石墨含量對(duì)風(fēng)電機(jī)組用銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

劉利萍， 魏敬丹， 陳 華*

(1.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春 130033;2.長春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

石墨含量對(duì)風(fēng)電機(jī)組用銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

劉利萍1， 魏敬丹2， 陳 華2*

(1.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春 130033;2.長春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

采用粉末冶金技術(shù)制備風(fēng)電機(jī)組用的銅基摩擦材料。研究在不同的摩擦速度下，石墨的含量對(duì)材料的摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：材料的磨損率隨著摩擦速度的增加而增加。隨著石墨含量的增加，材料的磨損率增加,由于石墨破壞基體的連續(xù)性使得材料的強(qiáng)度降低，從而使材料的磨損率增加。材料的摩擦系數(shù)隨著石墨含量的增加而降低，這是因?yàn)椴牧夏Σ吝^程中摩擦表面形成具有潤滑作用的摩擦膜。石墨含量為10%的材料具有較好的摩擦磨損性能。

銅基摩擦材料； 石墨； 摩擦； 磨損

0 引 言

能源、環(huán)境問題是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所需解決的緊迫問題。常規(guī)能源不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。因此，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視。隨著國家新能源發(fā)展戰(zhàn)略的提出和實(shí)施，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入跨越式發(fā)展的階段[1]。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)電機(jī)組的安全可靠性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在風(fēng)機(jī)葉片朝向改變、風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障、電網(wǎng)故障或維護(hù)檢修要求停機(jī)時(shí)，可以通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)使風(fēng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)或改變?nèi)~片的迎風(fēng)面。為了降低風(fēng)電機(jī)組的維修費(fèi)用，研究具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和高的耐磨性的摩擦材料是非常必要的。

風(fēng)電機(jī)組用的摩擦材料多采用粉末冶金摩擦材料。銅基粉末冶金摩擦材料具有良好的導(dǎo)熱性、耐磨性和摩擦系數(shù)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在風(fēng)電機(jī)組用的摩擦材料中得到廣泛的應(yīng)用[2-4]。為獲得具有良好綜合性能的銅基摩擦材料，材料中添加了多種組分，在這些組分中石墨是最基本的組元。石墨作為潤滑組元，主要起潤滑作用，提高摩擦材料的工作穩(wěn)定性、抗擦傷性和耐磨性等，特別有利于降低對(duì)偶材料的磨損，并使得摩擦副工作平穩(wěn)。石墨的含量對(duì)摩擦材料的摩擦磨損性能有很大的影響，這方面的研究已引起人們的關(guān)注[5-7]。摩擦材料中摩擦組元提高材料的耐磨性能，但大量的摩擦組元使得材料具有高的摩擦系數(shù)，加劇了對(duì)偶材料的磨損，而石墨可以改善材料的整體性能[8-10]。因此，研究不同摩擦速度條件下石墨的含量對(duì)于材料摩擦磨損性能的影響,以及對(duì)制備高性能風(fēng)電機(jī)組用銅基摩擦材料具有重要意義。

文中采用粉末冶金技術(shù)制備風(fēng)電機(jī)組用銅基摩擦材料，研究在不同的摩擦速度下石墨的含量對(duì)銅基摩擦材料的摩擦磨損性能的影響，為風(fēng)電機(jī)組用的銅基摩擦材料的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1試樣制備

試樣的化學(xué)成分見表 1。

試驗(yàn)材料由電解銅粉、還原鐵粉、錫粉、鉻粉、氧化鋁、鋯英石和石墨構(gòu)成。按表 1 所示比例稱取粉末，以200 r/min 的轉(zhuǎn)速混料30 min。粉末經(jīng)均勻混合，在壓制壓力600 MPa條件下壓制成型，在鐘罩式燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，以氫氣為保護(hù)氣氛。燒結(jié)溫度為 830 ℃，保溫時(shí)間3 h。

表1 材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) wt%

1.2性能測(cè)試

摩擦磨損試驗(yàn)在快速磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，摩擦對(duì)偶材料為硬質(zhì)合金，磨輪直徑為30 mm，磨輪厚度為2.5 mm，載荷100 N，摩擦速度分別為1 000,2 000,3 000,4 000 r/min。

體積磨損率的計(jì)算公式為

式中：W----體積磨損率，mm3/(N·m)；

V----試樣的磨損體積，mm3；

F----加載壓力，N；

S----滑動(dòng)距離，m。

用JSM-5500LV型掃描電子顯微鏡觀察燒結(jié)組織和磨損表面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1石墨含量對(duì)材料顯微形貌的影響

