基于“磨粒磨損”原理顆粒幾何參數(shù)對制動塊摩擦和磨損實驗研究

田崇浩, 魏道高, 王 偉

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

汽車制動系統(tǒng)是汽車最重要、最關(guān)鍵的系統(tǒng)之一。制動器暴露在環(huán)境中,外界因素往往會對制動系統(tǒng)的摩擦學(xué)特性造成干擾。環(huán)境中不同大小和形狀顆粒的存在,會導(dǎo)致制動界面平均摩擦力和瞬時峰值的增大或減小,當顆粒侵入摩擦系統(tǒng),會造成不穩(wěn)定的磨粒磨損。為研究這一現(xiàn)象,文獻[1]使用了術(shù)語“第三體”,初步描述了磨損顆粒在兩體共同作用下對剎車片和剎車盤的摩擦磨損。三體顆粒主要分為外緣侵入顆粒和磨粒破碎生成顆粒2個部分。外緣顆粒主要來源于路況,在高速路上77%為超過250 μm的較大顆粒,其余為幾何參數(shù)較小的顆粒[2]。而在制動摩擦過程中,摩擦界面磨損也會產(chǎn)生1～800 μm的磨損顆粒,往往在襯片表面形成了5～50 μm厚對摩擦起決定性作用的摩擦層,和施加的負荷共同控制著兩摩擦配件之間的摩擦因數(shù)和磨損量[3]。磨粒磨損是磨粒對摩擦副表面產(chǎn)生犁溝作用和進行微切削的過程,其磨損量與磨粒的大小和形狀等有關(guān)[4]。文獻[5]以SiC顆粒流作為磨粒,研究了其顆粒幾何參數(shù)對于摩擦磨損的影響。

三體摩擦是一個復(fù)雜多變的過程,不同幾何參數(shù)在不同摩擦階段對摩擦性能具有顯著影響,特別是大顆粒會降低低速下摩擦性能的靈敏度。為了研究顆粒幾何參數(shù)對摩擦磨損及性能的影響,文獻[6]利用自行研制的制動試驗臺,選用3種不同尺寸范圍的硅砂磨粒,初步研究了顆粒粒度對制動系統(tǒng)摩擦特性的影響；文獻[7]利用離散單元法的數(shù)值模型,從理論上研究出在一定幾何參數(shù)范圍內(nèi)顆粒粒度和分布對摩擦性能和磨損有一定的影響;文獻[8]通過摩擦磨損動態(tài)模擬研究得出摩擦膜的產(chǎn)生可以降低磨損率,穩(wěn)定摩擦系數(shù)；文獻[9]通過潤滑顆粒磨損實驗研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)磨損經(jīng)歷“磨合-穩(wěn)定-惡化-損傷”過程,且摩擦系數(shù)是先增大后減小到一定的穩(wěn)定值,損傷發(fā)生時,摩擦系數(shù)迅速增大。這種摩擦性能和磨損的規(guī)律性變化究其原因,是由于顆粒幾何參數(shù)影響到摩擦界面初級平臺和次級平臺的形成[10]。初級平臺首先形成是由于較低去除率的機械穩(wěn)定和耐磨性的有效摩擦成分。在第2階段,這些突出的硬相逐漸成核,如圖1a所示;磨屑和小幾何參數(shù)顆粒附著其周圍，逐漸促進次級平臺的生長[11],如圖1b所示。

圖1 摩擦接觸及接觸臺地形成

文獻[12]總結(jié)并分析了摩擦界面摩擦膜形成的影響規(guī)律和機理,明確了摩擦膜與平臺理論的關(guān)系,對摩擦磨損機理做了詳細梳理與總結(jié)。較高的摩擦系數(shù)值與接觸面積有關(guān),初級平臺和次級平臺的生長促進接觸面積的增加,進而對摩擦界面摩擦性能和磨損情況有顯著影響。

在沒有附加加熱的情況下,合肥工業(yè)大學(xué)平面接觸摩擦實驗機不能準確反映制動條件下的摩擦學(xué)行為,這主要是由于在制動條件下,大量的能量輸入不可避免地導(dǎo)致界面材料發(fā)生變化。利用平面摩擦試驗機研究顆粒幾何參數(shù)對摩擦磨損機理的影響,可以作為一種可替代的研究方法,能詳細記錄摩擦過程和當前狀態(tài)下對磨損的影響。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,進一步研究持續(xù)制動過程中顆粒幾何尺寸在低速下對摩擦性能及磨損的影響和機理。

