彈子加壓機構(gòu)涂層密封材料性能研究

楊玲玲，蘭 海，徐 宜，寧克焱

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

彈子加壓機構(gòu)是干片式制動器核心部件之一，是將制動力矩轉(zhuǎn)化為摩擦部件制動所需的正壓力的部件.其主要由轉(zhuǎn)動彈子盤、移動彈子盤、支撐體部件組成，三者通過柱面配合形成的較小工作間隙來達到密封的效果，其柱面配對材料均為38CrSi.

干片式制動器通常在高溫、高轉(zhuǎn)速、高載荷以及沙塵等惡劣環(huán)境中使用，支撐配合面接觸狀態(tài)不良或雜質(zhì)進入配合面間隙內(nèi)會導(dǎo)致彈子盤運動卡滯，嚴(yán)重時造成制動失效.在潮濕或鹽霧較重地區(qū)，加壓機構(gòu)支撐配合面(鋼-鋼接觸)在缺少潤滑的情況下，極易因銹蝕引發(fā)彈子盤運動不暢導(dǎo)致制動失效，影響車輛行駛安全性.

因此，在彈子盤支撐配合面間形成一種對小間隙有較好密封性能且具有一定減摩耐磨、耐腐蝕功能的密封材料至關(guān)重要.本研究對鎳包石墨和鎳包二硫化鉬兩種材料性能進行了對比研究.

1 材料選擇

根據(jù)彈子加壓機構(gòu)工作形式和環(huán)境要求 (見圖1)密封材料應(yīng)滿足:減摩耐磨、材料硬度應(yīng)低于鋼的硬度，以保證運動時不會對配合件產(chǎn)生加速磨削的效果;密封材料在使用過程中不會產(chǎn)生剝落現(xiàn)象;在濕潤環(huán)境中應(yīng)具有耐蝕性;能夠?qū)崿F(xiàn)良好密封，滿足小間隙需求以便能夠抑制沙塵等異物侵入.

圖1 彈子加壓機構(gòu)工作示意圖

自潤滑材料本身含有潤滑介質(zhì)，在工作過程中潤滑介質(zhì)逐漸向摩擦面轉(zhuǎn)移形成潤滑膜實現(xiàn)自潤滑［1］.金屬基自潤滑復(fù)合材料是以高強度耐熱合金為基體，以固體潤滑材料作為分散相，通過某種工藝制備成的具有一定強度的復(fù)合材料，高強耐熱合金基體能夠?qū)崿F(xiàn)支撐負荷和粘結(jié)，固體潤滑劑則起減摩的作用［2］.常見的材料有鎳包石墨、鎳包二硫化鉬，其中二硫化鉬和石墨作為硬度較低的固體潤滑劑，可以大幅降低對摩件表面的材料磨損;鎳則具有高耐熱性、高強度、不易氧化等優(yōu)點.鎳包二硫化鉬和鎳包石墨是一種以二硫化鉬或石墨為核心，表面包裹鎳金屬的雙組份材料，該雙組份材料將金屬鎳的強度和固體自潤滑材料的潤滑性相結(jié)合，經(jīng)火焰噴涂、等離子噴涂等方法可以形成抗沖蝕、抗氧化、和較低摩擦系數(shù)的涂層［3］.

因此金屬基自潤滑材料成為彈子加壓機構(gòu)配合柱面密封材料的首選.

2 試樣制備

2.1 試樣

根據(jù)不同檢測項目需求，共需3種試樣，具體如表1和圖1所示.

表1 試樣列表

2.2 噴涂參數(shù)

噴涂前對擬噴涂表面進行預(yù)處理，包括除油、噴砂、打底，等等，目的是清潔表面、增強涂層材料與基體的結(jié)合強度.

噴涂面經(jīng)化學(xué)清洗劑清洗除油后，采用干式吹砂機進行清理，以便活化基片表面，吹砂所用粉料為80目白剛玉，強度為0.25～0.3 MPa，吹砂距離為140～150 mm.

底層材料采用鎳包鋁，由火焰噴涂方法加工，參數(shù)如下:粉末粒度為－160目～320目，噴涂厚度為0.1～0.2 mm，噴涂距離為200～300 mm.

