C／C－SiC材料不同制動(dòng)速率下的濕式摩擦磨損性能

李 專(zhuān)，肖 鵬，岳 靜，熊 翔

（中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)沙410083）

濕式摩擦材料是指用于浸油封閉環(huán)境的摩擦材料，由于其特殊的工作環(huán)境，使其與干式摩擦材料相比具有磨損率低、能量吸收能力高、對(duì)外密封防塵好及受外界影響小等特性。近年來(lái)我國(guó)濕式摩擦材料的研發(fā)取得了顯著進(jìn)展，但仍存在摩擦因數(shù)小、磨損量大的問(wèn)題，不能滿足各類(lèi)工程機(jī)械和重型車(chē)輛的濕式離合器的使用要求（摩擦因數(shù)≥0.08），大量軍用重型車(chē)輛離合器片仍須進(jìn)口[1－3］。濕式摩擦材料的現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明：摩擦片的翹曲變形、黏著、斷裂等為摩擦片的主要失效形式。主要失效原因是摩擦片冷卻不夠充分，工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量超過(guò)了材料熱容極限[4，5］。研究人員嘗試通過(guò)改進(jìn)冷卻通道并加大油壓來(lái)改善冷卻效果，實(shí)際情況卻不理想。因此研制高摩擦因數(shù)、高穩(wěn)定度以及使用壽命長(zhǎng)的離合器摩擦材料具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義和軍事意義。

C／C－SiC，即炭纖維增強(qiáng)炭和碳化硅二元雙基體復(fù)合材料，是現(xiàn)今高性能輕質(zhì)剎車(chē)材料的一個(gè)主要研究方向。C／C－SiC材料與傳統(tǒng)半金屬基和粉末冶金剎車(chē)材料相比，具有密度低、耐高溫、制動(dòng)平穩(wěn)、摩擦因數(shù)高、磨損少和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[6－8］。與炭／炭（C／C）材料相比，由于C／C－SiC制動(dòng)材料中引入了SiC陶瓷相作為基體，不僅有效提高了材料的抗氧化性和摩擦因數(shù)，而且顯著改善了摩擦性能對(duì)外界環(huán)境介質(zhì)（潮氣、霉菌和油污等）的適應(yīng)性。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)C／C－SiC材料的干式摩擦磨損性能進(jìn)行了廣泛的研究，而在濕態(tài)條件下的摩擦磨損性能卻鮮有報(bào)道[8－10］。

本工作以針刺炭纖維氈為預(yù)制體，采用化學(xué)氣相滲透法與熔融滲硅法相結(jié)合制得C／C－SiC復(fù)合材料；利用MM－1000型慣性試驗(yàn)臺(tái)研究了C／C－SiC復(fù)合材料在不同制動(dòng)速度下干態(tài)和CD15W－40柴油機(jī)油潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦磨損性能，以及濕態(tài)條件下的摩擦磨損機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

采用日本東麗公司（Toray）生產(chǎn)的PAN型T700（12K）炭纖維。將炭纖維分別制成無(wú)緯布和網(wǎng)胎，將單層0°無(wú)緯布、網(wǎng)胎、90°無(wú)緯布、網(wǎng)胎依次循環(huán)疊加，然后采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引入炭纖維束制得炭纖維整體氈。在1600℃對(duì)預(yù)制體進(jìn)行高溫?zé)崽幚砗螅捎没瘜W(xué)氣相滲透法增密得到C／C多孔體。最后將硅粉熔融浸滲C／C多孔體制得C／CSiC摩擦材料。在CVI增密工藝中，以C3H6為反應(yīng)氣，H2為稀釋氣，1000℃沉積。

在MM－1000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干態(tài)和濕態(tài)條件下的摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)偶件為30CrMoSiVA合金鋼，其硬度為HRC40～45。C／C－SiC與對(duì)偶件摩擦試環(huán)的外徑均為75mm、內(nèi)徑53mm、厚20mm。濕態(tài)條件下C／C－SiC試環(huán)摩擦表面加工5條徑向油槽并磨平，油槽寬2.0mm、深1mm。所用潤(rùn)滑油為中石化CD15W－40型高增壓柴油機(jī)油。濕態(tài)實(shí)驗(yàn)前將C／CSiC試樣在柴油機(jī)油中浸泡24h以上，使試樣充滿油液，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后輸油管持續(xù)供油，油流量為110 mL／min。

