（材料加工工程专业论文）半金属摩擦材料摩擦性能和摩擦机理的研究.pdf

北京化工人学硕上学位论文 半金属摩擦材料的摩擦性能评价和摩擦机理研究 摘要 半金属摩擦材料因为具有摩擦系数平稳、热衰退小和高温磨损小等优 点而成为当前应用最多的摩擦材料。本论文的主要目的是研制开发具有优 异摩擦性能且成本低廉的汽车用半金属摩擦材料，同时解决了摩擦材料性 能如何比较的难题并对摩擦机理进行分析，建立了磨屑运动轨迹模型。 应用组合方法并依据以下四个原则进行原材料选择：优先选用耐磨 性能优异的原材料；选用与其它原材料具有协同效应的原材料；选用 能够改善摩擦材料某些性能的原材料；在不降低摩擦材料性能的前提 下，能够降低成本的原材料。筛选出的半金属摩擦材料所用的多种原材料 有氧化p a n 纤维、硅灰石、石墨、氧化铝、硫酸钡、钢棉、氧化镁、碳酸 钙、氢氧化钙、炭黑、三硫化二锑、碳化硅、丁腈橡胶、酚醛树脂。 本文所做主要工作如下： 1 、根据上述方法选出的原材料，利用黄金分割原则和拉丁方实验设 计方法设计出半金属摩擦材料配方，通过模压制得半金属摩擦材料，对其 样片进行摩擦性能测试，利用s e m 和e d x 等分析手段对其摩擦表面进行分 析。 2 、通过摩擦性能测试，比较了不同体积含量的氧化铝或碳化硅对半 金属摩擦材料摩擦性能的影响。利用模糊综合评价方法定量评价了多个配 方的摩擦稳定性、综合磨损率和综合摩擦性能，同时引入三个参数：摩擦 稳定性、综合磨损率和综合摩擦性能。通过比较得到性能优异半金属摩擦 材料的配方，为其工业化生产提供了一定的理论指导。另外，开发了模糊 综合评价计算方法程序。 3 、利用物理学和数学方面的知识，建立磨屑理想运动轨迹模型并对 其运动规律进行研究。 4 、通过试验确定出最佳配方。当碳化硅( s i c ，v 0 1 ) - - 3 4 时，半 金属摩擦材料具有最佳的综合摩擦性能；当氧化铝( a 1 2 0 3 ，v 0 1 ) = 5 6 时，半金属摩擦材料具有最佳的综合摩擦性能，证明了v 机理的正确性。 关键词：半金属摩擦材料，摩擦，磨损，摩擦机理，碳化硅，氧化铝 摘要 e v a l u a t i o no ff r i c t i o np e r f o r m a n c ea n d f r i c t i o nm e c h a n i s mo fs e m i m e t a l l i cf r i c t i o n i a t e r n l s a b s t r a c t t h es e m i m e t a l l i cf r i c t i o nm a t e r i a l sa r eu s e dw i d e l yi nt h ec a ri n d u s t r y n o w a d a y sb e c a u s et h e yh a v ee x c e l l e n tf r i c t i o np e r f o r m a n c es u c ha ss t e a d y f r i c t i o nc o e 掰c i e n ta n ds m a l lw e a rl o s s i no r d e rt op r e p a r es e m i m e t a l l i c b r a k el i n i n g sw i t hh i g h e rf r i c t i o np e r f o r m a n c ea n dl o w e rc o s t c o m b i n a t o r i a l f r i c t i o nm a t e r i a l sr e s e a r c h ( c f m r ) w a sc o n d u c t e d f r i c t i o nm e c h a n i s m sa n d r o l eo f a b r a s i v e si ns e m i m e t a l l i cf r i c t i o nm a t e r i a l sw e r ea n a l y z e d t h e t r a i e c t o r i e sm o d e lo fd e b r i sw a sc r e a t e d r a wm a t e r i a l su s e dw e r es c r e e n e db yf o u rc r i t e r i a ：( a ) s e l e c t i n gt h o s er a w m a t e r i a l sw i t hg o o dw e a rr e s i s t a n c e ；m ) s e l e c tt h o s er a wm a t e r i a l sw h i c hh a v e g o o dw e a rr e s i s t a n c ew h e nt h e yc o m b i n ew i t hg r o u p ( a ) r a wm a t e r i a l s ；( c ) s e l e c t i n gt h o s