一種新型摩擦材料在水潤滑下的摩擦學性能研究

周子涵，何福善，鄭開魁，高誠輝，林有希，江威

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108)

0 引言

摩擦材料廣泛應用于交通運輸設備和工業設備的制動系統。制動系統應具有較好的安全性、智能性、環保性以及機械設備的操作舒適性[1]。為達到以上要求，摩擦材料應具有適當大小且穩定的摩擦系數、良好的導熱性、耐熱性和耐磨性。在特殊工況下工作時，摩擦材料應對水、油或制動液的吸收性差[2]。據統計，全國每年發生的交通事故有三成是因剎車失靈造成的。雨雪天氣導致剎車片濕滑，高速公路連續長下坡、大車重載超載等導致剎車片過熱，都是導致剎車失靈的主要原因。因此有必要研究水潤滑狀態下載荷、轉速對摩擦材料的摩擦學性能影響。葛毅成等[3]研究了不同載荷下干摩擦和水潤滑狀態對C/C復合材料摩擦磨損特性的影響。E1-Tayeb等[4-5]研究了不同載荷下水噴霧對剎車片材料的摩擦磨損性能影響。賈均紅等[6]研究了不同載荷下碳纖維增強聚醚醚酮復合材料在水潤滑下的摩擦學行為。韓曉明等[7]通過濕潤滑模擬雨雪天氣，研究了不同速度下水分對銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。BLAU等[8]對速度對商業卡車盤式制動摩擦材料的性能影響作了實驗性研究。這些研究都表明轉速、載荷、干摩擦或是水潤滑都對復合材料的摩擦學性能有影響。

稀土化合物作為高溫潤滑劑、抗磨涂層添加劑添加到材料中，能夠很好地改善高溫摩擦磨損性能。課題組前期研究了稀土溶液改性竹纖維對制動材料力學與摩擦學性能的影響，發現經稀土溶液的改性提高了竹纖維與樹脂基體的界面黏結性和竹纖維的耐熱性能，從而改善竹纖維增強材料的硬度、沖擊強度、高溫摩擦系數及其穩定性[9]；還研究了稀土化合物改性樹脂基體對制動材料摩擦學性能的影響，發現稀土化合物的加入提高了制動材料的摩擦因數，減小制動材料對載荷和轉速的敏感性，起到了穩定摩擦因數的作用；稀土的加入還使樹脂與其他填料更牢固地黏合在一起，使材料黏著磨損得到有效抑制，改善了材料表面的磨損狀況[10]。在此基礎上，本實驗采用模擬實驗方法研究水潤滑條件下制動載荷、轉速對稀土改性摩擦材料摩擦學性能的影響規律，對比了干摩擦條件下材料的摩擦磨損行為，并分析其機理。

1 實驗材料與方法

本試驗選擇制動摩擦材料配方(質量分數)為：14%的稀土氧化物、18%的改性樹脂、14%的增強纖維、54%的摩擦性能調節劑。將稱重后的復合材料倒入JF810S 型混料機中充分攪拌均勻。利用Y32-63四柱液壓機進行熱壓成型，熱壓成型溫度為160℃～200℃，壓力為8MPa～10MPa，保壓5min～10min。在JF980S型熱處理箱內進行熱處理，在30min內升溫至100℃～200℃，保溫12h后隨爐冷卻。采用MMS-2A微機控制摩擦試驗機進行環塊式摩擦性能測試。試樣尺寸為6mm×7mm×30mm的長方體，對偶件為材質HT250的圓環，實驗條件：滑動速度為300r/min～500r/min，載荷為200N～400N。實驗開始前先磨合5min，再進行試驗測試，實驗時間為100min。以每分鐘60～70滴的速度滴注蒸餾水到對偶環上實現水潤滑。滑動接觸摩擦副的示意圖如圖1所示。

圖1 滑動接觸摩擦副的示意圖

具體磨損率計算參考文獻[11] ，對每個樣本進行了3次重復測試以盡量減少誤差。本實驗采用Phenom Pro臺式掃描電子顯微鏡觀察試樣表面磨損形貌。

2 結果與討論

2.1 水潤滑條件下載荷與轉速對摩擦學性能影響

分別以載荷和轉速作為單因素實驗變量，實驗得出水潤滑條件下摩擦系數隨載荷和轉速的變化如圖2所示。

圖2 水潤滑狀態下載荷、轉速對摩擦系數的影響

由圖2(a)可以看出，隨著載荷增大，摩擦系數普遍呈下降的趨勢。載荷在200N～300N時，隨著載荷的增加摩擦系數有明顯下降。載荷在300N～400N時，轉速為400r/min和350r/min的試樣摩擦系數上下波動，轉速為300r/min、450r/min、500r/min的試樣摩擦系數降低趨勢減緩。這是因為載荷增大導致溫度升高使材料產生了熱衰退。由圖2(b)可以看出，水潤滑條件下，載荷為200N、250N、350N時，轉速對摩擦系數沒有明顯的影響。載荷為300N和400N時，摩擦系數隨著轉速的增大上下波動。

分別以載荷和轉速作為單因素實驗變量實驗得出水潤滑條件下磨損率隨載荷和轉速的變化如圖3所示。

圖3 水潤滑狀態下載荷、轉速對磨損率的影響

由圖3(a)可以看出，試樣磨損率隨著載荷的增大整體呈現下降趨勢，尤其在載荷200N～300N之間，試樣磨損率波動較大。載荷為300N～400N，試樣磨損率波動無明顯規律，波動幅度較小。由圖3(b)可以看出，隨著轉速增大，磨損率整體呈下降的趨勢。載荷為200N、250N、300N的試樣磨損率波動幅度較大，載荷為350N和400N的試樣隨著轉速增大，磨損率波動較小。