1 摩擦性能及磨損實驗方案

本文實驗使用的是合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所研制的平面接觸摩擦試驗機HDM-20。試驗機實物照片如圖2a所示,夾緊標本示意圖如圖2b所示,上、下標本的實物照片如圖2c所示。在實驗過程中,上樣保持旋轉(zhuǎn),下樣固定在夾具中，在調(diào)整時確保平面接觸。為了保持相同的表面粗糙度,每次試驗前上試樣都用相同的800 #細砂紙打磨,上、下試樣用丙酮清洗。正荷載沿上試樣的垂直軸施加。摩擦扭矩(0～10 N·m)、負載(0～20 000 N)、溫度(-30～250 ℃)等參數(shù)可以在該試驗臺進行測量。用2個力傳感器測得摩擦力矩和法向載荷，根據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系轉(zhuǎn)換計算系數(shù)。摩擦力矩、載荷和溫度的精度分別為±0.5% F.S、±1.0% F.S和±0.5% F.S。利用JSM-6490LV掃描電子顯微鏡和MS-2000激光粒度分析儀對試樣和顆粒進行觀察和分析,用FA2204B電子天平對磨損前、后的制動塊質(zhì)量進行檢測記錄。

圖2 平面接觸試驗樣機原理圖

實驗樣品上試樣端面為環(huán)形,外徑為30 mm,內(nèi)徑為22 mm。材料為0.45C鋼,硬度為HRC56。下試樣為樹脂基銅纖維摩擦片,由樹脂、銅纖維、填充材料等制成,尺寸為40 mm×40 mm×10 mm。通過電鏡掃描儀觀測到的試樣表面形貌如圖3所示,摩擦塊表面雖然經(jīng)過細砂紙打磨,掃描接軌顯示表面依然比較粗糙。

實驗條件描述如下:載荷為450 MPa;溫度為25 ℃;速度為0.27 m/s(200 r/min)。一般情況下,實驗條件對潤滑特性和粉末層形成的影響是復(fù)雜的。重復(fù)測試大約4次,以確保這個實驗的可靠性。本文給出的所有結(jié)果都是重復(fù)實驗的典型數(shù)據(jù)或平均數(shù)據(jù)。每次試驗前,將所需的石墨粉量撒在下部試樣上。實驗按照顆粒幾何參數(shù)(粒徑)0、10、50、100、200(見圖3)、500 μm分為6組,每組實驗重復(fù)4次,每次實驗總計40 min(2 400 s)，先經(jīng)過10 min的預(yù)摩擦,在每次試驗的10 、25 min時分2次加入相同幾何參數(shù)顆粒,測試顆粒不經(jīng)過任何特殊處理每次加入0.2 g,均勻平鋪在摩擦界面上。

圖3 幾何參數(shù)為200 μm顆粒尺寸和形狀

2 試驗結(jié)果分析

為了研究在制動器持續(xù)制動過程中的摩擦過程中,顆粒以及顆粒幾何參數(shù)對摩擦性能的影響,本實驗選擇6塊摩擦塊,首先對摩擦塊進行600 s的預(yù)摩擦,然后再洗凈稱重,根據(jù)實驗所需要的不同顆粒幾何尺寸進行編號分組,以顆粒幾何參數(shù)0、10、50、100、200、500 μm依次對應(yīng)M0、M1、M2、M3、M4、M5 6個摩擦塊試樣,設(shè)計6組試驗,研究磨粒及其幾何參數(shù)對三體摩擦界面摩擦性能的影響,在顆粒組實驗過程中于600 s和1 500 s分2次加入顆粒,M0作為對照組不加入顆粒。每組實驗需要重復(fù)3次對實驗進行驗證,以排除偶然因素對實驗結(jié)論產(chǎn)生的影響。試驗分組參數(shù)見表1所列。

表1 實驗分組參數(shù)

在持續(xù)制動過程中,設(shè)置M0無顆粒摩擦為參照實驗,不同組別所加入的顆粒幾何參數(shù)不同。M0組實驗動摩擦因數(shù)變化如圖4所示。

圖4 M0無顆粒摩擦動摩擦因數(shù)變化圖像

從圖4可以看出，在摩擦初期0～500 s內(nèi),動摩擦因數(shù)變化起伏較大,振動較為明顯,摩擦磨合相對劇烈;500～1 300 s階段,動摩擦因數(shù)基本上屬于平穩(wěn)變化,雖有起伏,但不是特別明顯,摩擦過程相對平穩(wěn);在1 300～2 000 s階段內(nèi),摩擦狀況突然惡化,摩擦因數(shù)起伏突然增大,達到峰值,此時伴隨劇烈振動,破壞了平穩(wěn)摩擦的狀態(tài);2 000 s后摩擦相對平穩(wěn),但是摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,可能是因為摩擦磨損惡化,有摩擦失效的趨勢。