er a wm a t e r i a l st h a th a v es p e c i a lf u n c t i o n s ；a n d ( d ) s e l e c t i n g t h o s er a wm a t e r i a l sw h i c hc a nc u tt h ec o s tb u td o n td e g r a d ef r i c t i o n p e r f o r m a n c e f o l l o w i n gr e s e a r c hw a s c a r d e do u ti nt h i st h e s i s ： t h er a wm a t e r i a l su s e dw e r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ea b o v e - m e n t i o n e d m e t h o d s l a t i ns q u a r ec o u p l e dw i t hg o l d e ns e c t i o na p p r o a c hw a su t i l i z e df o r e x p e r i m e n t a lf o r m u l a t i o n sd e s i g n f r i c t i o np e r f o r m a n c eo fs e m i m e t a l l i c f r i c t i o nm a t e r i a ls a m p l e sw a st e s t e d t h ef r i c t i o nl a y e rw a sc h a r a c t e r i z e db v s e ma n de d x t h ef r i c t i o np e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tf r i c t i o nf o r m u l a t i o n sw a sc o m p a r e d w i t hf u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tm e t h o d t h r e en o v e lp a r a m e t e r sw e r e i n t r o d u c e d ：s t e a d yf r i c t i o n ，c o m p r e h e n s i v ew e a rr a t e ，a n do v e r a l lf r i c t i o n p e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r eo ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n p r o c e d u r ew a sd e v e l o p e d 刀) et r a j e c t o r i e sm o d e lo fd e b r i sw a sc r e a t e dw i t ht h ek n o w l e d g eo f p h y s i c sa n dm a t h m a t i c s t w ob e s tf o r m u l a t i o n sw e r eo b t a i n e d o n ei st h es e m i m e t a l l i cf r i c t i o n m a t e r i a lc o n t a i n i n g3 4v 0 1 o fs i ca n da n o t h e ri st h es e m i m e t a l l i cf r i c t i o n m a t e r i a lc o n t a i n i n g5 6v 0 1 o fa 1 2 0 = 1 t h e r e f o r e ，t h evm e c h a n i s mw a s p r o v e d k e yw o r d s ：s e m i m e t a l l i cf r i c t i o n m a t e r i a l s ，f r i c t i o n ，w e a r ，f r i c t i o n m e c h a n i s m s ，s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) ，a l u m i n a ( a 1 2 0 3 ) 北京化工人学硕j ：学位论文 重； 符号说明 摩擦系数 磨损率，1 0 。7 c i t l 3 ( n m ) 。