（材料学专业论文）汽车半金属摩擦材料的摩擦磨损性能及机理研究.pdf

中南人学坝l 学位论文 摘要 随着现代汽车工业的发展和社会环保意识的提高，国外汽车摩擦材料在材 质、制造工艺等方面都取得了重大的进展，出现了许多新型的无石棉摩擦材料。 随着我国进入w l o ，基础落后的摩擦材料行业面临严峻的挑战，必须加紧研究 开发和加强无石棉摩擦材料的推广应用工作。半金属摩擦材料困其良好的综合性 能，成为我国主要推广应用的无石棉摩擦材料之。由于以往国内对汽车摩擦材 料的研究重点放在配方的优化及工艺设计等方面，而对摩擦磨损机理尚缺乏深入 的研究，因而在配方设计方面常带有一定的盲目性。目前，人们常常借用金属材 料摩擦磨损的一些理论来解释汽车摩擦材料中出现的一些现象。 本研究对加入不同纤维和不同润滑剂的半金属摩擦材料在不同温度下的摩 擦磨损性能进行研究，并从磨屑的角度借助s e m 及e d x 等手段对摩擦材料的摩 擦磨损机理进行了探讨，以期对配方设计提供一些有意义的参考依据。实验结果 表明：加入铜纤维能很好地改善摩擦材料的性能，摩擦系数稳定，磨损率低，紫 铜纤维的作用效果比黄铜的好；加入m o s ，的摩擦材料摩擦系数比石墨的高，但 磨损也大一些；从磨屑形貌分析，认为低温时摩擦材料磨损机制主要由切削和粘 着作用控制，磨屑较细小并有少数大块颗粒：。中温时氧化膜的形成使摩擦稳定： 高温时有机物的热分解、表面膜的破裂脱落及一定的表面疲劳磨损为主要的磨损 形式，磨屑多为较大的块状或片状；纤维的磨损对材料磨损起主导作用，铜纤维 在摩擦界面形成的表面膜具有集铁作用，使磨屑中富铁，紫铜的效果比黄铜更明 显，填料脱落也较小，源于紫铜的良好塑性；填料中f e c r 2 0 。和s b ：s ，较不容易 磨损与脱落；石墨系摩擦材料的填料比m o s ，的容易脱落。 关键词： 汽车，摩擦材料，摩擦，磨损，半金属，机理，纤维，固体润滑剂， 磨屑 中南犬学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n lo fm o d e m 眦t o m o t i v e m d u s 时a 1 1 d 也ee m 瑚1 c e 坨mo f c o n s d o u s n e s so ne n 恤i l 妇1 e mp r o t e c t i o n ，m e r e1 1 a v eb e e ng r e a td e v e l o p m e 珧o n a u t o m o t i v e 衔c 矗o nm a t 耐a l so ns u c ha s p e c t sa sm a t e r i a l sa df i a b r i c a 血gp m c 龉sa b r o a d a n dm a n yn e wn o 小船b e s f o s 丘i c d o nm a t e r i a l sa 拼圮a r _ a sa 血l a s 曲a d c ei n t 0w 1 o ，i t s 伍c t i o nm a t e r i a l sm u s tf 砬ew i t hr i 9 0 r o u sc h a l l e n g ea n dm u s ta c c e l e r a t et l l es t e do n d e v e l o p i i l g a u t o m o 打e 觑c t i o nm a t e 订a l se s p e c i “l yo n o n _ a s b e s t o sm a t e r i a l s a ss e l i m e t a l i i c 伍c t i o nm a t e r i a ls h o w sg r e a to v e 脚lp r o p e n i e s ，i tb e c o m e so n eo ft h cm o s t h p o r t a mn o n a s b e s t o s 衔血o m a t e r i a l sb e i n gp o p u l a r i z e d mc h i 】皿a sr e s e a r c ho n 衔c t i o nm a t e d a l sf o c l l s e so n 也eo p t i n l i z a _ t i o no ff b 肋u l a l i o na 1 1 dt h ed e s i 牡o ff a b r i 咖n g p r o c e s s ， 趾d 吐l e 鲥e s0 nt h e 丘i c t i o na dw e a rc h a r a c 矧s i c so f 伍c t i o nm