FATIGUE WEAR OF RECIPROCATING SLIDING FOR COPPER BASE
POWDER METALLURGY (Cu PM )FRICTION MATERIAL
UNDER VARIED TEMPERATURE
刘建秀
1,2
郭炎强1 韩长生2 李 蔚
1
(1 郑州轻工业学院机械与电子科学系，郑州450002)(2 中国工程物理研究院流体物理研究所，绵阳621900)LIU JianXiu 1,2
GUO YanQiang 1
H AN ChangSheng 2
LI Wei
1
(1 Department o f Mechanical and Electrical Science ,Zhengzhou Institute o f Light Industry ,Zhengzhou 450002,China )
(2 Institute o f Liquid and Physics ,China Academy o f Engineering Physics ,Mianyang 621900,China )
摘要 研究不同温度下高速列车用铜基粉末冶金摩擦材料磨损特征。在Plint TE77高温疲劳试验机上对该材料进行磨损性能测试，工况分别为室温、100 、200 、300 、350 、500 ，法向载荷为200N 、450N 等12种工况，振动频率为4Hz，滑动幅值为 5mm 。并对摩擦后的磨痕进行Scan electro mirror (SE M)分析。发现!在200N 、300 时出现碾压的多源弧形裂纹，这和冲击时的沿树枝晶裂纹截然不同。∀在450N 、300 时，磨痕表面出现球状的石墨颗粒层，这起到了极好的润滑作用，使得300 时磨损较低。#在450N 、350 时，有沿磨痕方向的长条裂纹出现。∃在不同载荷500 时，发生粘附现象，即摩擦材料粘附到对偶材料上。根据以上分析用最小二乘法粗略拟合了该材料的磨损规律。 关键词 铜基粉末冶金 摩擦材料 磨损 高温摩擦 电镜扫描中图分类号 U260 35 TF122 1
Abstract High temperature friction wear p roperties of Cu PM (power metallurgy)for high speed train are investi gated and the hi gh temperature wear parameters are measured by Plint TE77hi gh temperature fatigue equipmen t Cases are room temperature,100 ,200 ,300 ,350 ,500 ;forces are 200N,450N;vibration frequency is 4Hz;sliding displacemen t is 5mm;and analyzed the wear scar after 15000cycles by SE M Found(1)There are the multi sources arc crack at 200N,300 ,it i s di fferent to i mpact crack with tree shape (2)There are graphite coating on the surface,it is a good lubrication coating,it made a less wear at 450N,300 .(3)There are a strip crack along wear scar after 15000at 450N,300 (4)T ake place negative wear,that is,the friction material adhere to the match material at 500 ,various pressures,but the coefficient of friction is the bi gges t Fi tted rough the wear law by the least square method
Key words Cu PM (power metallurgy );Friction material ;Wear ;Friction at high temperature ;Scan electro mirror (SEM )
Correspon ding author :LI U Jian Xiu ,E mail :jennyliu 62@hotmail com ,Fax :+86 371 3556922
The project supported by the Fund of China Academy of En g i neering Physics(No 421010201),the Fund of Outstand Young of Henan Province and the Important Research Project of Henan Province(No 03230239000)
