铁粉种类对铜基摩擦材料摩擦学性能的影响

铁粉种类对铜基摩擦材料摩擦学性能的影响

铜基粉碳摩擦材料具有良好的导热性、抗疲劳性和摩擦稳定性的特点。它是目前广泛应用于高铁和动植物系统的摩擦担保材料。为了进一步提高摩擦性能，材料的设计倾向于多样化、标准化的解决。铜铁基摩擦材料是根据铜基材料的设计方法，以铁为第二相基体，利用铁组元的强度和耐候性，使材料的摩擦磨损性能更好。姚颖等人发现，添加铁可以提高材料的摩擦和耐候性。陈杰等人研究了铁含量对铜基材料性能的影响。铜基材料的fe质量比超过4%时，材料的摩擦特性可以提高。在12%下，它可以有效减少磨损。然而，关于各种铁粉的摩擦磨损性能的报道很少。事实上，作为第二相基体的铁粉，它直接关系到铁粉的成分、组织和性能，对材料的完整性有重要影响。在这项工作中，我们使用还原铁粉、泡沫纤维铁粉、铁屑粉和铁铬粉来改善铜基材料的摩擦。并对这四种铁粉对铜基材料的摩擦磨损性能。1材料及试样制备试验采用市售还原铁粉、泡沫纤维铁粉、铁镍合金粉、铁铬合金粉四种不同铁粉作为铜基粉末冶金材料中的第二基体相.四种铁粉粒度范围均为25~45μm.还原铁粉为还原法制得,泡沫纤维铁粉为熔融铁液中加入起泡成分后喷雾制成,铁镍合金粉和铁铬合金粉均由熔融合金液喷雾制成.试验所用其他原料:电解铜粉(粒度45μm,纯度99.5%),SiO2(20μm,99.8%),MoS2(2~3μm,99.8%),石墨(300μm,99%).四种铁粉成分及制备试样成分分别列于表1和表2.各原料粉末经V型混料机混合均匀后冷压成型,成型压力450MPa,保压时间5min.烧结过程在钟罩式烧结炉中保护气氛下进行,烧结温度950℃,压力3MPa,保温时间3h.采用MM1000--II型摩擦磨损试验机研究样品摩擦磨损性能.样品尺寸为25mm×25mm×15mm,对偶盘材料(30CrSiMoVA).具体试验条件见表3.摩擦磨损试验方法为:对偶盘转速达到试验转速后开始制动,直至对偶盘停止、摩擦副之间不再发生相对滑动时为止,摩擦因数由试验机自备软件换算自动记录.待摩擦副温度降至室温后进行下一次制动,每个速度下的摩擦试验进行五次.磨损量通过精度为0.0001g的电子天平测量同一转速下五次制动后样品的失重得到.采用扫描电子显微镜(SEM)对样品摩擦后表面进行形貌分析.利用MH--6型显微维氏硬度计测量摩擦膜硬度,载荷147mN,保持压力15s,每个试样测试10个数据后取平均值.2结果与讨论2.1铁粉颗粒的形貌图1所示为还原铁粉、泡沫纤维铁粉、铁镍合金粉和铁铬合金粉的微观组织结构.还原铁粉形貌如图1(a)所示,粒度较小的铁颗粒相互连结组成铁粉颗粒,部分位置可见间隙和不完全结合界面.泡沫纤维铁粉的原始形貌为疏松的结块纤维状结构(图1(b)),铁纤维之间留存大量贯通孔隙.图1(c)和1(d)所示分别为铁镍合金粉颗粒的横截面结构和铁铬合金粉的形貌,显示两者均为致密的近球状颗粒.四种铁粉的微观形貌存在较大差异,造成铁粉本身强度的不同,并可能对铜基材料的性能产生较大影响.2.2铁镍合金粉对样品磨损量的影响图2给出了相同试验条件下,四种样品的摩擦因数随试验转速的变化规律.由图可知,随试验速度的提高,无论以何种铁粉作为第二相,摩擦因数均呈下降趋势.加入还原铁粉的1号样品摩擦因数较低,随摩擦速度的提高,摩擦因数由0.287降至0.177,出现严重衰退.加入泡沫纤维铁的2号试样摩擦因数最稳定,在3000~6200r·min-1的试验范围内,摩擦因数仅从0.287变化至0.263,波动值不超过0.024.加入铁镍合金粉的3号样品在速度超过4200r·min-1后,摩擦因数的降低幅度较小,稳定程度明显增加,转速从4200r·min-1提升至6200r·min-1,摩擦因数的波动在0.027范围内,表明加入铁镍合金粉可以有效减缓铜基材料摩擦因数在高速时的衰退.含有铁铬合金粉的4号样品的摩擦因数也随转速提高而出现较大幅度降低,但其数值始终高于1号和3号样品.