不同階段摩擦表面的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)圖像如圖5所示。圖5a所示為摩擦前摩擦塊表面粗糙峰,在摩擦初期,摩擦塊粗糙峰與摩擦端面配合界面產(chǎn)生交變剪應(yīng)力斷裂引起磨合磨損,摩擦過程較為劇烈,較快地改變了原有形貌,形成平滑臺地狀摩擦表面,如圖5b所示,說明干摩擦初期是一個磨合過程,摩擦系數(shù)變化較大,產(chǎn)生較強的振動與噪聲,摩擦配合界面在凸峰處焊合,然后進入一個相對穩(wěn)定的摩擦期,振動變化速率減緩,幅度降低;到了1 300 s之后,摩擦系數(shù)開始劇烈變化,摩擦界面出現(xiàn)惡化狀態(tài),出現(xiàn)了犁溝和平臺交替分布的情況,磨損較為明顯,如圖5c所示;2 000 s之后,磨損較為嚴重,摩擦界面溝壑進一步擴大,臺地有損傷裂紋,如圖5d所示,磨損進一增強,可能出現(xiàn)摩擦失效。

圖5 無顆粒磨擦磨損SEM圖像

因此，摩擦界面存在“磨合-穩(wěn)定-惡化-損傷”機制,隨著時間以及環(huán)境因素的影響,逐漸走向摩擦失效。

3 SEM摩擦機理分析

3.1 顆粒幾何參數(shù)對摩擦性能的影響

研究不同顆粒幾何參數(shù)對界面摩擦影響,結(jié)果如圖6所示。

首先,從縱向?qū)Ρ葋砜?顆粒幾何參數(shù)對摩擦狀態(tài)影響較為明顯,打破了原有的無顆粒摩擦磨損機制,并且隨著幾何參數(shù)的增大,影響也會越大。從橫向分析來看,圖6a顯示,加入較小顆粒,整體動摩擦因數(shù)相對平穩(wěn),但是依然不夠平穩(wěn);當加入較大顆粒后,摩擦系數(shù)明顯降低,隨之產(chǎn)生劇烈振動,然后相對平穩(wěn),幾何參數(shù)對摩擦性能的影響更為明顯,如圖6b～圖6d所示,且當顆粒幾何參數(shù)超過100 μm時,顆粒對界面摩擦性能的影響較大,都是先明顯降低,隨之緩慢增加,動摩擦系數(shù)平穩(wěn)發(fā)展,“磨合-穩(wěn)定-惡化-損傷”的干摩擦過程明顯縮短甚至轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N形式,推進了摩擦磨損過程。從整體來看,制動塊摩擦過程有明顯且相對穩(wěn)定的發(fā)展機制,隨著顆粒的加入,這種運行機制被打破,并且伴隨著幾何參數(shù)的增加動摩擦因數(shù)減小更加明顯,摩擦振動相對也更加穩(wěn)定。車輛在特殊工況持續(xù)制動過程中,顆粒的混入對制動性能有較大影響,隨著顆粒幾何參數(shù)的增加影響會更加明顯;汽車安全性要求對制動器材料、功能、摩擦性能研究提出更高要求,提高路況也勢在必行。

圖6 加入不同顆粒動摩擦因數(shù)隨時間的變化情況

對6組實驗?zāi)Σ料禂?shù)取平均值得到顆粒幾何參數(shù)對摩擦性能影響的曲線，如圖7所示。從圖7可以看出：在顆粒幾何參數(shù)小于100 μm時,摩擦系數(shù)隨著顆粒幾何參數(shù)的增加而逐漸增加;當顆粒幾何參數(shù)超過100 μm時,摩擦系數(shù)開始逐漸減小。

圖7 磨粒幾何參數(shù)對摩擦性能的影響

不同顆粒摩擦磨損SEM圖像如圖8所示。

父親沒想到我會知道這件事，他愣怔了一下，故作輕松地說：“我閑著也是閑著，所以就找了這個差事，很輕松，一點也不累，放心吧。”

圖8 不同顆粒摩擦磨損SEM圖像

通過SEM觀察發(fā)現(xiàn),細砂紙打磨后的粗糙峰在一定載荷和相對運動速度條件下,微凸起通過相互嚙合擠壓,接觸面經(jīng)過斷裂和嚴重變形,接觸點會在高溫高壓的條件下,發(fā)生氧化反應(yīng),形成主要承載接觸表面的氧化膜,初級平臺初步建立,如圖8a所示。斷裂的碎片及較小三體顆粒在初級平臺的周圍形成疏松顆粒狀薄膜,外緣顆粒及磨損顆粒不斷進入粗糙峰間隙,增大摩擦面積的同時,加速了次級平臺的建立。隨著溫度進一步升高,臺地表面形成了相對堅硬、質(zhì)地較脆的氧化膜,對摩擦表面起到保護和潤滑的作用,摩擦性能相對穩(wěn)定,摩擦表面完成磨合期,進入穩(wěn)定期。當溫度達到一定的極限值,氧化膜遭到破壞,加速磨損,甚至產(chǎn)生摩擦失效。

