含炭纤维湿式铜基摩擦材料的性能

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第15卷第2期 粉末冶金材料科学与工程 2010年4月 Vol.15 No.2 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Apr. 2010

含炭纤维湿式铜基摩擦材料的性能

(1. 中南大学 物理科学与技术学院，长沙 410083； 2. 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)

严深浪1，张兆森2，宋招权1，徐 慧1

摘 要：采用粉末冶金方法制备含短炭纤维的湿式铜基摩擦材料，研究炭纤维含量对湿式摩擦材料的摩擦磨损性能和力学性能的影响，以及制动条件对动摩擦因数的影响。结果表明：随着炭纤维含量及材料的孔隙率增加、硬度及密度均降低，摩擦因数呈先增加后减小的变化趋势，磨损量呈先减小后增大的趋势。炭纤维含量为(质量分数)1%时材料的摩擦磨损性能最好，摩擦因数最大且最稳定，磨损量最小。材料摩擦因数随着载荷增大而增大，随炭纤维含量增加磨损率呈先减小后增大的趋势。炭纤维的加入提高了材料的能量许用值。 关键词：湿式铜基摩擦材料；短切炭纤维；摩擦磨损

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1673-0224(2010)2-186-05

Properties of wet copper-based friction materials

containing carbon fiber

YAN Shen-lang1, ZHANG Zhao-sen2, SONG Zhao-quan1, XU Hui1

(1. School of Physics Science and Technology, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The wet copper-based friction material containing carbon fiber was prepared by using powder metallurgy technology. The effect of the fiber content on tribological and mechanical properties of the materials have been tested, and the effects of brake conditions on friction coefficient of the material have also been investigated. The results indicate that the hardness and the density decrease with the increasing of the materials porosity and mass fraction of carbon fiber. The trend of the friction coefficient of the friction material increases firstly and then decreases, while the change of wear rate of the material is opposite to friction coefficient. As the carbon fiber addition in the friction material is about 1%, the material possesses the optimal friction coefficient and minimum wear. While the friction coefficient of material increases with the increasing of loading and the wear rate decreases firstly and then increases with the increasing of carbon fibre comtent. In addition, the carbon fiber adding can improve the allowable energy absorb. Key words: wet copper-based friction material; short carbon fiber; friction and wear

湿式铜基摩擦材料具有良好的导热性和耐磨性，摩擦因数稳定，广泛应用于飞机、汽车和摩托车等机械传动过程中的制动、离合和变速。随着工程机械工作载荷和转动速度的不断增大，对湿式铜基摩擦材料的摩擦磨损性能提出了更高的要求[1]。对湿式铜基摩擦材料的研究大都停留在传统的摩擦组元、润滑组元

基金项目：国防基础研究支助项目(ZNDX2008195) 收稿日期：2009-09-04；修订日期：2009-11-17

通讯作者：徐 慧，教授，博士。电话：0731-88830802；E-mail：Xuihui@

近年来通过添加纤维来以及基体强化组元等方面[2 4]，

提高湿式铜基摩擦材料的摩擦性能成为研究的热点。车建明[5]在铜基复合材料中添加炭纤维，使之表现出良好的减摩抗磨性能。樊毅[6]在粉末冶金铜基摩擦材料中添加低炭钢纤维，提高材料的硬度和强度，特别是在室温和热态条件下材料的摩擦稳定性大幅提高。

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王秀飞等[7]探讨了将短切炭纤维加入到湿式铜基摩擦材料中后对其摩擦性能的影响，指出湿式铜基粉末冶金摩擦材料中添加短切炭纤维能有效提高材料的能量许用负荷和动摩擦因数，摩擦因数高且稳定，但没有系统研究炭纤维的含量对湿式铜基摩擦材料摩擦性能的影响规律。因此，本文将研究炭纤维含量对湿式铜基摩擦材料的摩擦磨损性能和力学性能的影响，并测试其在不同载荷、转速下的摩擦磨损性能。

50±5 ℃，流量8 mL/(min·cm2)。

首先，在0.4 MPa、3 000 r/min条件下磨合300次，直到接触面积达85%以上后进行实验。固定转动惯量为0.5 kg·cm·s2，惯性轮初始速度分别为1 000、 2 000、3 000和5 000 r/min，在各速度下依次设定制动比压为0.5、1.0、1.5和2.0 MPa。每种条件下测试15次，取动摩擦因数的平均值作为材料的动摩擦因数。在转速300 r/min、压力1.0 MPa时，制动50次后，用螺旋测微计测量线性磨损量。