a c c r i a i sh a sn o t b e e ns n l d i e d 呷瓠廿i ed e s i g no ff o m 埘a t i o na n df i a b r i c a 血gp m c e s si ss o m c w h a tb l i n da n d o r e nb a s e so nr e a lc x p c r i e n c e n o w a d a y s ，t 1 1 e o r i e s0 nm e t a l 衔c t i o a n d 、v e a ra r eo b o r r o w e dt 0e x p l a i nt h ep h e n o m e n o ni n 衔c t i o nm a t c r i a l s n l e 衔c t i o n 蛆dw e a rp m p e r t i e so fs e m o m e t a l l i c 伍c t i o nm a t e d a l s 、】l ，i t hd i 疵r e n t 丘b e r s 龃dl u b r i c a r n sa td i 丘e r e n tt e n l p e r a t l l r e sa r es 删e di t h i sp a p e la n d 山e 衔c t i o na n d w e a r m e c h a n i s m i sd i s c u s s e d 如mm ew e a r d e 哳sb ys e m 皿d e d x m e 也o d s t h es t u d y i se x p e c t e dt os u p p l yu s e 如ld a t af o rm a t e r i a ld c s i g n t h er e s 心ss l l o wt l l a ta d d j n gc o p p e r o rp u r p l ec o p p e rf i b c r sc a i l 伊e a t l yi m p r o v et h e 衔c t i o na i l dw e a rp r o p e m e s ：m o r es t a b l e c o e 伍c i e mo f 丘i c t i o na n dl o w e rw e a rr a t e 吐l a n 血o s eo fs t e e lf i b e r sa n da d d i n gp u r p l e c o p p e rs h o w sn l eb e s to v e r a l l 磷a p e r t i e s ；t h ec o e m c i e n to f 髓c t i o no f 丘i c t i o nm a t e r i a l s 谢t h m o s 2 j sb i 曲e r t h a n t h a t o f 卿h i t e ，b u t t h e w e 越船捃j sh i g h 胁m t h e m o r p h o l o g ：y a n a l y s i so fw e a rd e b r i s ，i ti sb e l i “e dt h a ta tl o wt e m p e r a t u r e ，m a t e r i a lw e a ri sc o n t r o l l e d b yd 妇i v ea n da d h e s i v ew e a r ，s ot h e - 江i sv e r ) rs m a l le x c e p ts o m ev e r yl a r g ep a m c l e s ； a tm i d 妣叩e m t u r e ，也cf b n n a 士i o no fo x i d i z e d6 l ms 协b i l i z c 也e 缸c t i o n ；a th i g h e r t e m p e 髓：c i l r e 血ed c 乒a d a _ t i o no fo r g a n i cm a t e r i a i sa n d 丘i c t i 叽f i l m 趾i dm a y b et h ef a d g u e 、e a ro fs u r f k ea r ct h em a i nr e a s 0 st om a t e r i a lw e 趴s ot h cw e 壮d e b r i 是i sm o r el a r g 盯 血a n t l p ta t l o w 鼢l p c m t i l r e a 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i s 中南大学顿j 二学位论义 第l 章汽车摩擦材料概述 1 1 汽车摩擦材料的发展概况 汽车摩擦材料是汽车制动器、离合器和摩擦传动装置中的关键材料，它的作 用是将汽车运动的动能转化为热能和其他形式的能量，从而使汽车制动，它的性 能好坏直接关系到汽车系统运行的可靠性和稳定性。