Manuscript received 20030715,in revi sed form 20030902
1 引言
高速列车的制动技术是高速运行的首要技术，没有制动就没有高速。高速运行要求制动材料工作可靠，耐热性好，制动功率大以及综合性能优良。现在的低速列车制动材料多为高磷铸铁，有机合成物，它们在高速制动时，由于热负荷的增大和温度升高，制动性能
不稳定，且制动功率低，不能满足高速运行的要求[1]
。粉末冶金制动材料性能稳定，具有良好的耐磨性、抗粘
性、导热性和多孔性，并有使用负荷高、工作可靠等优点，已被广泛地用作航空飞机制动材料[2]
。下面研究不同温度下铜基粉末冶金摩擦材料往复滑动磨损特征，并粗略拟合该材料的磨损规律，同时对摩擦后的磨痕进行表面成分分析。
Journal of Mechanical Strength
机械强度
2004,26(2):207~212
刘建秀，女,1962年10月生，山西省洪洞人，汉族。郑州轻工业学院研究生处副处长，教授，博士，主要从事力学教学和材料性能研究工作，多
项科研成果获省部级奖励。
20030715收到初稿,20030902收到修改稿。中国工程物理研究院基金(421010201)资助、河南省杰出青年基金资助、河南省重点攻关项目资助
(03230239000)。
2 材料的配方和工艺
在铜基粉末冶金摩擦材料中，金属具有良好的塑性和导热性，非金属具有高熔点和坚硬耐磨等特点，如何充分发挥和兼顾二者的特性，即可获得性能优良的摩擦材料。通过对三种铜基粉末冶金摩擦材料在MM 1000实验机上实验的结果分析，选择了摩擦性能最稳定的一种作为本实验的样品，样品的的配方如下表所示。
表1 铜基粉末冶金材料的配方范围表(质量百分比%)Tab 1 Prescription of Cu PM tested (mas s fraction%)Cu Sn Al Fe SiC B 4C SiO 2Mn 60~803~102~102~20
1~3
1-3
1~80~2Mg CaF 2MoS 2Ba Bi Pb 石墨0~2
0~2
2~10
5~20
0-2
0-5
1~15
以上配方的硬度HV64 927，密度4 9g cm 3。实验样品的制作由某摩擦材料厂完成。
以上铜基粉末冶金摩擦材料的基材为Cu 、Fe 、Sn 、Al 等；摩擦调节剂为B 4C 、SiC 、SiO 2等，润滑剂为MoS 2、Pb 、石墨等。
烧结工艺方案，由于硬相烧结体性能的主要工艺参数是烧结温度、压力和保温时间，粉体中含有较
多的非金属物质，而且熔点很高，故采用较高的烧结温度，使粉末之间充分合金化，取烧结温度范围为950 ~1050 ，保温时间的选择应使粉体充分完成烧结过程，采用的保温时间为1 5h~2 0h 。将各种粉末按比例混合后，装入压模中压制成型，然后在加压烧结炉中于加压3MPa~3 5MPa 氢气保护条件下烧结而成。
3 实验设备和方法
电热画3 1 实验设备
1 运动活塞Move piston,
2 配重Balance weight
3 加载架Force frame
4 上试件夹具Up specimen holder
5 上试件Up specimen
6 下试件D own s peci men
7 下试件夹具Down specimen holder
8 位移传感器Dis placement sens or
9 摩擦力传感器Friction sensor
图1 TE77高温疲劳试验机简图
Fig 1 Sc hematic of TE77high te mperature fati gue equipment
实验在TE77高温疲劳实验机上进行，试件的安装
及运动方式如图1所示。上试件(材料为车轮钢)与运动活塞连接，作往复滑动，往复运动幅值可精确控制；下试件(材料为铜基粉末冶金)被固定在一个可加热的底座上，底座与测力传感器连接，可精确测定往复滑动过程中的摩擦力。3 2 实验方法
3 2 1 动摩擦因数随循环次数变化曲线测定
实验参数，位移幅值D 为 5mm，频率f 为4Hz，循环次数N 为15000，法向载荷为200N(空车)、450N
(重车)，温度分别为室温(20 )、100 、200 、300 、350 、500 。共计12种工况。
实验方法，将试件浸泡在丙酮中，用超声波清洗3分钟，然后在50 的温度下烘干10分钟，用精度为万分之一的电子天平称重；然后在给定载荷和不同温度下进行实验，并记录摩擦力随循环次数的变化曲线，测试结果如图2、3所示。从图中可以看出，在空、重车时平均摩擦因数为0 4。在500 空、重
车时平均摩擦因数达到0 55(如图4所示)，因为在
图2 200N 循环次数与摩擦因数曲线Fi g 2 Coefficient of fric tion vs number of c ycles
at various temperature in 200N
图3 450N 循环次数与摩擦因数曲线Fi g 3 Coefficient of fric tion vs number of c ycles
at various temperature in 450N