1 实 验

1.1 原材料

电解铜粉；还原铁粉；羰基镍粉；电解钛粉；不规则形状的天然石英砂，粒径为150~246 µm；天然鳞片状石墨，粒径为246~500 µm；短切炭纤维：T700炭纤维。

表1 含炭纤维湿式铜基磨擦材料的成分配比 Table1 Formulation of friction materials (mass fraction,%) Sample No.

Fe Copper

Carbon fiber

+Ni+Ti+Sn powder

Others

2 结果与分析

2.1 炭纤维含量对物理性能的影响

炭纤维含量对湿式铜基摩擦材料力学性能的影响列于表2。可以看出随着炭纤维含量增加，材料的孔隙度逐渐增加，密度及硬度均逐渐降低。表中不含炭纤维的样品A4硬度高达99.5 HB，而纯铜的布氏硬度只有35 HB。可见，铜基体在Sn、Ti、Fe等合金元素的强化作用下，得到了很好的强化。在铜基摩擦材料中加入炭纤维后，一方面由于炭纤维与铜基体的结合性能较差，导致材料的孔隙及界面增加，这不仅会降

A1 balance 1.5 18~25 7~9 低晶粒之间的连续性，使基体变得疏松，还会阻碍合A2 balance 1.0 18~25 7~9 金元素在铜基体中的强化作用；另一方面炭纤维强化A3 balance 0.5 18~25 7~9 是通过增大材料的塑性变形阻力，使铜基体的硬度增A4 balance 0 18~25 7~9 加，但在高硬度的金属基体中，由于炭纤维与金属基

1.2 样品制备

按表1配比称取各种粉末，在滚筒式球磨机中混合4~6 h后，在300~500 MPa压力下冷压成形。将压坯与钢背贴好，放置于钟罩式加压烧结炉中，在氢气保护下进行加压烧结，得到含炭纤维的湿式铜基摩擦材料试样。烧结温度为950±30 ℃，压力为1.5~4.0 MPa，保温3 h。

1.2 性能检测

采用A-200布洛维三用硬度计测量试样的硬度，压头直径为2.5 mm，压力62.5 kg；根据GB/T10421—2002《烧结金属摩擦材料密度的测定》测定材料密度；按照JB/T7909—1999《湿式烧结金属摩擦材料摩擦性能试验台试验方法》在MM 1000Ⅱ型摩擦试验机上测定试样在润滑条件下的摩擦磨损性能，试件尺寸为：外径75 mm×内径53 mm，厚约为4~6mm,并将表面加工成螺旋槽＋径向槽；对偶材料为65 Mn，其硬度为40~45 HRC，所用润滑油为液压油32，油温

体之间的界面结合较弱，导致其阻碍材料塑性变形的能力还不如基体本身的作用。因此，在高硬度摩擦材料中加入炭纤维会导致硬度减小。同时，由于炭的 密度远小于铜的密度以及孔隙率增加，所以材料密度下降。

表2 炭纤维含量对湿式铜基摩擦材料物理性能的影响 Table 2 Effect of carbon fiber content on physical properties

of wet copper-based friction material

Sample

No.

w(Carbon fiber)/%

HardnessDensity/

Porosity/% 3

(HB) (g cm)

A1 1.5 5.19 22.6 55.8 A2 1.0 5.36 20.7 64.9 A3 0.5 6.27 7.2 74.7 A4 0 6.61 1.1 99.5

2.2 炭纤维含量对摩擦性能的影响

在制动比压P=1.0 MPa和惯性轮初始速度v=2 000 r/min的条件下，炭纤维含量对摩擦因数的影响如

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图1所示。由图看出，添加炭纤维能提高材料的摩擦因数。当炭纤维质量分数小于1%时，摩擦因数随炭纤维含量增加而增大，当炭纤维质量分数大于1%时，随炭纤维含量增加，摩擦因数减小。

