微型汽车离合器摩擦材料磨损机制的研究

微型汽车离合器摩擦材料磨损机制的研究微型汽车离合器摩擦材料磨损机制的研究 xx 3月第35卷第3期润滑与密封LUBRICATION ENGINEERINGMar1xxVol135No13DO I 1013969 j1issn10254 01501xx1031016 xx 10 27作者简介 黄丰 1979 男 博士 研究方向 摩擦学 E2mail hfeng whut1edu11微型汽车离 合器摩擦材 磨损机制的研究黄 丰 莫 敏 吕俊成 武汉 工大学 湖 武汉430070 摘要 根据定速式摩擦试验机GB 5763298国家试验标 准 设计了适合研究微型汽车摩擦材 摩擦性能的小样试验 对试验数 据进 分析 通过X射线衍射分析 扫描电子显微镜 SEM 分析等手段 对材 的磨损 的变化情况及摩擦面工作层的形成进 分析 结果表明 微型汽车离合器的滑动磨损 为分为轻微磨损和严重磨损 轻微磨损摩擦表面比较粗糙 而严重磨损摩擦表面相对光滑或摩擦噪 声明显 轻微磨损以氧化磨损 磨粒磨损为主 伴随着黏着磨损 严重 磨损以由严重塑性变形引起的磨损和黏着磨损 磨粒磨损为主 关键词 微型汽车 离合器 摩擦材 磨损机制 TH11711 A 0254 0150 xx 3 069 4Study on theWearMechanism ofMicro2automobileClutch Friction MaterialsHuang Feng Mo Yim in Lv Juncheng Wuhan Universityof Technology Wuhan Hubei430070 China Abstract Aording toGB 5763298 the nationaltest standardsfor fixedspeed frictiontester a sampletest wasde2signed tostudy thewearmechanism ofthe micro2automobile clutchfriction materials The wear behavior of friction materi2als andthe formof frictionworking layerwereanalyzed bythe scanningelectron microscopy SEM The resultsshow thatthewearbehavioroffriction materials consistof slightwear andsevere wear The frictionsurfaces arerelatively roughinslightwear mainly involvingoxidation wear and abrasive wear together withadhesive wear onthecontrary the frictionsurfacesare quitesmooth insevere wear aompanying withobvious noises and adhesivewearandabrasivewearcausedby severeplastic deformationare concerned Keywords micro2automobile clutch friction material wear mechanism 微型汽车离合器摩擦材 为多元复合材 主要成分是基体树脂 纤维 增强剂 填充剂和摩擦性能调节剂等 本文作者研究的微型汽车离合器的摩擦材 是树脂基半金属的复合材 基体树脂的作用是把摩擦材 的其他组分牢固黏接在一起 使载荷 能均匀地分布和传递 这就要求树脂有卓越的黏接性 良好的高温热 稳定性 突出的柔韧性以及适中的硬度 1 微型汽车离合器摩擦材 的成分十分复杂 在摩擦磨损过程中会发生 各种复杂的物 化学 机械作用 同时 摩擦材 的磨损机制也很复 杂 包括热磨损 磨粒磨损 黏着磨损 疲劳磨损等 因此 为系统研 究微型汽车离合器摩擦材 的磨损机制 本文作者选用自制的高温销 盘式摩擦试验机 在多种摩擦的工况下 结合X射线衍射分析 扫描电 子显微镜 SEM 分析等手段 对材 的摩擦因数和磨损 的变化情况及 摩擦面工作层的形成进 分析 1 试验部分111 试样选用本试验上试样采用多数国内微车制造商选用的离合器摩擦 