208机 械 强 度2004年
这种工况下发生了粘附现象，由于氧化层的不断更新使得摩擦因数增大。3 2 2 磨损量测定
实验完成后同样用丙酮将试件表面清洗干净、
烘
烧镁砖
图4 不同压力下500 时的摩擦因数曲线Fi g 4 Coefficient of fric tion vs number of c ycles
at 500 i n various pressure
图5 不同载荷磨损量随温度变化曲线Fi g 5 Wear weight vs temperature at various pressure
干、称重，然后用实验前的试件重量减去实验后的试件重量，即为所求磨损量。测试结果如图5所示。上、下
试件12种工况都循环15000次的平均磨损分别为0 00183g 和0 0802g 。
4 实验结果分析电能计量装置
图2、3为空车和重车时摩擦因数曲线，从图中可以看出，室温时摩擦因数最低；当温度低于350 时,100 时的摩擦因数最高，然后随着温度的升高摩擦因数减小；但300 的摩擦因数低于350 的摩擦因数，这一反常现象在磨损量曲线图5中得到证实。从图中可看出300 磨损量最少，从后面的微观分析也可看出300 时摩擦材料表面出现了球形石墨润滑层，虽然有弧形裂纹产生，但由于磨屑的复压，表面出现了临时的光滑(尤其是空车时较为明显)，从而使摩擦因数
降低。在500 时摩擦因数较高(如图4所示)，因为500 时材料发生负磨损，即高温时表面氧化层剥落粘
附到对偶材料上，铜在载荷作用下的高温粘附可以作为是微凸体塑性挤压和结构调整这两个阶段的连续过程，而接触区的塑性挤压过程在较大的温度和载荷范围内是有限的，高温时裸露出新的未氧化表层，使摩擦因数增大，磨损也增加。
图5为上下试件在不同压力下的磨损量，可以看出磨损较少的为室温和300 ，磨损较大的为100 和500 。上试件车轮钢的磨损基本稳定平均(0 00183g)，也就是说该摩擦材料对车轮的磨损不会很大，且相对稳定。
5 磨痕微观组织分析
粉末冶金材料工作的特点在于摩擦表面层在摩擦
表2 表面成分分析结果
Tab 2 Results of su rface component analysis
摩擦材料Friction materials 成分Component Cu Fe C Si Mn S O Ba Ca Al Mo Pb P H 原始Original 67 97 1410 050 420 0240 615 943 10 0660 210 0220 0300试验后Tested
40 31
13 97
15 24
0 82
0 015
0 52
7 56
2 90
0 040
0 10
0 04立式升降机
pvc瑜伽垫0 05
0 53
11
图6 实验前的样品 %20Fi g 6 Speci ment before experi ment %20
图7 实验前样品 %200
Fig 7 Speci ment before experiment %200
图8 磨屑复压到表面 %1500Fi g 8 Scraps pres sed into surface again %1500
第26卷第2期刘建秀等：不同温度下铜基粉末冶金摩擦材料往复滑动磨损规律209
制动过程中，其表面性能和成分会发生变化，基体作为粉末冶金的主要组成部分，决定摩擦材料摩擦磨损过程中摩擦面的特性。为了探讨材料摩擦表面层成分在摩擦实验后的变化，对原始试样的表面及300N 、500 、15000次循环摩擦后材料表面磨痕进行表面成分分析，其结果如表2所示。
从表中可以看出，材料在制动过程中,O 、Si 、C 等非金属组元含量增高,O 含量增加主要是氧化引起的，其次由于磨损颗粒氧化后被复压在材料表面，也增加了摩擦面上氧的含量，而被磨损的石墨和SiO 2微细粉末均匀地复压在材料表面上，使得Si 、C 含量也相应增加，对铜基材料表面层铁含量迅速增加，铜含量则明显下降，这是由于摩擦材料中铜具有向对偶材料粘附的趋势，而摩擦时表面升温加速了铜的转移。此外，经过摩擦试验后，基体材料中都出现了不含有的两种元素P 、H ，而这两种元素均包含在对偶材料中，这说明在摩擦过程中，由于摩擦材料的强度低于对偶材料，而对偶材料的磨损产物，通过复压压入摩擦材料表面，同时由于磨面的粘着磨损作用，使得摩擦材料试验后表面出现以上两种元素。
图6、7是实验前样品组织图，可看出试样中颗粒的分布不是很均匀，尤其是硬质颗粒SiO 2(白颗粒)，并可以看出原始试样的缺陷，线缺陷(位错)、面缺陷
(孪晶界、晶界、晶粒位向变化等等)、体缺陷(空位积累、形成空隙)[4]
。由于这些缺陷的存在，使得摩擦材
料的剥落和复压较容易。
图8是磨损产物复压在材料表面上的现象，因为摩擦实验时，磨屑易滞留在材料表面，对偶材料在运动过程中会把磨屑再次压入摩擦材料面。铜基材料强度低，在摩擦运动过程中，对偶材料的磨屑很容易复压在摩擦表面(图8)，这是固体间分子相互作用的一种形式即组成粘附结合键[3]
。另外加之摩擦表面温度高，尤其是在高温时游离铜组织软化，在摩擦磨损过程中铜基组织要发生明显剪切变形区(图9)。