作为汽车零配件之一的摩擦 材料，其发展与汽车工业的发展是紧密相关而同步发展的。 1 1 1国外汽车摩擦材料的发展历史及现状 1 _ 1 1 1 发展历史 从上个世纪7 0 年代至今的3 0 多年来，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，促进了包括摩 擦材料在内的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，动静摩擦系数之差小：有良好的导热性和一定的高温机械强度；有良 好的而磨性和抗粘着性，不易擦伤对偶件，无噪声；低成本，对环境无污染等。 汽车摩擦材料的发展大致经历了以下三个阶段4 l ： ( 1 ) 二十世纪7 0 年代中期以前为第一时期，在这个时期汽车制动系统多为 四轮鼓式，摩擦材料几乎全为石棉摩擦材料。由于石棉摩擦材料具有成本低、比 重小、不易损伤对偶材料等独特优点，故获得极为广泛的应用。 ( 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 温摩擦性能和制动效率，要求克服因尺寸小而带来的噪声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，石棉摩擦材料更是被各国纷纷排 除使用，从而促使各国研究丌发高性能的适应汽车和社会发展要求的摩擦材料， 中南人学硕i ：学位论文 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材料，这些材料以增加金属成分来提高使用温 度，延长寿命，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。 ( 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、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、更苛刻的要求。冈此摩擦材料工业不得不加速新型摩擦 材料的丌发应用工作。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装用这些新 型摩擦材料。 由上可见，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。 1 1 1 2 发展现状 当前，在国外特别是欧、美发达国家，对石棉摩擦材料严格禁止使用。美国 生产的摩擦材料已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。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。 l - 生产工艺进展o 6 i 对于模压产品，国外发达国家采用的基本工艺流程如下：配料一混料一预压 成型一热压一热处理一机械加工一表面处理一印标一包装。配料基本实现计算机 自动控制，减少了人工配料的误差：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。 对于编织缠绕产品，采用的基本工艺流程如下：非石棉纤维一( 橡胶一混炼 中南夫学碘l 学位论文 一切片+ 溶剂一胶料；树脂+ 溶剂一树脂浆液) 浸渍干燥一编织缠绕一热压固化一 热处理一机械加工清洗干燥一印标一包装。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，以及其他先进的辅助工装设备。 2 生产用材上的演变 ( 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 ( 包括芳族聚酰胺纤维及其浆粕、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) l “”。 ( 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：腰果油改性树脂( y s m ) 。 ( 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材 料的性能。