铜基石墨合金材料摩擦磨损行为的研究

1、第18卷 第2期2011年4月金属功能材料MetallicFunctionalMaterialsVol.18, No.2April, 2011铜基石墨合金材料摩擦磨损行为的研究赵小根,何国球,付 沛(同济大学 材料科学与工程学院金属基材料研究所,上海 201804)摘 要:为研究铜基石墨合金材料的摩擦性能,并预测材料的磨损量变化和寿命,研究了磨损实验数据,总结出用临界热应力状态来判定磨损量线性或非线性的增长关系的结论,并通过微观机理研究、解释并证明了结论的正确性。通过石墨润滑层损坏机理推导出磨损量计算公式并验证了公式的可行性。关键词:石墨层;临界热应力状态;磨损公式中图分类号:TB33 文献标

2、识码:A 文章编号:1005-8192(2011)02-0042-05ResearchonAttritionLossofCopper graphiteAlloyMaterialZHAOXiao gen,HEGuo qiu,FUPei(SchoolofMaterialScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)Abstract:Inordertoresearchthefrictionpropertiesofthecopper graphitealloymaterialsandforecastvariationofattr

3、itionlossandmateriallifetime,testdataareanalyzed Itisindicatethatthereisacriticalthermalstressstatustodeterminethelinearornonlineargrowthrelationshipofattritionlossandthecorrectnessoftheconclusionisex plainedandprovedbythemicroscopicmechanism.Attritionlossformulaisderivedfromgraphitelubricationlayer

4、damagemechanismandthefeasibilityisalsoverified.Keywords:graphitelayer;criticalthermalstressstatus;attritionlossformula铜基石墨合金材料具有优良的导电性能和摩擦性能,因而广泛应用于电接触材料和摩擦材料领域,特别是电力机车的受电弓滑板和集电靴12护气氛中烧结,于950 烧结3h。在保护气氛下炉冷至200 ,自然冷却至室温后,再以300MPa的压力进行复压。试样材料的力学性能列于表2。表1 所用粉末的粒度与质量分数Table1 Theparticlesizeandconcentrat

5、ionofthepowder材料含量分数/%粉末粒度/目石墨3.5400Cr3.5200Sn8.5200Pb4.5200Cu80200。然而其特殊的微观摩擦机理导致磨损量的变化规律很难确定,而且影响滑动摩擦过程的因素和常数达100个之多3,从而很难估算出材料的使用寿命,所以对铜基石墨合金材料的磨损量变化规律的研究具有非常现实意义。1 铜基石墨试样材料的性能与磨损试验装置试样材料混粉所用粉末的粒度和含量列于表1。首先用机械干混法混料12h,在侧压式粉末制品液压机上以300MPa的压力进行压制,在氢气保密度/g cm-37.4表2 实验材料的力学性能Table2 Themechanicalprop

6、ertiesofmaterials硬度/HB53抗拉强度/MPa141冲击韧性/J cm-24.0试验是在自制的摩擦磨损试验机(图1)上进行作者简介:赵小根(1987-),男,硕士,研究方向是铜基粉末冶金。Email:zhaoxiaogen123第2期 赵小根等:铜基石墨合金材料摩擦磨损行为的研究43转,通过控制电机的转速可以得到不同的试验滑行速度。电源4可直接将交流电源转变为直流电源,并可稳定输出030A。试验机工作的滑动速度和电流等几个试验参量在一定范围内连续可调,并保证了试验结果较好的重复性和再现性。2 实验结果与原理分析根据Archard模型4,得到磨损公式:W=kLH(1)式中,W为

7、磨损体积;P为接触面的法向压力;L为图1 载流磨损试验机外形及机构原理图Fig.1 Schematicofthetestapparatus相对滑移距离;H为材料硬度,k为磨损因子。由上式可知,在特定的压力和硬度条件下,磨损量的增长是一个线性过程,但是磨损量增大与载荷、速度、材料性能等很多因素有关5,铜基石墨合金材料的磨损量随着试验载荷、速度及电流密度的增加而增大,而具体存在什么样的增大关系,一直比较难以确定。2 1 速度改变的情况下,磨损量的变化关系在接触压力分别为20N、40N的试验条件下,不断改变滑移速度,试样的磨损量随滑行距离变化的关系曲线如图2所示。的,该装置模拟了磁浮列车受流系统的实