图10~13是一组不同压力下的磨痕图。图10、11是空车时15000次循环后不同温度时的磨痕图。从图中可以看出随着温度的升高，表面的剥落越来越明显，同时表面的微凸体被往复摩擦磨压的很平；这些相接触的微凸体在压平后，其形状将不再复原，因此不会出现再一次压平，也就是说不能保证摩擦状态稳定不变。图10有对偶材料的硬质颗粒对摩擦材料的划痕，摩擦材料中SiO 2颗粒也会造成对偶材料的犁沟，在500 高温时往复摩擦使表面温度要高于500 ，这时随着循环次数的增加，表面的氧化层迅速剥落被复压又迅速形成，基体中的金属组织
被压并发生塑性变形。
图9 高温下碾压的剪切弧形裂纹%1500Fig 9 Press ed shear arc crack at high temperature
%1500
图10 200N 室温时的磨痕 %200Fi g 10 Wear scar at room temperature
%200
图11 200N 350 时的磨痕 %200Fig 11 Wear scar at 350 %200
图12 450N 室温时的磨痕 %200
Fi g 12 Trac k morphology at room tempe rature %200
图13 450N 350 时的磨痕%200Fi g 13 Track morphology at 350 %200
图14 450N 300 出现沿磨痕裂纹%1000Fig 14 Crack along wear scar at 450N,300
%1000
210机 械 强 度2004年
图12、13是重车时不同温度时扩大200倍的磨痕图，和空车时的最大差异是表面的微裂纹较为明显，在15000次循环后表面显得松散，裂纹的扩展除了沿晶扩展外还有沿磨痕的裂纹出现，如图14所示；同时在300 形成了石墨润滑层，使得300 时磨损较低，如图15所示。
6 磨损机理分析及磨损规律拟合
6 1 磨损机理分析
磨损是固体与其他物体或介质相互间发生机械作用时其表层的破坏过程[11]。由磨损造成的破坏具有积累性，它是连续损伤积累的结果。Bowden和Tabor 于1943年独立地阐述了关于摩擦二重性的观点，即外摩擦具有二重性，它不仅要克服两表面间的分子相互作用力，而且还要克服因表层畸变而引起的机械阻力。任何固体表面上都有粗糙度和波度，两个固体接触点的离散性取决于接触面的粗糙度和波度，而考虑这种离散性是干摩擦磨损和边界摩擦磨损分子机械理论的基础。外摩擦发生在各个接触斑点上，接触斑点是由于微凸体发生变形(压入或挤出)而形成的。就其性质而言，变形可以是弹性变形，也可以是塑性变形。接触斑点沿表面分布不均，它们集中在波峰上。并在孔隙边缘发生应力集中，当应力达到材料剪切强度时，便出现裂纹，裂纹沿粉末颗粒等脆弱处或沿连通孔隙扩展，于是发生撕裂，产生磨屑[5]。同时由于摩擦力的作用，在滑痕边缘上发生损伤如图16(距下边缘10mm处)所
示。继续增加压入深度时，如果应力超过破坏应力，突部将把材料切去，被切去的材料或者堆积在突部或者脱落下来，这就引起剥落和复压[6]。
该材料在高温下的磨损率不是太高，这与高温下材料塑性的改善和孔隙作用程度的变化有关。由于高温(磨损表面实际温度超过500 )，表面切应力在孔隙前沿的应力集中得以缓和，裂纹形成与扩展也变缓，因此孔隙的撕裂与边缘碎裂作用变小。在此前提下，孔隙中的留集磨屑使表面开口孔隙数量减小，减低了材料的磨损率[7]。另外，由于高温下磨屑的硬度减低和数量减少，导致磨粒磨损减弱。所以高温磨损是磨粒磨损和粘着磨损的混合机制[8]。
6 2 磨损规律曲线拟合
从以上分析可知，磨损与材料的性质和表面粗糙度、循环次数、压力、摩擦因数、温度、接触面积等等因素有关。粗略的只考虑四种因素的影响，拟合该材料的磨损规律如图17所示。
w= N a T b c d
式中w是磨损量, 是与材料有关的常数,N是摩擦循环次数(取值15000次),T是温度取值范围(取室温~500 ), 是工作比压(取值为2MPa~4 5MPa),
是摩擦因数(取值为0 30~0 55),a、b、c、d是相对应的指数。
二氧化碳制冷
用最小二乘法拟合后的曲线如图17所示，拟合的各参数如表3所示。从图17可以看出，重车时的拟合效果要好，这可能是因为重车时接触面相对来说比空车时稳定。
表3 最小二乘拟合参数
Tab 3 Fitted parameters by the least square
a b c d (m&s2 )
0 51820 03530 253051 61156 839%10-6
7 结语
综合分析铜基粉末冶金摩擦材料的磨损规律和高温疲劳磨损后的微观结构变化，得出以下规律和结论。
1)由于材料具有多孔性，所以吸能良好，在经过15000次循环后，表面随温度的增高剥落也在增加。
2)在室温时摩擦因数较低，但在100 ~350 区间，随温度的升高摩擦因数在降低。
3)在500 时，摩擦因数最高，这是由于高温下材料塑性的改善和孔隙作用程度的变化；且在该温度时
第26卷第2期刘建秀等：不同温度下铜基粉末冶金摩擦材料往复滑动磨损规律211
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