图3所示为四种样品磨损量随试验转速变化的规律.除4号样品外,其他三种样品的磨损量均随转速的提高而增加.随转速提高1号样品磨损量的增加较少;而2号样品的磨损量迅速增加,在四种样品中的磨损量最大,在高速摩擦时远高于其他三个试样.3号样品的磨损量在摩擦前期与1号样品相近,转速达到5200r·min-1后磨损量迅速增大.4号样品的磨损量随转速的变化幅度很小,在试验范围内始终低于0.4g,在速度达到4200r·min-1后该样品的磨损量显著低于其他三种样品.磨损量分析表明,加入泡沫纤维铁的铜基摩擦材料耐磨性较差,而铁铬合金粉的加入则有利于提高铜基摩擦材料的耐磨性.2.3裂纹和表面磨损观察四种样品摩擦试验前后的微观形貌和磨损后表面形貌,见图4.如图4(a)所示,加入还原铁粉的样品,铁粉在基体中呈破碎颗粒状分布,且存在一定的不均匀分布.磨损后表面较粗糙,可见大颗粒脱落物分布于摩擦表面,并且摩擦产生的表面膜上已经产生疲劳裂纹,左侧部分分布着许多小而深的凹坑(图4(b)),样品的磨损机理为疲劳磨损.图4(c)为加入泡沫纤维铁粉的样品的微观组织,仍可见纤维状的铁组元,该样品磨损主要以疲劳磨损为主,样品表面可见较大且较深的裂纹和大块表层脱落复又被碾压至原表面造成的片层状断口(图4(d)).加入铁镍合金粉末的样品,如图4(e)和4(f)所示.原始铁组元为近球状颗粒,铁颗粒与基体之间有一薄氧化层,阻碍了铁与基体的结合.表面磨损呈现为以挤压剥落为机理的磨粒磨损的形貌,磨屑在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕,将塑性表面挤压出层片状的剥落碎屑,同时伴有轻微的犁沟磨痕.图4(g)和4(h)所示为加入铁铬合金粉末的样品的原始形貌和磨损形貌.样品磨损表面较为粗糙,可见较宽的犁沟痕迹和细小凸起,主要以磨粒磨损为主.2.4样品处理与定量测定表4列出了四种不同样品基体与摩擦后表面膜的维氏硬度数据.摩擦试验前,基体硬度最高的试样为加入铁镍合金粉的3号样品,1号和4号样品的硬度也与之较为接近.2号样品中,由于泡沫纤维铁中含有大量孔隙而造成基体整体硬度较低.经过摩擦试验后,硬度的高低趋势仍同基体类似.表面摩擦膜的硬度最高的试样仍是3号样品,达到680.5HV;1号样品表面膜硬度略高于4号样品;2号样品的表面膜硬度最低,仅为285.2HV.表面硬度过低,则材料表面易被硬质磨粒磨损,脱落现象严重,因而2号样品的磨损量在四种样品中最高.表面硬度过高,则材料太脆,抗接触疲劳磨损能力也会下降.因此,在高速摩擦阶段,基体和表面膜硬度最高的3号样品的磨损量也迅速上升,并高于1号和4号样品,后两者硬度适中,既具有一定的抗接触疲劳磨损能力,同时又具有一定的塑性,使摩擦表面能够迅速磨合,基体能够对表层润滑膜起到较好的承托作用.另外,结合前述原始粉体的微观结构观察发现,泡沫纤维铁粉本身的原始结构也是造成2号样品磨损严重的原因之一.还原铁粉、铁镍合金粉和铁铬合金粉都是致密的块状或近球状致密颗粒.泡沫纤维铁粉的原始形貌为疏松的结块纤维状结构(图1(b)),与结构为致密体的其他三种铁粉相比,自身的强度较低,因此构成了基体中的薄弱处,成为应力集中源,促进了裂纹的萌生.在不断经受剪切应力的过程中,裂纹发源于材料表层内部的应力集中源,沿平行于表面方向扩展后延伸至表面,并造成表层材料的脱落,并在载荷作用下再次碾压至表面.因此该样品的磨损量在四种样品中最高,磨损情况严重.但是,大量脱落的磨屑作为摩擦调节剂起到良好的增摩效果,因此2号样品的摩擦因数最稳定.3铁铬合金铁粉材料的抗磨损能力(1)随摩擦速度的提高,以还原铁粉增强的铜基摩擦材料,摩擦因数衰退严重,磨损量增长较缓.(2)泡沫纤维铁粉因具有独特的结块纤维状结构,易导致材料中裂纹的产生,材料磨损严重,但摩擦因数的稳定性最佳,随摩擦转速从3000r·min-1提升至6200r·min-1,摩擦因数仅从0.287