MM－1000測(cè)試參數(shù)為：轉(zhuǎn)速分別為3000，4000，5000，6000r／min，制動(dòng)比壓1.0MPa，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.1kg·m2。試驗(yàn)機(jī)直接記錄制動(dòng)力矩與時(shí)間的關(guān)系曲線。用精確到0.01mm的螺旋測(cè)微器測(cè)量試環(huán)上6點(diǎn)處摩擦前后的尺寸變化，在測(cè)量尺寸前均用吸油紙將試環(huán)表面潤(rùn)滑油吸盡，取平均值得到線性磨損量。

采用阿基米德排水法測(cè)試C／C－SiC試樣的密度和開(kāi)孔率。采用Digidrop GBX型接觸角測(cè)定儀測(cè)定C／C－SiC材料和對(duì)偶件與二次蒸餾水的接觸角。采用D／max 2550VB＋18kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相組成分析。采用JSM－6360LV型掃描電子顯微鏡和KH－7700三維顯微鏡對(duì)C／C－SiC試樣顯微結(jié)構(gòu)、摩擦表面及磨屑進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微結(jié)構(gòu)與接觸角分析

C／C－SiC試樣的密度為2.26g·cm－3，開(kāi)孔率為6.4%。C／C－SiC材料的顯微形貌及其炭纖維氈體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由圖1（a）可以看出，C／C－SiC材料是典型的非均質(zhì)材料，無(wú)緯布和網(wǎng)胎相互交替排布，具有明顯的亞結(jié)構(gòu)單元。圖1（a）黑色區(qū)域?yàn)樘坷w維和熱解炭，灰白區(qū)域?yàn)棣拢璖iC及殘留Si。由圖1（b）炭纖維氈體結(jié)構(gòu)示意圖可知，無(wú)緯布層纖維排列整齊緊密，網(wǎng)胎層短纖維隨機(jī)雜亂排列。因此熔融滲硅過(guò)程中，Si（l）只能滲入無(wú)緯布層纖維束間或沿著針刺纖維附近的孔隙滲入，而網(wǎng)胎層孔隙尺寸大而且數(shù)量多，Si（l）很容易滲入。Si（l）滲入到孔隙中與接觸到的熱解炭和纖維束外部的炭纖維反應(yīng)生成SiC，并有部分Si來(lái)不及反應(yīng)完全而殘余（如圖1（c）所示），同時(shí)材料中還有部分孔隙沒(méi)有被填充。前期研究表明，C／CSiC材料中適當(dāng)?shù)拈_(kāi)孔率有利于制動(dòng)過(guò)程中磨屑在摩擦表面的聚集，同時(shí)可降低制動(dòng)噪音。

圖1 C／C－SiC材料的截面形貌（a）及其炭纖維氈體結(jié)構(gòu)示意圖（b）和微區(qū)顯微形貌（c）Fig.1 Typical SEM micrographs of C／C－SiC composites and schematic of carbon fiber preform（a）section morphology；（b）schematic of carbon fiber preform；（c）typical SEM micrograph

從圖1（c）還可以看出，纖維外圓及兩層熱解炭之間存在灰白色的環(huán)狀物，EDX結(jié)果表明環(huán)狀物為SiC。這是因?yàn)槿廴跐B硅過(guò)程中，大量Si發(fā)生氣化，Si（g）擴(kuò)散至纖維與熱解炭和兩次沉積的熱解炭之間的界面，與炭反應(yīng)生成SiC。

由于不能直接用潤(rùn)滑油測(cè)試其與試樣的接觸角，便通過(guò)測(cè)試試樣的親水性來(lái)判斷其親油性。圖2是C／C－SiC摩擦材料和鋼對(duì)偶件與二次蒸餾水的接觸角的測(cè)量圖。由圖2（a）可知，C／C－SiC摩擦材料與水的接觸角為80.5°左右，為疏水性材料，即親油性材料。由圖2（b）可知，鋼對(duì)偶與水的接觸角為82.5°左右，為疏水性材料，即親油性材料。