1 摩擦力( 总摩擦距离的后半部稳定的摩擦力的平均值) ，n 加在摩擦材料试片上的法向力，n 试片中心与圆盘旋转轴中心的距离，0 1 5 m 实验时圆盘的总转数，r 试片摩擦面的总面积，c i i l 2 实验前试片的平均厚度，伽 实验后试片的平均厚度，c l l l 实验时总平均摩擦力，n 摩擦盘温度 摩擦稳定性的定量表征值； 某温度下测得的升温摩擦系数； 某温度下测得的降温摩擦系数； 某温度的升温和降温摩擦系数权重相比，取较大的那个权 权重集合 温度t 时的磨损率 温度t 时国标规定的磨损率值 综合磨损率的表征值 m a 的归一化值 摩擦材料配方的综合模糊评价成绩集合 摩擦力的径向分量 摩擦力的切向分量； 偏离径向的夹角； 磨屑颗粒的质量； 碎屑与圆盘的摩擦系数； v m 厂 ， 尺 刀 4 比 如 盘 r 舡纷纷m 印即峨矿 厶p m 肛 符号说明 碎屑运动轨迹， 碎屑运动的时间。 气流的运动速度 磨屑颗粒质心的运动速度 重力加速度 颗粒直径 气流密度 抬升高度 颗粒质心之间的张角 形状系数 气流与颗粒的相对速度 颗粒密度 碰撞时由运动颗粒质心指向地面颗粒质心的单位矢量 碰撞前两个颗粒在碰撞点的相对速度 ，u y g d 以 口g 缸 以一七 一u 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： & 垫鱼 日期： 鲨1 1 ：1 5 ：望篁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：拖鱼 日期：型! 工! 曼：堕 导师签名： 姿至虹 日期： 竺2 ：兰 北京化工大学硕士学位论文 1 1 摩擦材料的发展简史 第一章绪论 自世界上出现动力机械和机动车辆后，在其传动和制动机构中就使用摩擦片。初 期的摩擦片系使用棉花、棉布、皮革等作为基材，例如将棉花纤维或其织品浸渍橡胶 浆液后，进行加工成型制成刹车片或刹车带，就是早期应用的摩擦材料品种之一，但 是它的耐热性差。随着车辆速度和载重的增加，其制动温度也相应增高，这类摩擦材 料已经不能满足使用要求，人们丌始寻求耐热性好的、新的摩擦材料类型，石棉摩擦 材料由此诞生。 1 9 0 5 年，石棉刹车带开始被应用，其制品的摩擦性能和使用寿命、热性和机械强 度均有较大提高。1 9 1 8 年后，人们用石棉短纤维与沥青混合后制成刹车片。2 0 世纪 2 0 年代初，酚醛树脂开始工业化应用，由于其耐热性明显高于橡胶，所以很快取代了 橡胶而成为摩擦材料中主要的粘结剂材料，并且由于酚醛树脂与其它的各种耐热型的 合成树脂相比价格较低，所以从那时起，石棉一酚醛型摩擦材料被世界各国广泛使用 至今。从上个世纪7 0 年代至今的三四十年来，随着科学技术的发展，汽车的功率、 速度和载荷日益提高，其运行工况条件日益严峻，同时伴随着世界能源危机与人类环 境保护意识的增强，对汽车和汽车零配件提出更高的要求，促进了包括汽车摩擦材料 在内汽车零配件的快速发展。对于摩擦材料而言，要求有足够而稳定的摩擦系数、摩 擦系数之差小；有良好的导热性和一定的高温机械强度，有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。 1 1 1 汽车摩擦材料的历史 汽车摩擦材料的发展大致经历了以下三个阶段l l - 4 1 ： ( 1 ) 二十世纪7 0 年代以前是摩擦材料发展的第一时期。在这个时期汽车制动系 统多为四轮鼓式，汽车摩擦材料多采用石棉纤维为增强体。它是以石棉为骨架，与其 它添加剂和树脂混合而成的摩擦材料。石棉在摩擦材料中的含量一般为3 0 一6 0 ， 由于以石棉纤维为增强材料的石棉摩擦材料具有成本低、比重小、不易损伤对偶材料 耐热性好、摩擦系数高、比表面积大、易于和基体树脂材料粘合在一起，柔软、强度 较高等独特优点，故获得极为广泛的应用，并在摩擦材料市场中长期占统治地位。 ( 2 ) 二十世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期为第二时期。世界性的能源危机、汽 车速度的加快均促使制动系统向盘式制动转化，这些均要求提高摩擦材料的高温摩擦 第一章绪论 性能和制定效率，要求克服因尺寸小而带来的噪音增强和振颤增强等问题，石棉摩擦 材料的性能已逐渐不能适应这些要求。加上1 9 7 2 年石棉被国际肿瘤学讨论会确认属 于影响人体健康的致癌物质，石棉摩擦材料被各国纷纷禁止使用，从而促使各国研究 开发高性能的适应汽车和社会发展要求的摩擦材料。此后便出现了半金属摩擦材料、 烧结摩擦材料、代用纤维增强或聚合物粘结摩擦材料、混杂纤维摩擦材料等无石棉摩 擦材料，这些材料以增加金属成分来提高使用温度，延长使用寿命，并加入多种添加 剂来提高摩擦稳定性和抗粘着性、降低制动噪声和振颤现象。它们总的特点是：均 无石棉成分，作为增强材料而采用代用纤维或聚合物，如钢纤维、矿物纤维、玻璃纤 维、有机纤维及耐高温聚合物等；增加了金属成分，以提高使用温度和使用寿命； 加入了多种添加剂或填料，以改善摩擦稳定性、抗粘着性，降低制动噪音并减少震 颤现象。 ( 3 ) 二十世纪8 0 年代中期至今是摩擦材料发展的第三时期。盘式制动和新型摩擦 材料大为发展，已达到工业化生产及应用。由于汽车工业急速向高速、高效、节能和 轻型化方向发展，汽车普遍采用前盘后鼓式或四轮盘式制动，这就对摩擦材料提出了 更新、更高的要求。因此摩擦材料工业不得不加速新型摩擦材料的开发研制工作。