圖2 摩擦磨損試驗試樣

鎳包石墨和鎳包二硫化鉬層采用氧-乙炔火焰噴涂，材料狀態(tài)為粉狀，粒徑為100～300 μm，噴涂工藝參數(shù)為:氧氣流量0.8 L/h，乙炔流量1000 L/h，載氣壓力(空氣壓力)0.1 MPa，送粉壓力0.04 MPa，噴涂距離150 mm.

3 試驗方法

3.1 金相

試片經(jīng)鑲樣、切割及打磨拋光至鏡面后，采用掃描電子顯微鏡觀察噴涂后涂層表面形貌及各組分分布情況.每種涂層制樣1件.

3.2 硬度

采用顯微硬度計檢測噴涂后涂層的表面硬度，硬度值測三點取平均值.每種涂層制樣1件.

3.3 結(jié)合強度

結(jié)合強度的測定方法選用拉伸試驗法.為了獲得更準(zhǔn)確的試驗結(jié)果，采用專用薄膜膠對涂層進行粘結(jié).拉伸試驗基本原理見圖3，拉伸速率為2 mm/min，每種涂層制樣2件.

圖3 拉伸試驗法測結(jié)合強度示意圖

3.4 表面粗糙度

利用表面粗糙度儀，由計算機控制測量和數(shù)據(jù)計算，測量噴涂表面粗糙度，檢測取樣長度0.4 mm，連續(xù)取4段，每段重復(fù)測量3次取平均值，精度±0.03 μm.每種涂層制樣1件.

3.5 摩擦系數(shù)

3.5.1 靜摩擦系數(shù)

采用斜坡法測量.利用重力原理，在光滑的斜坡上通過檢測工件在自身重力作用下由靜止到開始自由滑落時斜坡角度的大小來檢測磨擦系數(shù)大小，光滑斜坡采用玻璃板替代，玻璃板表面粗糙度Ra為0.004～0.006 μm，玻璃板總長 103 cm，寬50 cm.

試樣受力分析情況見圖4，物體的重量為G，其垂直斜面和沿平面方向上兩個分力分別記為F1和F2，靜摩擦系數(shù)為μ*，摩擦力為F，斜坡傾斜角度為α，則:

圖4 試樣受力分析圖

當(dāng)斜坡傾角較小時，F(xiàn)＞F2，試樣靜止不動;不斷增大斜坡傾角，當(dāng)F=F2時，試樣處于臨界平衡點，忽略空氣阻力的影響，此時摩擦力達到最大且與試樣重力在沿平面方向上分力大小相等方向相反，因此可得到 μ*·G·cos α =G·sin α，即

測量臨界平衡時傾角對邊和臨邊長度，即圖中a、b值，則靜摩擦系數(shù)

3.5.2 動摩擦系數(shù)

采用拖磨工況，在MM6000摩擦磨損試驗機上完成，原理圖見圖5.

圖5 動摩擦系數(shù)試驗圖

試驗中對偶件靜止，涂層件/對比件轉(zhuǎn)動，原始安裝間隙為0.5±0.05 mm.試驗輸入?yún)?shù)為涂層件轉(zhuǎn)動速度n和涂層對摩面接觸壓強P，試驗臺測試系統(tǒng)自動測量拖磨過程中的扭矩T，則動摩擦系數(shù)由式(4)計算得到.

為保證測試動摩擦系數(shù)過程中扭矩測試穩(wěn)定，試驗開始前先進行接觸面磨合，磨合工況為:轉(zhuǎn)速50 r/min，壓力0.1 MPa，拖磨時間60～120 s.當(dāng)涂層表面與對偶件表面接觸面積大于80%時完成磨合.試驗條件為:轉(zhuǎn)速59 r/min，壓力0.1 MPa，拖磨時間60 s.

4 試驗結(jié)果

4.1 金相

鎳包石墨和鎳包二硫化鉬涂層金相檢驗結(jié)果見圖6.圖6(a)為鎳包石墨涂層表面形貌，圖6(b)為鎳包二硫化鉬涂層表面形貌.可見二者表面均無明顯孔洞，石墨相、二硫化鉬相分布較均勻.

