金属硫化物陶瓷摩擦材料的制备与性能研究李双君,魏明坤(武汉理工大学理学院,湖北武汉430070)摘要:以硫粉、锡粉、三硫化二锑为烧结剂,再加入其他辅助原料,利用金属硫化物的低熔点烧结制备陶瓷摩擦材料。
研究了原料的不同配比对金属硫化物陶瓷摩擦材料的体积密度、气孔率、力学性能、摩擦性能以及显微结构的影响。
硫含量对金属硫化物陶瓷摩擦材料性能有很重要的影响,通过对比寻求较为理想的原料配比,并对其实际应用的可行性进行探讨。
关键词:硫化物陶瓷;摩擦材料;性能Preparati on ofM etal Sulfi des Cera m i c Friction M aterial and its PropertiesLI Shuang-jun,WE I M ing-kun(Schoo l o f Sc i e nce,W uhan Un iversity of Techno l o gy,H ube iW uhan430070,Chi n a)Abst ract:E le m ental su lfur,ti n powder and anti m ony trisu lfide used as sinteri n g agents,and then added other sup-porti n g m aterials,w ith lo w m elti n g po i n tm etal su lfides sinteri n g,cera m ic fricti o n m ater i a lw as prepared.The ra w m ater-i als of different proporti o ns ofm etal su lfide cera m ic friction m ateria l b u l k density,porosity,m echanical properties,friction properties and m icr oscopic structure w ere studied.Su lfur content had a sign ificant i m pact on m eta l sulfi d e cera m ic friction m aterial perfor m ance,By co m pari n g the ratio o f ra w m ateria ls,a m ore satisfactory rati o of ra w m aterials w as found ou,t and the feasi b ility of the ir practical app lication w as discussed.K ey w ords:su lfi d e cera m ic;friction m ateria;l property车载摩擦片发展到现在,大概分为四种类型:石棉基摩擦衬片、半金属摩擦制动衬片、无石棉摩擦制动衬片和金属基烧结摩擦制动衬片[1]。
石棉基摩擦材料因为有致癌作用已遭淘汰。
半金属摩擦材料中钢纤维容易生锈,锈蚀后易出现粘着对偶或者损伤对偶,使摩擦片强度降低,磨损加剧,摩擦系数稳定性变差;当摩擦温度高于300e时,易出现剥落现象,密封圈软化和制动液发生气化而造成制动失灵;易产生低速下的低频噪音。
金属基摩擦材料磨损率高、摩擦传载力矩低、高温下性能衰退严重等,难以适用在重载干式离合器中[2]。
目前,虽然很多无石棉摩擦材料的综合性能已得到进一步提高,但仍存在很多问题,如有的材料在性能提高的同时,成本也大幅度提高,有的材料则出现粘结强度不够、噪声大等问题,所以全面提高新型摩擦材料的性能仍是亟待解决的一项任务。
本课题利用硫化锡、三硫化二锑的熔点较低,以其为烧结剂,添加其它助剂在较低的温度下烧结制备金属硫化物陶瓷摩擦材料,有利于降低能耗及生产成本,使其具有良好的摩擦性能,有良好的应用前景。
并研究了不同配比的原料对金属硫化物陶瓷性能的影响。
1实验部分1.1试样制备金属硫化物陶瓷材料的配比见表1。
表1金属硫化物陶瓷材料的配比(w t%)试样编号升华硫锡粉三硫化二锑铁铝粉钢钎氧化铝粉石墨二硫化钼100253530532 213213530532 325183530532 437153530532 549123530532 6511935305321.2实验过程按照表1所示配方配料,然后进行球磨搅拌混料,将配好的原料装入模具中,在压力320M P a用粉末压样机压制成型,于可控硅高温炉中常压烧结,温度500e。
保温2h后自然冷却,再将#101#2010年38卷第6期广州化工烧结体磨切成所需尺寸进行各种性能测试。
1.3 性能测试用A rch i m edes 法测定烧结体的体积密度以及气孔率,所用分析天平为FA /J A 电子天平,精度为0.0001g 。
用i nstron5882材料试验机对材料的抗压强度进行测试,试样的尺寸为直径13.0mm @10mm 的圆柱体。
用HBa -I 巴氏硬度计对材料的表面硬度进行测试。
用盘-销式摩擦试验机以对磨方式进行摩擦试验。
试样的尺寸为直径10mm @18mm 柱体,偶件盘试样为GCr15钢环,试验温度为常温,试验载荷为0176M Pa ,转动速度为400rPm i n (0184m /s),试验时间为15m i n ,每30s 取点一次。