加入的填料主要有以下几类：硬质材料：硅灰石粉、碳化硅、氮化 硅和石榴石等几种，一般要求粒径多在1 0 0 um 以下；金属及其氧化物：金属 ( 铝、铅、锌等) 的粉末；金属氧化物( 氧化镁、氧化锌、氧化钛、氧化钼及氧 化铝等) ；矿物无机填料：云母，滑石、蛭石、重晶石、高岭土、绿泥石、 硅藻土、膨涧土、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：应用最广泛的有二氧化硅、多 孔陶球及海棉状铁粉等。以上填料中，加入硬质材料、金属及其氧化物、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1 6 】。 ( 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 原料碳素和石墨质材料。主要包括天然无定型石墨和鳞片石墨、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。 中南人学硕j 。学位论文 表l 一1 列出了近年来国外出现的几种新型摩擦材料l “。 表1 1 近年来国外出现的几种新型摩擦材料举例 t a b 1 1e x 锄p l e so f n e w 衔c “o nm a t e r i a l sa p p e 盯r e c e n t i ya b r o a d 摩擦材料配方组成 密度，g ，c m 3 配比，w t 作用分析 橡胶 2 02 8 4 3 提高韧性 酚醛树腊 1 21 5 4 5 粘结剂 铁粉 7 8 金属粉末 5 2 0 散热、增大摩擦系数 铜粉8 5 含 陶瓷纤维玻璃纤维 255 一1 2 增强材料 少 嫩石棉2 67 1 2 增强材料 彳i 棉 硫酸钡 4 4 4 1 6稳定摩擦性能 耵墨 2 24 2 0 高温润滑剂 铝，硅粉2 5 3 57 1 5 调整性能 n o ，z n o 0 5 3 防老剂 硫磺 1 5 4 硫化剂 云母粉( 磷酸锅改性) 2 5 0 增援材料 无机添加剂 2 0 4 0 填料、降低成本 含 金属粉末5 1 5散热、调整性能 i 母 f i 墨，碳质材料 5 1 5 减摩剂 有机增强纤维 o 5 增强材料 热同性树脂 1 0 1 5 枯结剂 钢纤维 7 82 5 4 8 增强材料 橡胶 2 08 1 2 提高韧性 含 硬质材料 2 0 2 6增摩剂 钢 氢氧化钙 2 62 l o 防锈、调整性能 纤 维 重品f i4 46 2 2 稳定性能 氧化镁氧化铝2 82 1 0调整性能 热同性树脂 1 29 1 3 粘结剂 海泡f i 纤维 】5 2 02 0 3 0 增强材料 芳纶3 53 5 增强材料 含 热咧性树脂 2 2 3 01 5 2 0 枯结剂 海 氧化铝 7 1 0 调整性能 泡 彳ij 苯j 腈粉1 0 2 5 增加韧性 和 芳 膨润士，云母 1 3 2 0 填料，降低成本 纶 i i 墨硬质材料 1 0 1 5 润滑剂 硫酸钡1 5 2 0 稳定性能，降低成本 其它 2 0 4 0 中南人学坝j ：学位论文 1 1 2国内汽车摩擦材料的发展现状与趋势 1 1 2 1 发展历史及现状 由于历史原因，我国原有汽车工业和摩擦材料的发展均比较落后。二十世纪 7 0 年代中期，当国际上掀起“取代石棉”的浪潮时，国内摩擦材料部门却由于 资金短缺、与汽车主管部门及制造厂家缺少协作，致使无石棉、低噪音等新型摩 擦材料的研制丌发受到制约而远落后于幽外。存我国，汽车摩擦材料的生产应用 大部分还装用传统的石棉摩擦材料，只有少数重型车和山区行驶的车辆使用了常 规的烧结摩擦材料。二十世纪8 0 年代中期才开始了无石棉摩擦材料的研制与生 产。9 0 年代后，我国丌始引进国外先进技术，在吉林建立了汽车摩擦材料的样 板生产线，这对全国的摩擦材料生产起了很大的推动作用n “i 。 1 0 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，如半会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丌展，对非石棉增强材料及树腊的选用作了较多的 研究m 。2 “，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2 1 2 ”。 但总体上仍比较落后，与国外仍存在很大的差距。主要表现在： ( 1 ) 制造技术方面：生产自动化水平低，生产效率低，设备简陋，精度 低，质量不高，难以形成规模化；生产丁艺大多还采用比较老的干法及湿法工艺， 生产过程中能源消耗大，产品质量难以进一步提高；而其他先进国家早已采用冷 压法、挤出法、胶乳浸渍法、缠绕法和注射法等新工艺| 5 “】。 ( 2 ) 产品配方及性能方面：产品品种( 配方) 比较单一，系列性差，且 无石棉产品所占的比重小；在性能上，产品的稳定性差，热衰退率和磨损率高， 硬度和密度大，使用寿命短。 1 1 2 2 入世后面临的挑战及对策 加入w t o ，对我国的汽车行业将产生深刻的影响同时将对汽车零配件行 业带来前所未有的冲击，摩擦材料行业也不例外。根据w t 0 各成员国与我国达 成的双边协议，到2 0 0 6 年，我国汽车进口关税将从目前的8 0 降到平均2 5 ， 汽车零配件的关税将降到平均l o ，这样一束，我国大部分摩擦材料企业将受到 中南人学硕i ：学位论史 两方面的冲击：一方面汽车主机厂为求生存和发展必然更新技术、淘汰落后车型、 降低成本，这样摩擦材料企业就存在生存危机；另一方面，国外高质量、低价格 的摩擦材料将会进入并挤占国内市场，更是挤压国内企业的生存空间【2 ”。 为了迎接加入w t o 带来的挑战，我国的摩擦材料行业必须加快调整步伐， 从产品质量、技术、管理等方面加以改进，才能在与国际的竞争中立于不败之地。 具体说来，在材料方面，加强对半金属摩擦材料的摩擦磨损机理研究，认清影响 材料性能及耐用性的主要因素；认清噪声的产生及抑制噪声的手段等实际问题； 在配方设计方面，应积极利用现代科技成果，如计算机数据库技术、正交设计方 法等，加紧研究丌发新的合理配方，积极采用无石棉、高性能而产量丰富、价格 低廉的原材料；在制造工艺方面，积极采用能耗较小、对环境污染小的生产工艺， 以及机械化、自动化水平较高的设备，并自觉根据主机厂的要求采纳各种标准和 设备进行严格测试产品质量。 1 2 汽车半金属摩擦材料的成分及性能特点 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【2 6 l 。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、轻型车 的制动器中，重型车也开始广泛装用。对我因而言，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，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 典型成分 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组成的。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 中南人学硕十学位论文 填料。表1 2 列出了半金属摩擦材料的典型配方 2 7 j 。 表1 2 半金属摩擦材料的典型配方 t a b 1 2t y p i c a lf o 咖u l a t i o no f s e m i - m e t a l l i cf r i c t i o nm a t e 血l 配比( ) 组分 例l例2例3 酚醛系列树脂8 88 金属粉 l11 铁粉 0 04 2 橡胶粉 222 石墨1 7171 7 腰果油粉o 50 铜纤维 2 02 02 0 陶瓷粉 oo1 0 高碳铁粉4 2 4 2 0 1 2 2 性能特点及存在问题 半金属摩擦材料是一种性能优良的摩擦材料，它具有以下性能特点m 。0 】： ( 1 ) 摩擦系数在4 0 0 以下非常稳定，热衰退率小，热稳定性好： ( 2 ) 酬磨性好，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。 半金属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。对此， 中南 = 学硕i ：学位论丈 国外有些专利介绍加入锌或锌的化合物、c a r 或用某些树脂涂覆钢纤维等可以起 到防锈效果【”l ； ( 2 ) 热传导率高。当摩擦温度高于3 0 0 时，易于使摩擦界丽问的树脂粘 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而造成制动失灵： ( 3 ) 易产生低频噪音。 1 3 汽车摩擦材料摩擦磨损机理的研究概况 1 - 3 1 有关摩擦理论 摩擦材料和对偶材料组成的摩擦副在汽车制动过程中将产生摩擦力从而使 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，对于不同的工作情况，摩擦副产生的摩擦力可互不相同。阿蒙顿库仑定 律可用数学简单描述摩擦力如下： u ；f ，n 式中：u 摩擦系数；f 摩擦力：n - 力口在摩擦物体上的法向载荷。 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 蒯分子和原子的引力，等等，都会影响摩擦系数m 】。 