8、际工况。装置有一个直径为405mm的铸件转盘2,沿其外缘缠绕并固定装有不锈钢带材(1Cr18Ni9),截面为50mm!5mm,采用精密加工技术将接缝处理完好。截面为10mm!10mm,长度为35mm的销试样3沿转盘径向压在不锈钢带上,接触压力由重物7确定,7的重量即为试样与不锈钢带的压力载荷。转盘2支撑在轴承8上,由电机通过皮带轮带动旋图2 滑移速度对磨损量的影响Fig.2 Effectofslidingspeedonthewearloss可以看出,在25km/h和50km/h的情况下,磨损量随滑行距离呈现近乎线性的变化关系。随着速度增大,材料的磨损量大幅度增加,基于滑移速度变化的磨损量也脱离

9、了线性增长的方式。2 2 载荷改变的情况下,磨损量的变化关系在接触压力分别为20N和40N,不同滑行速度条件下,试样的磨损量随着滑行距离变化的关系曲线如图3所示。可以看出,在25km/h和50km/h的情况下,磨损量随滑行距离呈现近乎线性的变化关系,当载荷增加时,磨损量也急剧增加,而当速度增加时,这种线性关系被打破,同时,可以看出载荷增加时,高滑移速度下的磨损量增加的幅度没有速度低时增加的幅度大,没有遵循线性的增长规律。讨论结果:由图2可知,存在一个临界速度,小于临界速度,磨损近乎线性;大于这个临界速度,磨损呈非线性关系。图3中,也同样存在一个临界区域,在这个临界区域内,载荷的增加,磨损急剧增

10、加;44金属功能材料 2011年6而在这个临界区域外,磨损增加幅度不大,研究表明,临界速度和临界区域的产生是由石墨层的产生量和耗费量的差值决定的,即是否具有完好的石墨润滑层判定的依据,造成这种结果的原因在于铜基石墨合金材料的特殊磨损机理。图3 载荷对磨损量的影响Fig.3 Effectofloadonthewearloss铜基石墨合金材料的磨损机理是磨合过程中储藏于铜基体网状结构中的固体润滑剂石墨受到挤压,从铜基体上不断脱落并涂覆在铜基体接触表面,最终在摩擦接触面上形成一层薄的连续润滑膜。石墨层的存在减少了铜基体和对磨材料的直接接触面积,大大降低了粘着磨损;同时由于石墨本身具有易滑移的层状结构

11、和较低的硬度,铜基体的磨料磨损和疲劳磨损强度也相应减轻。在摩擦过程中,摩擦热和电弧热的作用使得材料表面温度迅速升高,低熔点并以单质相存在的铅元素被瞬间熔化甚至雾化,之后迅速冷却凝结在摩擦表面,与石墨一起构成前期的摩擦润滑膜,由图4可明晰的看到润滑膜表面微观形貌以及磨粒磨损和粘着磨损对润滑膜的损害造成的划痕(箭头1)和凹坑(箭头2)。在润滑膜未被破坏以前,由于高熔点的石墨硬图4 润滑膜表面扫描电镜显微照片Fig.4 SEMmicrographsofgraphitelubricationlayer7度很低,受温度影响不大,所以载荷不变的情况下,磨损量呈现线性增长的关系,而当润滑膜被损坏后,就打破了

12、这种线性增长的关系存在的条件,就会非线性增长,润滑膜主要受速度、载荷以及电流的影响,而归根结底是表面热通量的影响(公式2)。摩擦表面热通量qm= mv8的计算公式为:(2)第2期 赵小根等:铜基石墨合金材料摩擦磨损行为的研究m为式中 为摩擦系数,实验得到的值为0.38;45Hertz理论计算的平均接触压力(N/m);v为相对滑移速度。从上式可知,速度和载荷对磨损的影响主要是通过摩擦温度来实现的92速度,当滑移速度大于临界速度时,足够热量的累积造成接触面温升,进而引起铜基体软化,最终加大单位时间石墨层的磨损量;当滑移速度小于临界速度时,铜基体不发生明显软化,摩擦热引起的接触面温升不会增加石墨层的

13、消耗量6。载荷的增加会产生较大的剪切应力,较大的剪切应力更易产生粘着磨损,使材料发生转移和剥落。同时载荷的增加,会使摩擦的实际接触面积增大,摩擦加剧,产生大量的摩擦热,表面温度升高,使基体软化,石墨层损坏严重,磨损量急剧增加,如图5所示。,速度和载荷的增加会产生大量的摩擦热。滑移速度的提高必然导致接触表面摩擦热的累积增加,有研究证明10:摩擦产生的热量会使铜基体发生软化,从而丧失对表层石墨的支撑作用.在使用中,当滑移速度足够大时,铜基石墨滑板材料接触面温升几百度11,铜基体必然发生软化,从而使石墨层在摩擦中极易破损,所以存在一个临界滑移图5 载荷对石墨层表层的影响Fig.5 Effectofv