面片 该复合材 主要成分为 18 25 钢纤维 6 8 黄铜纤维 8 Mo S2 17 酚醛树脂和丁腈橡胶 其余为作填 的BaSO 4 Sb2S 3 FeCr2O 4 CaF2及少 Al2O3等 加工成25mm 25mm 10mm的正方体试验小样 试样面积为625mm2 下 试样采用 280mm 35mm的HT250试环 硬度为HB220 112 试验条件根据小样试验定速式摩擦试验机GB 5763298国家试验标准 规定 2 的试验标准和微型汽车的实际工作条件 选取以下试验条件 和试验项目 多数微车离合7器的工作预紧 选取压 为015MPa 选取100 150 200 3 00 400N5个载荷点 摩擦转速分别选取为240 360 480 530 580r min 5个速度点 每组试验进 3次试验 每次试验摩擦时间为30min 通过固 定在下试样试环侧面距摩擦表面2mm处的热电偶来测 材 摩擦面的温 度 每隔30s记录一次瞬时温度和瞬时摩擦因数 3 2 磨损机制的研究按照磨损程度的 同 机械零件的磨损分为轻微磨损 和严重磨损 从上述分析可见载荷 转速 温度越大 即工作条件越 恶劣 微型汽车离合器在摩擦过程中越容 发生严重磨损 相反为轻微 磨损 4 下面探讨轻微磨损和严重磨损下的磨损机制 211 轻微磨损下的磨损机制探讨转速较低时 当载荷小于200N时 磨损过 程中磨屑颗粒为黑色 磨屑颗粒的尺寸较小 如图1 a 所示 摩擦表面有平 于滑动方向的犁沟 并有少 未碾碎的片状磨粒黏附于 犁沟边缘 如图1 b 所示 经X射线能谱分析 试验后摩擦表面含有的 氧和铁 与摩擦试验前表面元素相比 增加了部分氧元素和铁元素 如 图2所示 说明摩擦过程中发生了材 转移 即摩擦对偶盘上的铁元素 转移到了摩擦片表面 而且经观察发现 摩擦表面部分呈红色 经XRD分析表明 磨屑中存在 氧化铜和其他金属氧化物 这种磨损与文献 5 6 叙述的磨损特征一致 属于氧化磨损和磨粒磨损的混合磨损形式 SEM和XRD观察显示 轻微磨损随着载荷的增加和磨损 程的增加逐渐 发生转变 例如在转速为480r min和载荷为150N的条件下 因在摩擦片表面有一 层薄膜状铁合金 如图1 c 所示 这是摩擦对偶盘上的铁元素在磨损 过程中转移到摩擦副表面上所形成的 摩擦表面凹凸 平或呈坑状 如 图1 d 所示 同时 摩擦对偶盘脱 的磨粒又继续对摩擦片表面产生磨粒磨损 在摩 擦表面形成犁沟 0润滑与密封第35卷xx 摩擦材 在低温时的磨损主要是黏着磨损和磨粒磨损 复合摩擦材 中的金属成分如钢纤维与铸铁直接接触 在一定的压 下 滑动时 摩擦界面中的钢纤维与铸铁之间的铁原子 发生黏着 黏着点 被反复剪切 黏着 就有可能形成磨屑而脱 使细小的钢纤维被拔出 或部分被撕裂 铸铁材 也可能被黏着 撕脱 从而造成磨损 形成磨 屑 黏着较严重的部位撕脱的磨屑较大 同时 也很容 撕 黏着点周边的 摩擦材 形成块状脱 如图3 a 中的大颗粒 另一方面 由于摩擦温度比较低 未达到材 中有机组分的分解温度 因而树脂黏结剂仍起着很好的黏结作用 颗粒 纤维间结合牢固 此 时相对较硬的对偶表面上的微凸体可能会嵌入摩擦材 表面较软的部 位 如有机物部分 随着滑动的进 在这些软基体材 上犁出沟槽 如图 4 a 所示 并由犁出 脱 的细小颗粒形成细小的磨屑 如图3 a 所示 细小磨屑如果 能及时从摩擦对偶接触面排出 就可能会在摩擦界面 之间反复碾磨而重新黏附到材 表面 形成结合 太大的层状附着物 由图3 b 可以看到 摩擦材 在150 时的粗大磨屑比较多 而其形状 与100 磨屑中的大颗粒有所区别 类似于材 破碎后的碎片 说明在1 50 复合摩擦材 的剥 比较严重 可能是由于没有及时排出的细小磨 屑在摩擦界面反复碾磨 黏附在摩擦表面 并形成 稳定的界面膜 由于摩擦 够稳定 应 分布 均 受 大的地方容 产生裂纹 如图4 b 所示 并随滑动过程的进 逐渐扩展 致使材 局部发生破裂甚至碎化 从而产生如图3 b 所示的磨屑形貌 212 严重磨损下的磨损机制探讨随着载荷或转速的增加 摩擦表面温度升 高 磨损机制将从轻微磨损转变为剧烈磨损 在转速为530r min 载荷为300 400N条件下 摩擦表面温度达到250 如图3 c 所示 此时摩擦材 表面的磨屑分布比较均匀 但其颗粒 比100 时的细小磨屑要大 而且很少有低温时的大颗粒 摩擦材 表 面已基本形成了一层比较均匀致密的表面膜 大大减少了金属组分与 