中重型車輛離合器摩擦副材料的高溫摩擦磨損性能

屈盛官，袁志敏，賴福強，李小強，付志強

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中重型車輛離合器摩擦副材料的高溫摩擦磨損性能

屈盛官1，袁志敏1，賴福強1，李小強1，付志強2

(1. 華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州，510640；2. 中國地質(zhì)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，北京，100083)

為了探討離合器摩擦副材料在高溫下的摩擦磨損機制，采用30CrSiMoVM鋼作為與銅基粉末冶金摩擦片配對使用的對偶鋼片，在MMU?10G高溫端面摩擦磨損試驗機上，研究30CrSiMoVM鋼和摩擦片組成的摩擦副在室溫到600℃之間的摩擦磨損性能。研究結(jié)果表明：隨著溫度升高，材料的強度逐漸降低，摩擦界面氧化膜不斷形成與脫落，使摩擦副摩擦因數(shù)和磨損量總體趨勢逐漸增大。在溫度為300~500 ℃時，摩擦副摩擦因數(shù)和磨損量均平穩(wěn)增大，表明摩擦副材料在此溫度段摩擦磨損性能較穩(wěn)定，磨損機制表現(xiàn)為磨粒磨損、氧化磨損和疲勞磨損；在600 ℃時，摩擦副材料表層軟化，摩擦片摩擦因數(shù)和磨損量急劇增大，對偶鋼片因表層黏著磨損嚴重，相對磨損量較小，磨損機制表現(xiàn)為黏著磨損、氧化磨損和疲勞磨損。

30CrSiMoVM鋼；銅基粉末冶金；高溫；摩擦磨損性能

濕式多片離合器摩擦副是中重型車輛傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，通常在高載荷、高能量密度的惡劣工況中傳遞轉(zhuǎn)矩，其中銅基粉末冶金摩擦片得到廣泛應(yīng)用[1]。由于摩擦副材料性能對離合器的工作可靠性和穩(wěn)定性有著重要影響[2]，因此，探討摩擦副摩擦磨損性能極為重要。研究發(fā)現(xiàn)，在離合器工作過程中，過熱是導(dǎo)致摩擦副失效的主要因素之一。MARKLUND等[3]通過建立數(shù)值模型預(yù)測了摩擦副傳遞轉(zhuǎn)矩過程中的摩擦生熱，結(jié)果表明溫度對離合器轉(zhuǎn)矩傳遞性能有重要影響。PANIER等[4]研究了離合器摩擦副表面的“熱斑現(xiàn)象”，發(fā)現(xiàn)離合器在工作過程中摩擦副表面溫度梯度較大，從而導(dǎo)致摩擦副表面變形量過大而失效。趙家昕等[5]發(fā)現(xiàn)由于摩擦副表面的熱彈性不穩(wěn)定性而產(chǎn)生局部高溫區(qū)，使摩擦副材料發(fā)生灼傷和燒蝕，ZAGRODZKI等[6]揭示了摩擦離合器和制動器的熱彈性不穩(wěn)定性影響機制，發(fā)現(xiàn)摩擦速度對系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性有較大影響。湯春球等[7]發(fā)現(xiàn)在摩擦面溫度過高的工況下，摩擦片摩擦因數(shù)也會降低，導(dǎo)致離合器摩擦副滑磨時間過長而失效。劉建秀等[8]研究了室溫至500 ℃條件下溫度對銅基粉末冶金摩擦片的摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)銅基摩擦片在500 ℃下摩擦表面性能發(fā)生改變，摩擦因數(shù)和磨損量較大。由此可見，摩擦副材料作為傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其高溫摩擦磨損性能尤為重要。目前，關(guān)于離合器摩擦副摩擦磨損性能的研究主要集中于摩擦片材料摩擦磨損性能方面，而對偶鋼片摩擦磨損性能的報道較少。然而，摩擦片和對偶鋼片是多組配對使用的，往往不能拆卸更換。為此，本文作者采用耐熱性較好的Nb微合金化30CrSiMoVM鋼作為與銅基粉末冶金摩擦片配對使用的對偶鋼片，研究在不同溫度下摩擦片與對偶鋼片的摩擦磨損性能。

