Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶金屬含量對酚醛樹脂基摩擦材料性能的影響

吳浩宇 宋之鍇 龍 威 周小平

(1.湖北工業大學材料與化學工程學院 湖北武漢 430068；2.湖北工業大學綠色輕工業材料湖北省重點實驗室 湖北武漢 430068)

隨著科技的發展，人們對汽車安全性提出了更高的要求。剎車片是汽車剎車系統中最重要的組成部分，剎車片質量直接影響車輛行駛安全[1]。性能優異的剎車片可以提供穩定適宜的摩擦因數、低磨損率以及較小的制動噪聲[2]。樹脂基摩擦材料制備工藝簡單、成本低廉、力學性能優良，是目前應用最廣泛的汽車剎車片材料[3-5]。樹脂基摩擦材料通常由黏接劑、增強纖維、填料、潤滑組元等部分組成[6]，其中潤滑組元起到降低材料摩擦因數和磨損量的作用，其在調節摩擦性能方面的效果越來越受到人們的關注。傳統固體潤滑劑石墨具有層片狀結構，潤滑效果良好[7]，對降低材料摩擦因數和磨損量有較好的效果。但是由于石墨密度較小，與酚醛樹脂界面結合度不高[8]，會造成孔隙率的增加以及硬度和強度的降低[9]；另外摩擦時石墨有嚴重的脫落現象，導致磨損量較高[8,10]。

非晶合金(Amorphous Alloy)是近幾十年來發展迅速的新型材料，在快速凝固條件下，金屬熔體凝固過程中晶體相無法形核和長大，金屬原子來不及形成有序排列的晶體結構相，呈現出長程無序、短程有序、宏觀均勻、各向同性的排列方式[11-12]。由于非晶合金獨特的結構，晶體內部不存在空位、位錯、晶界等缺陷，因此具有優異的性能，如高強度、高硬度以及優良的耐磨性等性能[13]。石巖等人[14]采用粉末冶金法及激光誘導表面改性制備了銅基非晶-納米晶摩擦材料，發現經表面改性后，材料中α-Cu相晶粒得到細化，并且材料硬度提升了12.7%，耐磨性能提升了45%，摩擦因數提升了1%。

石巖等人[14]的研究表明，非晶合金可以起到提升金屬基摩擦材料性能的作用，但是非晶合金在樹脂基摩擦材料中的應用卻鮮見報道。Fe基非晶合金成本低廉[15]，具有超低的摩擦因數以及磨損率，在摩擦磨損性能方面表現優異[16]，因此Fe基非晶在作為增強顆粒用于摩擦材料方面具有巨大的潛力，有望在增強材料力學性能的同時起到潤滑作用。本文作者采用Fe基非晶顆粒代替傳統的潤滑組元，探究非晶顆粒含量對酚醛樹脂基摩擦材料摩擦磨損性能的影響規律。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

酚醛樹脂，200～300目，長春人造樹脂廠股份有限公司生產；Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末，500目，北京桑普斯瑞公司生產。

圖1所示為Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末XRD衍射圖。可以看出，在40°<2θ<50°處，非晶粉末出現單一彌散的漫衍射峰，且無其他晶體峰出現，說明非晶粉末由單一的非晶相結構組成，無其他雜質，具有良好的非晶結構，可用于增強酚醛樹脂基摩擦材料的制備。

圖1 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末XRD衍射圖

1.2 摩擦材料制備及測試

稱取質量分數分別為0、10%、20%、30%、40%、50%的Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末，利用QM-3SP4行星式球磨機與酚醛樹脂粉混合，轉速200 r/min，時間3 h；將混合后的原料放入模具中預熱，置于平板硫化機中熱壓成型，成型溫度170 ℃，壓力10 MPa，保壓8 min，冷卻后脫模；設定箱式爐溫度為180 ℃，將制得的試樣放入箱式爐中加熱使其固化完全。

利用HR-150A型洛氏硬度計測量試樣硬度，每塊試樣測量5次,取平均值作為最終硬度值。利用MFT-EC4000型高速往復摩擦磨損試驗機對制備的試樣進行干摩擦試驗，探究其摩擦學性能。試驗用對摩件材質為GCr15。試驗參數為載荷20 N、頻率2 Hz、滑動距離5 mm、時間20 min。試樣體積磨損率按照阿查德方程[17-19]進行計算：

(1)