圖2 C／C－SiC材料（a）和對(duì)偶件（b）與二次蒸餾水的接觸角測(cè)量圖Fig.2 Contact angle measurement chart of C／C－SiC composites and dual piece distilled water（a）C／C－SiC composites；（b）steel opposing material

2.2 摩擦磨損性能

圖3是C／C－SiC材料不同制動(dòng)速度下干態(tài)和CD15W－40柴油機(jī)油潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦磨損性能。由圖3（a）可以看出，在干態(tài)下隨著制動(dòng)速度的增加，摩擦因數(shù)先減小后略有增加，在5000r／min時(shí)達(dá)到最小值0.21。C／C－SiC材料的線性磨損量先減小后增大，在4000r／min時(shí)達(dá)到最小值0.2μm／cycle。鋼對(duì)偶件的線性磨損量也呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì)，在4000r／min時(shí)達(dá)到最小值0.5μm／cycle。

圖3 制動(dòng)速度對(duì)C／C－SiC材料摩擦磨損性能的影響 （a）干態(tài)；（b）濕態(tài)Fig.3 Tribological behaviors of the C／C－SiC composite during different braking speeds（a）dry condition；（b）wet condition

而在CD15W－40柴油機(jī)油潤(rùn)滑狀態(tài)下（如圖3（b）所示），摩擦因數(shù)先增大后減小，在4000r／min時(shí)達(dá)到最大值 0.21；C／C－SiC 材料的線性磨損量 也是在4000r／min時(shí)達(dá)到最大值1.1μm／cycle，為3000r／min時(shí)的三倍多，而在5000r／min和6000r／min時(shí)，其線性磨損量均為0。鋼對(duì)偶件線性磨損量的變化趨勢(shì)和C／C－SiC材料相似，在3000r／min時(shí)最小，為0.8μm／cycle，4000r／min時(shí)最大值1.4μm／cycle。

圖4是C／C－SiC材料在制動(dòng)速度為3000r／min時(shí)干態(tài)和濕態(tài)條件下的制動(dòng)曲線。干態(tài)條件下制動(dòng)曲線線形呈“梯形”，波動(dòng)起伏較大，曲線翹尾比較明顯。這是由于C／C－SiC材料的摩擦表面存在有大量的微突體，制動(dòng)過(guò)程中由于剪切力的作用微突體斷裂脫落成為磨屑，磨屑在低速下難以進(jìn)一步被磨細(xì)，因而在摩擦表面之間形成第三體磨粒磨損，從而使得干態(tài)條件下具有最高的摩擦因數(shù)（0.39）和較高的線性磨損率。

圖4 C／C－SiC材料在干態(tài)和濕態(tài)下的制動(dòng)曲線Fig.4 Braking curves of C／C－SiC composites at dry condition and wet condition

在CD15W－40柴油機(jī)油潤(rùn)滑狀態(tài)下，制動(dòng)曲線線形呈“馬鞍形”，制動(dòng)曲線穩(wěn)定，有拖尾的現(xiàn)象產(chǎn)生，但制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，說(shuō)明潤(rùn)滑油起到了較好的潤(rùn)滑作用。

2.3 摩擦表面及磨屑形貌

圖5是C／C－SiC材料不同制動(dòng)速度下干態(tài)和CD15W－40柴油機(jī)油潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦表面形貌。由圖5（a－1），（b－1），（c－1）和（d－1）可見(jiàn)，干態(tài)條件下，隨著制動(dòng)速度的升高，C／C－SiC材料的摩擦表面越來(lái)越光滑。圖5（a－1）可見(jiàn)許多犁溝狀的劃痕，這是因?yàn)槟Σ帘砻嫖⑼贵w出現(xiàn)互相嚙合、變形、剪切及斷裂等情況，微突體的斷裂會(huì)產(chǎn)生大量的磨粒，磨粒會(huì)在兩摩擦表面產(chǎn)生犁溝效應(yīng)，使摩擦因數(shù)增大，同時(shí)導(dǎo)致摩擦曲線出現(xiàn)“前峰”現(xiàn)象。