燒結(jié)試樣的 SEM顯微形貌如圖1所示。

圖中黑色長條狀組織為石墨，灰色底為銅錫合金基體，深灰黑色小斑點(diǎn)為 Fe顆粒，基體上均勻分布的顆粒為Cr,Al2O3和ZrSiO4。石墨垂直于壓力方向呈層狀均勻分布，壓制時(shí)壓力在材料內(nèi)部較均勻分布，使得石墨基本上垂直于壓力方向呈層狀分布。銅錫合金形成的α固溶體是以Cu為基體，Sn原子取代部分Cu原子形成的置換固溶體。在較高的燒結(jié)溫度下，銅錫原子擴(kuò)散充分，因此形成均勻的α固溶體[11]。Fe顆粒以游離狀態(tài)分布于銅錫基體中，F(xiàn)e與基體銅具有良好的潤濕性，同時(shí)較高的燒結(jié)溫度提高Fe原子活性，使得Fe原子在基體中的擴(kuò)散加快，因此Fe在基體中均勻分布，同時(shí)Fe顆粒與基體的良好結(jié)合起到顆粒強(qiáng)化作用。Al2O3和ZrSiO4顆粒均勻分布在銅錫合金基體中，在摩擦材料中作為摩擦組元，提高材料的摩擦系數(shù)，彌補(bǔ)潤滑組元造成的材料摩擦系數(shù)的降低，使摩擦副工作表面具有最佳嚙合狀態(tài)[12]。

(a) 8%石墨

(b) 10%石墨

(c) 12%石墨

(d) 15%石墨

圖1 燒結(jié)試樣的顯微形貌

2.2石墨含量對(duì)材料磨損率的影響

摩擦速度對(duì)材料磨損率的影響如圖2 所示。

圖2 摩擦速度對(duì)材料磨損率的影響

由圖中可見，隨著摩擦速度的增加，材料的磨損率增加。隨著摩擦速度的增加，摩擦過程產(chǎn)生的摩擦熱增加，大量的摩擦熱導(dǎo)致摩擦表面溫度升高，高溫軟化導(dǎo)致基體強(qiáng)度降低，從而加劇材料的磨損。低摩擦速度條件下，摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦熱有利于摩擦表面形成摩擦膜，摩擦膜阻礙了對(duì)偶材料間的直接接觸，使材料具有較低的磨損率。隨著摩擦速度的增加，材料強(qiáng)度的降低導(dǎo)致摩擦過程中摩擦表面的潤滑膜出現(xiàn)破損，甚至剝落的現(xiàn)象，加劇材料的磨損。

隨著石墨含量的增加，材料的磨損率增加。含10%石墨的材料具有較低的磨損率。石墨的含量為15%時(shí)，在各摩擦速度下材料都具有高的磨損率。隨著石墨含量的增加，石墨對(duì)材料基體起到分割作用，破壞基體的連續(xù)性，同時(shí)石墨與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，因此材料強(qiáng)度的降低加劇材料的磨損。由此可見，對(duì)于銅基粉末冶金摩擦材料，石墨含量的變化對(duì)材料的摩擦磨損性能產(chǎn)生明顯的影響。

2.3石墨含量對(duì)材料摩擦表面的影響

摩擦速度為1 000 r/min時(shí)，不同石墨含量材料的摩擦表面形貌如圖3所示。

(a) 8%石墨

(b) 10%石墨

(c) 12%石墨

(d) 15%石墨

圖3 摩擦速度為1 000 r/min時(shí),不同石墨含量材料的摩擦表面形貌

由圖中可知，摩擦速度為1 000 r/min條件下，微凸體的犁削作用使得摩擦表面出現(xiàn)較淺的犁溝，同時(shí)摩擦表面形成具有潤滑作用的摩擦膜，摩擦表面的潤滑膜局部出現(xiàn)破損的現(xiàn)象。石墨受摩擦擠壓及摩擦熱的作用向表面提供潤滑介質(zhì)，在摩擦表面形成較為穩(wěn)定的潤滑膜，并靠本身的“自耗”來不斷補(bǔ)充和提供固體潤滑劑、修復(fù)被撕裂或劃傷的潤滑膜，從而起到潤滑作用[13]。隨著石墨含量的增加，石墨對(duì)材料基體的連續(xù)性不利，而且石墨與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，在摩擦?xí)r易于剝落。因此，材料摩擦表面形貌說明材料摩擦過程中發(fā)生了磨粒磨損和剝層磨損。

