机械摩擦材料的磨损机理与发展

机械摩擦材料的磨损机理与发展

过去20年，以汽车为代表的滑动机械用摩擦材料的组成和制造技术发生了重大变化。新材料具有更好的抗热、抗衰竭性能、更好的耐腐蚀性和环境保护、环境保护等特点。传统的非农业摩擦材料主要是石棉摩擦材料。由于污染和高温气候的不好，它逐渐被金属纤维、有机纤维和有机纤维所取代。金属摩擦材料分为单金属和粉末材料。单金属摩擦材料在材料配合方面具有特殊的灵活性和普遍性，在高负荷条件下表现出良好的摩擦性能。本文简要介绍了摩擦材料的磨损机制，介绍了无辜摩擦材料和金属粉末摩擦材料的发展。1温度和时间条件对偶件磨损的影响摩擦材料的有效寿命在很大程度上取决于其使用条件,车用摩擦材料的pv值比一般摩擦材料要高.摩擦材料与偶件所产生的摩擦力可以使其接触表面变形、粘着点撕裂和使硬质点或磨屑产生犁切作用.其作用程度和表面形貌、滑动过程、使用的材料及环境因素等相关.摩擦材料与偶件的表面作用性质不能简单地用金属与合金弹性体接触来分类,摩擦材料与金属体系的磨损机理非常复杂,包括热磨损、磨粒磨损、粘着-撕裂磨损、疲劳磨损与宏观剪切磨损等.热磨损包括一系列使原子间结合不断破坏的物理作用与化学反应,如高温分解(或热分解)、氧化、颗粒化、爆裂(explosion)融化、蒸发和升华等.反应速率随温度呈指数增加,高温分解主要出现在摩擦材料的芯部而较少发生在边缘和角部;氧化多出现在角部与边缘;摩擦材料的爆裂反应出现在苛刻制动条件下,瞬间产生高热使亚表面固体气化.粘着-撕裂磨损是由于冷焊断裂而产生的,表面瞬间温度可高达760℃,导致有机树脂分解以及使偶件表面局部产生由珠光体到马氏体的相变.磨粒磨损包括由偶件表面突峰及磨屑和外来颗粒导致的犁沟和研磨过程.疲劳磨损包括热与机械疲劳两种:热疲劳由反复加热与冷却而产生,一般出现在高温苛刻制动条件下;机械疲劳则是由反复作用的摩擦应力所引起.如果能使热量及时排除,上述各种形式的磨损均可得到有效控制.因此,摩擦表面的温升越低越好.使用热稳定性好的树脂、纤维和摩擦改进剂等可以控制热磨损.摩擦材料内部含纤维和硬颗粒,其中硬质点作为磨屑可导致磨粒磨损,并在摩擦材料和偶件表面形成犁沟,影响摩擦系数.摩擦系数取决于断裂强度、弹性模量、硬度和颗粒表面与摩擦表面的夹角.由硬质点造成的磨损取决于磨粒的形状、相对于表面的硬度差、磨粒的尺寸和硬度.类似于普通的二体磨粒磨损,硬质点通常增加摩擦材料的承载能力,并在表面形成一系列比金属偶件硬的小突起,使摩擦材料的磨损下降,摩擦系数及偶件的磨损量增加.当摩擦表面的温度升高,由于树脂的软化,结合力下降,硬质点脱离约束形成三体磨损,这将导致摩擦材料的磨损、摩擦系数和偶件的磨损增加.摩擦材料内所含摩擦改进剂,包括软颗粒和润滑剂(如石墨)也会对其摩擦和磨损行为产生影响.例如在温度450～600℃之间的试验表明,在短时工作后,摩擦系数的下降超出了允许值范围,同时磨损显著下降,而偶件表面形成一层黑色物质.这层物质是氧化产物,其具有良好的润滑性,可改善摩擦材料的摩擦磨损性能[9,10,11,12,13,14,15].2小型摩擦材料2.1增强钢纤维的耐久性和抗磨性目前用于取代石棉的纤维包括有机和无机纤维,如丙烯腈纤维(AF)、聚丙烯纤维、碳纤维(Carbon)、玻璃纤维(GF)、钢纤维(SF)及陶瓷纤维(CF)等[1,3,16,17,18,19,20].图1示出了部分纤维(添加量以质量分数计,下同)对摩擦材料摩擦性能的影响.可见,除碳纤维外,加入其他纤维均使摩擦材料的摩擦系数增大.这可能是由于碳纤维的自润滑性能所致,这也可以从偶件上所形成的转移膜得到证实.一般认为,加入纤维增大摩擦系数是由于犁沟作用加强所致.矿物纤维和陶瓷纤维头部相当于硬颗粒,因而矿物纤维增强材料更高的摩擦系数应归因于其含有更多的这种头部及其犁沟作用.