1 試驗

1.1 原材料和試樣制備

以銅基粉末冶金摩擦片作為摩擦片試樣，其成分見表1[9]。以30CrSiMoVM鋼作為對偶鋼片，采用的熱處理工藝為：在960 ℃下保溫30 min，使鋼片奧氏體化，再油冷淬火；然后，在650 ℃下保溫180 min后空冷回火，熱處理后測得其洛氏硬度(HRC)保持在35~40。與中重型車輛離合器原對偶鋼片用鋼30CrMnSiA相比，30CrSiMoVM鋼的耐熱性更好，其成分見表2。

采用MMU?10G高溫端面摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，對偶鋼片試樣外徑為21.6 mm，內(nèi)徑為16.6 mm，摩擦片試樣由圓環(huán)摩擦片截取所得，圖1所示為試驗機工作原理示意圖。在試驗過程中，對偶鋼片作為上試樣固定在試驗機旋轉(zhuǎn)主軸上，主軸帶動對偶鋼片試樣與通過定位銷固定于液壓挺桿的摩擦片試樣進行端面摩擦磨損試驗。試驗條件如下：

表1 銅基粉末冶金摩擦片成分(質(zhì)量分數(shù))

表2 對偶鋼片成分(質(zhì)量分數(shù))

1) 干式環(huán)境；

2) 通過液壓缸挺桿施加給摩擦副的載荷為 300 N；

3) 旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)速為60 r/min，每次試驗時間為 70 min；

4) 在不同溫度條件下(室溫，100，200，300，400，500和600 ℃)進行摩擦磨損試驗。

圖1 MMU?10G高溫端面摩擦磨損試驗機工作示意圖

1.2 試驗方法

將對偶鋼片試樣表面略微打磨和拋光，用超聲波清洗儀清洗摩擦片試樣和對偶鋼片試樣表面，去除表面雜質(zhì)和油污。采用德國Bruker公司D8?Advance型X線衍射儀對摩擦片摩擦層和對偶鋼片進行相分析，所使用的銅靶入射波長為0.154 18 nm，石墨單色器的管壓為40 kV，管流為40 mA，以0.02°為掃描步長，掃描范圍為20°~90°。分別在室溫及100，200，300，400，500和600 ℃的溫度條件下進行端面摩擦磨損試驗，測定各溫度下摩擦副摩擦因數(shù)的變化規(guī)律，并用超聲波清洗儀清洗試樣，運用BSM系列電子分析天平測量試驗前、后摩擦片和對偶鋼片試樣的質(zhì)量，計算相對磨損量(相對磨損量為磨損前質(zhì)量與磨損后質(zhì)量的差)。運用分辨率為3.0 nm、可放大12~10萬倍的環(huán)境掃描電子顯微鏡Quanta200觀察摩擦片和對偶鋼片磨損表面形貌，并收集各溫度下由于試樣磨損所產(chǎn)生的磨屑，運用環(huán)境掃描電子顯微鏡Quanta200觀察磨屑形貌，結(jié)合EDS能譜儀觀察磨屑組織和成分，并使用X線衍射儀對磨屑物相進行分析，綜合探討高溫下摩擦片與對偶鋼片摩擦磨損機制。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損性能