铸铁对偶的直接接触面积 因而使黏着作用大大减弱 这既降低了黏 着磨损 又能稳定摩擦因数 此时达到了酚醛树脂有机物的热分解温 度 有机物发生热分解 导致酚醛树脂对复合材 中的其他材 黏结作 用大大降低 这对复合材 的磨损性能有很大的影响 温度越高 热分解越严重 对材 磨损性能的影响也就越大 摩擦表面层发生塑性变形而产生大规模的表面损坏 此时 剥离17 第 3期黄 丰等 微型汽车离合器摩擦材 磨损机制的研究7是主要的磨损机制 因疲劳而产生的磨屑脱离摩擦片表面 这些磨屑通常呈块状 同样 从磨屑的形态看 它也是由于表面局部在周期性剪切应 的作用 下 发生塑性变形 因疲劳 脱 而形成的 此时典型的磨屑比较大 呈条形或块状 摩擦表面比较光滑 基本没有 犁沟存在 如图5 a 所示 此条件下磨损认为是由于塑性变形引起的磨损 属于剥层磨损范畴 图5 严重磨损下的摩擦表面形貌Fig5 Friction surfacemorphology insevere wear 在转速为580r min 载荷为400N条件下进 的磨损试验表明 局部接 触面的温度达到350 以上 超过了酚醛树脂的热分解温度 磨屑形貌 如图3 d 所示 磨屑主要呈薄片状 在高温下有机物的热分解加剧 使其黏结性能大大减弱 造成颗粒脱 钢纤维被拔出或脱 如图4 c 所示 薄的表面膜在热应 作用下性 质发生变化 可能会破裂 与摩擦材 的黏着减弱 在剪切 作用下会从 材 表面剥 而成为薄片状的磨屑 如图4 d 所示 表面膜的破裂 剥 会降低摩擦稳定性 增大磨损 并容 产生剧裂振 动和噪声 摩擦材 软化 离合器摩擦副的接触点 发生黏着 一方面由于摩擦表 面温度很高 摩擦副的黏着点 被剪断 而且在摩擦过程中黏着点越 来越多 黏着面积越来越大 当黏着点的受 平衡时 就使软摩擦表面 产生大面积的撕脱 磨屑大多呈片状 如图5 b 所示 这称之为黏着磨 损 另一方面 黏着点被反复剪切 黏着 就有可能形成磨屑而脱 脱 的磨粒由于硬度较摩擦片表面硬度高 在摩擦片表面产生犁沟 如 图5 c 所示 即发生磨粒磨损 再者 摩擦表面温度过高 摩擦材 热衰退严重 其硬度强度降低 摩擦 表面在交变应 的作用下产生大面积裂纹或断裂现象 如图5 d 所示 称之为疲劳磨损 3 结论 1 微型汽车离合器的滑动磨损 为分为轻微磨损和严重磨损 轻微磨损摩擦表面比较粗糙 而严重磨损摩擦表面相对光滑或摩擦噪 声明显 2 从磨损机制转变过程中所伴随的磨损率突变 判断出磨损机制转 变发生时所对应的载荷和滑动速度 并以磨面形貌 磨屑形貌及成分 以及磨面温度的变化进一步证实磨损机制的转变 轻微磨损以氧化磨损 磨粒磨损为主 伴随着黏着磨损 严重磨损以 由严重塑性变形引起的磨损 严重剥层磨损 和黏着磨损 磨粒磨损 为主 参考文献 1 李绍忠 罗成 我国汽车用非石棉摩擦材 的现状 J 粉末冶金工业 2000 2 38 41 Li Shaozhong Luo Cheng Present stateof nonasbestic frictionmaterialsfor theuse ofautomobiles inchina J PowderMetal2lurgy Industry 2000 2 38 41 2 赵小楼 程光明 王铁山 等 汽车摩擦材 摩擦磨损性能试验 的现状与发展 J 润滑与密封 xx 31 10 200 203 Zhao Xiaolou Cheng Guangming Wang Tieshan et al The ac2tuality anddevelopment offriction andwear performancetest ofautomobilefrictionmaterial J Lubrication Engineering xx 31 10 200 203 3 吕俊成 莫 敏 密德元 等 离合器摩擦材 摩擦磨损性能小 样试验的设计 J 润滑与密封 xx 34 9 93 97 Lv Juncheng Mo Yimin Mi Deyuan et al The GalleyProofTestDesign ofFriction andWear Performancefor ClutchFric2tionMaterial J Lubrication Engineering xx 34 9 93 97 4 肖桂普 制动工况与摩擦磨损性能的研究 J 摩擦密封材 xx 1 32 35 Xia