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、 分子一机械理论。 1 3 1 1 粘着摩擦理论 该理论认为p ”： ( 1 ) 摩擦表面处于塑性接触状态。由于实际接触面积a 只占表观接触面 中南人学母! i j 学位论文 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o ：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 。a = n ，o ； ( 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 动摩擦就足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 1 2 分子机械理论 该理论认为，在相当高的压力下，摩擦表面间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、犁沟以及表面分子问引力的 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。推出摩擦系数描述公式如下： u = b + a n 其中a 、b 是和表面的物理、机械性能有关的系数”。 1 3 2 磨损机理研究 i 3 2 i 磨损的主要形式 汽车摩擦材料是一种成分复杂的复合材料，其中含有有机粘结剂，增强纤维， 润滑剂及摩擦性能调节剂等，在摩擦磨损过程中，各组分相互作用、相互制约。 摩擦材料与偶件间的摩擦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有 关。所以摩擦磨损过程非常复杂，摩擦偶件之问的界面处不仅有复杂的物理作用， 还有复杂的化学过程l 。许多研究表明，汽车摩擦材料的磨损形式主要有以下几 种陋3 8 l ： 9 中南人学颤上学位论文 ( 1 ) 热磨损 高速行驶的汽车在制动过程中，动能转化为摩擦材料与其偶件之间因摩擦而 产生的热能，致使摩擦材抖温度升高，从而使摩擦材料中的某些组分发生诸如高 温分解、氧化、颗粒化、暴裂融化、蒸发和升华，以及伴随着机械力变化的一系 列物理的和化学的现象，使摩擦材料原子间结合不断破坏，导致材料磨损。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；而氧化现象主要出现 在边缘和角部；摩擦材料的暴裂反应出现在苛刻制动条件下，瞬间产生的高热使 亚表面固体汽化。 ( 2 ) 粘着磨损 摩擦材料与其偶件在压力作用下，表面上微凸体受到应力较大，发生塑性变 形，有些接触点间的长程范德华力将起作用，出现强烈的短程交互作用力，在没 有表面膜存在的情况下，两个接触表面将通过分子日j 的作用发生粘着。当摩擦材 料在偶件表面上滑动时或压在其表面上然后拉开时，表面上一些小颗粒将会从一 个表面粘附到另一个表面上，有时被粘附的表面材料又会回到原来表面上，发生 反粘附。这些被转移的表面材料经过反复地粘附与反粘附及挤压等过程，会发生 加工硬化、疲劳、氧化等过程，从而形成游离的磨屑脱落下来。同时，由于在摩 擦过程中摩擦材料的表面瞬时温度可高达7 0 0 以上，导致有机树脂变软甚至分 解以及偶件局部产生由珠光体到马氏体的相变，粘接点在剪切力的作用下，会使 摩擦材料表面产生较大的磨屑，甚至使增强纤维从摩擦材料中抽出导致较大磨损。 ( 3 ) 磨粒磨损 摩擦材料内部含有纤维和硬颗粒，这些硬颗粒在摩擦材料中起承载作用，并 在表面形成一系列比其偶件硬的小突起，在摩擦过程中，这些小突起象“刀具” 一样，对其偶件表面进行切削，在反复多次作用力的情况下，这些小突起因疲劳 而断裂形成磨屑，或者因摩擦表面温度升高，树脂软化，结合力下降，硬质点脱 离摩擦材料形成磨屑，这样便使磨损由普通的二体磨粒磨损变为三体磨损。这样 散落的磨屑将会同时作用于摩擦材料与其对偶件，导致摩擦材料和对偶的磨损增 大，摩擦系数增大。 o 中南大学坝 ：学位论文 ( 4 ) 疲劳磨损 在汽车制动过程中，摩擦材料与其对偶进行相对滑动，在两者接触区将造 成很大的应力和塑性变形。在长期反复的交变应力作用下，摩擦材料及其偶件表 面某些薄弱环节处将会引发疲劳裂纹，并逐步扩展，最后将可能以微细薄片形式 断裂剥落下来。另外，在每次制动时，都伴随着材料表层温度的升高，导致材料 的热疲劳，在长期反复热应力作用f ，将加速材料表面裂纹的产生与扩展，加速 材料的疲劳磨损。 ( 5 ) 切削磨损 由于摩擦材料与其偶件的表面均高低不平，对摩两表面中较硬表面上的凸 峰会压入较软材料内，在滑动时将软材料刨削，致使较软材料表面产生较深的犁 沟和划痕，使材料磨损。 