銅基摩擦片與對偶鋼片的摩擦磨損性能隨溫度的變化如圖2所示，其中摩擦因數(shù)為試驗中各個溫度下摩擦因數(shù)穩(wěn)定后的平均值。從圖2可知：當溫度從室溫升至600 ℃時，摩擦片和對偶鋼片的摩擦因數(shù)和磨損量的增長規(guī)律有著良好的對應(yīng)關(guān)系；從室溫到 200 ℃，摩擦因數(shù)從0.126增大到0.218，摩擦片和對偶鋼片的磨損量分別從20.0 mg增大到40.0 mg， 2.3 mg增大到12.8 mg；當溫度為300~500 ℃時，摩擦因數(shù)和磨損量均緩慢增大，摩擦因數(shù)從0.333增大到0.362，摩擦片和對偶鋼片的磨損量分別從71.3 mg增大到107.1 mg，從71.8 mg增大到97.4 mg，這表明在此溫度區(qū)間摩擦副摩擦磨損性能較為穩(wěn)定；當溫度為200~300 ℃及500~600 ℃時，摩擦因數(shù)和磨損量呈陡坡變化趨勢，表明此溫度段摩擦副磨損機制極有可能發(fā)生了轉(zhuǎn)變。尤其是在600 ℃高溫下，摩擦片摩擦因數(shù)達最大值0.466，且磨損量急劇增至269.3 mg，而對偶鋼片磨損量急劇減小，表明此時摩擦片發(fā)生了轉(zhuǎn)移和黏附，摩擦表面出現(xiàn)黏著磨損。隨溫度升高，摩擦片和對偶鋼片摩擦因數(shù)和磨損量整體趨勢是逐漸增大，僅當對偶鋼片在600 ℃高溫時，磨損量有大幅下降。這是因為在載荷和速度一定的條件下，摩擦片隨溫度升高而逐漸軟化，對表面潤滑膜的承載能力下降，使表面潤滑膜減小耐摩減磨的作用，導(dǎo)致摩擦因數(shù)和磨損量隨溫度升高呈增大趨勢[10]。

利用BMT Expert3D形貌儀(橫向分辨為1 μm，最高垂直分辨率接近1 nm)測量對偶鋼片的磨痕形貌，并繪制由摩擦圓環(huán)內(nèi)側(cè)到外側(cè)的磨痕輪廓圖，如圖3所示。圖3右下角的標尺0.1 mm表示磨痕沿半徑方向相對位置的比例標尺，縱向方向1 μm表示磨痕深度的比例標尺。由圖3可見：磨痕可分為2個主要形貌區(qū)域，分別為摩擦圓環(huán)內(nèi)側(cè)到中心區(qū)域以及磨痕中心到摩擦圓環(huán)外側(cè)區(qū)域。隨著溫度的升高，磨痕內(nèi)側(cè)到中心區(qū)域的磨痕深度變化較小，而磨痕中心至外側(cè)的磨痕較深，這說明對偶鋼片在摩擦過程中摩擦接觸表面靠近外側(cè)處摩擦損傷較大。

1—摩擦因數(shù)；2—摩擦片磨損量；3—對偶鋼片磨損量。

溫度/℃：1—100；2—200；3—300；4—400；5—500；

2.2 不同溫度下磨損機制分析

銅基摩擦片和對偶鋼片材料組成成分較多，在不同溫度下，其磨損機制分析較復(fù)雜。依據(jù)摩擦學(xué)理 論[11]和試驗分析結(jié)果，綜合磨損量和磨損機制，將摩擦片與對偶鋼片的摩擦磨損性能研究分為3個階段：輕微磨損階段(室溫到200 ℃)，其磨損機理主要為磨粒磨損；中等磨損階段(300~500 ℃)，主要由磨粒磨損、氧化磨損和疲勞磨損共同作用；嚴重磨損階段(600 ℃)，黏著磨損起主導(dǎo)作用。

2.2.1 輕微磨損階段

圖4(a)~(d)所示分別為200 ℃時磨損后摩擦片、對偶鋼片、磨屑的SEM圖及磨屑的XRD譜。由圖4(a)可以看出：摩擦片表面較光滑，并伴有少量較淺的犁溝。這是因為在摩擦過程中，有少量的鐵屑因氧化形成硬質(zhì)顆粒，這些硬質(zhì)顆粒一部分在離心力作用下被擠出表面，形成磨屑，另一部分則會留在摩擦副接觸表面，在壓應(yīng)力的作用下被重新壓入基體內(nèi)，作為二體磨損的硬質(zhì)顆粒。在經(jīng)過一段時間磨合后，形成由石墨微粒構(gòu)成的固體潤滑膜，可起減磨潤滑的作用，使摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定[12?13]。與此同時，SiO2硬質(zhì)顆粒對潤滑膜起到“釘扎”作用，增強潤滑膜強度，從而使摩擦片在此溫度下磨損量較小[14]。由圖4(b)可以看出：對偶鋼片的磨損表面和摩擦片表面類似，表面光滑且有少量犁溝。這是因為在摩擦過程中，較軟的銅基體表面在循環(huán)應(yīng)力作用下裸露出SiO2硬質(zhì)顆粒，擦傷了鋼片表面。

