鐵粉種類對銅基摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響

鐵粉種類對銅基摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響

銅基粉碳摩擦材料具有良好的導(dǎo)熱性、抗疲勞性和摩擦穩(wěn)定性的特點(diǎn)。它是目前廣泛應(yīng)用于高鐵和動(dòng)植物系統(tǒng)的摩擦擔(dān)保材料。為了進(jìn)一步提高摩擦性能，材料的設(shè)計(jì)傾向于多樣化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決。銅鐵基摩擦材料是根據(jù)銅基材料的設(shè)計(jì)方法，以鐵為第二相基體，利用鐵組元的強(qiáng)度和耐候性，使材料的摩擦磨損性能更好。姚穎等人發(fā)現(xiàn)，添加鐵可以提高材料的摩擦和耐候性。陳杰等人研究了鐵含量對銅基材料性能的影響。銅基材料的fe質(zhì)量比超過4%時(shí)，材料的摩擦特性可以提高。在12%下，它可以有效減少磨損。然而，關(guān)于各種鐵粉的摩擦磨損性能的報(bào)道很少。事實(shí)上，作為第二相基體的鐵粉，它直接關(guān)系到鐵粉的成分、組織和性能，對材料的完整性有重要影響。在這項(xiàng)工作中，我們使用還原鐵粉、泡沫纖維鐵粉、鐵屑粉和鐵鉻粉來改善銅基材料的摩擦。并對這四種鐵粉對銅基材料的摩擦磨損性能。1材料及試樣制備試驗(yàn)采用市售還原鐵粉、泡沫纖維鐵粉、鐵鎳合金粉、鐵鉻合金粉四種不同鐵粉作為銅基粉末冶金材料中的第二基體相.四種鐵粉粒度范圍均為25~45μm.還原鐵粉為還原法制得,泡沫纖維鐵粉為熔融鐵液中加入起泡成分后噴霧制成,鐵鎳合金粉和鐵鉻合金粉均由熔融合金液噴霧制成.試驗(yàn)所用其他原料:電解銅粉(粒度45μm,純度99.5%),SiO2(20μm,99.8%),MoS2(2~3μm,99.8%),石墨(300μm,99%).四種鐵粉成分及制備試樣成分分別列于表1和表2.各原料粉末經(jīng)V型混料機(jī)混合均勻后冷壓成型,成型壓力450MPa,保壓時(shí)間5min.燒結(jié)過程在鐘罩式燒結(jié)爐中保護(hù)氣氛下進(jìn)行,燒結(jié)溫度950℃,壓力3MPa,保溫時(shí)間3h.采用MM1000--II型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究樣品摩擦磨損性能.樣品尺寸為25mm×25mm×15mm,對偶盤材料(30CrSiMoVA).具體試驗(yàn)條件見表3.摩擦磨損試驗(yàn)方法為:對偶盤轉(zhuǎn)速達(dá)到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速后開始制動(dòng),直至對偶盤停止、摩擦副之間不再發(fā)生相對滑動(dòng)時(shí)為止,摩擦因數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自備軟件換算自動(dòng)記錄.待摩擦副溫度降至室溫后進(jìn)行下一次制動(dòng),每個(gè)速度下的摩擦試驗(yàn)進(jìn)行五次.磨損量通過精度為0.0001g的電子天平測量同一轉(zhuǎn)速下五次制動(dòng)后樣品的失重得到.采用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品摩擦后表面進(jìn)行形貌分析.