制动摩擦材料高速摩擦学性能的主要影响因素Ξ马东辉张永振陈跃官宝(河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳 471039摘要 :综述了高速条件下速度、温度、压力对制动材料摩擦学性能的影响。

重点讨论了摩擦表面的相对滑动速度对摩擦学性能的影响。

关键词 :相对滑动速度压力温度The Main Influencing F actor of H igh 2speed FrictionMa Donghui Zhang Y ongzhen Chen Y ue Shangguan Bao(Department of Materials Science , Henan University of Science &T echn ology , Lu oyang 471039, ChinaAbstract :The in fluence of friction under different pressure , temperature and slide velocity condition introduced , and the in fluence of relative slide velocity on the frictional interfaces was discussed.K eyw ords :R elative Slide V elocity Pressure T emperature高速摩擦学 , 是研究摩擦副处在相对高的滑动速度时 , 两个表面之间相互作用、践的学科。

, 对制动装置及制动材料的性能也提出了更高的要求。

例如制动材料要有足够而稳定的摩擦系数 , 动、静摩擦系数之差小 ; 良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度 ; 良好的耐磨性和抗粘着性 , 不易擦伤对偶件 , 无噪声 ; 低成本 , 对环境无污染等。

传统的制动材料已不能满足高速条件下的需要 , 这就必须开发新的摩擦制动材料 , 研究高速摩擦条件下各种因素对材料摩擦学性能的影响。

但这方面前人的研究工作不多 , 本文综述了这方面的研究进展 , 着重讨论了高速条件下速度、温度、正压力对材料摩擦学性能的影响。

1速度对材料摩擦学性能的影响(1 相对滑动速度 v 对摩擦系数μ的影响一般情况下 , 相对滑动速度 v 越大 , 摩擦系数μ越小。

具体减小的程度 , 不同的学者根据各自的实验条件得出的结论也不一致。

如法国人 Boehet 通过机车车辆的制动试验得出了摩擦系数与滑动速度的关系表达式为 [1]μ=k/(1+0173v(1式中 :k 为系数 , 对于干燥钢轨 k =0145, 潮湿钢轨0v (m/s 。

Frank G 提出了摩擦系数与速度的经验公式μ=μ0+e -cv(2 式中:μ0———静摩擦系数 ; C ———常数。

对铁基烧结闸片在速度 10~32m/s 和压力01005~1MPa 范围内进行的摩擦试验得出 :图 1摩擦系数与滑动速度的关系 [2]1 当速度增大时摩擦系数随着减小 (图 1 。

2 当压力增大时摩擦系数增大 ; 但在较高压力下 , 随速度增大摩擦系数减小更快。

对摩擦系数的影响主要是由于摩擦发热升温引起的 , 如果配偶材料的导热率较高及温升较小 , 那么影响不大。

对于 Pb 、 Sn 等导热率和熔点都较低的金属 , 高速下 , 由于表面层熔化或软化 , 滑动摩擦系数随着相对速度增加会出现最小值。

μ值最小时 , 摩擦表面开始形成熔化膜 , 摩擦系数回升的快慢取决于熔化膜的粘度、厚度、速度、接触面积等因素 [3]。

在低的和中等的滑动速度时 , 摩擦主要是由于接触区的局部粘着和剪切引起的 , 摩擦阻力表现为表44《润滑与密封》Ξ基金项目 :河南科技大学基金项目 (20020003 1作者简介 :马东辉 , 男 , 1976年生 , 硕士研究生 1E -mail :mdh760509@1631com 1面发热 , 可以认为这种发热效应对总的摩擦机理不会有大的影响 , 但在很高滑动速度下 , 金属表面产生极为强烈的摩擦热 , 它将从本质上改变滑动的表面状态。

(2 相对滑动速度对材料磨损率的影响通常情况下 , 磨损率随相对滑动速度的增大而减小 , 达到一定程度 , 开始随速度的增大而增大。

在这个过程中 , 磨损机理可能发生了变化。

居毅 [4]对碳钢表面 C 2N 共渗层在高速干摩擦状态下进行了研究 , 得出其磨损率随载荷和滑动速度变化的关系如图 2。

可见在不同载荷下 , 随着滑动速度的增加 , 磨损率逐渐降低 , 当滑动速度达到 35m/s 时 , 随着滑动速度的增加 , 磨损率明显增大。

由此可以推测 , 当滑动速度在 35m/s 左右 , 磨损机理可能发生了转变。

2与磨损率的关系 [1]通过 SE M 观察可以发现 , 当滑动速度在 25~35m/s 之间变化时 , 试样磨损表面的“ 凹坑” 尺寸随着滑动速度的增加而减小 , 减小。

35m/s 时随着滑动速度的进一步提高 , 试样磨损表面出现了“流线”特征 , 这是因为随着滑动速度的提高 , 试样磨损表面温度提高 , 试样表层和亚表层软化 , 产生塑性变形。