玻璃纤维易断裂而形成磨粒,从而增强了犁沟作用并导致高的摩擦系数和磨损率.而钢纤维在试验中不断裂但有仰起倾向,增加了与偶件的角度系数,导致犁沟作用增强,使摩擦系数与磨损量增加.芳族聚酰胺纤维、碳纤维和丙烯腈纤维磨损相对较低,碳纤维和丙烯腈纤维出现材料转移并显示出润滑作用,而芳族聚酰胺纤维没有明显的材料转移.钢纤维增强摩擦材料具有摩擦系数平稳、衰退小、高温磨损小及可压缩性低等优点,但同时又具有易锈蚀、损伤偶件、造价较高、密度大及摩擦系数小等缺点.采用软氮化处理可以改善钢纤维的防腐性,也可用酚醛、聚酰亚胺、聚酰胺、环氧、聚氯乙烯及聚丙烯等树脂涂覆钢纤维,干燥后在惰性气体中加热至600℃使树脂炭化,这种方法处理的钢纤维具有较好的防锈性能,用其所制得的摩擦材料在300℃以上仍具有优良的摩擦性能;另外,加入质量分数为1%～10%的锌粉也可防止钢纤维生锈,但锌粉含量增高将使摩擦系数下降.碳纤维作为摩擦材料的增强纤维表现出优良的特性.将碳纤维进一步炭化处理效果更理想,碳纤维与其他纤维混合使用同样能获得较好的效果.碳纤维增强的摩擦材料具有优异的摩擦学性能,其摩擦系数随温度的变化平稳,高温摩擦系数高,恢复性好,磨损小.采用碳纤维代替钢纤维,不仅可提高半金属摩擦材料的耐磨性,而且有助于消除低频噪音及钢纤维的腐蚀问题.但碳纤维的用量不宜过多,否则将降低摩擦系数和提高成本.铜纤维增强摩擦材料的研究已表明,铜纤维在摩擦材料中具有使铁富集的作用,即摩擦过程中摩擦材料磨损表面上形成了富铁贫铜的表面层,铜能从摩擦材料磨损表面转移到偶件磨损表面,使偶件磨损表面上分布一定量铜,这是摩擦副具有稳定摩擦系数和良好耐磨性的关键因素.此外,铜纤维取向对摩擦材料摩擦磨损行为有显著的影响.采用有机纤维代替石棉纤维和钢纤维制备摩擦材料的专利报导很多,而所用的纤维多以复合纤维为主.碳纤维与钢纤维复合增强摩擦材料的性能不仅优于石棉摩擦材料,也优于半金属摩擦材料.玻璃纤维增强摩擦材料在美国和日本等国家都已实现商品化.利用少量SiC晶须或芳族聚酰胺纤维与玻璃纤维混用,可进一步改善玻璃纤维摩擦材料性能,尤其是磨损性能.无机纤维及含约20%玻璃纤维与5%～12%易熔性有机纤维如丙烯腈纤维复合增强的摩擦材料的摩擦性能良好,这是因为在摩擦过程中,随着摩擦表面温度的升高,易熔纤维熔融形成了保护层.2.2填料和金属填料填料是摩擦材料中不可缺少的组分,其在摩擦材料中主要起改善材料的物理与机械性能、调节摩擦性能及降低成本的作用.通常填料可分为有机、无机和金属3种材料.有机填料在摩擦材料中的主要作用为降低模量、改性及稳定摩擦系数.常用的有橡胶粉、沥青及腰果壳粉等.人们研究的重点是橡胶,它可以以粘结剂形式加入,即作为改性剂的橡胶与树脂化合形成新型的粘结剂;也可以以填料形式加入.橡胶的加入总量一般不超过8%.研究发现,加入少量橡胶通常能明显提高制品的摩擦系数和抗冲击能力,促进某些树脂的固化,降低弹性模量,增大摩擦副之间的实际接触面积,达到提高制动力、缩短制动时间及降低偶件摩擦温升的目的,但同时也引起磨损量增加.作为填料的橡胶多为硬质耐高温硫化橡胶.作为摩擦材料改性剂的橡胶有丁腈、丁苯、硅橡胶和氟橡胶,以丁腈橡胶使用较多.丁腈橡胶中的腈基含量对粘结强度影响很大.在酚醛-丁腈胶粘剂中,随着丁腈橡胶中丙烯腈含量的提高,抗剪强度稳定上升.氟橡胶的高温性能虽然最佳,但由于惰性太大,不易与树脂结合,加之价格昂贵而受到限制.硅橡胶具有良好的热稳定性,但其强度及与各种材料的粘结强度都较低.无机填料可分为减摩填料与增摩填料.减摩填料主要以提高材料的耐磨性、降低摩擦系数和减少制动噪音为目的,主要有MoS2、石墨、低熔点金属、滑石和云母等,添加量通常在10%以下.广泛应用的减摩填料是层状结构石墨和MoS2.添加石墨可改善抗磨性能,使用MoS2能够改善抗衰减性能和在较高温度下稳定摩擦状况.