由圖4(c)可知：磨屑由大量細小的粉末狀顆粒和少量塊狀顆粒構(gòu)成。粉末狀顆粒多為金屬顆粒，且部分金屬顆粒外表面黏附著石墨顆粒，顆粒粒徑多在 20 μm以下。在大塊顆粒的表面存在微小的裂紋，如圖4(c)中圓圈所示，這是因為壓應(yīng)力的重復(fù)作用導(dǎo)致表層摩擦片顯微裂紋萌生與發(fā)展，當裂紋擴展連成一體時，材料從表面剝落，磨損機制表現(xiàn)為輕微疲勞磨 損[8]。從圖4(d)可知：磨屑成分主要是石墨、單質(zhì)Cu和少量單質(zhì)Fe及Fe2O3，說明此時部分鐵屑被氧化為Fe2O3硬質(zhì)顆粒。

表3所示為200 ℃下，摩擦磨損試驗后摩擦片、對偶鋼片以及磨屑各測試區(qū)域的成分。由表3可知：在200 ℃下，摩擦片表面含有少量鐵元素，這是因為部分殘留在摩擦接觸界面的鐵屑在壓應(yīng)力的作用下被重新壓入較軟的摩擦片基體。而鋼片表面殘留少量Fe的氧化物，如圖4(b)中矩形方框局部放大圖所示；且磨屑成分以石墨和單質(zhì)Cu為主，同時含少量Fe和O。

由此可知，在200 ℃時，摩擦副的磨損機制以磨粒磨損為主，伴有少量氧化磨損、疲勞磨損和黏著磨損。

(a) 摩擦片；(b) 對偶鋼片；(c) 磨屑；(d) 磨屑的XRD譜

2.2.2 中等磨損階段

圖5(a)~(d)所示分別為300 ℃下磨損后摩擦片、對偶鋼片、磨屑的SEM圖及磨屑的XRD譜。由圖5(a)可知：與200 ℃時相比，摩擦片材料表面的犁溝更多、更深，并裸露出較多SiO2硬質(zhì)顆粒及其脫落后留下的凹坑，如圖5(a)中圓圈所示。這是因為SiO2與銅基體的熱膨脹系數(shù)不同，在300 ℃時，兩者結(jié)合強度降低，使硬質(zhì)顆粒在熱應(yīng)力和摩擦力的循環(huán)作用下脫落。而在300 ℃時，對偶鋼片表面生成了較薄且不致密的Fe2O3氧化膜，而薄的Fe2O3氧化膜與基體的結(jié)合能力較弱，在摩擦力作用下，氧化膜很容易被破壞，脫落形成Fe2O3硬質(zhì)顆粒，增大摩擦因數(shù)和磨損量[15]。由圖5(b)可知：鋼片表面也出現(xiàn)了較多、較深的犁溝，且黏著物的數(shù)量和粒徑都有所增大。

