b增强型摩擦材料与灰铸铁滑动摩擦性能

第38卷第4期 2007年8月 中南大学学报(自然科学版) J．Cent．SouthUniv．(seienceandTechnology) vol38No4 Aug．2007 金属纤维增强型摩擦材料与灰铸铁滑动摩擦性能 苏堤，黄伯云 (中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙，410083) 摘要：采用X射线衍射(Ⅺ①)和X射线能谱(EDaX)对分别使用低炭钢纤维、黄铜纤维和紫铜纤维增强的 3种半金属摩擦材料与灰铸铁在不同温度下滑动摩擦形成的磨屑进行分析，并结合扫描电子显微镜(SEM)观察摩 擦材料而形貌，分析材料的磨损特性，并对黄铜纤维和紫铜纤维增强的摩擦材料磨屑成分进行对比分析。XRD 结果表明，钢纤维增强体系的摩擦材料磷屑中的主要相是口一Fe，BaS04，FeCr204(或F0304，Fe203)：黄铜和紫铜 纤维增强体系的磨眉中主要相除钢纤维体系中含有的相外，迸含有Cu。EDAX分析的结果与x射线物相分析的 基本一致，钢纤维增强材料磨屑中的Fe原子数分数达50％-60％，Cu，Ba，Ca和AI等元素的原子数分数为6％一10％。 Fe原子含量均较高，在紫铜纤维增强的材料中其他元素的原子含量都比黄铜纤维增强的材料中的浓度低，说明紫 制纤维增强的摩擦材料的磨损比黄制纤维增强的摩擦材料的小，填料不容易脱落，但紫铜纤维增强的摩擦材料对 对偶造成的损伤较大。 关键词：摩擦：磨损；磨屑；钢纤维；铜纤维；半金属摩擦材料 中图分类号：TB323；TFl259 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)04—0583一)6 Propertiesofmetalfibersreinforcedfrictionmaterialsandgrey castironfrictioncouple SUDi，HUANGBai—yun (StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,CentralSouthUniversity,Changsha410083，China) Abstraet：Theweardebrisofthreesemi—metallicfricrionmaterialsreinforcedbylowcarbonsteelfiber,brassfiberand purecopperfiberrespectively,andgreycastimncoupleworenatdifferenttemperatureswerestudiedbyXRDand EDAXWearpropertieswereanalyzedtogetherwiththesurfaceimagesgotbyscanningelectronmicroscope(SEM)．The resultsofX—raydiffractionanalysisindicatethatthemainconstitutionpha,qesoftheweardebrisforthatreinforcedby steelfibersai'ea-Fe，BaS04，FeCr204(alsomaybeFe3040rFe203)|andthatforthosereinforcedbybrassandpurecopper fibers．thereisCuinaflditionEDAXresultshowsthatthemostelementoftheweardebrisforthemater／a1reinforeedby steelfibersisFeWhoseatomicconcentmtinnaddsupt050％一60％．andtheatomicconeentrationsofotherelements．such asCu,Ba,Cr,A1．are6％10％respectively．Comparingtheatomicconcentrationoftheweardebrisformaterial reinforcedbybrassfiberwiththatbypurecopperfiber,Feconcentrationsarebothrelativelyhighandmostofthe elementsexceptFeinthelatterislowerthanthatintheformer．