當較大顆粒侵入時,瞬間是滾動摩擦,降低了摩擦穩(wěn)定性,動摩擦因數(shù)會有突變,從瞬間降低到快速增大,經(jīng)過磨合,較大顆粒嵌入摩擦片表面,一定程度上增加了接觸界面的面積,進而增加了表面粗糙度,摩擦系數(shù)隨之增加;隨著顆粒幾何參數(shù)的繼續(xù)增加,摩擦界面不穩(wěn)定性變化明顯,除了黏滑摩擦,還出現(xiàn)了顆粒滾動摩擦,如圖8b所示,破壞穩(wěn)定的摩擦界面,顆粒幾何參數(shù)的增加使得摩擦系數(shù)在不斷減小,當顆粒粒度超過100 μm時,摩擦系數(shù)開始減小。因此100 μm是一個平衡點,能夠確定顆粒幾何參數(shù)對摩擦穩(wěn)定性能影響的中間值,同時,也間接證明了磨粒幾何尺寸的最優(yōu)選值。

3.2 顆粒幾何參數(shù)對磨損的影響

磨損試驗研究表明,沒有顆粒加入的時候,磨損量較低;顆粒的加入能加速摩擦塊的磨損,并且隨著顆粒幾何參數(shù)的增加,磨損量逐漸增大。不同顆粒幾何參數(shù)的摩擦磨損情況如圖9所示。

圖9 不同顆粒幾何參數(shù)的摩擦磨損情況

不同幾何參數(shù)顆粒摩擦磨損SEM圖像如圖10所示。

圖10 不同幾何參數(shù)顆粒摩擦磨損SEM圖像

當沒有顆粒加入摩擦界面的時候,隨著時間的變化,摩擦表面會依次形成具有潤滑、抗磨損性質(zhì)起主要支撐作用的臺地或者氧化膜,如圖5b所示,氧化膜的形成與破壞交替發(fā)生,摩擦塊的磨損量相對較小。

隨著顆粒的突然加入,顆粒滾動摩擦?xí)查g破壞穩(wěn)定的表面摩擦膜,如圖10a所示,較多顆粒聚集在粗糙峰周圍,形成了不穩(wěn)定的接觸平臺,隨著摩擦磨損的進行,顆粒的存在也進一步阻礙相對穩(wěn)定性氧化膜的形成,不穩(wěn)定平臺承載、參與了表面摩擦,松散的顆粒相互剪切、碰撞,對摩擦表面不斷切削沖擊,磨損量會相對增加;隨著顆粒幾何參數(shù)的增大,載荷會將較大顆粒壓入接觸平臺,使表面應(yīng)力增加,加重對摩擦表面的破壞。因此在顆粒幾何參數(shù)超過100 μm的時候,磨損量急劇增加,對摩擦表面在應(yīng)力范圍有更加明顯的損壞,如圖10b所示,加速了磨損。

4 結(jié) 論

本文通過摩擦磨損實驗,研究在連續(xù)或較長時間摩擦條件下,不同幾何參數(shù)顆粒對摩擦性能和磨損機理的影響,討論了初級平臺和次級平臺產(chǎn)生機理。

(1) 在一定載荷條件下,粗糙峰產(chǎn)生應(yīng)力磨損,形成質(zhì)地堅硬、性能穩(wěn)定的磨損平臺(氧化膜)。摩擦界面會經(jīng)歷“磨合-穩(wěn)定-惡化-損傷”機制。

(2) 顆粒侵入可以打破原有的摩擦磨損機制;較小顆粒有助于形成松散的接觸臺地,對摩擦性能影響較小,摩擦磨損也相對穩(wěn)定;隨著顆粒幾何參數(shù)的增加,直至100 μm時,摩擦性能影響越來越明顯;超過100 μm,影響逐漸減弱。

(3) 顆粒的加入會破壞氧化膜和摩擦表面,進而加速摩擦塊磨損。隨著顆粒幾何參數(shù)的增加,摩擦界面的磨損逐漸明顯;當顆粒幾何參數(shù)超過100 μm時,會產(chǎn)生更明顯的應(yīng)力破壞,加劇了制動塊的磨損。

因此，對于處在較差路況長時間制動條件下的汽車,需對其制動塊材料和結(jié)構(gòu)進一步研究改進。