制动摩擦材料高速摩擦学性能的主要影响因素.

1、制动摩擦材料高速摩擦学性能的主要影响因素 马东辉 张永振 陈 跃 官宝(河南科技大学 材料科学与工程学院河南洛阳 471039摘要 :综述了高速条件下速度 、温度 、压力对制动材料摩擦学性能的影响 。 重点讨论了摩擦表面的相对滑动 速度对摩擦学性能的影响 。关键词 :相对滑动速度 压力 温度The Main Influencing F actor of H igh 2speed FrictionMa Donghui Zhang Y ongzhen Chen Y ue Shangguan Bao(Department of Materials Science , Henan University

2、 of Science &T echn ology , Lu oyang 471039, ChinaAbstract :The in fluence of friction under different pressure , temperature and slide velocity condition introduced , and the in fluence of relative slide velocity on the frictional interfaces was discussed.K eyw ords :R elative Slide V elocity P

3、ressure T emperature高速摩擦学 , 是研究摩擦副处在相对高的滑动速 度时 , 两个表面之间相互 作用、 践的学科。 , 对制动装置及制动 材料的性能也提出了更高的要求。 例如制 动材料要有 足够而稳定的摩擦系数 , 动、 静摩擦系数之差小 ; 良好的导热性、 较 大的热容量和一定的高温机械强度 ; 良好的耐磨性和抗粘着性 , 不易擦伤对偶件 , 无噪 声 ; 低成本 , 对环境无污染等。 传统的制动材料已不 能满足高速条件下的需 要 , 这就必须开发新的摩擦制 动材料 , 研究高速摩擦条件下各种因素对材料摩擦学 性能的影响。 但这方面前人的研究工作不多 , 本文综 述了这方

4、面的研究进展 , 着重 讨论了高速条件下速 度、 温度、 正压力对材料摩擦学性能的影响。1 速度对材料摩擦学性能的影响(1 相对滑动速度 v 对摩擦系数 的影响一般情况下 , 相对滑动速度 v 越大 , 摩擦系数 越小。 具体减小的程度 , 不同 的学者根据各自的实验 条件得出的结论也不一致。如法国人 Boehet 通过机 车车辆 的制动试验得出了摩擦系数与滑动速度的关 系表达式为 1=k/(1+0173v(1式中 :k 为系数 , 对于干燥钢轨 k =0145, 潮湿钢轨0v (m/s 。Frank G 提出了摩擦系数与速度的经验公式 = 0+-ecv(2 式中 : 0 静摩擦系数 ; C

5、常数。 对铁基烧结闸片在速度 1032m/s 和压力 010051MPa 范围内进行的摩擦试验得出 :图 1 摩擦系数与滑动速度的关系 21 当速度增大时摩 擦 系 数 随 着 减 小 (图 1 。2 当压力增大时摩 擦系数增大 ; 但在较高 压力下 , 随速度增大摩 擦系数减小 更快。 对摩擦系数的影响 主要是由于摩擦发热升温引起的 , 如果配偶材料的导热率较高及温升较小 , 那么影响不大。对于 Pb 、 Sn 等导热率和熔点都较低的金属 , 高 速下 , 由于表面层熔化或软 化 , 滑动摩擦系数随着相对速度增加会出现最小值。值最小时 , 摩擦表面开 始形成熔化膜 , 摩擦系数回升的快慢取决

6、于熔化膜的 粘度、 厚度、 速度、 接触面积等因素 3 。在低的和中等的滑动速度时 , 摩擦主要是由于接 触区的局部粘着和剪切引起 的 , 摩擦阻力表现为表44润滑与密封基金项目 :河南科技大学基金项目 (20020003 1作者简介 :马东辉 , 男 , 1976年生 , 硕士研究生 1E -mail :mdh7605091631com 1面发热 , 可以认为这种发热效应对总的摩擦机理不 会有大的影响 , 但在很高滑 动速度下 , 金属表面产生 极为强烈的摩擦热 , 它将从本质上改变滑动的表面状 态。(2 相对滑动速度对材料磨损率的影响通常情况下 , 磨损率随相对滑动速度的增大而减 小 ,