Thewearformaterialreinforcedbypurecopperislower thanthatbybrassmaterial，whiletheformertendstohurttheopponentmore Keywords：friction；wear；debris；steelfiber；copperfiber；semi-metallicfrictionmaterial 收稿日期 基金项目 作者简介 通讯作者 2006-10-18 国家科技部高技术产业化引导项耳(2003AA001033) 苏堤(1962)，男，湖南常德人，副研究员，从事高性能、环保型摩擦材料研究 苏堤．男，剐研究员；电话：0731．88794221E—mail：sudi777@sinacorn 万方数据 中南大学学报(自然科学版) 第38卷 树脂基石棉摩擦材料是国内广泛使用的一种汽车 制动材料，由于摩擦片在制动过程中要承受很大的剪 切力，因此，摩擦材料中必须添加一定比例的纤维增 强材料。石棉摩擦材料就是在配方中添加了大量的石 棉纤维，以增加摩擦材料的抗剪切强度和冲击强度， 满足实际工况需求。{日右棉纤维材料具有很强的致癌 性，并在制动高温下热衰退严重，为了克服树脂基石 棉摩擦材料不环保、致癌及抗热衰退性差等缺点，我 国目前正在广泛开展汽车用新型非石棉摩擦材料的研 究开发工作。半金属摩擦材料就是用金属纤维替代石 棉纤维，是一种较为合适的替代材料It-4]。由于起步晚， 在国内对于这种新型摩擦材料的摩擦磨损机理的研 究，特别是对几种常用的金属纤维的摩擦行为的研究 较少。 许多学者口41对摩擦材料的摩擦表面膜进行了研 究，认为它的形成改变了摩擦副的界面接触情况，使 摩擦材料与对偶材料问的直接接触变成表面膜与对偶 材料的接触，使材料间的粘着作用大大减弱，既可稳 定摩擦因数，又可降低粘着磨损，但表面膜的破裂、 脱落也会引起摩擦的不稳定、磨损加剧以及振动噪声 的产生。因此，表而膜的形状、分布、厚度及成分等 性质对摩擦副的摩擦磨损性能有重大作用。在此，作 者以摩擦后的磨屑为研究对象，分析磨屑的成分并观 察摩擦副的表面形貌，探讨3种纤维增强的半金属摩 擦材料摩擦磨损的内在机制。 1实验 3种树脂基半金属摩擦材料样品成分如表1所示。 黄铜纤维材料型号为H62，钢纤维由低碳钢材加工， 碳含量为O．叭2％。摩擦性能调节剂有BaS04，Sb2S3， FeCr20。，白云石，CaF2及A1203等。3种样品按比例 配好后，充分混合均匀，在160℃和35MPa下热压 成型，再经160℃热处理16h，最后经机加工制成25 mill×25mm×5innl的方片试样。在D-MS定速式摩 擦试验机上用HT20--40灰铸铁(硬度为170—210HB) 作对偶，分别在80，150，250和350℃进行摩擦磨 损性能试验，测定摩擦因数和磨损率，收集各温度F 材料的磨屑，对磨屑进行x射线衍射物相分析，再用 x射线能谱分析系统(EDAX)对磨屑进行成分分析，同 时，结合扫描电子显微镜观察摩擦面表面形貌。 表1试验样品成分表 Table1 Samplescomponentswf％ 2结果与讨论 2．1磨屑成分的x射线衍射分析 对3种金属纤维增强的摩擦材料磨屑进行x射线 衍射物相分析。分析结果表明，1号试样磨屑中的主 要物质相为∞Fe，FeCrz04，Fe304，BaS04；2号试样 磨屑中的主要成分为Cu，BaS04，口一Fe；3号试样磨 屑中的主要成分为Cu,FeCr204，Fe203及BaS04。在 材料中，没有添加含有Fez03或Fe304的组分，但磨 屑中含有Fe20，或Fe，04相，说明钢纤维或铸铁对偶摩 擦面发生了氧化，随着滑动摩擦的进行和温度的提高， 氧化膜磨损脱落，形成含有Fe203或Fe304的磨屑，同 时磨屑中的＆．Fe也会在一定的条件F发生氧化。 2．2磨屑成分的能谱分析 一般地，元素的强了分数间接反映了含该元素的 物质相的含量。就本实验而言，Fe，ca，Ba，Cr，A1， Cu，Sb等元素的原子含量，在进行横向对比分析时， 可认为间接反映了钢纤维，Cu纤维，CaF2，BaS04， FeCr204，A1203，Sb2S3等相在磨屑中的质量分数。 EDAX能谱分析所示的结果表明，3种试样的磨屑中 探测到的主要元素为Fe，Cu，Ca，Ba，以及少量的 Cf，A1，S和Sb。 图1所示为3种试样磨屑中的Fe，cu和cr元素 的原子数分数随温度变化的关系曲线。根据图1(a)，l 号试样磨屑中的Fe原子含量最高，且在各个温度下磨 屑中的Fe原子浓度变化不大，均为50％q50％，是该 磨屑中的主要成分，主要是来源于钢纤维的磨损和对 偶件磨损。