磨损表面的微突体在高速摩擦状态的“ 闪点”温度可能接近熔点 , 而在宏观观察时 , 其磨损表面很平整。

当滑动速度达到 45m/s , 此时试样磨损表面出现了大量的微裂纹和熔斑 , 大量的微裂纹对应于较高的磨屑剥落几率 , 亦意味着磨损率增大。

通过磨损表面的 XPS 分析表明 :当滑动速度为 25m/s 时 , 试样磨损表面形成的氧化膜主要由 Fe 2O 3组成。

当滑动速度增大至 45m/s 时 , 试样磨损表面的氧化膜主要由 FeO 组成。

另一方面 , 从摩擦副接触表面温度的变化也可以推测试样表面的氧化物类型。

当摩擦表面平均温度大于 500℃时才可能形成 FeO , 而摩擦表面平均温度大于 200℃ , 即可以形成 Fe 2O 3。

由此可以得出结论 :当滑动速度为25m/s 时 , 试样磨损表面主要含有 Fe 2O 3; 45m/s 时 , , , 20#钢 , 当滑动速度达到, 磨损率最小 ; 此后随着速度的进一步提高 , 磨损率显著提高 , 共渗层经历从轻微磨损向严重磨损的转变。

(3 制动初速度对磨损率、摩擦系数的影响对于不同的材料 , 制动初速度对磨损率、摩擦系数的影响不同。

例如 C/C 复合材料与特种铸铁。

杨勇 , 吴洁君等人研究了制动初速度对 C/C 复合材料摩擦学性能影响 [5~7], 结果表明(表 1 :表 1不同制动速度下 C/C 复合材料的摩擦性能 [5]制动速度 v (m/s 平均摩擦系数μcp 单位面积能量 W S (J/cm 2平均功率 P S (W/m 2 稳定系数 S 尺寸损失(μm 磨损质量损失 (mg50118163124116017501090157100129684171501201781124514915013519871428 713015711065104200140279512405130167618240147250140436116499150176161251 1210628013545011049514016636100163127300135401510505110166391041861301 随着制动初速度的增大 , C/C 复合材料制动盘的摩擦系数逐渐增大 , 当制动初速度在 20~25m/s 范围内时摩擦系数出现峰值。

此后随着制动初速度的继续增大 , 摩擦系数仍维持较高值。

2 当制动初速度小于 15m/s 时 , 线性磨损和磨损质量损失均较小 , 当制动初速度大于 15m/s 时 , 磨损质量损失明显增大 , 当制动初速度达到 30m/s 时制动盘的磨损质量损失最大。

3 低速时 C/C 复合材料制动盘磨损表面由较薄的磨屑层所覆盖 , 磨损较轻微 ; 随着制动速度的增加(大于 15m/s , 磨屑不断增多并形成较厚的表面膜层。

在高速 (28~30m/s 下 , 由于剧烈的氧化和剪切作用 , 大量的基质炭发生氧化剥落 , 同时碳纤维被磨断和拔出 , 因此磨损剧烈。

钱坤才等人对高速列车特种铸铁制动盘进行了研究 [8], 用特种铸铁制动盘和半金属合成闸片进行台架试验。

结果表明 , 随着制动初速度的提高 , 平均摩擦系数降低。

制动初速度从 120km/h 提高到 250km/h , 平均摩擦系数μ从 01331降到 01303。

2温度对材料摩擦学性能的影响542003年第 6期摩擦制动过程是将物体的运动动能转化为热能和其他形式的能量 , 从而达到制动的目的 , 其中约有 90%使物质内部的分子动能增加 , 表现为温度的升高。

由于摩擦热效应产生的温升和接触应力 , 它们对摩擦副表层的结构与性能会产生一定的影响。

(1 对表面膜的影响从物理吸附膜和化学吸附膜看 [3], 摩擦使被吸附分子的热运动加快 , 随温升发生失向、散乱、脱附 , 而失去作用。

从反应膜看 , 摩擦热补给化学反应所需的活化能 , 不仅提高反应速率 , 增加反应膜的厚度 ; 还可能在超过反应温度之后 , 出现新的化学反应物。

例如铁的氧化 , 温升加快了氧离子向里扩散和铁离子向外扩散 , Fe 2O 3减少而 Fe 3O 4增多 ; 并且氧化膜在超过 750℃时出现 FeO 层 , 相应的显微硬度由 4900N/mm 2降低到2940N/mm 2。

(2 对基体表层的影响温升活化基体表层 ,属 , ,六方在 417℃由 03增到 017。

对于固熔体 , , 例如淬火钢中 , 体心立方的马氏体在750~800℃很快通过共格转变的方式转为面心立方的奥氏体 ; 温升还可能使有序转变为无序 ; 使摩擦副之间易于相互扩散 , 发生粘着。

鲍登 (Bowdon 等人的试验表明 [3]:大多数金属摩擦系数对应于环境 700-800℃出现最小值。

高聚物是弹性材料 , 对温度很敏感。

随着温度升温由玻璃相转变为橡胶相 , 因粘着作用加强而使μ增大 ; 温度进一步升高 , 因力学性能下降而使μ下降。

此外温度对材料表面变形性能和表层应力也有一定的影响。

刘佐民在对 M 50高速钢进行高温摩擦试验表明 [9]:当试验温度处于100~300℃范围时 , 材料的磨损率随着温度的上升而明显增大 , 而摩擦因数的增大甚微 , 基本保持在 0164左右 ; 当温度高于 400℃时 , M 50高速钢的摩擦和磨损都明显减小 , 主要原因是界面微接触点处材料发生软化融熔而在摩擦面上形成了一层金属膜 , 使材料的磨损由微切削向金属膜间对摩转变。

在这种情况下 , 材料的磨损率主要取决于表面膜的承载能力。