各 发达国家继续加强对第二时期推出的材料进行改进和提高工作，相继推出低导热率、 低噪音等第二代和第三代半金属摩擦材料，以及具有高弹性、耐高温、低噪音的粘结 陶瓷型材料和具有耐高温、耐磨损、高摩擦稳定性的烧结新型铁基材料，并同时开始 批量生产且在新生产的汽车上应用这些新型摩擦材料。以钢纤维为主要替代材料的半 金属型摩擦材料，在发达国家中被首先应用。8 0 年代到9 0 年代初，半金属摩擦材料 已占据了整个汽车用盘式刹车片领域，而对机械强度要求较高的鼓式刹车片和离合器 面片品种则采用多种纤维及耐热型有机纤维的混合类型作为基材来取代石棉。2 0 世纪 9 0 年代后期以来，n a o 型摩擦材料在欧洲的出现是上个值得关注的趋势。n a o 型摩擦 材料是无石棉摩擦材料，它与半金属摩擦材料的不同之处在于不含有钢纤维及铁粉或 只含有少量钢纤维，而是使用非金属型的无机纤维和耐热有机纤维。一般认为n a o 型 摩擦材料有助于克服半金属型摩擦材料固有的高比重、易生锈、易产生制动噪音及导 热系数过大等缺点。目前，n a o 型摩擦材料在欧共体国家已经得到广泛应用，且具有 取代半金属型摩擦材料之势，但是目前国内还没有出现此类摩擦产品的相关报道。 由此可见，无石棉化是各国发展汽车摩擦材料的主要方向，也只有这样，才能满 足汽车工业和社会环保的要求。近年来国外出现的新型摩擦材料见表1 - 1 。 1 1 2 国外汽车摩擦材料的发展现状与趋势 当前，国外特别是欧、美发达国家，对石棉摩擦材料严格禁止使用。美国生产的 摩擦材料己全部采用了无石棉材料，而欧洲国家的新车前轮盘式制动器制动衬片也基 2 北京化工人学硕：l 学位论文 本采用无石棉材料，日本也在大力开发研究无石棉摩擦材料1 5 1 。无论是在生产工艺、 自动化生产设备还是用材上，国外汽车无石棉摩擦材料都有了很大的发展。 表卜1 近年来国外出现的新型摩擦材料举例 t a b l e1 - 1e x a m p l e so fn e wf r i c t i o nm a t e r i a l sa p p e a rr e c e n t l ya b r o a d 摩擦材 料 配方组成 密度g c m 3 配比w t 作用 橡胶 2 02 8 4 3 提高韧性 无 酚醛树脂 1 21 5 4 5 粘结剂 石 金属粉末 铁粉 7 8 5 2 0 散热、增大摩擦系数 棉铜粉 8 5 陶瓷纤维玻璃纤维 2 55 1 2增强材料 石棉 2 67 1 2 增强材料 硫酸钡 4 44 1 6 稳定摩擦性能 石墨2 24 2 0高温润滑剂 铝硅粉2 5 3 57 1 5调整性能 云母粉( 硫酸铝改性) 2 5 0 增强材料 含 无机添加剂 2 0 4 0 填料、降低成本 五 金属粉术5 1 5散热、调整性能 石墨碳质材料 5 1 5减摩剂 母 有机增强纤维 0 5 增强材料 热固性树脂 1 0 1 5 粘结剂 钢纤维 7 8 2 5 4 8增强材料 含 橡胶2 08 1 2提高韧性 钢 硬质材料 2 02 6增摩剂 纤 氢氧化钙 2 62 1 0 防锈、调整性能 重晶石 4 46 2 2 稳定性能 维 氧化镁氧化铝 2 8 2 1 0调整性能 热固性树脂 1 29 1 3 粘结剂 海泡石纤维 1 5 2 02 0 3 0 增强材料 含 芳纶 3 53 5 增强材料 海 热固性树脂2 2 3 01 5 2 0粘结剂 泡 氧化铝 7 1 0调整性能 石 丁苯丁腈粉 1 0 2 5 增强韧性 和 膨润土云母 1 3 2 0 填料，降低成本 芳 石墨硬质材料1 0 - - 一1 5润滑剂 纶 硫酸钡 1 5 2 0 稳定性能、降低成本 其它 2 0 4 0 ( 1 ) 生产工艺进展【6 l 随着科学技术的飞速发展，生产设备得到了很大改善。对于模压产品，国外发达 国家采用的基本工艺流程如图1 - 1 所示。配料基本实现计算机自动控制，减少了人工 3 第一章绪论 配料的误差；热压大多采用大吨位压力机，并采用计算机控制技术，大大提高了产品 质量和生产率。 图1 - 1 模压产品的基本：i = 艺流程图 f i g 1 - 1b a s i cp r o c e s sf l o wc h a r to fm o l d e dp r o d u c t s 对于编织缠绕产品，采用的基本工艺流程如图1 - 2 所示。这一工艺主要采用了自 动控制的编织机、浸喷处理装置、烘干系统，以及其它先进的辅助工装设备。 图1 - 2 编织缠绕产品的基本工艺流程图 f i g 1 - 2b a s i cp r o c e s sf l o wc h a r to fw i n d i n gw e a v i n gp r o d u c t s ( 2 ) 原材料的演变 作为汽车制动的关键部分，摩擦材料需要具备许多性能，如抗腐蚀、低密度、寿 命长、低噪音、摩擦性能稳定、磨损率低及极佳的性价比。要获得高性能的摩擦材料， 仅用一种材料是不能满足要求的，而要多种组分复合而成，常用的组分为增强材料、 粘结剂、填料和碳质材料。 1 ) 增强材料发达国家生产摩擦材料用的增强材料己大部分改为非石棉纤维。 