2号试样磨屑中的Fe原子数分数在各个温 度下均明显比3号试样磨屑的低，2号和3号试样磨 屑的Fe原子浓度随温度变化的规律恰好相反，2号试 万方数据 第4期 苏堤，等：金属纤维增强型摩撩材料与氧铸铁滑动摩擦性能 585 样磨屑的Fe原子数分数为10％"25％，随着温度的升 高先是略有升高，而后逐渐降低，而3号试样的Fe 含量为250／一46％，随着温度的升高，Fe含量先下降， 然后升高。根据图l(c)中的cr原子数分数曲线，可以 判断磨眉中FeCrzO。的量不是很多，且2号和3号中 cr原子浓度差异也不大，因此，在对比分析2号和3 号试样磨屑中Fe原子含量时，可排除FeCr20。中Fe 原子的干扰，由此可知，2号和3号磨屑中的Fe元素 主要是来自铸铁(对偶)的表面磨损。 ∥℃ 墨 岂 (a)Fe；(b)Cu；(c)Cr 图1磨屑中Fe，cu和Cr元素的原子数分数 Fig．1AtomicconcentrationofFe，CuandCrmWOardebris 2号和3号试样磨屑中Fe原子含量产生明显差异 是因为黄铜硬度比紫铜的高。紫铜与铸铁问的粘着比 铜合金与铸铁间的粘着严重【渊。根据文献[10一11】， 由于铜具有良好的塑性，在摩擦过程中，从对偶表面 磨削下来的铁及其氧化物等较硬的磨屑，在摩擦界面 应力的作用下，能够在铜材料上粘着镶嵌。同时，摩 擦界面上富聚的铁及其氧化物，能被摩擦材料中有机 组分分解产生的H：等还原性气体还原成细小铁粒。这 些初生的细小铁粒具有很高的活性，能够烧结在摩擦 材料表面土，因而，铜的加入有使Fe在摩擦材料表面 富集的作用，并提高摩擦材料表面硬度。显然，紫铜 的这种“聚铁”作用比黄铜强。随着温度的升高，铸 铁对偶的磨损更大，图1(a)中3号试样磨屑Fe原子分 数曲线变化情况说明了这一点。2号和3号试样在 350℃摩擦后的表面形貌(SEM)如图2所示。观察高温 下的摩擦材料表面发现，紫铜摩擦材料表面(图2(b)) 没有黄铜摩擦材料表面(图2(a))干净，聚集物较多，表 (a)2号；(b)3号 图2 2号和3号摩擦材料在350℃与对偶摩擦后的 表面形貌 FIg．2SEMimagosofNo．2∞d3samplesfrictionat350℃ 万方数据 586 中南大学学报r自然科学版1 第38卷 面膜也没有黄铜材料的均匀、致密。其原因有2种可 能，一是富Fc的表面在H2和C的作用下变脆变硬， 更容易刮伤对偶，二是没有被表面膜覆盖的地方会与 对偶接触、粘着，进一步聚铁，引起对偶磨损加剧。 从图1(b)可以看出，虽然1号试样只添加了很少 量的黄铜纤维，但是磨屑中却含有5％～8％的Cu原予 数分数，在中低温下原子分数相差不大，而在高温时 有所升高。2号试样磨屑中Cu含量为35％一45％，2 号和3号相比，除150℃外，其他温度下，2号试样 磨屑中铜原子分数均大于3号试样的，3号试样的除 了150℃之外的其他温度下，Cu含量为30％,-一35％。 总体而言，2号试样的Cu纤维磨损要比3号试样的大， 特别是在中、高温下，黄铜纤维磨损更严重，作为摩 擦对偶系统而言，磨损是相对的，不是摩擦材料磨损 大，就是对偶磨损大。结合以上数据分析，说明紫铜 体系对对偶的损伤是最大的。 图3所示为3种试样磨屑中Ca，Ba，A1原子含量 变化曲线图。从图3(a)可以看出，2号试样磨屑中ca 的原子数分数最高，1号次之，3号最低。根据图3(b)， 3号试样磨属中Ba原子数分数比1号和2号低，其随 温度的变化规律与Ca原予的基本类似。通过元素含 量曲线的变化分析，说明铜能够在摩擦表面形成保护 膜，减轻摩擦材料的磨损。 从图3(c)可以看山，3号试样磨屑中A1的原子数 分数最低，随着温度升高，原子数分数先是降低后升 高而后义降低；2号试样磨屑中Al原子数分数随温度 变化是先F降而后一直升高：1号试样磨屑中Al原了 数分数则是略有升高，而后一直下降。氧化锚在摩擦 材料中的主要作用是清洁摩擦材料的摩擦而，显然， 当温度低于260℃时，3种试样磨屑中Al含量基本一 致。在高温下，巾丁紫铜的黏附作用，氧化铝被紫铜 黏附，失去了清洁表面的作用，导致3号试样磨屑高 温时Al含量降低。而H62黄铜(2号试样)r|1含有一定 量的Pb，具有一定的润滑作用，由F黄铜的黏附作用 小强，因此，氧化铝在高温F也起到了良好的清洁摩 擦材料表面的作用(如图2(a)所示，表面平滑干净)．从 而，2号试样磨屑存高温时Al含量较高。 从以上分析得出，3号材料磨屑中的caF：，BaSO。， FeCr204，A1203和sb2s3含量均比1号和2号的低， 这进步说明紫铜纤维与填料所构成的复台材料体系 更耐磨【l”，在摩擦过程中不容易发生填料和纤维的脱 落和剥落，摩擦界面发生的紫铜聚铁作用【l”，对复台 鋈 言 g 鋈 o 《 胃 (a)Ca；(b)Ba；(c)AI 图3摩屑中Ca，Ba，AI原子数分数 Fig．3MomicconcentrationofCa．