7、达到一定程度 , 开始随速 度的增大而增大。 在这 个过程中 , 磨损机理可能发生了变化。居毅 4对碳钢表面 C 2N 共渗层在高速干摩擦状态 下进行了研究 , 得出其磨 损率随载荷和滑动速度变化 的关系如图 2。 可见在不同载荷下 , 随着滑动速度的 增加 , 磨损率逐渐降低 , 当滑动速度达到 35m/s 时 , 随着滑动速度的增加 , 磨损率明 显增大。 由此可以推 测 , 当滑动速度在 35m/s 左右 , 磨损机理可能发生了转变。 2 与磨损率的关系 1通过 SE M 观察可以发现 , 当滑动速度在 2535m/s 之间变化时 , 试样磨 损表面的“凹 坑”尺 寸随着滑动速度的增加

8、而减小 , 减小。 35m/s 时随着滑动速度的进一步提高 , 试样磨损表面出现了“流线”特征 , 这是因为随着滑动速度的提 高 , 试样磨损表面温度提高 , 试样表层和亚表层软化 , 产生塑性变形。磨损表面的微突体在高速摩擦状态的 “闪 点”温度可能接近熔点 , 而在宏观观察时 , 其磨损表面很平整。当滑动速度达到 45m/s , 此时试 样磨损表面出现了大量的微 裂纹和熔斑 , 大量的微裂纹对应于较高的磨屑剥落几 率 , 亦意味着磨损率增大。通过磨损表面的 XPS 分析表明 :当滑动速度为 25m/s 时 , 试样磨损表面形成的 氧化膜主要由 Fe 2O 3组成。当滑动速度增大至 45m/

9、s 时 , 试样磨损表面的氧化膜 主要由 FeO 组成。另一方面 , 从摩擦副接触表面温度的变化也可以推测试样表面 的氧化物类型。当摩擦表面平均温度大于 500时才可能形成 FeO , 而摩擦表面平均温度大于 200 , 即可以形成 Fe 2O 3。 由 此可以得出结论 :当滑动速度为25m/s 时 , 试样磨损 表面主要含有 Fe 2O 3; 45m/s 时 , , , 20#钢 , 当滑动速度达到, 磨损率最小 ; 此后随着速度的进一步提高 , 磨损率显著提高 , 共渗层经历从轻微磨损向严 重磨损的转变。(3 制动初速度对磨损率、 摩擦系数的影响对于不同的材料 , 制动初速度对磨损率、 摩

10、擦系 数的影响不同。例如 C/C 复合材料与特种铸铁。杨 勇 , 吴洁君等人研究了制动初速度对 C/C 复合材料摩擦学性能影响 57, 结果表明(表 1 :表 1 不同制动速度下 C/C 复合材料的摩擦性能 5制动速度 v (m/s 平均摩擦系数 cp单 位面积能量 W S (J/cm 2平均功率 P S (W/m 2 稳定系数 S 尺寸损失 (m磨 损质量损失 (mg50118163124116017501090157100129684171501201781124514915013519871428 713015711065104200140279512405130167618240147

11、250140436116499150176161251121062801354501104951401663610016312730013540151050511391041861301 随着制动初速度的增大 , C/C 复合材料制动盘的摩擦系数逐渐增大 , 当制动初速度在 2025m/s 范围内时摩擦系数出现峰 值。 此后随着制动初速度的 继续增大 , 摩擦系数仍维持较高值。2 当制动初速度小于 15m/s 时 , 线性磨损和磨 损质量损失均较小 , 当制动初速 度大于 15m/s 时 , 磨 损质量损失明显增大 , 当制动初速度达到 30m/s 时制 动盘的磨 损质量损失最大。3 低速时

12、C/C 复合材料制动盘磨损表面由较薄 的磨屑层所覆盖 , 磨损较轻微 随着制动速度的增加(大于 15m/s , 磨屑不断增多并形成较厚的表面膜层。 在高速 (2830m/s 下 , 由于剧烈的氧化和剪 切作用 , 大量的基质炭发生氧 化剥落 , 同时碳纤维被 磨断和拔出 , 因此磨损剧烈。钱坤才等人对高速列车特种铸铁制动盘进行了研 究 8, 用特种铸铁制动盘和半金属合成闸片进行台架 试验。 结果表明 , 随着制动初 速度的提高 , 平均摩擦 系数降低。制动初速度从 120km/h 提高到 250km/h , 平均摩 擦系数 从 01331 降到 01303。 2 温度对材料摩擦学性能的影响54