式中:K為體積磨損率，mm3/(N·m)；V為磨痕體積，mm3；p為施加的法向載荷，N；S為滑動距離，mm；b為磨痕寬度；R為對摩球半徑。

對摩擦磨損試驗后的試樣表面噴金，采用GeminiSEM 300型場發射掃描電鏡(SEM)觀察樣品的表面及磨痕形貌。

2 結果與分析

2.1 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量對摩擦材料硬度的影響

樹脂基摩擦材料的硬度過大，壓縮形變過小，易產生制動過硬，且會在使用過程中產生噪聲。硬度過小，接觸面磨損嚴重，降低使用壽命[20-21]，60～80 HRB屬于較為合適的硬度范圍[22]。圖2所示為不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的洛氏硬度。

圖2 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的硬度

由圖2可知，非晶顆粒的添加會使摩擦材料的硬度提升，這是由于非晶顆粒自身的硬度較高，且樹脂與非晶顆粒的機械結合較為緊密，使得材料對壓入載荷的抵抗力得到提升；隨著非晶顆粒質量分數的增加，這種抵抗力會持續增強，表現為摩擦材料硬度的提升。其中非晶顆粒質量分數為20%、30%和40%的試樣硬度分別為62.1HRB、67.6HRB和73.6HRB，較基體分別提升了22.24%、 33.07%和44.88%，硬度大小適中，屬于較為理想的范圍。非晶質量分數為50%的試樣硬度達到83.6HRB，但是較高的硬度會造成較大的使用噪聲，影響摩擦材料的實際使用。因此非晶顆粒質量分數為30%～40%較為合適，此時摩擦材料硬度最為理想。

2.2 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量對摩擦材料微觀形貌的影響

圖3示出了不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的微觀形貌。圖3(a)中亮色部分為原料中的無機添加物，從圖中可以看到基體中存在裂紋，這是由于酚醛樹脂在固化過程中產生的氣體沒有及時排出，從而導致裂紋及氣孔的產生，這一類缺陷是導致材料摩擦性能較差的主要原因。由圖3(b)—(f)可以看出，添加非晶顆粒后，材料裂紋及氣孔等缺陷得到改善。圖中圓形顆粒即為非晶顆粒，總的來看，非晶顆粒在基體中分布均勻，無團聚現象。由高倍SEM照片可以看出非晶顆粒與基體的機械結合緊密，酚醛樹脂固化后對非晶顆粒起到了較好的包覆效果。

2.3 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量對摩擦材料摩擦磨損性能的影響

圖4所示為不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的摩擦因數隨時間變化曲線。可見，未添加非晶顆粒的試樣摩擦因數曲線波動較大，說明該試樣在摩擦過程中摩擦穩定性較差，結合圖3(a)中結果，分析認為試樣中存在的氣孔等缺陷是造成材料摩擦穩定性較差的主要原因。添加非晶顆粒后，材料組織更加均勻，各試樣的摩擦因數均有不同程度的降低，并且摩擦穩定性均得到了提升。其中，非晶顆粒質量分數為10%的試樣由于添加量較低，摩擦過程中基體材料占據主導地位，非晶顆粒起到的潤滑作用相對較小，因此摩擦因數略高于20%、30%、40%質量分數非晶顆粒填充的試樣，但摩擦穩定性較無非晶顆粒的試樣已有很大程度的改善。非晶顆粒質量分數50%的試樣摩擦因數曲線進一步穩定，但是摩擦因數高于其他4組非晶顆粒填充試樣。

圖4 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數

圖5和圖6所示分別為不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的三維輪廓和對應的磨痕剖面曲線，表1所示是試樣磨痕參數。結合圖5、圖6和表1可知，隨著非晶顆粒質量分數的逐漸增加，磨痕的寬度、深度和體積逐漸減小。

圖5 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的三維輪廓圖

圖6 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的磨痕截面輪廓

表1 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數試樣磨痕參數

圖7所示為不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的平均摩擦因數和體積磨損率。可知，試樣的體積磨損率隨著非晶顆粒質量分數的增加而逐漸降低，說明非晶顆粒起到了改善材料耐磨性的作用。其中當非晶顆粒質量分數增加至50%時，試樣體積磨損率為0.125 7 mm3/(N·m)，較基體的體積磨損率1.09 mm3/(N·m)降低了88.47%。在非晶顆粒質量分數小于等于40%時，隨著非晶顆粒質量分數的增大，試樣的平均摩擦因數逐步降低，質量分數40%時達到最低的0.249，較基體的0.315降低了20.95%。由于獨特的電子結構，非晶合金具有較低的表面能，進而使其具有較低的摩擦因數，因此摩擦時的非晶顆粒可以降低對摩件與試樣間的摩擦力，減小材料摩擦因數。此外，非晶合金在摩擦過程中表現出“碾抹”作用[23]，磨屑中的非晶顆粒受到擠壓以滾碾的方式運動，在摩擦面被碾壓抹平，使得磨損面變得平整，同樣減小了摩擦過程中的摩擦力，從而降低了材料磨損率。當非晶顆粒質量分數繼續增加至50%時，平均摩擦因數增加至0.291，高于其他4組復合摩擦材料，這是因為酚醛樹脂基體與非晶顆粒的熱膨脹系數相差較大，且非晶含量較高，在摩擦過程中由于溫度的升高，導致基體對非晶顆粒的包覆效果減弱，顆粒從基體中脫落形成磨屑，脫落后的磨屑不均勻地分布于摩擦副，使得摩擦表面粗糙度升高，進而導致平均摩擦因數增大。與非晶顆粒質量分數30%與40%的試樣相比，這種脫落發生在摩擦面，未造成磨痕深度增加，且非顆粒質量分數50%的試樣的磨痕寬度進一步減小，因此試樣的磨損體積及體積磨損率降低。結合前文分析，非晶合金質量分數在30%～40%是較為合適的范圍。