BaandAIinwea]-debris 摩擦材料自身形成了很好的保护作用，而对铸铁对偶 的造成的损伤较大。 2．3磨屑大颗粒成分的能谱分析 采用SEM对磨屑形貌观察町以发现，在不同温 度下，都有大颗粒存在【1”。这些颗粒形状备异，有的 是某种单一组分从摩擦块上脱落所致，有的还是经反 复碾磨的聚集物f1“，采用EDX对大颗粒进行了成分 半定量分析。大颗粒EDX分析结果立¨表2所示。 —《【苷∞一H 万方数据 第4期 苏堤，等：金届纤维增强型摩擦村料与灰铸铁滑动摩擦性睫 587 表2磨屑走颗粒EDX分析结果 Table2 EDXanalysisofwearbiggrainx／％ 从表2口J以看出，大颗粒基本上是多种成分的聚 集物，它是由各种细小的磨屑在摩擦界面反复研磨聚 集，形成片状物后，破裂、脱落而形成的。1号试样 磨屑大颗粒中，各原子浓度随温度变化没有发生显著 的变化：2号试样磨屑中Cu含量随着温度增加而增 加，Fe含量随着温度增加而减少，s和Ba原子数分 数存350℃时略有增大，说明黄铜纤维在高温磨损增 大的同时，起到Ir对对偶材料的保护作用；3号试样 磨屑小Cu含量没有明显变化，但Fe含量则明显地随 着温度的增加而增大，其他原了的含餐随着温度的增 加而略有减少或变化不明显，这同样反映出紫铜纤维 对对偶材料的侵蚀性，随着温度的增加而愈加严重。 3结论 a．X射线衍射分析的结果表明，低炭钢纤维增强 的摩擦材料，磨屑中的主要物质相是mFe，BaS04， FeCr204，Fe304和Fe203．黄铜和紫铜纤维增强材料的 磨屑中，除了上述物相外，还有Cu。 b．X射线能谱分析的结果表明，1号试样磨屑中 主要元素是Fe，2号和3号试样磨屑中的则以Cu和 Fe为主，其次是Ba，Ca，Cr，AI等元素，这些元素 的原子数分数及其随温度的变化关系反映了含该元素 的物质相在磨屑中的含量及其随温度变化的情况； c．除Fe元素外，紫铜纤维增强利料磨屑中，其 他元素的原子数分数基本l都比黄铜纤维增强材料磨 屑中的低。黄铜纤维和紫铜纤维增强材料磨屑中，Fe 原子数分数均较高，由cr原子数分数可推出Fe主要 是来自对偶利料的磨损，紫铜纤维增强材料磨屑中的 Fe原子数分数则明显比黄铜纤维增强的高，说明紫铜 纤维增强材料的耐磨程度比黄铜的要好，对对偶的损 伤比黄铜的大： d．根据EDX分析，磨屑中的人颗粒是由各种细 小磨屑在摩擦界面聚集并破裂、脱落形成的，其成分 和各原子数分数变化与细小磨屑成分分析基本相同； ，t．从综合性能上看，黄铜纤维用于摩擦材料，既 能有效降低摩擦材料的磨损，义能减轻对摩擦对偶的 损伤，是比较好的纤维增强材料。 参考文献 ⋯1 刘震厶，黄仙E，苏堤，等汽车摩擦村料树脂基体的选择 明中南Ilk大学学报：自然科学版，1999，30(3)：283—287 LIUZhen-yun，HUANGBai-yun，SUDi，etalOptimizaflonof reinmatrixinautomotivefrictionmaterials(J]．Journalof CentralSouthUniversityofTechnology：NatttralScience，1999， 30f31：283-287． 12] 罗成，尚、堤，甥奉嘉，等氧化膜对半金属汽午刹车材制 摩擦磨损性能的影响[J】中南工业大学学报：自然科学版， 1999，30(3)288—291 LUOChen，SUDi，tIEFeng-jia，ctalInfluenceofoxidefilm013 thefrictionandwearpropertiesofsemlmetallicautomotive material(J]JournalofCenhalSouthUniversityofTeelmology： NaturalScience，1999，30(3)：288-291 [3】 支Ⅱ震丘，黄伯云，苏堤，等增强纤维含量对汽车摩擦材料 性能的影响[J】摩擦学学报。1999，19(4)：322-326． LIUZhen—yun，HUANGBai-yun，SUDi，etal Relationship betweenfibercontentandpropertiesofautomotivefriction materials[J]．Tribology,1999，19(4)：322-326 【4】 张扬，张力，盂春玲汽车摩擦材料用增强纤维的研究 现状与发展趋势[J]北京工商大学学报：自然科学版，2006， 24(5、：19_21 万方数据 588 中南大学学报(自然科学版， 第38卷 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