擦材料是有指導意義的.

本文采用機械組合方法，將銅、鋁和石墨組成兩種排布方式的組合材料.通過摩擦試驗的方法，研究了在不同摩擦條件下，兩種組合材料與摩擦性能的關系.觀察分析了不同摩擦區域表面組織的演化特征，以達到認識石墨組元與金屬組元間相互作用機制的目的.

1　試驗材料與方法

試驗材料選用鋁片和銅片(圖1)，采用交替的排列順序進行排布，通過機械嚙合的方式過盈配合到夾具中，夾具可以在夾頭中實現0°、45°、90°三個角度的調整(圖2)，達到實現金屬片的排列方向和摩擦方向分別成平行、垂直以及45°角方向摩擦的目的.金屬片的長和寬分別為21 mm和15 mm.銅片、鋁片的厚度分別為0.4 mm和0.8 mm.銅鋁的摩擦面積比為2∶1.

圖1　層片式摩擦材料示意圖

(a)層片平行于 摩擦方向 (b)層片與摩擦方 向成45°角 (c)層片垂直于 摩擦方向

圖2層片方向與摩擦方向分別成0°、45°以及90°

試驗采用GF150D型定速摩擦機，摩擦對偶盤材料為H13鋼，摩擦半徑是150 mm，摩擦壓力分別為0.25、0.38、0.51和0.64 MPa，摩擦速度為200～2 000 r/min，每次的摩擦時間為30 s.每種測試條件下測試三次，測試結果為三次的平均值.摩擦表面的形貌觀察采用OLYMPUS光學顯微鏡.

2　結果與討論

圖3是三種摩擦角度(0°，45°，90°)對摩擦系數的影響.可以看出，三個摩擦角度下的摩擦系數都隨摩擦速度的提高而有所降低.從整體上觀察，當壓力小于0.51 MPa時，三個方向的摩擦系數值比較接近，摩擦角度的改變對摩擦系數影響不大；當壓力超過0.51 MPa時，45°方向的摩擦系數要明顯高于0°方向和90°方向的摩擦系數，90°方向的摩擦系數與0°方向的摩擦系數基本持平.

圖4是金屬片平行于摩擦方向(0°)時，摩擦表面的形貌變化.由圖可見，當速度為200 r/min時，摩擦表面的犁溝現象比較明顯，粗糙度較大.當轉速增加到600 r/min時，鋁表面區域平整，銅表面出現了剝落坑，并且犁溝現象比較嚴重.當速度為1 800 r/min時，鋁表面的平整度進一步提高，銅表面出現了彩色的氧化物，犁溝現象減弱，幾乎看不到剝落坑的存在.由此表明，金屬片平行于摩擦方向時，在低速時，鋁表面易形成犁溝，在隨后的摩擦過程中，鋁的表面形態變化不大.而銅表面會形成致密的第三體層，使表面粗糙度得到明顯的降低，但由于氧化物的脆性，在摩擦過程中會形成剝落坑.

圖3　不同摩擦角度對摩擦系數的影響

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

圖4平行于摩擦方向(0°)時，銅鋁表面的形貌變化

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

圖5垂直于摩擦方向時，銅鋁表面的形貌變化

圖5是層片方向與摩擦方向垂直時，銅鋁表面的形貌變化，由圖可見，當轉速為200 r/min時，銅和鋁之間發生了相互覆蓋的現象，其中，鋁向銅上的覆蓋比較明顯，摩擦表面整體上存在大量細小的犁溝，表面粗糙度較大.當速度增加到600 r/min時，銅鋁的混合程度進一步增加，已經難以區分銅片與鋁片之間的界限，粗糙度有所降低，摩擦表面的流線已經完全和摩擦方向平行，即垂直于金屬片方向.當速度增加至1 800 r/min時，摩擦表面的氧化現象比較嚴重，其中顏色較淺的部位是以鋁為主要成分的，而銅氧化物顏色較深.由此表明，當層片方向與摩擦方向垂直時，在低速時，由于金屬要發生剪切流動，而且是垂直于層片方向流動，提高了該條件下的摩擦系數，當速度增加到600 r/min時，兩組元混合的更加充分，表面粗糙度得到了改善，當速度為1 800 r/min時，高速下的溫升使材料表面的氧化程度嚴重，另外使得基體軟化，表面粗糙度降低，進而降低了摩擦系數.

圖6是與摩擦方向成45°角時，銅鋁表面的形貌變化情況，其中圖6(a)～6(c)對應的壓力為0.38 MPa下的表面形貌,由圖可見，當速度為200 r/min時，鋁向銅的表面發生了剪切流動，當速度增加到600 r/min時，摩擦表面的兩種組元進一步混合，表面粗糙度略有增加，當轉速為1 800 r/min時，混合后的摩擦表面形成了連續的第三體層，局部出現了剝落坑，其尺寸相對較大.由此表明，當層片方向與摩擦方向成45°角時，與層片垂直于摩擦方向類似，在低速情況下均發生大面積的剪切流動.圖6(d)～6(f)對應的是0.64 MPa下的表面形貌，由圖可見，當轉速為200 r/min時，在摩擦表面出現了壓實區，混合后的兩組元已分不清彼此之間的界限，當速度為600 r/min時，在鋁的表面出現了大塊剝落的銅，摩擦表面的犁溝現象比較明顯.當速度增加到1 800 r/min時，摩擦表面出現黏著物和撕裂情況.由此表明，當壓力為0.64 MPa，低速時摩擦表面的整體剪切流動現象比較明顯，當速度增加到600 r/min時，出現了表層物質塊狀的剝離，當速度為1 800 r/min時，由于層片方向與摩擦方向成45°角，因此兩端和中間的流動速度存在差異，表面溫升也有所不同，而溫升大的部位由于基體軟化導致的黏著撕裂現象明顯，進而提高了摩擦系數.

圖6　與摩擦方向成45°角時，銅鋁表面的形貌變化

3　結論

(1)摩擦角度對摩擦系數的影響與壓力有關.當壓力小于0.51 MPa時，摩擦角度的改變對摩擦系數影響不大；當壓力超過0.51 MPa時，45°方向的摩擦系數要明顯高于0°方向和90°方向的摩擦系數；

(2)壓力超過0.51 MPa，摩擦角度為45°時，摩擦表面容易發生整體剪切流動，較強的粘著力形成魚骨狀裂紋，使剪切作用力增大，導致摩擦系數高于摩擦角度為0°和90°的摩擦系數.

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

[2]王廣達,方玉誠,羅錫裕.粉末冶金摩擦材料在高速列車制動中的應用[J].粉末冶金工業,2007,17(4):77- 81.

[3]高紅霞,劉建秀,朱茹敏.銅基粉末冶金列車閘瓦材料的摩擦磨損性能研究[J].材料科學與工程學報,2005,23(6):871- 874.

[4]樊毅,張金生,高游,等.石墨粒度對Cu-Fe基摩擦材料性能的影響[J].摩擦學學報，2000，20(6)：475- 477.

[5]吳炬，程先華．干摩擦和水潤滑條件下芳綸漿粕/環氧樹脂復合材料摩擦磨損性能研究[J]．摩擦學學報,2006,26(4):325- 329.

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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

遼寧省教育廳科學研究計劃資助項目(L2013188)；中國鐵路總公司重點科技計劃資助項目(2013J011-E)

韓曉明(1982-)，女，講師，博士，主要從事制動材料摩擦磨損性能的研究

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

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