随着汽车速度的提高,制动衬片尺寸减小,意味着比压和摩擦温度增高,此时单纯依赖石墨与MoS2固体润滑剂已不能满足稳定摩擦系数的要求.文献介绍了一些无机固体润滑剂和固体混合物,其在许多状况下可改善磨损和稳定摩擦系数.在传统配方中加入1.0%～5.0%的润滑性热塑性树脂如PTFE、聚酰亚胺、聚乙烯或聚丙烯树脂,可降低噪音并稳定摩擦系数.增摩填料主要是不会分解的耐热材料粉末,主要用以改善和提高材料的物理与机械性能和增加材料摩擦阻力.增摩填料包括天然磨粒,如金刚石粉、SiO2、刚玉及其它颗粒和合成颗粒,如SiC和熔烧或熔凝的Al2O3.金属填料包括铜粉、铸铁粉、多孔铁粒、还原铁粉、铝粉及锌粉等,它普遍具有高吸热性.铜粉耐磨、易在偶件表面形成转移层,起到稳定摩擦系数的作用[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21].铁粉尤其是铸铁粉可以提高耐磨性和稳定摩擦系数.多孔铁粒具有一种磨蚀性表面,它在摩擦片和相应制动表面初始贴合时,具有足够高的摩擦系数,特别是在低温条件下表现出良好的耐磨性.锌粉在摩擦材料中起到防腐蚀和稳定摩擦系数作用.2.3复合材料的共混选择粘结剂首先要考虑热性能,包括结构强度高、模量低、贴合性好、分解温度高、分解物少、分解速度慢及分解残留物有一定的摩擦性能等.早期使用的主要是橡胶型粘结剂,橡胶因耐热性差且磨损大,已逐渐被酚醛树脂取代或与树脂共混.从保证整个基体的合适模量来考虑,摩擦材料的基体已日趋采用树脂和橡胶共混以及对树脂进行改性.腰果壳油改性酚醛树脂可改善摩擦稳定性和高温耐磨性;热塑性聚酰胺、热塑性聚芳烯烷聚醚及聚酰亚胺改性酚醛树脂可提高摩擦材料的抗热衰退性能.将元素B、Mo、Pd和Si加入酚醛树脂中,可提高酚醛树脂的耐热性、机械强度和抗热衰退性.采用豆油、亚麻油、蓖麻油和桐油改性酚醛树脂,可降低其脆性,改善贴合性和稳定摩擦系数.烷基酚改性酚醛树脂能稳定高温下的摩擦系数和耐磨性,利用三聚氰胺改性酚醛树脂,可减少热分解产生的焦油状物质,改善摩擦稳定性和提高耐磨性.腰果壳油及三聚氰胺改性酚醛树脂可使摩擦系数稳定性增大,高温磨损减小,同时具有良好的机械性能.3润滑组分材料粉末冶金摩擦材料的基体主要是铁和铜,另外还有铁-铜基、铝基、镍基、钼基和陶瓷(Si3N4和SiC)基等.铜基摩擦材料导热性好,摩擦性能稳定且磨损小,其以Cu-Sn合金和Cu-Pb合金为主组成,为了改善耐热性和高温强度,可加入Ni、Fe、Zn、Ti、Mn、Mo及Sb等元素.耐高温的金属纤维和碳纤维可使基体得到强化.铁基摩擦材料有较好的高温强度、耐热性、热稳定性和经济性,加入Sn和石墨可改善摩擦性能,加入Mn、Al、Co及Cr可减轻与偶件粘着.润滑组分有低熔点金属Pb、Sn及Bi,固体润滑剂(石墨、MoS2、云母、SbS、WS2和CuS)及金属(Te、Ni及Co)磷化物等,并随添加量的增加耐磨性提高,摩擦系数下降.在铁基摩擦材料中加入过多石墨可引起组织中铁素体减少,渗碳体粗大.另外,MoS2在高温时易氧化成为磨粒而失去润滑作用,从而加速磨损.而增摩组分用以消除润滑组分带来的不利影响,但增摩组分不应成为磨粒而擦伤偶件和增加磨损,增摩材料的粒度大小、形状及硬度要适宜,熔点和分解温度要高,在较宽的温度范围内不发生相变,与其它组分烧结时和保护气氛不起反应.常用的增摩剂有高熔点的金属(Fe、Cr及Mo)粉末、金属氧化物(Fe2O3、Al2O3、Cr2O3、MgO、TiO2及ZrO2)、氮化物(TiN和ZrN)、碳化物(TiC和ZrC)、硼化物以及石棉、SiO2和SiC等,通常采用多种增摩剂和时效处理来满足其综合性能.4织物结构方面的研究.主要的组元作用及组元之间的交互作用的研究.对于我们中心目前关于车用摩擦材料的研