应用最为普遍的是金属纤维( 包括钢纤维、铜纤维和铝纤维等) 、有机纤维( 包括芳香 族聚酞胺纤维及其浆粕、聚丙烯纤维及其浆粕、碳纤维和纤维素纤维等) 和无机矿物 材料( 包括玻璃纤维、矿棉纤维、钛酸钾纤维、海泡石纤维、硅灰石纤维以及云母、 蛭石等矿物) 1 7 - 9 。 2 ) 粘结剂主要有以下几类：橡胶改性酚醛树脂( 粉状液态) 、环氧改性酚醛树 脂、硅树脂、改性硅树脂和腰果油改性树脂( y s m ) 。 4 北京化t 大学硕士学位论文 3 ) 填料为了制造出满足性能要求的摩擦材料，需加入各种填料来调节摩擦材 料的性能。加入的填料主要有以下几类： 硬质材料：通常为碳化硅、氮化硅、氧化铝和硅酸锆等，一般要求粒径小于 1 0 0l am s 金属及其氧化物：通常为金属( 铝、铅、锌等) 的粉末及金属氧化物( 氧化镁、氧 化锌等) ； 矿物无机填料：云母、滑石、蛭石、重晶石、高岭土、硅藻土、膨润土和白云 石粉等； 有机填料：主要为橡胶粉( 轮胎粉、丁腈橡胶粉等) 和摩擦粉( 腰果油树脂粉) ； 轻质填料：应用最广泛的有多孔陶球及海绵状铁粉等。 以上填料中，加入硬质材料、金属及其氧化物和有机填料等一般可提高摩擦材料 的摩擦系数，或可提高某些方面的性能，如加入锌粉可起到防锈的作用，加入矿物填 料对材料的性能一般影响不大，但可调整材料的组成，降低生产成本，加入轻质填料 则可降低材料的密度，也可改善其它性能f l o ，n j 。 4 ) 碳质材料为了提高摩擦材料的耐磨性、减轻噪声，应用了另一类重要原料一 一碳素和石墨质材料。主要包括天然无定型石墨、鳞片石墨、合成石墨、石油焦炭海 煤、无烟煤和活性炭等碳素材料。一般要求此类材料含碳量达9 7 以上，粒度一般以 2 0 - - 1 0 0 目为佳。碳质材料具有高温润滑作用，能减缓摩擦材料的性能衰退，提高高 温摩擦系数，改善磨损性和不刮伤对偶等优点。 1 1 3 国内汽车摩擦材料的发展现状与趋势 解放前我国只有小型摩擦材料生产企业。新中国成立后，自2 0 世纪5 0 年代开始， 陆续建成一批摩擦材料生产企业；6 0 年代初期，由国家管理的重点石棉摩擦材料企业 有十八家，多以湿法生产为主；7 0 年代时，国内有近8 0 、约2 0 多家石棉摩擦材料 重点企业从湿法转为干法生产工艺；7 0 年代末8 0 年代初，国家有关部门开始关注石 棉制品企业的环境污染问题，并采取了一些改进措施。我国一些重点摩擦材料企业和 科研院校也开始对无石棉摩擦材料进行研究和开发，并在8 0 年代后期开始了半金属 摩擦材料的生产和应用。 2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初这段时期，可以认为是我国摩擦材料行业快速发展 和发生了根本性变化的一个时期。在9 0 年代末期，我国有关部门和汽车行业为了和 国际市场接轨，根据联合国欧洲经济委员会第1 3 号法规及i s o 有关道路车辆制动性 能试验方法的国际标准和法规，颁布了g b l 2 6 7 6 9 9 汽车制动系统、结构和性能试验 方法国家标准，它是一个强制性标准，其中规定：从2 0 0 3 年1 0 月开始，刹车片中 不能含有石棉。这实际上宣布我国汽车摩擦材料强制性全面无石棉化的决定，这一标 5 第一章绪论 准将使我国摩擦材料行业发生换代性的变化。因此，对于摩擦材料行业的专业人士来 说，研究开发各种无石棉摩擦材料产品并及早全面应用已是摆在我们面前的紧迫任 务。 十多年来，我国的汽车摩擦材料无论是在产品材质还是在制造工艺、设备上都有 很大的进展，如半金属无石棉盘式衬片的开发和制造已取得效益，对无石棉摩擦材料 的研究开发也在不断开展，对非石棉增强材料及树脂的选用作了较多的研究，对摩擦 材料的生产工艺、测试方法和设备等都有所研究和改进，但总体上仍比较落后，与国 外仍存在很大的差距。 1 2 半金属摩擦材料的组成及性能特点 汽车摩擦材料的种类有多种，无石棉摩擦材料根据使用条件可分为干式和湿式两 种。干式条件下主要用无石棉有机摩擦材料和烧结摩擦材料；湿式条件下主要用纸基 的和石墨基的摩擦材料以及烧结摩擦材料【1 2 j 。而半金属摩擦材料是一类重要的无石棉 有机摩擦材料，在国外发达国家广泛用于轿车、微型车和轻型车的制动器中，重型车 也开始广泛装用。对我国而言，大多数引进车型的前盘后鼓制动器也都基本采用了半 金属摩擦材料。随着我国汽车摩擦材料的无石棉化进程加快，半金属摩擦材料以它良 好的性能成为研究和应用的主流方向，因此，有必要对这种材料的成分及性能特点作 一简单介绍。 1 2 1 半金属摩擦材料的典型成分 美国b e n d i x 公司于2 0 世纪7 0 年代初首先开展盘式制动器用半金属摩擦材料的 研究，于8 0 年代中期已由最初研制的少石棉含量的半金属摩擦材料发展到全部取代 石棉纤维的金属纤维及其它类型纤维的摩擦材料。半金属摩擦材料是以金属纤维( 钢 纤维、铜纤维等) 代替石棉纤维，以树脂或其改性物作为粘结剂，加入各种摩擦性能 调节剂而制成的。它的一般成分为粘结剂( 酚醛系列树脂) 占5 1 5 ，铁、铜及其 合金的纤维和粉末占4 0 - 7 0 ，石墨等减摩剂占1 0 - 2 0 ，其余为橡胶粉、腰果 油等增摩剂及一些调整性能的填料。表1 - 2 列出了半金属摩擦材料的典型配方【1 3 j 。 