2.2 磨損機制分析

選取200N+300r/min、400N+300r/min和200N+500r/min 3組試樣對比不同載荷與轉速下水潤滑條件時摩擦磨損行為，其磨損表面形貌SEM如圖4所示。上方為200倍表面形貌圖，下方為2000倍背散射圖。

圖4 水潤滑條件下不同載荷，不同轉速磨損試驗后的試樣SEM圖

由圖4(a)可以看出，載荷低時表面犁削磨損程度低，這主要是因為試樣摩擦表面與對偶環真實接觸面積少。由圖4(b)可以看出，載荷增加至400N時犁溝的深度和密度增加，這主要因為試樣與對偶環接觸面積增加，加劇了犁削磨損和磨粒磨損。對比圖4(d)、圖4(e)可以看出高載荷下出現了明顯的黏著剝落。剝落的磨屑在摩擦表面形成膜，減少試樣與水和對偶環的接觸面積，所以水在對磨過程中對試樣表面裂紋的擠壓減少，降低了疲勞剝落導致摩擦系數磨損率下降。

由圖4(a)、圖4(c)分析比較可以看出，低載荷下轉速提高，使得表面更為光滑，犁溝減少深度變淺。雖然轉速使表面溫度升高，但是水有降溫的作用，并且由于轉速的提高，水在試樣表面與對偶環之間形成了更穩定的水膜[12]造成邊界潤滑，故摩擦系數磨損率降低。由圖4(d)、圖4(f)可以看出，高轉速下試樣表面裂紋減少，磨粒磨損和疲勞剝落都減輕了。

2.3 材料在水潤滑和干摩擦條件下摩擦性能測試對比實驗

取載荷400N轉速300r/min干摩擦和水潤滑實驗數據進行對比，進一步分析水潤滑條件下摩擦學行為特點，其實驗結果如表1所示。由表1可知，試樣在水潤滑狀態下摩擦系數為0.399，低于干摩擦狀態下0.51，這是因為試樣表面形成了水膜，起到了邊界潤滑的作用[13]。水潤滑狀態下試樣的磨損率為1.00×10-5(mm3·N-1·m-1)，也明顯低于干摩擦下2.91×10-5(mm3·N-1·m-1)，這是因為水可以起到潤滑和冷卻的作用，降低試樣表面溫度，減輕試樣表面因高溫引起的塑性變形和剝落[14-15]。

表1 干摩擦和水潤滑下的摩擦系數和磨損率(400N,300r/min)

圖5所示為試樣在400N載荷和300r/min轉速下在干摩擦和水潤滑條件下磨損后的SEM圖。上方為200倍表面形貌圖，下方為2000倍背散射圖。

圖5 相同工況條件(400N，300r/min)干摩擦和水潤滑的SEM圖

由圖5(a)、圖5(b)對比分析可以看出，干摩擦條件下試樣表面較為平滑，僅有輕微的犁溝形成。水潤滑條件下的試樣劃痕密度較大，犁溝較深，犁削作用明顯。但表面較為平整，凹坑較少。無論干摩擦還是水潤滑條件下表面都較為平整，結合課題組前期研究可以認為經稀土化合物改性過的竹纖維和樹脂基體在干摩擦和水潤滑條件下都有較好的界面結合性。由圖5(c)可以看出，干摩擦條件下的試樣表面粗糙，出現了局部的磨料剝落，并且剝落的顆粒被擠壓形成塑性流動與對偶環表面轉移形成轉移膜，產生了黏著磨損，導致摩擦系數較高且試樣磨損率較大。由圖5(d)可以看出水潤滑條件下試樣表面平整，但可能受水的沖刷出現了龜裂。由于水帶走了一部分顆粒，所以表面磨粒較少，塑性流動減輕，因此摩擦系數相對較低。試樣的磨損率降低一方面是由于水滲入表面的龜裂或空洞內，以其靜壓作用破壞了表面膜，阻斷了轉移膜的形成；另外一方面，水的冷卻作用也減小了試樣因摩擦熱產生的塑性流動和黏著以及水膜形成邊界潤滑阻斷了轉移膜的形成。結合圖5(c)、圖5(d)可以看出，稀土改性試樣磨損表面雖然出現了黏著剝落，但面積都較小，即使水潤滑條件下出現了裂紋但也并未導致基體過多的剝落，可以推測在水潤滑條件下稀土化合物的作用與在干摩擦條件下相同，都起到了提高竹纖維和基體的界面結合性以及抑制材料黏著剝落的作用。

3 結語

1) 水潤滑條件下，稀土改性摩擦材料隨著載荷增大，摩擦系數和磨損率普遍呈下降的趨勢。這主要是由于載荷增加并促進試樣與對偶環接觸表面穩定摩擦膜的形成，減少了水在對磨過程中對試樣表面裂紋的擠壓，降低了疲勞剝落導致摩擦系數和磨損率下降；隨著轉速的增大，摩擦系數沒有明顯變化，但磨損率整體上呈下降的趨勢。這主要是由于轉速的增加試樣表面形成穩定的水膜造成邊界潤滑，試樣表面裂紋減少磨粒磨損和疲勞剝落都減輕，所以磨損率有所降低。

2) 與干摩擦相比，摩擦材料在水潤滑狀態下摩擦系數與磨損率都出現了較大的降低。這主要是由于水起到了沖刷和冷卻的作用，阻止了轉移膜的形成，并在材料表面形成水膜起到了邊界潤滑的作用。稀土化合物的加入使摩擦材料在水潤滑和干摩擦條件下表面都較平整，黏著剝落較少，起到了提高竹纖維和基體的界面結合性及抑制材料黏著剝落的作用。