圖6 金相檢驗結(jié)果

4.2 硬度

鎳包石墨和鎳包二硫化鉬涂層硬度檢驗結(jié)果見表2.可見鎳包二硫化鉬涂層顯微硬度略高于鎳包石墨涂層，約高26.2%.

表2 硬度檢測結(jié)果

4.3 結(jié)合強度

結(jié)合強度檢測結(jié)果見表3，鎳包二硫化鉬涂層與基體結(jié)合強度較鎳包石墨涂層略高約4%.

表3 結(jié)合強度檢測結(jié)果

4.4 表面粗糙度和摩擦系數(shù)

4.4.1 靜摩擦系數(shù)

對鎳包石墨和鎳包二硫化鉬噴涂表面分別進行拋光與未拋光件對比，檢測表面粗糙度對靜摩擦系數(shù)測定的影響.材料不同導(dǎo)致鎳包石墨和鎳包二硫化鉬試樣表面粗糙度不可能完全一致，定性得出鎳包石墨和鎳包二硫化鉬靜摩擦系數(shù)對比情況，檢測結(jié)果見表4.

表4 靜摩擦系數(shù)檢測結(jié)果

從表4中可看出，相同噴涂加工工藝條件下，鎳包石墨噴涂層與鎳包二硫化鉬噴涂層表面粗糙度值存在差異;表面未拋光試樣在用斜坡法測量涂層靜摩擦系數(shù)時，鎳包二硫化鉬涂層表面粗糙度較鎳包石墨涂層大11.1%，但靜摩擦系數(shù)仍較鎳包石墨涂層小13.4%;表面拋光后，鎳包石墨噴涂層和鎳包二硫化鉬噴涂層表面粗糙度均有所降低，分別降低了77%和90%，拋光后后者表面粗糙度和靜摩擦系數(shù)均較前者低，分別降低51.7%和13.8%.

4.4.2 動摩擦系數(shù)

38CrSi、鎳包石墨涂層和鎳包二硫化鉬涂層動摩擦系數(shù)測定曲線圖見圖7.可見，磨合階段動摩擦系數(shù)均較低，隨著摩擦的不斷進行摩擦系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，38CrSi基體動摩擦系數(shù)最大值為0.388，鎳包石墨涂層動摩擦系數(shù)最大值為0.279，鎳包二硫化鉬涂層動摩擦系數(shù)最大值為0.248.從整體趨勢上看，涂層材料摩擦系數(shù)與基體材料摩擦系數(shù)相比均較低，鎳包二硫化鉬涂層與鎳包石墨涂層相比動摩擦系數(shù)略小.

圖7 38CrSi、鎳包石墨涂層和鎳包二硫化鉬涂層動摩擦系數(shù)測定曲線圖

5 結(jié)論

通過對鎳包石墨和鎳包二硫化鉬涂層性能的比較研究，結(jié)果表明:

鎳包石墨涂層和鎳包二硫化鉬涂層中石墨相/二硫化鉬相均能均勻分布在鎳基體中，涂層無明顯孔隙;

鎳包二硫化鉬涂層顯微硬度略高于鎳包石墨涂層;

相同噴涂加工工藝條件下，鎳包二硫化鉬涂層表面粗糙度較鎳包石墨涂層大，靜摩擦系數(shù)較鎳包石墨涂層小，表面拋光后二者表面粗糙度均降低，鎳包二硫化鉬涂層表面粗糙度降低幅度大于鎳包石墨涂層;

相同工況下，鎳包二硫化鉬和鎳包石墨涂層與基體材料相比，動摩擦系數(shù)均較低，鎳包二硫化鉬涂層與鎳包石墨涂層相比動摩擦系數(shù)略小.

［1］顧明亮，黃國華，陳安軍.鎳包石墨自潤滑涂層摩擦磨損性能研究 ［J］.潤滑與密封，2008，33(9):58-60.

［2］歐陽錦林，牛淑琴，等.鎳合金基自潤滑復(fù)合材料的研究 ［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，1993，13(1):33-47.

［3］楊勝群，孟慶武.鈦合金表面鎳包石墨噴涂層的耐磨性能 ［J］.宇航材料工藝，2007，(3):58-60.