隨著制動(dòng)速度的增加，試樣表面的微突體進(jìn)一步斷裂并被不斷碾細(xì)；同時(shí)摩擦表面溫度升高，磨屑在摩擦過(guò)程中易變形并填滿周?chē)陌伎?，在局部開(kāi)始形成連續(xù)的摩擦膜，如圖5（a－1），（c－1）所示。摩擦膜有潤(rùn)滑作用，使得摩擦因數(shù)不斷降低。C／C－SiC制動(dòng)過(guò)程中其磨損率與產(chǎn)生磨屑和磨屑被擠壓形成摩擦膜是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，即產(chǎn)生磨屑的量與磨屑被擠壓形成摩擦膜的量相等時(shí)，則磨損率降到最低值零。制動(dòng)速度越高，產(chǎn)生的磨屑越多，而磨屑被擠壓形成摩擦膜的量是基本固定的，因此從4000r／min到6000r／min，磨損率不斷增大。圖5（d－1）的摩擦表面最為平整，幾乎沒(méi)有劃痕，圖中的黑色區(qū)域是炭纖維束被剪斷脫落后形成的凹坑。

由圖5（a－2），（b－2），（c－2），（d－2）可見(jiàn)，CD15W－40柴油機(jī)油潤(rùn)滑狀態(tài)下，圖5（a－2），（b－2）的摩擦表面形貌形成了摩擦膜，而圖5（c－2），（d－2）的摩擦表面顯得凹凸不平。在油潤(rùn)滑狀態(tài)下，由于潤(rùn)滑油分子量大，黏度高，能形成完整的邊界膜，使得試樣與對(duì)偶的直接接觸面積減小，所以，犁削磨損程度降低，摩擦表面較為平滑。4000r／min時(shí)C／C－SiC摩擦表面形成了較為完整的摩擦膜，因此制動(dòng)過(guò)程中的流體潤(rùn)滑相對(duì)來(lái)說(shuō)是最少的，相應(yīng)地C／C－SiC材料與金屬對(duì)偶件的接觸面積也就最大，因此其摩擦因數(shù)和磨損率最高。而5000r／min和6000r／min時(shí)，摩擦表面形貌有利于潤(rùn)滑油很好地鋪展，絕大部分載荷由潤(rùn)滑劑油膜承擔(dān)，少部分則由相互接觸的表面微凸體承擔(dān)，主要表現(xiàn)為流體邊界潤(rùn)滑，因此摩擦因數(shù)基本保持穩(wěn)定，線性磨損率甚至降為零。

圖6是干態(tài)條件下C／C－SiC材料在制動(dòng)速度分別為3000r／min和6000r／min時(shí)的磨屑顯微形貌。由圖6（a）可見(jiàn)，磨屑中除大量的塊狀的磨屑和少量的片狀磨屑外，還有較多的金屬絲狀物磨屑。這說(shuō)明低速制動(dòng)過(guò)程中以磨粒磨損為主，同時(shí)C／C－SiC材料摩擦表面中的SiC等硬質(zhì)相嵌入金屬對(duì)偶件中進(jìn)行刮擦。由圖6（b）可見(jiàn)，6000r／min下的磨屑基本以片狀為主，顆粒狀磨屑較少，同時(shí)可見(jiàn)短炭纖維。并且片狀磨屑一面是平的，另外一面在中間部位突起。這是因?yàn)镃／C－SiC在制動(dòng)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，導(dǎo)致摩擦次表面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋隨制動(dòng)的進(jìn)行不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致摩擦表面的局部摩擦膜脫落。

3 結(jié)論

（1）C／C－SiC與合金鋼組成的摩擦副的摩擦因數(shù)在CD15W－40柴油機(jī)油潤(rùn)滑狀態(tài)下，隨制動(dòng)速度從3000r／min升高到6000r／min，在4000r／min時(shí)達(dá)到最大值0.21隨后降低至0.17，其線性磨損量也是在4000r／min時(shí)達(dá)到最大值1.1μm／cycle，為3000r／min時(shí)的3倍，而在5000r／min和6000r／min時(shí)，其線性磨損量均為0。

（2）C／C－SiC摩擦材料與水的接觸角為80.5°左右，為親油性材料，其在油潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦磨損機(jī)制為流體邊界潤(rùn)滑。

（3）C／C－SiC材料在濕態(tài)條件下能保持較高的摩擦因數(shù)，制動(dòng)曲線平穩(wěn)，磨損率低，可作為新一代工程機(jī)械和重型車(chē)輛濕式離合器用摩擦材料的候選材料。

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