圖7 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料的平均摩擦因數和磨損率

2.4 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量對摩擦材料磨損機制的影響

圖8所示是不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3質量分數摩擦材料磨損表面顯微形貌的SEM照片，摩擦方向為水平方向。圖8(a)、(b)中的磨痕表面存在大量的魚鱗狀裂紋，材料發生翹邊。這是因為在較長時間的摩擦磨損試驗過程中，材料摩擦面的次表層在法向和切向應力作用下產生變形，并逐步形成裂紋；裂紋沿著平行于表面的方向擴展，而后折向摩擦表面，形成魚鱗狀裂紋；在磨球的反復擠壓下，部分魚鱗片膜層會剝落，形成圖8(a)、(b)中的剝落坑，此時的磨損機制為接觸疲勞磨損。

如圖8(c)所示，當非晶顆粒質量分數增加至20%以上時，磨損表面與圖8(a)、(b)相比較為平整。圖8(c)中出現剝落現象以及犁溝帶，犁溝較深且寬度較寬，這是因為在摩擦磨損過程中會產生大量磨屑，磨屑在法向力的作用下被壓入材料表面，又在切向力的作用下向前推進，形成犁溝帶。此外，圖8(c)中仍存在部分魚鱗狀裂紋，說明當非晶顆粒質量分數為20%時，磨損機制主要為磨粒磨損和接觸疲勞磨損。

如圖8(d)所示，質量分數為30%的試樣磨損表面平整光滑，犁溝寬度變窄，方向整齊，摩擦表面剝落情況得到很大改善。此時的磨損機制主要為磨粒磨損。

如圖8(e)所示，非晶顆粒質量分數為40%的試樣摩擦表面存在小的剝落坑，同時可以觀察到裂紋以及裸露于摩擦表面的非晶顆粒。這是因為在摩擦磨損試驗過程中，摩擦表面的基體對非晶顆粒的包覆效果逐漸減弱，最終造成非晶顆粒的脫落。

如圖8(f)所示，非晶顆粒質量分數為50%的試樣在摩擦磨損試驗時，發生了樹脂基體與非晶顆粒的脫落，在磨損表面留下較大面積的剝落坑。由于酚醛樹脂與Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶顆粒的熱膨脹系數相差較大，并且此時試樣中含有較多的非晶顆粒，摩擦過程中溫度的升高使得酚醛樹脂與金屬顆粒的機械結合效果減弱，存在于摩擦面表層及次表層的非晶顆粒在循環切應力下逐漸掙脫基體的束縛黏著到對摩件上，兩摩擦表面發生相對運動后，黏著點被剪切，同時又形成新的黏著點，并且黏著到對摩件上的顆粒又附著到試樣摩擦面上，形成反黏著。摩擦表面不斷發生黏著點的剪切、黏著和反黏著，從而形成磨屑，造成較大面積的脫落，在摩擦表面形成脫落坑與凹坑，此時的磨損機制主要是黏著磨損。

3 結論

(1)Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶顆粒的加入，改善了酚醛樹脂摩擦材料中裂紋及氣孔等缺陷，提高了材料硬度。其中非晶顆粒質量分數30%、40%時試樣的硬度為67.6～73.6HRB，為摩擦材料合適的硬度范圍。

(2)不含Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶顆粒的酚醛樹脂摩擦材料磨損機制主要為接觸疲勞磨損，隨著非晶顆粒含量的增加，磨損機制逐漸轉變為磨粒磨損和黏著磨損，并伴隨著輕微接觸疲勞磨損。

(3)隨著非晶顆粒含量的增加，Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶/酚醛樹脂摩擦材料的體積磨損率逐步降低，而平均摩擦因數呈現出先降低而后升高的趨勢，當非晶顆粒質量分數40%時試樣的摩擦因數最小。