13、2003年第 6 期摩擦制动过程是将物体的运动动能转化为热能 和其他形式的能量 , 从而达到制 动的目的 , 其中约有 90%使物质内部的分子动能增加 , 表现为温度的升 高。 由于 摩擦热效应产生的温升和接触应力 , 它们对 摩擦副表层的结构与性能会产生一定的 影响。 (1 对表面膜的影响从物理吸附膜和化学吸附膜看 3, 摩擦使被吸附 分子的热运动加快 , 随温升发 生失向、散乱、脱附 , 而失去作用。从反应膜看 , 摩擦热补给化学反应所需的活化 能 , 不仅提高反应速率 , 增加反 应膜的厚度 ; 还可能 在超过反应温度之后 , 出现新的化学反应物。 例如铁 的氧化 , 温升加快了氧离子向

14、里扩散和铁离子向外扩 散 , Fe 2O 3减 少 而 Fe 3O 4增 多 ; 并 且氧化膜在超过 750时出现 FeO 层 , 相应的显微硬度由 4900N/mm 2降低到 2940N/mm 2。(2 对基体表层的影响温升活化基体表层 ,属 , ,六方在 417由 03增到 017。对于固 熔体 , , 例如淬火钢中 , 体心立方的马氏体在 750800 很快通过共格转变的 方式转为面心立方的奥氏体 ; 温升还可能使有序转 变 为无序 ; 使摩擦副之间易于相互扩散 , 发生粘着。 鲍登 (Bowdon 等人的试验表 明 3: 大多数金属 摩擦系数对应于环境 700-800 出现最小值。高聚

15、物是弹性材料 , 对温度很敏感。 随着温度升 温由玻璃相转变为橡胶相 , 因 粘着作用加强而使 增大 ; 温度进一步升高 , 因力学性能下降而使 下 降。此外温度对材料表面变形性能和表层应力也有 一定的影响。刘佐民在对 M 50高速钢进行高温摩擦试验表 明 9:当试验温度处于 100300 范围时 , 材料的磨 损率随着温度的上升而明显增大 , 而摩擦因数的增大 甚微 , 基本保持在 0164左右 ; 当温度高于 400时 , M 50高速钢的摩擦和磨损都 明显减小 , 主要原因是界 面微接触点处材料发生软化融熔而在摩擦面上形成 了一 层金属膜 , 使材料的磨损由微切削向金属膜间对 摩转变。

16、在这种情况下 , 材料的磨 损率主要取决于表 面膜的承载能力。随着摩擦表面的温度变化 , 磨损机理发生变化 ; 不同的摩擦副 , 磨损机理变化 也不相同。 3 压力对材料摩擦学性能的影响钢、 铁等金属材料与摩擦材料所构成的摩擦副随 着压力的增加摩擦系数不断 增大。 但颗粒增强铝基复 合材料随压力增加 , 摩擦系数变化规律与钢、 铁等金 属 材料有所不同。S iC 颗粒增强 6061 铝合金复合材料与添加铜颗粒 的碳基材料 （颗粒体积分数 20%, 平均粒径 20m图 磨擦系数平均值随法 10 配副的摩擦磨损试验结果表明 :法向载荷与稳定阶段摩擦系数平均值的关系如图 3所示 , 随着载荷的增加

17、, 摩擦系数的平均值先后经历急剧增大、阶010时 , 摩 擦 系数 的 平 均 值 由 0013; 大约在 0125MPa 时 , 摩擦系 , 在 012013MPa 范围内 , 摩擦系数的 平均值基本保持不变 ; 随着法向载荷的进一步增 大 , 摩擦系数呈减小的趋势 , 但减小的幅度较小 , 而且 , 在 015018MPa 范围内 , 摩 擦系数的变化很小。 吴洁军等人认为 12: 颗粒增强铝基复合材料磨 损过程随载荷 的变化经历三个阶段 , 第一个阶段是磨 合阶段 13, 这是开始磨损阶段 , 载荷较低 , 相对运 动距离短 （一般 50m ,摩 擦系数 不是常数 , 磨 损率先较快增长

18、 , 然后缓 慢增长 , 磨粒磨损是这一 阶段的主要磨损机理。第二个阶段是稳定磨损 1315阶 段 , 在较低载荷、 较低运动速度的情况下 , 磨损 率较低 , 摩擦系数保持不变 , 第二 阶段非常关键 , 它的长短决定了材料的磨损失效寿命。 第三阶段是严 重磨损阶段 , 如果继续增加载荷 , 材料将进入严重 磨损阶段 , 磨损率突增近两个数量级 , 摩擦系 数达到 最大值 , 占主导的磨损机理是粘焊 , 磨屑是由剥层和 擦伤造成的。颗粒增强铝基复合材料在正压力由小到大时 , 磨 损率由大变小 , 超过临界载荷 又突然增大 ; 摩擦系数 随滑动速度增大而减小 , 压力愈高则摩擦系数越小。 4