1 2 2 性能特点及存在问题 与石棉摩擦材料相比，半金属摩擦材料具有许多优异的摩擦性能，特别适用于尺 寸较小的盘式制动器。具体特点如下【1 4 _ 1 6 】： ( 1 ) 摩擦系数在4 0 0 c 以下非常稳定，热衰退率小，热稳定性好； 6 北京化工人学硕士学位论文 ( 2 ) 耐磨性好，使用寿命比石棉摩擦材料提高3 5 倍； ( 3 ) 摩擦接触面上比压升高时，摩擦系数变化小，较高负荷下有良好的摩擦性能； ( 4 ) 优良的能量吸收性能可使制动器和离合器尺寸缩小； ( 5 ) 制动噪声小； ( 6 ) 导热性能好，能改善摩擦面的温度环境； ( 7 ) 对环境污染小。 表1 - 2 半金属摩擦材料的典型配方 t a b l e1 - 2t y p i c a lf o r m u l a t i o n so fs e m i - m e t a l l i cf r i c t i o nm a t e r i a l s 配比( ) 组分 例l例2例3 酚醛系列树脂 888 金属粉 11l 铁粉 0 04 2 橡胶粉 222 石墨 1 71 71 7 腰果油粉 550 钢纤维 2 02 02 0 陶瓷粉 551 0 高碳铁粉 4 24 20 半金属摩擦材料的这些性能特点使它成为一类具有广阔发展前景的摩擦材料，但 是随着一段时期的使用，这种材料又暴露出了它的缺陷，主要问题在于： ( 1 ) 钢纤维容易生锈，锈蚀后或者粘着对偶或者损伤对偶，使摩擦材料强度降低、 磨损加剧，同时钢纤维的硬度高，也易刮伤对偶，加速对偶磨损。国外有些专利介绍 加入锌或锌的化合物、c a f ：或用某些树脂涂覆钢纤维等可以起到防锈效果1 1 7 j 。 ( 2 ) 热传导率高，当摩擦温度高于3 0 0 时，易于使摩擦界面间的树脂粘结剂分解， 加上温度梯度差异大引起热应力甚至出现剥离现象，同时高的摩擦热传到制动器液压 机构，导致密封圈软化和制动液发生气阻，导致摩擦片层与钢板脱开而造成制动失灵。 ( 3 ) 硬度较高，会损伤对偶材料，产生振颤和低频制动噪音。 ( 4 ) 密度大。 1 3 汽车摩擦材料摩擦与磨损机理的研究概况 7 第一章绪论 摩擦磨损是发生在相互运动表面间的物理化学作用和质量变化现象。因此，研究 摩擦材料的摩擦磨损机理，对摩擦磨损进行失效分析，可以预测材料在使用条件下的 耐磨性能和使用寿命，可以在节约能源、材料、润滑剂、成本、减少污染等方面带来 相当可观的经济效益和社会效益。 1 3 1 摩擦概述 两个物体表面在外力作用下发生相互接触并作相对运动( 或运动趋势) 时，在接 触面之问产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象就是摩擦。 表征摩擦力相对大小的是摩擦系数f 。经典摩擦定律：f = f n ，并认为摩擦系数 与表面定义面积、滑动速度和载荷大小无关，只与材料性质和表面性质有关。对于粘 弹性材料，经典摩擦定律局限性较大。 影响摩擦阻力的因素：接触表面的运动情况、外载荷、环境条件( 温度、润滑等) 、 表面形貌和材料性质。一般认为，f = f n “，k = 2 3 - 一1 。 产生摩擦和摩擦阻力的原因主要是：接触点的粘着作用、表面微凸体问啮合的机 械作用、表面间边界膜的剪切作用、表面间流体的剪切作用和滚动接触中的弹性滞后 作用等1 1 8 , 1 9 】。 从微观尺度来看，物体表面是粗糙的，因而在正压力作用下发生相互接触时，两 表面仅仅在它们的理论接触区中的微凸体上相遇，一些微凸体被压平或压入配偶表 面，真实接触面积通常远远小于名义接触面积。不仅在两个接触物体的硬度和弹性模 量不同时会出现压入，而且在两个物体的硬度相同，而轮廓峰的外形不同时也会产生 压入。而且，一般情况下，物体表面被一层称为边界膜( 物理膜或化学膜，如：氧化 膜) 的东西所覆盖。在真实接触的这些区域内，接触处被边界膜所分隔，当两表面作 切向位移时，就必须克服因微凸体压入的啮合作用和边界膜的剪切作用而产生的变形 阻力【扯2 3 1 。边界膜的剪切作用称作边界摩擦，摩擦系数一般在0 0 4 - - - 0 1 5 之间。 如果表面上的边界薄膜因种种原因( 如载荷或温度过大等) 被去除或被破坏，接 触将发生在表面微凸体的洁净材料间，则两个表面的接触处的原子间将会相互吸引， 从而产生强大的粘着力，能在一定程度上形成牢固的结点。在高真空( 如外层空间) 下工作的机构中，这种现象特别显著。粘着性质取决于接触物理学及接触化学。当发 生相对滑动时，一定要克服这些粘着力，也就是说，粘着产生的结点必须被剪断。剪 断这些节点的力也是两个表面间产生摩擦的主要原因之一，称作粘着摩擦。 粘着作用产生的摩擦系数与结点的剪切强度相应，微凸体压入的啮合作用产生的 摩擦系数与材料剪切强度和材料硬度等相关。粘着作用和啮合作用产生的摩擦称作干 摩擦，摩擦系数较大，一般在0 3 - 0 6 之间，铜、铬等的干摩擦系数达0 8 - - 1 5 ， 聚四氟乙烯的干摩擦系数最小，为0 0 4 - - 0 1 ，石墨为o 0 8 左右。 8 北京化r t 大学硕士学位论文 如果两表面之间有润滑剂存在，由于润滑剂有粘度存在，相对运动使润滑剂剪切 滑动所产生的阻力就形成了摩擦的另一个原因，称作流体摩擦。