利用MH--6型顯微維氏硬度計(jì)測量摩擦膜硬度,載荷147mN,保持壓力15s,每個(gè)試樣測試10個(gè)數(shù)據(jù)后取平均值.2結(jié)果與討論2.1鐵粉顆粒的形貌圖1所示為還原鐵粉、泡沫纖維鐵粉、鐵鎳合金粉和鐵鉻合金粉的微觀組織結(jié)構(gòu).還原鐵粉形貌如圖1(a)所示,粒度較小的鐵顆粒相互連結(jié)組成鐵粉顆粒,部分位置可見間隙和不完全結(jié)合界面.泡沫纖維鐵粉的原始形貌為疏松的結(jié)塊纖維狀結(jié)構(gòu)(圖1(b)),鐵纖維之間留存大量貫通孔隙.圖1(c)和1(d)所示分別為鐵鎳合金粉顆粒的橫截面結(jié)構(gòu)和鐵鉻合金粉的形貌,顯示兩者均為致密的近球狀顆粒.四種鐵粉的微觀形貌存在較大差異,造成鐵粉本身強(qiáng)度的不同,并可能對銅基材料的性能產(chǎn)生較大影響.2.2鐵鎳合金粉對樣品磨損量的影響圖2給出了相同試驗(yàn)條件下,四種樣品的摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律.由圖可知,隨試驗(yàn)速度的提高,無論以何種鐵粉作為第二相,摩擦因數(shù)均呈下降趨勢.加入還原鐵粉的1號樣品摩擦因數(shù)較低,隨摩擦速度的提高,摩擦因數(shù)由0.287降至0.177,出現(xiàn)嚴(yán)重衰退.加入泡沫纖維鐵的2號試樣摩擦因數(shù)最穩(wěn)定,在3000~6200r·min-1的試驗(yàn)范圍內(nèi),摩擦因數(shù)僅從0.287變化至0.263,波動(dòng)值不超過0.024.加入鐵鎳合金粉的3號樣品在速度超過4200r·min-1后,摩擦因數(shù)的降低幅度較小,穩(wěn)定程度明顯增加,轉(zhuǎn)速從4200r·min-1提升至6200r·min-1,摩擦因數(shù)的波動(dòng)在0.027范圍內(nèi),表明加入鐵鎳合金粉可以有效減緩銅基材料摩擦因數(shù)在高速時(shí)的衰退.含有鐵鉻合金粉的4號樣品的摩擦因數(shù)也隨轉(zhuǎn)速提高而出現(xiàn)較大幅度降低,但其數(shù)值始終高于1號和3號樣品.圖3所示為四種樣品磨損量隨試驗(yàn)轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律.除4號樣品外,其他三種樣品的磨損量均隨轉(zhuǎn)速的提高而增加.隨轉(zhuǎn)速提高1號樣品磨損量的增加較少;而2號樣品的磨損量迅速增加,在四種樣品中的磨損量最大,在高速摩擦?xí)r遠(yuǎn)高于其他三個(gè)試樣.3號樣品的磨損量在摩擦前期與1號樣品相近,轉(zhuǎn)速達(dá)到5200r·min-1后磨損量迅速增大.4號樣品的磨損量隨轉(zhuǎn)速的變化幅度很小,在試驗(yàn)范圍內(nèi)始終低于0.4g,在速度達(dá)到4200r·min-1后該樣品的磨損量顯著低于其他三種樣品.磨損量分析表明,加入泡沫纖維鐵的銅基摩擦材料耐磨性較差,而鐵鉻合金粉的加入則有利于提高銅基摩擦材料的耐磨性.2.3裂紋和表面磨損觀察四種樣品摩擦試驗(yàn)前后的微觀形貌和磨損后表面形貌,見圖4.如圖4(a)所示,加入還原鐵粉的樣品,鐵粉在基體中呈破碎顆粒狀分布,且存在一定的不均勻分布.磨損后表面較粗糙,可見大顆粒脫落物分布于摩擦表面,并且摩擦產(chǎn)生的表面膜上已經(jīng)產(chǎn)生疲勞裂紋,左側(cè)部分分布著許多小而深的凹坑(圖4(b)),樣品的磨損機(jī)理為疲勞磨損.