综上所述，在摩擦过程中，材料的磨损可能不止一种磨损机理在起作用， 而是几种可能同时作用，并且在不同摩擦阶段，可能会有不同的磨损机理起主导 作用，有时可相互转化，同时材料的磨损并不仅限于以上几种，这些都给认识和 研究摩擦材料的磨损机理带来一定的难度。 1 3 2 2 磨损的计算公式 山于到目前为止，对于摩擦材料的摩擦磨损机理尚没有形成一套完整的理 论体系，因此也就不能从理论上直接建立摩擦磨损特性的计算公式。已有的计算 公式或者是由假定摩擦磨损机制模型推导出来的，或者是由实际得出的经验公 式。这些还难以满足实践工程设计的需要，但可以作为一个参考。比较典型的有 文献。9 1 提出的计算公式： 当摩擦界面温度低于2 3 2 以下时，认为磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨 损，提出的计算公式为： 缈= 口p4 胪， 式中：w 为重量磨损量；p 为法向载荷；v 为滑动速度；t 为滑摩时删；a 、a 、 b 、c 为常数。 巾南人学聊i j 学位论立 当摩擦界面温度为2 3 2 以上时，磨损量用以下公式计算： w = 8 pd p t 岳e r t 式中：w 、p 、v 、t 意义同上式：b 、a 、b 为常数：e 为摩擦材料的活化能： r 为气体常数：t 为摩擦界面的绝对温度。研究表明，e 值近似等于摩擦材料粘 结剂酚醛树脂热分解反应的活化能，可见高温磨损受粘结剂的热分解所控制。 1 4 本研究的目的和意义 近几年来，我国的公路交通发展迅速，大大促进汽车工业的发展，从而对汽 车摩擦材料的需求量很大。但当前面临的问题是，要是国产汽车跻身于国际市场， 必须用高性能的无石棉摩擦材料，而我国无石棉半金属摩擦材料产品的品种系列 性差，性能等级不分明，稳定性及热衰退性，以及其他性能办较差，与国外同类 产品相比，还有很大差距，入世带来的挑战更为严峻。因此，我国发展汽车无石 棉摩擦材料迫在眉睫。 半金属摩擦材料是我国目前着重发展的无石棉摩擦材料之一，但大部分工作 是围绕材料配方及生产工艺技术开展研究，对其摩擦磨损机制或机理的研究却很 少，因而对影响半金属材料摩擦力的微观过程、微观表象以及摩擦过程中的微观 磨损过程等并不十分清楚，因此，实际的配方设计常带有很强的经验性和一定的 盲目性。为了进一步提高我国摩擦材料研究丌发水平，有必要对半金属摩擦材料 的摩擦磨损性能及影响性能的内在机理进行研究，以期为实际的配方设计提供理 论依据并积累数据，这对发展我国的汽车摩擦材料有着非常重要的指导意义和实 用价值。 1 5 本研究的主要内容 由于对半金属摩擦材料的研究重点放在配方及工艺设备上，对它的摩擦磨损 机理也主要是从摩擦材料的摩擦表面形貌来研究特别是对摩擦表面膜的研究比 较多，但对磨屑的系统研究比较少见。实际上，从摩擦磨损过程中掉落的磨屑中 包含了反映摩擦磨损过程的丰富信息，既能反映出磨损材料的主要组成它的形 中南人学顾 ：学位论史 貌又能从个侧询反映出摩擦磨损过程与机制。另外，许多研究认为，加入铜纤 维能改善材料的摩擦磨损性能，而润滑剂对摩擦材料的性能影响较大而温度是摩 擦磨损过程的重要影响因素，因而本研究在考察不同纤维增强摩擦材料和不同润 滑剂摩擦材料在不同温度下的摩擦磨损性能基础上，着重从磨屑的角度来探讨了 材料的摩擦磨损行为和机理。研究的主要内容有： ( 1 ) 用石墨作润滑剂，分别选用钢纤维、黄铜纤维、紫铜纤维作增强材料， 其他条件相同，对比和讨论三者在不同温度下的摩擦磨损性能及机理； ( 2 ) 分别用钢纤维与紫铜纤维作增强纤维，分别选用石墨与m o s ，作润滑剂， 其他条件相同，对比和讨论两种润滑剂摩擦材料在不同温度下的摩擦磨损性能及 机理。 中南大学硕i 。学位论文 第2 章实验内容及方法 2 1 原材料及配方 摩擦材料由增强纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂及填料四大部分组成。在常用 的半金属摩擦材料配方中，主要以钢纤维为主，并加入少量的铜纤维、芳纶、硅灰 石等纤维物质，形成混杂增强纤维，达到1 定的使用要求。但也有以铜纤维为主的 配方体系作为实际应用，本文以这两类配方体系为基础，设计了实验配方，以期研 究它们的摩擦磨损特性与机制。本研究所用的增强纤维有钢纤维、黄铜纤维、紫铜 纤维以及芳纶纤维：粘结剂有酚醛树脂、丁腈橡胶；摩擦性能调节剂与填料有 f e c r 2 0 4 、b a s 0 4 、s b 2 s 3 、c a f 2 、a l ：0 3 、人造石墨与m o s 2 ，本研究采用配方如表2 1 所示。 表2 - 1 实验中考察的配方组成 t a b 2 1 f o r n l u l a t i o n so f 衔c t i o nma _ t e r i a l ss t i l d i e di nt 1 1 ee x p 甜m e n t 配方1 j树脂崩纤维 f e c 七0 4b a s o 。