流体摩擦的摩擦系数 较小，一般在0 0 0 1 0 0 2 之间【2 4 2 8 1 。 多数情况下，两表面之间既有材料间的直接接触，又有边界膜和流体膜的存在， 称作混合摩擦，摩擦系数一般在0 0 1 0 1 之间。 滚动摩擦则是作相对滚动的两表面之间的材料变形的滞后现象引起的。较硬的表 面间的滚动摩擦系数较小，一般在0 0 0 2 0 0 0 8 之间，点接触为0 0 0 2 - 0 0 0 4 ，线接触 为0 0 0 4 - - 0 0 0 6 。 1 3 2 摩擦分类 ( 1 ) 按摩擦副运动状态可分为： 静摩擦：两物体表面产生接触，有相对运动趋势但尚未产生相对运动时的摩擦； 动摩擦：两相对运动表面之间的摩擦。 ( 2 ) 按相对运动的位移特征分类： 滑动摩擦：两接触物体接触点具有不同速度和( 或) 方向时的摩擦； 滚动摩擦：一个物体在另一物体表面上滚动时，受到接触面的阻碍作用； 自旋摩擦：两接触物体环绕其接触点处的公法线相对旋转时的摩擦。 上述摩擦方式即运动方式的叠加，就构成摩擦的复合方式，如滑动滚动摩擦。 ( 3 ) 按表面润滑状态分类： 干摩擦：两摩擦表面之间即无润滑剂又无湿气的摩擦； 边界摩擦( 即边界润滑) ：以具有边界膜隔开相对运动表面时的摩擦； 流体摩擦( 即流体润滑) ：以流体层隔开相对运动表面时的摩擦，即由流体的 粘性阻力或流变阻力引起的摩擦； 混合摩擦( 即混合润滑) ：半干摩擦和半流体摩擦的统称； 半干摩擦：边界摩擦和干摩擦同时发生的摩擦； 半流体摩擦：流体摩擦和边界摩擦或流体摩擦和干摩擦同时发生的摩擦【2 9 3 1 1 。 不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，图卜3 所示的s t r i b e c k 曲线表现了这些摩 擦状态，其中u 、1 1 和p 分别是速度、润滑剂粘度和压力。 1 3 3 摩擦相关理论 摩擦材料和对偶材料组成的摩擦副在汽车制动过程中产生摩擦力从而使汽车制 动，摩擦副既可能在干式条件下工作，也可能在湿式条件( 加润滑油) 下工作，对于不 9 第一章绪论 同的工作情况，摩擦副产生的摩擦力可互不相同。阿蒙顿一库仑定律可用数学简单描 述摩擦力如下： u ：f n式( 卜1 ) 式中：u 一摩擦系数；f 一摩擦力；n - ) b h 在摩擦物体上的法向载荷。 籁 憾 鞲 避 l lr l i p 图卜3s t r i b e c k 曲线 f i g 1 - 3c h a r to fs t r i b c c k 但实际中的摩擦副测出的摩擦系数常与上式有较大的出入，这是因为阿蒙顿一库 仑定律只考虑了法向载荷这一因素，并认为对于给定的摩擦副，摩擦系数是一常数。 实际上，摩擦系数的大小取决于多种因素，如摩擦副的表面膜状况、表面的性质、温 度、相对滑动速度的高低、所加法向载荷的大小、表面粗糙度以及表面间分子和原子 的引力等等f 3 2 】。 汽车摩擦材料的成分复杂，既含有金属成分，又含有聚合物、矿物质、碳素等非 金属成分，其与对偶组成的摩擦副的摩擦过程不能简单地用金属摩擦副的理论来解 释，但是可以借鉴这些理论来分析特定的摩擦副。常用的有粘着摩擦理论和分子 机械理论。 1 3 3 1 粘着摩擦理论 该理论认为【3 3 1 ： ( 1 ) 摩擦表面处于塑性接触状态。由于实际接触面积a 只占表观面积的很小部 分，在载荷作用下峰点接触处的应力达到受压的屈服极限。而产生塑性变形。此后， 接触点的应力不再改变，只能依靠扩大接触面积来支承继续增加的载荷。所以有 n = a o 式( i - 2 ) a = n o 式( i - 3 ) ( 2 ) 滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程。由于接触点的金属处于塑性 流动状态，在摩擦中接触点还可能产生瞬时高温，因而使两金属产生粘着，粘着点具 1 0 北京化工人学硕上学位论文 有很强的粘着力。相对滑动时，粘着点被剪切而产生滑动。这样，滑动摩擦就是粘着 点的形成和剪切交替发生的过程。 ( 3 ) 摩擦力是克服粘着作用和犁沟作用所产生的阻力的总和。 1 3 3 2 分子机械理论 该理论认为，在相当高的压力下，摩擦表面问实际接触部分的微凸体相互嵌合， 而且较硬表面的微凸体压入较软表面内，与此同时，还存在着分子的引力。因此，摩 擦的过程就是克服表面微凸体的机械嵌合、犁沟以及表面分子间引力的过程，而摩擦 力就是各接触点上由于机械嵌合、犁沟和分子引力所引起的切向阻力之和。由此推出 摩擦系数描述公式如下： 1 1 = 1 3 + q a n式( 1 4 ) 其中q 、1 3 是和表面的物理、机械性能有关的系数【3 4 】。 1 3 4 磨损相关理论 摩损，是在一个物体白另一个固体的、液体的或气体的对偶件发生接触和相对运 动中，由于机械作用而造成的表面材料不断损失的过程。 ( 1 ) 摩擦学负荷：一个固体的、液体的或气体的对偶件通过接触和相对运动对另一 物体施加的负荷称为摩擦学负荷，以区别于引起物体( 主要是机械零件) 破坏和失效 的其他类负荷。 ( 2 ) 磨损的表现：磨损表现为松脱的细小颗粒( 磨屑) 的出现，以及表现为受摩擦 学负荷表面上材料性质( 化学的、物理的、金相组织的、机械工艺的) 和形状的( 形 貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度) 变化。 ( 3 ) 磨损的作用：磨损通常是不希望出现的，即它是消极的、不利的。但在某些例 外情况下，例如在磨合过程中，磨损也可能是有益的；加工过程可认为是创造价值的 工艺过程，此时虽然在刀具和工件表面之间也发生与磨损过程同样的摩擦学过程，但 对于被加工的工件来说，不能认为遭到磨损。 由磨损引起的材料损失的量称为磨损量，它的倒数称为耐磨性。对于耐磨性，常 常有人把它看作材料的固有性质一“耐磨强度”，这是一种误解。一个作为材料固有 性质的“耐磨强度 是不存在的。磨损或耐磨性是与很多因素有关的系统特性。对磨 损过程进行系统分析才是科学的研究和处理磨损问题的方法。 产生磨损的根本原因在于受摩擦学负荷作用的物体与摩擦副系统中相关元素之 间发生的机械、物理和化学作用的结果。至于出现什么样的相互作用，取决于所有参 与磨损过程的各个元素的性质，如：运动类型、运动过程、法向载荷、速度、温度、 表面特性和负荷期限等。 第一章绪论 目前人们公认的最重要的四种基本磨损类型( 机理) 是：粘着磨损、磨料磨损、疲 劳磨损和化学磨损。 1 3 4 1 粘着磨损 粘着磨损过程是在外力作用下，摩擦接触的表面间材料原子键的形成( 显微熔接) 和分离过程，外力作用下材料原子问的相互作用是主要的1 3 5 , 3 6 。 由于摩擦副之间的真正的接触只发生在微凸体的微观接触面上，所有微观接触面 的总和构成的真实接触面积只是名义接触面积的一个很小部分，因此在真实接触面积 内具有很大接触应力。这些应力由于切向的相对运动还会强化，以致受到负荷作用的 微凸体发生弹性或塑性变形。这样，若表面上的吸附层和反应层遭到破坏，暴露在表 面的原子键联结( 强短程表面力的作用) 得到加强。当摩擦副发生相对运动时，这种 原子键又被撕开，为此所需要的力及能量是粘着摩擦的起因。磨损的产生则是由于原 子键联结并不一定都在原始微观接触处断开，而有可能在摩擦副中较弱方的表面层附 近断开，结果使材料从摩擦副一方到另一方的转移，经常形成松脱的磨屑。 粘着磨损与其他磨损形式的很大不同在于，其他磨损形式一般都需要一些时间来 扩展或达到临界破坏值，而粘着磨损则发生的非常突然；逸主要发生在滑动副或滚动 副之间没有润滑剂时，或期间油膜受到过大负荷或过高温度而破坏时【3 7 】。严重时，机 械系统中运动零件的“咬死 将导致灾难性失效，如轴承抱死、剧烈磨损等。要减少 粘着磨损和确定磨损率，试验数据或经验数据是必需的。 1 3 4 2 磨料磨损 磨料磨损是由硬颗粒或硬凸起引起的摩擦表面破坏，能分离出磨屑或形成划伤的 过程。在形貌图上判断磨料磨损的主要依据是划痕，在这些划痕中往往还有微切削痕 迹存在；一些脆性材料上还会出现崩碎颗粒。一般认为磨料磨损有凿削式磨料磨损、 磨料浸蚀、高应力碾碎式磨料磨碎、低应力擦伤式磨料磨损和冲击浸蚀等类型。 磨料磨损不局限发生在某些材料中，这主要取决于配对件或中间磨粒的硬度，金 属、陶瓷或聚合物材料都有可能出现剧烈的磨料磨损。实际中，磨料磨损主要发生在 采矿、物料运输、农机或工程机械作业和原材料加工处理过程中。若沙粒或尘粒进入 零件副的滑动面或滚动面上，则同样会发生严重的磨料磨损，如开式齿轮传动等。若 磨屑不能从它形成的地方被润滑油带走并过滤掉，也会导致磨料磨损。 1 3 4 3 疲劳磨损 摩擦副表面微凸体之间的反复作用，使得材料微体积受循环接触应力和重复变 形，导致裂纹的产生和扩展，分离出微片或颗粒的磨损成为疲劳磨损。 由于摩擦学负荷通常与作用在表面上的机械应力有关，并且它的大小是随时间或 位置的不同而不断改变的，所以在很多磨损过程中都伴随有疲劳磨损。它表现为裂纹 的逐渐形成和扩展，最后在受摩擦学负荷的范围内脱落下一些颗粒状或片状磨屑，结 果留下一些麻点和坑穴【3 8 3 纠。用扫描电子显微镜有时还可以观察到复原线，说明裂纹 1 2 北京化工大学硕十学位论文 呈间断式生长。还有垂直与运动方向的横向裂纹，也表明有疲劳磨损发生。当有很多 裂纹同时扩展时，有可能产生磨屑。 所有材料都可能发生疲劳磨损。这种磨损是降低滚动轴承使用寿命的主要原因， 当它们由于疲劳磨损出现麻点时，其使用寿命即将终结。齿轮及凸轮一挺杆摩擦副也 可能遭受疲劳磨损出现麻点而失效。在流体动力润滑的轴承中油膜能传递交变机械应 力，因此疲劳磨损也是其主要失效形式之一。此外，在冲击负荷下也会出现疲劳磨损； 表面疲劳还是材料气蚀和流体浸蚀的主要损坏机理。 疲劳磨损通常要经过较长的潜伏期后才出现剥蚀或剥落的磨屑。通常在潜伏期里 磨损还达不到可测出的程度，而主要是通过组织变化以及裂纹形成和扩展为磨屑的形 成做准备【4 0 1 。因而疲劳磨损采用有效寿命( 即开始正常工作到出现磨屑分离的时间) 为其主要衡量磨损程度的指标；有时也采用失重法测定的数据作为参考。 1 3 4 4 摩擦化学磨损 摩擦化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质 中的某些成分发生化学或电化学的过程，有时也称为磨蚀磨损。可进一步将其区分