圖4(c)為加入泡沫纖維鐵粉的樣品的微觀組織,仍可見纖維狀的鐵組元,該樣品磨損主要以疲勞磨損為主,樣品表面可見較大且較深的裂紋和大塊表層脫落復(fù)又被碾壓至原表面造成的片層狀斷口(圖4(d)).加入鐵鎳合金粉末的樣品,如圖4(e)和4(f)所示.原始鐵組元為近球狀顆粒,鐵顆粒與基體之間有一薄氧化層,阻礙了鐵與基體的結(jié)合.表面磨損呈現(xiàn)為以擠壓剝落為機(jī)理的磨粒磨損的形貌,磨屑在載荷作用下壓入摩擦表面而產(chǎn)生壓痕,將塑性表面擠壓出層片狀的剝落碎屑,同時(shí)伴有輕微的犁溝磨痕.圖4(g)和4(h)所示為加入鐵鉻合金粉末的樣品的原始形貌和磨損形貌.樣品磨損表面較為粗糙,可見較寬的犁溝痕跡和細(xì)小凸起,主要以磨粒磨損為主.2.4樣品處理與定量測定表4列出了四種不同樣品基體與摩擦后表面膜的維氏硬度數(shù)據(jù).摩擦試驗(yàn)前,基體硬度最高的試樣為加入鐵鎳合金粉的3號樣品,1號和4號樣品的硬度也與之較為接近.2號樣品中,由于泡沫纖維鐵中含有大量孔隙而造成基體整體硬度較低.經(jīng)過摩擦試驗(yàn)后,硬度的高低趨勢仍同基體類似.表面摩擦膜的硬度最高的試樣仍是3號樣品,達(dá)到680.5HV;1號樣品表面膜硬度略高于4號樣品;2號樣品的表面膜硬度最低,僅為285.2HV.表面硬度過低,則材料表面易被硬質(zhì)磨粒磨損,脫落現(xiàn)象嚴(yán)重,因而2號樣品的磨損量在四種樣品中最高.表面硬度過高,則材料太脆,抗接觸疲勞磨損能力也會(huì)下降.因此,在高速摩擦階段,基體和表面膜硬度最高的3號樣品的磨損量也迅速上升,并高于1號和4號樣品,后兩者硬度適中,既具有一定的抗接觸疲勞磨損能力,同時(shí)又具有一定的塑性,使摩擦表面能夠迅速磨合,基體能夠?qū)Ρ韺訚櫥て鸬捷^好的承托作用.另外,結(jié)合前述原始粉體的微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn),泡沫纖維鐵粉本身的原始結(jié)構(gòu)也是造成2號樣品磨損嚴(yán)重的原因之一.還原鐵粉、鐵鎳合金粉和鐵鉻合金粉都是致密的塊狀或近球狀致密顆粒.泡沫纖維鐵粉的原始形貌為疏松的結(jié)塊纖維狀結(jié)構(gòu)(圖1(b)),與結(jié)構(gòu)為致密體的其他三種鐵粉相比,自身的強(qiáng)度較低,因此構(gòu)成了基體中的薄弱處,成為應(yīng)力集中源,促進(jìn)了裂紋的萌生.在不斷經(jīng)受剪切應(yīng)力的過程中,裂紋發(fā)源于材料表層內(nèi)部的應(yīng)力集中源,沿平行于表面方向擴(kuò)展后延伸至表面,并造成表層材料的脫落,并在載荷作用下再次碾壓至表面.因此該樣品的磨損量在四種樣品中最高,磨損情況嚴(yán)重.但是,大量脫落的磨屑作為摩擦調(diào)節(jié)劑起到良好的增摩效果,因此2號樣品的摩擦因數(shù)最穩(wěn)定.3鐵鉻合金鐵粉材料的抗磨損能力(1)隨摩擦速度的提高,以還原鐵粉增強(qiáng)的銅基摩擦材料,摩擦因數(shù)衰退嚴(yán)重,磨損量增長較緩.(2)泡沫纖維鐵粉因具有獨(dú)特的結(jié)塊纖維狀結(jié)構(gòu),易導(dǎo)致材料中裂紋的產(chǎn)生,材料磨損嚴(yán)重,但摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性最佳,隨摩擦轉(zhuǎn)速從3000r·min-1提升至6200r·min-1,摩擦因數(shù)僅從0.287