用JS M -6700F 扫描电镜观察试样的表面微观形貌。
2 结果与讨论211 体积密度、气孔率和膨胀率图1、图2是不同配方试样的体积密度、气孔率和体积膨胀率变化图。
从体积密度曲线上看,体积密度随硫与锡含量的增加,先增大后减小。
原因是由于液相烧结促进材料的致密化,但随硫含量的增加,整体呈减小趋势。
气孔率呈先减小后增大的规律,是由于锡液相的出现填充了部分气孔,但随着硫含量的增加膨胀加剧而导致气孔率增大。
硫的熔点低密度小,含量过高时升温过程中膨胀会阻碍整体试样的收缩,故体积膨胀率随硫的增加不断增大。
图1试样的体积密度及气孔率图2 试样的体积膨胀率212 力学性能图3、图4是不同配方试样的抗压强度与硬度变化图。
由曲线上可见,随硫与锡配比的增大,抗压强度与硬度曲线趋势大致相同,整体呈减小的趋势。
4号样中,原料硫3%锡7%(质量%),抗压强度与硬度均较其他配比高。
强度的提高可能是由于细粉有效地填充粗粉的孔隙,使得材料的表面比较光滑,接触条件优越。
4号样与3号样相比,可能是因为硫与锡的量较多,生成的硫化锡烧结后有利于材料强度的提高。
6号样,由于硫的含量过高,在升温过程中受热膨胀明显,从而导致了材料强度的降低。
图3 试样的抗压强度图4 试样的硬度213 摩擦性能图5为不同试样的摩擦性能变化曲线。
可以看出摩擦系数随硫含量的增加而降低,磨损率是先降低后增大。
材料中锡的熔点很低,只有232e ,制动中摩擦片的温度迅速上升,在250e 左右时锡变为液态,在摩擦片和制动盘间形成液态润滑膜从而降低了材料的摩擦系数。
随着温度的升高,析出的液体锡越多,润滑效果越明显[3],摩擦系数的降低同时也导致了磨损率的减小。
图5 试样摩擦系数与磨损率214 显微结构分析图6和图7分别为4号样与6号样陶瓷摩擦材料的扫描电(下转第120页)超声波作用后的乳状液表现为剪切稀释性,为假塑性流体,服从幂律流体规律,这与加剂处理得到的乳状液性质相似,见图5。
从拟合结果看,超声波处理得到的O /W 乳状液,n 值较大,相比于加乳化剂转相得到的乳状液,非牛顿性较弱,见表1。
表1 两种配置方式配置的O /W 乳状液流变参数配制方式K n R 2加乳化剂012416017061019941超声波处理0113420185420199264 结 论超声波对高含水的油包水乳状液转相有明显的影响。
主要表现为:(1)超声波对稠油本身的性质产生影响,使得稠油的重组分有所下降,粘度有较为明显的下降;(2)通过控制超声波作用时间可以使高含水的水包油乳状液脱水或者转相形成不太稳定的水包油乳状液;(3)通过超声波处理形成的乳状液和加乳化剂转相形成的相比,微观粒子主要以单独的球形存在,液滴簇少,而没有参与形成乳状液的小水珠多;粒径大小分布总体上范围有所变宽,而主要分布范围较窄;(4)通过超声波处理形成的乳状液和加乳化剂转相形成的相比,其流变性遵循幂律流体规律,但非牛顿性有所减弱。
参考文献[1] 任智,陈志荣1非离子表面活性剂HLB 乳化规则的研究(Ò)HLB界面模型验证与影响乳状液稳定的各种实验因素[J].日用化学工业,2000,30(1):7-9.[2] 祁高明,吕效平.超声波原油破乳研究进展[J].化工时代,2001,6(1):11-14.[3] 高文庆,高东民,魏凤兰.超声波原油破乳的影响因素[J].内蒙古石油化工,2008,12(23):36-37.[4] 闫向宏,张亚萍.D3功率超声对稠油流变性影响的研究[J].声学技术,1996,15(4):194-195.[5] Neh al S .Ahm ed ,Am alM.Nassar ,N ael N .Zak ,i H ussei n Kh .Ghar -i eb.For m ation of fl u i d heavy iol-i n -w ater e m u l s i on s f or p i peli netransportati on .Fue,l 1999,78:593-600.(上接第102页)镜显微结构图。
在烧结过程中硫与锡会反应生成硫化锡。
配方中锡均过量,其液相的生成温度低,因而也促进了材料在较低烧结温度。
硫化锡的烧结温度为356e 。
而随着温度的升高,达到硫化锡的烧结温度,从而使硫化锡被烧结形成类陶瓷烧结材料。
根据烧结温度大概为019TC [4],硫化锑亦在较低温度下烧结。
当烧结材料后,使得材料的颗粒细化、致密,颗粒的分布更加均匀,从而提高了材料的结合强度。
对比可以看出,4号样从显微结构上看比6号样的孔隙结构少,并且烧结材料与钢钎的结合也比较紧密。
这说明当硫的含量过高时,会导致封闭在气孔内的气体向外膨胀以及液相的外溢[5],而使得试样的致密性有所下降,这也是影响试样强度及性能的主要原因。
3 结 论(1)在金属硫化物陶瓷摩擦材料中,随着原料中硫与锡配比的增大,材料的体积密度在小范围内增大但整体呈减小趋势,气孔率则呈先减小,后增大的趋势,体积膨胀率则随着硫含量的增加而增大。
(2)随硫锡配比增大,金属硫化物陶瓷摩擦材料的抗压强度与硬度整体呈减小趋势,在硫z 锡z 硫化锑为3z 7z 15(质量%)时各方面性能较其它配比理想。