由圖5(c)可以看出：磨屑主要由球狀顆粒和塊狀顆粒組成。球狀顆粒粒徑多在50 μm以下，塊狀顆粒長度在300 μm以下。相比200 ℃時的磨屑，300 ℃時的磨屑具有更多的塊狀顆粒。且在此溫度下，基體與石墨顆粒、SiO2顆粒的結(jié)合強度下降，使彼此之間更易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致材料剝落。從圖5(d)可知：相比200 ℃，300 ℃磨屑中Fe單質(zhì)和Fe2O3出現(xiàn)了明顯增多的現(xiàn)象。對摩擦片、對偶鋼片以及磨屑球狀顆粒和塊狀顆粒分別進行能譜檢測，所得成分如表4所示。由表4可知：摩擦副接觸表面黏著了少量Fe的氧化物，且球狀顆粒以Fe和O為主，為Fe2O3。塊狀顆粒主要以C和Cu單質(zhì)為主，表明摩擦片材料脫落形成塊狀磨屑。綜合摩擦表面形貌圖、XRD譜和EDS成分分析，可知在300℃時，磨粒磨損、氧化磨損和疲勞磨損并存，并伴有少量黏著磨損。

表3 摩擦副和磨屑成分(質(zhì)量分數(shù))

(a) 摩擦片；(b) 對偶鋼片；(c) 磨屑；(d) 磨屑的XRD譜

表4 摩擦副和磨屑成分(質(zhì)量分數(shù))

由以上分析可知，當溫度為300 ℃時，磨損機制較復(fù)雜。由于摩擦副在不同轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)出不同的摩擦磨損機制[16?17]，因此，在該溫度下研究轉(zhuǎn)速對摩擦副摩擦磨損性能的影響。圖6所示為摩擦片和對偶鋼片在300 ℃下摩擦磨損性能隨轉(zhuǎn)速的變化。由圖6可知：摩擦片的摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大而減?。荒Σ疗p量比較穩(wěn)定，對偶鋼片磨損量隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減小。圖7所示為在300 ℃下，轉(zhuǎn)速為150 r/min時摩擦片和對偶鋼片的SEM圖。由圖7可以看出：摩擦片表面存在大量細小的圓形顆粒，這些圓形顆粒夾雜在摩擦界面，構(gòu)成三體磨粒磨損，減小了摩擦因數(shù)[8]。相較于轉(zhuǎn)速60 r/min，對偶鋼片表面雖然存在更多、更密的犁溝，但也有更多的黏著物產(chǎn)生，在兩者的共同作用下，磨損量減少。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，對偶鋼片的磨損量進一步下降。這是因為摩擦片發(fā)生了大量轉(zhuǎn)移，對偶鋼片絕對磨損量與黏著量達到動態(tài)平衡，因此，相對磨損量較小。這說明在高轉(zhuǎn)速下，磨粒磨損和黏著磨損占主導(dǎo)地位。

2.2.3 嚴重磨損階段

圖8(a)~(d)所示分別為600 ℃時磨損后摩擦片、對偶鋼片、磨屑的SEM圖及磨屑的XRD譜。在600 ℃時，已達到銅基復(fù)合材料的回火再結(jié)晶溫度，基體強度大幅度下降[10]。由圖8(a)可以看出：摩擦片材料表面有較深的切削溝槽以及摩擦片剝落留下的凹坑。這是因為摩擦表面硬質(zhì)微凸體在擦傷表面后，再在高溫及應(yīng)力循環(huán)作用下迅速脫落，它們一部分形成磨屑，另一部分則構(gòu)成二體磨粒磨損，進一步犁削磨損表面。當表面硬質(zhì)微凸體逐漸脫落，失去對潤滑膜的“釘扎”作用后，摩擦片接觸峰點迅速軟化，在剪切力作用下斷裂，又黏著在摩擦表面或?qū)ε间撈?，表明此時摩擦副發(fā)生了劇烈的黏著磨損。從圖8(b)可以看出：鋼片表面聚集了較多黏著物，而這些黏著物主要是摩擦片基體材料，從而使對摩面的接觸形式由Cu?Fe轉(zhuǎn)為Cu?Cu的同種材料對摩，進一步加深材料的黏著程度。黏著物的反復(fù)黏著、轉(zhuǎn)移與剪切撕裂，又使鋼片基體材料脫落，并在高溫下迅速氧化形成Fe2O3硬質(zhì)顆粒，加劇了摩擦片的磨損[18]。