14、ariousloadonCu graphitematerial至此,可以归纳出,磨损量与摩擦表面的温度存在必然的一种关系,存在一个临界的热应力状态,以界定磨损的方式及其增长的变化关系。热应力状态用温度、压力和滑移速度来表征,如公式3所示。磨损量可以表示成热应力场和温度变化的函数。E=f(T,P,v)(3)由这一修正磨损公式和实验结果,可以得出仅有石墨润滑膜的摩擦情况下,磨损量的计算公式如下:(5)H摩擦表面的温度受载荷和滑移速度影响,进而影响系数k和硬度H,通过上述公式,可有效的解W(T)=k(T)释前面的实验现象,在特定的载荷和滑移速度的情况下,滑移面的温度是一个常数,所以k是一个常数,而高

15、熔点石墨的硬度很低,几乎不受温度的影响,所以磨损量随滑移距离的增加呈现线性增长,当在临界滑移速度内,增加载荷时,载荷的增加会提高热通量,滑移面的温度升高,进而提高k值,所以尽管也是线性增长,但是增长的幅度加大。在继续加大滑移速度的情况下,引入石墨层损坏机理来解释和推导磨损量的公式,通过以上石墨层损坏机理,推导出磨损量的公式如下:W总= k (T)H(T)+(1- )kL3 磨损公式推导及其可行性分析在Archard模型理论中,认为磨损因子k以及材料硬度H为常量。但事实上,材料的硬度以及接触条件都与温度密切相关,在热加工过程中,这一现象体现得更加明显,模具会随着模具温度的升高发生软化,导致材料硬

16、度降低以及接触面粗糙程度增加,从而增加磨损。针对这种情况,Hahamir等利用H13模具钢为研究材料,对Archard模型进行了修正,将温度作为影响k及H的因素进行考虑,提出了在考虑温度软化影响下的磨损计算公式W(T)=k(T)H(T)12:(4)(6)其中, 为润滑石墨层覆盖在摩擦表面上的比率。468金属功能材料 2011年18(11):4749又根据摩擦表面闪温的计算公式可知摩擦表面的温度及热应力,从而得到磨损量与摩擦表面温度的关系。可行性分析:通过实验可以得到k、K(T),H(T),再代入公式,通过磨损实验数据拟合出k (T)的关系式,再代入公式(6)得到磨损总量随摩擦温度变化的关系和表

17、达式,即可预测磨损量,实验证明公式的推导是合理的,预测结果是可行的。临界速度和临界热应力温度场的观点也得到了实验的充分验证。62王贵青,等.电力机车受电弓滑板的研究状况及发展趋势J.材料导报,2003,17(1):18203MengHC,LudmanKC.Wearmodelsandpredictiveequation:theirformandcontentJ.Wear,1995,181-183:443457 4BharatBhushan葛世荣译.摩擦学导论M.北京:机械工业出版社,2007:1841905邵荷生,等.金属的磨料磨损与耐磨材料M.北京:机械工业出版社,1988:29326张 斌,

18、等.滑移速度对铜石墨滑板材料摩擦性能的影响J.材料科学与工艺,2010,18(3):3643677李溪滨,等.粉末冶金金属基固体自润滑材料摩擦学行为J.润滑与密封,1999,6:53558刘佐民.摩擦学理论与设计M.武汉:武汉理工大学出版社,2009:47569B.B.格利布.数值法解摩擦学技术问题M.北京:机械工业出版社,1989:1510尹延国,等.温度对铜基自润滑材料减摩耐磨特性的影响J.中国有色金属学报,2004,14(11):1856186111HeDahai,ManoryR,GradyN.WearofrailwaycontactwiresagainstcurrentcollectormaterialsJ.Wear,1998,215:14615512LeeRS,JouJL.ApplicationofnumericalsimulationforwearanalysisofwarmforgingdieJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003(140):4348收稿日期:2009-09-104 结 论(1)存在一个临界的热应力状态,用以判定铜基石墨合金材料的磨损量线性增长的范围。(2)线性增长与非线性增长判定条件的微观机理是铜基石墨合金材料的特殊石墨润滑层的存在与否,磨损量在