在炭纤维增强铜基复合材料中，炭纤维起减摩抗磨的作用，并随炭纤维含量增加，材料的摩擦因数和磨损量降低，显微硬度增大[8]。而在湿式铜基摩擦材料中，炭纤维可在一定程度上起到增摩的作用。根据粘着理论，摩擦和摩擦阻力产生的主要原因是：接触点的粘着作用、表面微凸体间啮合的机械作用、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。再结合边界润滑理论[9]，边界润滑的摩擦因数µBL为：

τ τ

µBL=αw s +(1 αw)L+µP (1)

P

式中 右边第1项和第2项分别为固体接触体接触产生的摩擦因数；第3项µP为犁沟效应产生的摩擦因数；αw为固体接触面积Am在真实接触面积A中所占的比例；τs和τL分别为固体和流体表面的剪切强度；为平均压力。

表面产生富炭层，炭的吸附性作用会改善吸附膜的状态，增大润滑膜的剪切力。因此，炭纤维的加入会导致湿式铜基摩擦材料的摩擦因数提高。但若炭纤维加入过量，在混料时，炭纤维容易团聚和产生偏析，分布不均匀，导致基体疏松，界面结合强度降低，从而导致摩擦因数下降。

2.3 摩擦试验条件对摩擦因数的影响 2.3.1 摩擦速度

在摩擦压力为1.5 MPa的条件下，湿式铜基摩擦材料的摩擦因数随摩擦速度的变化关系如图2所示。可见，随摩擦速度增加，摩擦因数均是先减小后增大，速度从1 000 r/min 增至3 000 r/min时，所有材料的摩擦因数均呈现线性下降，A2的降幅最大， A1的降幅最小；从3 000 r/min增至5 000 r/min时，摩擦因数均上升，A1和A4增幅较大，而A2和A3变化不明显。整体而言，含炭纤维的摩擦材料的摩擦因数均高于不含炭纤维的摩擦材料A4。

摩擦速度增大导致摩擦因数降低，一方面是由于粗糙表面的平均膜厚与速度具有指数函数的关系，制动速度增加，油膜厚度将增加，所以摩擦因数减小。另一方面，制动速度增加导致润滑油及材料表面温度升高，致使润滑油黏度降低，基体变软，啮合作用减弱，使得摩擦因数降低。此外，在高速下润滑油的切应变率稀化，也导致润滑油的黏度下降而呈现非牛顿性。在高剪切力作用下分子排列规则化，从而减少相邻层之间的作用而降低表观黏度，使摩擦因数降低。

图1 摩擦因数与炭纤维含量的关系

Fig.1 Relationship between friction coefficient and the

carbon fiber content

通常在油膜存在的情况下，µP与前2项相比很小，可以忽略。但由于炭纤维与金属粉末润湿性较差，炭纤维的加入必将增加材料表面的粗糙度,并使得材料具有更高的比强度和比模量，导致啮合作用增强，油膜撕裂程度加大。因此，µP不能忽略。同时，由于炭纤维硬度比基体小，可以认为在Am不变的情况下还增加了炭纤维与对偶的接触面积，这在更大程度上阻碍了油膜的连续性，增加了材料与对偶的直接接触面积，进而使摩擦因数增加。此外，由于炭纤维的加入会在

当摩擦转速增加到一定值时，润滑油和基体温度迅速上升，润滑油黏度迅速降低，剪切强度减小，基体迅速变软而导致严重的塑性变形，以致出现裂纹。

图2 摩擦速度对摩擦因数的影响

Fig.2 Effects of friction speed on friction coefficient

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此时，润滑油被迅速挤出减少，热量无法及时带走，更加剧了基体的塑性变形，导致摩擦副直接接触面积增大，粘着作用增强。同时，由于基体软化，硬质炭纤维逐渐突出，油膜撕裂程度加大，致使摩擦因数增大。甚至出现干摩擦状态，摩擦因数大幅上升。试样A4在5 000 r/min时摩擦因数急剧升高的原因就是出现了干摩擦状态。

图3所示为不同炭纤维含量的湿式铜基摩擦材料在摩擦压力为0.5 MPa、转速为5 000 r/min条件下摩擦后的表面形貌。从图可见，A4表面划痕最严重，出现了较深的犁沟，沟痕粗糙，塑性变形十分严重，并且表面由于较大塑性变形出现了裂纹。A1表面也存在塑性变形，但表面未出现较深的犁沟，这正体现了炭纤维在高负荷下的润滑特性。而A2和A3表面塑性变形非常轻微，A2甚至看不出存在表面变形。这说明，适当添加炭纤维不仅可以提高材料的摩擦因数，还可提高材料的最高能量负荷许用值。 2.3.2 摩擦压力