1—摩擦因數(shù)；2—摩擦片磨損量；3—對偶鋼片磨損量。

(a) 摩擦片；(b) 對偶鋼片

(a) 摩擦片；(b) 對偶鋼片；(c) 磨屑；(d) 磨屑的XRD譜

表5 摩擦副和磨屑成分(質(zhì)量分數(shù))

從圖8(c)可以看出：磨屑顆粒粒徑較大，甚至有300 μm左右的大塊磨粒產(chǎn)生。這說明在600 ℃時，軟化的摩擦片在黏著作用下，局部黏著物聚集、撕裂再脫落，形成大塊磨屑。從圖8(d)可以看出：磨屑中已經(jīng)不存在Fe的衍射峰，這是因為Fe在600 ℃下氧化速度較快，鐵屑已完全被氧化。對摩擦片、鋼片和磨屑進行能譜檢測，所得成分如表5所示。由表5可知：在摩擦片和對偶鋼片表面存在大量Cu及Cu的氧化物，磨屑主要由Fe的氧化物和Cu及其氧化物組成。上述分析結(jié)果充分表明在600 ℃時，黏著磨損為主要磨損機制，并伴有磨粒磨損和氧化磨損。

3 結(jié)論

1) 在室溫到200 ℃時，摩擦片和對偶鋼片的摩擦面較為光滑，只有少量較淺的犁溝，摩擦因數(shù)和磨損量小，磨損機制主要表現(xiàn)為磨粒磨損。

2) 在300~500 ℃時，摩擦片和對偶鋼片表面氧化膜不斷脫落又重建，摩擦因數(shù)和磨損量增大緩慢，磨粒磨損、氧化磨損和疲勞磨損主導(dǎo)摩擦行為；在 300 ℃條件下，隨著轉(zhuǎn)速增大，摩擦片發(fā)生轉(zhuǎn)移和黏附，磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅チＤp和黏著磨損為主。

3) 在600 ℃下，高溫使摩擦副軟化，強度急劇降低，逐漸由對偶材料之間的摩擦磨損轉(zhuǎn)變?yōu)橥N材料的對摩，摩擦片摩擦因數(shù)和磨損量達到最大值，對偶鋼片磨損量減小，磨損機制主要為黏著磨損。

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(編輯 劉錦偉)

Friction and wear properties for clutch friction materials in medium-heavy-duty vehicle at high temperature

QU Shengguan1, YUAN Zhimin1, LAI Fuqiang1, LI Xiaoqiang1, FU Zhiqiang2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

In order to study the friction and wear mechanisms of the clutch friction pair at high temperature, 30CrSiMoVM steel was selected as the dual-steel-disk pairing with the copper based powder metallurgy frictional material, and its friction and wear properties were investigated at the temperatures from room temperature to 600 ℃, through a high temperature wear tester (MMU?10G type). The results show that with the increase of temperature, the strength of friction pair materials decrease gradually and the oxide film coatings are constantly formed and peeled on the contact surface, leading to a gradual increase at the friction coefficient and wear loss of the friction pair. At 300?500 ℃, the friction coefficient and wear loss of the friction pair increase steadily, indicating that the friction and wear properties are stable, and the predominant wear mechanisms are abrasive wear, oxidative wear and fatigue wear. At 600 ℃, the material surface is softened, resulting in a rapid increase at the friction coefficient of friction pair and wear loss of the frictional material. Severe adhesive wears occur on the dual-steel-disk surface, but its relative wear loss remains low, and the dominant wear mechanisms are adhesive wear, oxidative wear and fatigue wear.

30CrSiMoVM steel; copper based powder metallurgy; high temperature; friction and wear properties

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.009

TH117.1

A

1672?7207(2018)05?1087?08

2017?05?23；

2017?07?25

國家自然科學(xué)基金資助項目(41572362)；廣東省科技裝備動員資助項目(2016KZ010104) (Project(41572362) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016KZ010104) supported by the Scientific and Technological Projects of Guangdong Province)

屈盛官，教授，博士生導(dǎo)師，從事機械制造及其自動化研究；E-mail: qusg@scut.edu.cn