s b 2 s 3c a f 2a f 2 0 】人造石墨 芳纶黄铜纤维紫铜纤维 m o s 2丁日占橡胶 l 1 03 01 21 995191l 003 21 001 21 995l 91 3 1 003 31 001 21 995l 9l 0 3 103 4 1 03 01 21 995l 01l093 51 001 21 9951 0l03 l93 其中： ( 1 ) l 号至3 号配方均以石墨为润滑剂，增强纤维则分别为钢纤维+ 少量黄铜纤 维、黄铜纤维、紫铜纤维，并分别与少量芳纶纤维混杂，目的在于比较三种增强纤 维与芳纶纤维混杂或配方的效果； ( 2 ) 4 号和5 号配方均以m o s ：为润滑剂，增强纤维分别为钢纤维+ 少量黄铜纤维、 紫铜纤维，既可比较两种纤维的作用效果，也可与相应纤维以石墨作润滑剂的配方 相比较考察两种润滑剂的作用效果： 实验所用原材料的性质见表2 2 。 4 中南大学硕1 ：学位论文 表2 - 2 原材料性质 t a b 2 - 2p r o p e r t i e so f r a wm a t e r i a i s 原材料名称粒度或直径 纯度莫氏硬度 色泽 酚醛树脂 一1 6 0 目工业纯 淡黄 丁腈橡胶 - 4 0 目工业纯 白色 钢纤维 o o 5 m m 银灰 黄铜纤维 巾0 8 m m 黄色 紫铜纤维 中0 5 m m 紫色 芳纶 中o 0 3 f 啪 淡黄 人造石墨1 6 0 目工业纯 1 黑色 m o s 2 3 0 0 目分析纯 2 黑色 c a f 2 2 0 0 目工业纯 4 灰白 s b 2 s 3 2 0 0 目工业纯 3 黑色 b a s o 。1 6 0 目工业纯 3 灰白 a 1 2 0 3 3 0 0 目工业纯 9 白色 f e c r 2 0 。( 铬铁矿) 一2 0 0 目工业纯 5 5 灰黑 2 2 摩擦材料的制备 本研究所采用的摩擦材料为供d m s 定速试验机实验的方片试样，其制备工艺 过程如下： 配料一混料一热压热处理一机加工试样 按表2 1 所示摩擦材料的配方。称取各种原材料，每种配方称量总重2 k ；置于 小型混料机中( 转速：5 0 0 0 转分) ，间隔一分钟停一次，共4 次；在y a 7 1 4 5 a 型 液压机上，在压力为3 5 m p a ，温度为】6 0 5 时，进行热压，保压3 5 m i n ，放气4 次，每次l 一2s ：将试样标号后，一次全部放入大烘箱中，进行热处理，温度为 中商人学顾：e 学位论文 1 6 0 1 8 0 ，保温时间为1 6 h ：将处理好的试样机械加工为2 5 l l l i n 2 5 咖6 m m 的 小方片，再经砂轮、砂纸打磨边缘，使其可以放入d m s 定速试验机的样品框中。 2 - 3 材料的摩擦磨损性能测试及磨屑的收集 2 3 1m m s 定速式摩擦试验机 本研究采用型号为d m s l 5 0 型的摩擦试验机，是标准型定速式摩擦试验机，它 利用弹簧的拉力来测定摩擦力，并同时测出试件的磨损量。试验机的总体结构如图 2 1 所示。它通过法码和杠杆向试样加载，由于摩擦力使弹簧拉伸，通过测定弹簧的 拉伸长度，再根据虎克定律即町计算出摩擦系数。同时通过测出摩擦前后试样的厚 度，可计算出材料的磨损率。因此，该试验机可以测定不同载荷恒定滑动速度下材 料的摩擦系数和磨损率。 图2 1定速式摩擦实验机的结构示意图 f 培2 1s c h e m a t i cj l l u s 昀6 叩o f d m s 舾叫o n c s t e r 1 皮带轮2 旋转轴3 轴冷却水喷嘴4 5 冷却水喷嘴6 辅助加热装置7 试片8 摩擦盘9 试片支撑臂 1 0 加压轴1 1 摩擦力洲定弹簧1 2 链轮1 3 舡轩水平调整装置1 4 载荷j h 杠杆1 5 杠杆水平指示器 1 6 加压砝码i7 | 摩擦力记录滚筒1 8 油缓冲器1 9 手柄2 0 标定砝码2 1 电动机2 2 鼓风机 1 6 中南人学删i ：学位论义 2 3 1 1 试验机的主要参数 乱摩擦盘：材质为符合g b 9 4 3 9 8 8 规定的h n 5 0 灰铸铁，硬度h b l 8 0 - 2 2 0 ， 直径为3 0 0 n l m ，摩擦盘转速为4 8 0 r m i n ； b 试样片：面积为2 5 x 2 5 妯2 ，厚度6 n 1 i n 或小于6 m m ，2 片，从旋转轴心起的 平均安装距离为1 5 岫m ，材质为石棉、无石棉摩擦材料，烧结金属材料以及其他 有机和无机材料等： c 加压部分：最小压强为3 k g 讹r r l 2 ( o 2 9 4