在摩擦转速为2 000 r/min条件下，不同炭纤维含量的湿式铜基摩擦材料的动摩擦因数随摩擦压力的变化关系如图4所示。可以看出，含炭纤维的材料的摩擦因数均高于不含炭纤维的材料，这说明炭纤维能有效提高材料的摩擦因数。图4还表明摩擦因数随着摩擦压力增大而逐渐增大。炭纤维质量分数为1%的样品A2具有最高的摩擦因数，且摩擦因数较稳定。

由于炭纤维与铜的润湿性较差，其加入导致材料

的硬度和密度降低，孔隙率及表面粗糙度增加。而孔隙率增加有利于润滑剂进入基体，加快热量的散发，防止基体过热而发生粘着磨损。表面粗糙度增加以及硬度降低，都有利于增加微凸体的相互啮合数量和面积，从而表现出较高的摩擦因数。所以添加炭纤维能提高湿式铜基摩擦材料的摩擦因数。压力通过改变接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力，当压力增大时，润滑油被挤压排出，油膜的厚度降低，基体塑性变形加大，导致微凸体相互啮合的面积和数量增加；同时，硬质炭纤维逐渐突出，加大了油膜的撕裂程度。所以摩擦因数随着压力增大而增大。

2.4 炭纤维含量对磨损量的影响

图5所示为在P=1.0 MPa，v=3 000 r/min条件下，炭纤维添加量对湿式铜基摩擦材料磨损量的影响。当炭纤维含量小于1%时，随着炭纤维含量提高，材料的磨损量迅速降低，即耐磨性提高；当炭纤维含量大于1%时，随着炭纤维含量提高，材料的磨损量略有上升，即耐磨性略微下降。在炭纤维增强铜基复合材料中短炭纤维具有石墨微晶结构，在干摩擦过程中，炭纤维不仅能阻碍金属的塑性变形，防止基体剥落，同时当炭纤维最终被剥离而裸露出来时，这些炭纤维被碾碎成细小的颗粒，在磨损表面压制并铺展在表面上，起到固体润滑剂的作用。同样，在湿式摩擦中，由于有油膜的存在，在低载荷时，油膜阻止金属表面直接接触，可在一定程度上防止粘着磨损的产生，此

图3 不同碳纤维含量的湿式铜基摩损表面形貌

Fig.3 Worn suface morphologies of wet copper-based friction materials with different carbon fiber content

(a)—Sample A1; (b)—Sample A2; (c)—Sample A3; (d)—Sample A4

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2) 炭纤维含量对湿式铜基摩擦材料摩擦磨损性能具有明显的影响，随着炭纤维含量增加，摩擦因数先增大后减小，磨损率先减小后增大。在炭纤维含量为1%时，材料的综合性能最佳。

3) 添加炭纤维能提高湿式铜基摩擦材料最高能量负荷许用值和抗粘着磨损的能力。

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图4 压力对摩擦因数的影响

Fig.4 Effects of friction pressure on friction coefficient

图5 碳纤维含量与磨损量的关系 Fig.5 Wear rate vs carbon fiber content

时磨损的主要形式是磨粒磨损。而磨粒磨损与材料的硬度、强度以及磨粒的形状、尖锐程度、大小等因素有关。当对偶的硬度大于摩擦材料试样时，随着试样硬度增加，磨粒磨损越来越严重，即试样磨损越严重。而炭纤维的加入一方面降低了材料的硬度，从而降低了磨粒磨损；另一方面，炭纤维的加入提高了材料的孔隙率，有利于润滑油的进入，进而有利于热量的扩散，防止基体由于过热软化而发生粘着磨损；此外，炭纤维的加入可起到一定的骨架作用，防止磨粒磨损和疲劳磨损。因此，炭纤维对湿式摩擦材料同样可以起到减磨的效果。

3 结 论

1) 随着炭纤维含量增加，含炭纤维的湿式铜基摩擦材料的密度和硬度均减小，孔隙率增加。

(编辑：赖海辉)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4hfj.html