摩擦速度為3 000 r/min時(shí)，不同石墨含量材料的摩擦表面形貌如圖4所示。

(a) 8%石墨

(b) 10%石墨

(c) 12%石墨

(d) 15%石墨

由圖可見，隨著石墨含量的增加，材料的摩擦表面出現(xiàn)明顯的剝層現(xiàn)象。根據(jù)剝層磨損理論[14]，摩擦過程中不斷的剪切變形，使得表面下一定深度處出現(xiàn)位錯(cuò)堆積，進(jìn)而形成裂紋。當(dāng)裂紋在一定深度形成后，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分析，平行于表面的正應(yīng)力阻止裂紋向深度方向擴(kuò)展，裂紋在一定深度沿平行于表面的方向延伸。當(dāng)裂紋發(fā)展到一定程度后，裂紋與表面間的材料最后以片狀形式剝落。石墨對(duì)基體的分割作用使得材料的強(qiáng)度降低，同時(shí)石墨與基體的結(jié)合強(qiáng)度較弱，石墨及其邊界材料易萌生裂紋，因此，隨著石墨含量的增加，導(dǎo)致材料磨損加劇。同時(shí)，在高的摩擦速度的條件下，摩擦過程產(chǎn)生的摩擦熱導(dǎo)致摩擦表面溫度升高，高溫軟化使得基體強(qiáng)度降低，材料的強(qiáng)度降低加劇材料的磨損。

2.4石墨含量對(duì)材料摩擦系數(shù)的影響

石墨含量對(duì)材料摩擦系數(shù)的影響如圖5所示。

圖5 石墨含量對(duì)材料摩擦系數(shù)的影響

由圖中可見，隨著石墨含量的增加，材料的摩擦系數(shù)降低。摩擦系數(shù)是兩摩擦表面間相互粘著和嚙合程度及其性質(zhì)的函數(shù)。摩擦中，接觸點(diǎn)間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生剪切現(xiàn)象，剪切力成為摩擦阻力。摩擦過程中產(chǎn)生的大量摩擦熱加劇材料的摩擦表面溫度的升高，基體的高溫軟化降低了微凸體間的嚙合程度，同時(shí)摩擦表面形成的潤滑膜減小了對(duì)偶材料間的直接接觸，這都使得材料的摩擦系數(shù)降低。

3 結(jié) 語

1)采用粉末冶金技術(shù)制備的風(fēng)電機(jī)組用的銅基摩擦材料的顯微組織為黑色條狀石墨垂直于壓制壓力方向均勻分布在銅錫合金基體上，提高耐磨性的顆粒如Cr,Al2O3和ZrSiO4等的均勻分布，使得摩擦副的工作表面具有最佳嚙合狀態(tài)。

2)材料的磨損率隨著摩擦速度的增加而增加。隨著摩擦速度的增加，摩擦過程產(chǎn)生的摩擦熱導(dǎo)致摩擦表面溫度升高，高溫軟化導(dǎo)致基體強(qiáng)度降低，從而使材料的磨損率增加。隨著石墨含量的增加，材料的磨損率增加。這是由于石墨破壞基體的連續(xù)性使得材料的強(qiáng)度降低，從而使材料的磨損率增加。材料的摩擦系數(shù)隨著石墨含量的增加而降低，這是因?yàn)椴牧显谀Σ吝^程中表面形成具有潤滑作用的摩擦膜。研究表明，石墨含量為10%的材料具有較好的摩擦磨損性能。

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Effect of the graphite content on the friction and wear properties of Cu-based friction materials used in wind turbine generator system

LIU Li-ping1, WEI Jing-dan2, CHEN Hua2*

(1.Changchun Vocational Institute of Technology, Changchun 130033, China;2.School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Cu-based friction materials used in wind turbine generator system are prepared with powder metallurgy technology. The influences of the graphite content on friction and wear properties of materials at the different speed are studied, and the results show that the wear rate increases with speed. When graphite content is increased, the wear rate of the materials increases due to the fact that graphite has negative effect on the continuity of matrix to reduce the strength of the materials, so the wear rate increases. While the friction coefficient decreases with the increase of graphite because friction film is formed during the process, and Cu-based friction material can get a better friction coefficient and wear properties when the content of graphite is 10%.

Cu-based friction material; graphite; friction; wear.

2014-08-19

吉林省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201115143)

劉利萍(1979-)，女，漢族，吉林東豐人，長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事有色金屬材料制備、微細(xì)結(jié)構(gòu)及性能研究,E-mail:look_see@163.com. *通訊作者：陳 華(1963-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事摩擦材料方向研究,E-mail:chenhua@mail.ccut.edu.cn.

TF 125

A

1674-1374(2014)06-0696-05