19、结 束语随着速度的不断提高 , 制动摩擦材料正经历着从 黑色金属钢铁 陶瓷颗 粒增强铝基复合材料 碳 纤维增强碳基复合材料和陶瓷的变化。其中 C/C 复 合材料与陶瓷可以作为发展 350km/h 的超高速列车的 制动系统 1618 。一般情况下 , 低速下是摩擦系数增大 , 磨损也增64润滑与密封大 , 随着摩擦速度的增大并达到某一极限 , 摩擦系数 开始减小 , 磨损更加严 重。 现有的研究集中在单一因 素对高速摩擦磨损的研究 , 还缺乏系统性的研究。 然 而高速摩擦的影响因素是复杂的 , 不能只看单一因 素 , 必须综合考虑各因素对摩 擦的影响 , 同时还必须 更深入的研究高速摩擦。目前

20、, 对摩擦速度在 40100m/s 的研究比较少 , 对这么高的速度条件下的摩擦 磨损研究是将来摩擦 学的主要工作方向之一。参考文献1 王国强 , 马若丁 , 刘巨元 , 柳书香 1金属摩阻材料间摩 擦系数与滑动速度关 系的研究 J1农业工程学报 , 1997, 13(1 :353812 杜心康 , 石宗利 , 叶明惠 , 李重庵 1高速列车铁基烧结 闸片材料的摩擦磨损 性能研究 J1摩擦学学报 , 2001, 21 (4 :25625913 戴雄杰 1摩擦学基础 1上海科学技术出版社 , 19841 4居毅 1碳钢表面碳 -擦学性能研究 J1摩擦学学报 , , (1 71741 5徐惠娟 ,

21、 熊翔 , 吉冬英 , C J , 2001, 21 (6 :44344716熊翔 , 黄伯云 , 徐惠娟 , 吉冬英 , 彭剑昕 1不同制动速 度下针刺毡炭 /炭复合 材料的摩擦磨损行为 J1中南工 业大学学报 , 2001, 32(3 :2812841 7日 涌泽邦 章等 1新干线用 C/C 复合材料制动盘的开发 J1 国外机车车辆工艺 , 1999, 2:131818钱坤才 , 何正禄 , 卢笛 , 郭晓辉 1高速列车特种铸铁制 动盘可行性的研究 J1 机车车辆工艺 , 1999, (2 :351 9刘佐民 1M 50高速钢高温摩擦磨损特性的研究 J1 摩擦学 学报 , 1997, 17

22、(1 :384410 杨勇 , 翟洪祥 , 黄振莺 1压力对颗粒增强铝与碳基材料 摩擦系数的影响 J1 北方交通大学学报 , 2002, 26(1 : 5462111 吴洁君 , 王殿斌 , 桂满昌 , 袁广江 1颗粒增强铝基复合 材料干滑动摩擦性 能述评 J1 稀有金属 , 1995, 23(3 : 213219112 Zhang J , Alpas A T 1Proc 1AS M 1993materials congress , 1993: 65113 Zhang Z F , Ahang L C , W 1W ear , 1994, 192:531 14A T , J etal. M at

23、er 1, 1993, 24:A H J. M ater. Sci. Eng. , 1991, A1, 47: 116朱育权 , 马保吉 , 杜亚勤 1制动盘 (鼓研究现状与发 展趋势 J1西安工业 学院学报 , 2001, 21(1 :73791 17齐海波 , 樊云昌 , 籍凤秋 1 高速列车制动盘材料 的研究 现状与发展趋势 J1石家庄铁道学院学报 , 2001, 14 (1 :5257118石志刚 1国外汽车摩擦材料工业的新进展 J1非金属 矿 , 2001, 24(2 :52531（上接第 43 页值即可在 90%的概率下反映相应谱片的磨屑群体特 征参数数值 2,6; 对于任 一个油样而言 , 只须利用旋 转式铁谱仪 , 按照制谱规范 2制得一张谱片 , 并按谱 片上磨屑群体特征参数的提取规范 , 提取谱片的磨屑 群体