高性能摩擦材料在具有較高摩擦係數的同時，還要求隨工況條件的變化，摩擦係數保持穩定，以下是小編蒐集整理的一篇探究銅鋁石墨組合材料摩擦角度與摩擦性能的論文範文，歡迎閱讀檢視。
摘要:透過組合法製備了銅、鋁、石墨三種材料構成的組合材料，利用定速摩擦試驗機，研究了摩擦速度爲200～2000r/min和制動壓力爲0.25～0.64MPa條件下，摩擦角度對摩擦係數的影響.試驗結果表明:摩擦角度對摩擦係數的影響與壓力有關.當壓力小於0.51MPa時，摩擦角度的改變對摩擦係數影響不大;當壓力超過0.51MPa時，45°方向的摩擦係數要明顯高於0°方向和90°方向的摩擦係數，原因在於摩擦角度爲45°時，摩擦表面容易發生整體剪切流動，較強的粘着力形成魚骨狀裂紋，使剪切作用力增大，導致摩擦係數增高.
關鍵詞:組合材料;摩擦性能;摩擦角度
引言
高性能摩擦材料在具有較高摩擦係數的同時，還要求隨工況條件的變化，摩擦係數保持穩定.爲使材料達到這種苛刻的性能要求，通常採用多組元材料來製造摩擦材料.高速列車制動閘片就是一種由銅、鐵、鋁、鉻和石墨多組元構成的粉末冶金材料[1-3].在摩擦中，利用材料中各組元不同的特性，達到控制摩擦係數的目的.因此，爲設計高性能的摩擦材料，需要認識材料中每種組元對摩擦性能的摩擦機理以及影響程度[4-5].爲認識這些作用對摩擦性能的影響，需要透過觀察表面組織的形態特徵來揭示每種組元對摩擦性能的作用機制.然而，由於粉末冶金材料中的多種組元呈彌散分佈狀態，各組元在摩擦力的作用下發生剪切流動而疊加，難於甄別每種組元的演化特徵，同時，混合了各組元粒子的第三體組織覆蓋在摩擦表面上，進一步增加了認識每種組元和及相應的第三體在摩擦中變化過程的難度.爲了解決這個問題，文獻[6]提出了一種機械組合方法，將幾種材料組成一種結構有序的層片式組合材料，由於這種方法形成的組元層次分明，對於認識和甄別各組元在摩擦表面的交互作用是十分有利的.透過這種方法發現了銅、鋁和鐵的組織形成特徵與摩擦性能的關係，這爲認識材料特性與摩擦性能的關係提供了一條新路徑.可見，利用這個方法，進一步研究非金屬材料，如石墨與其它金屬組元的相互關係也應當是可行的.同時，當不同性質的材料組合在一起時，組元的`排列方式也可能對摩擦學行爲有影響.因此，藉助於機械組合方法揭示摩擦材料中組元特性對摩擦性能的影響機制，對研製高性能制動摩擦材料是有指導意義的.本文采用機械組合方法，將銅、鋁和石墨組成兩種排布方式的組合材料.透過摩擦試驗的方法，研究了在不同摩擦條件下，兩種組合材料與摩擦性能的關係.觀察分析了不同摩擦區域表面組織的演化特徵，以達到認識石墨組元與金屬組元間相互作用機制的目的.
1試驗材料與方法
試驗材料選用鋁片和銅片(圖1)，採用交替的排列順序進行排布，透過機械齧合的方式過盈配合到夾具中，夾具可以在夾頭中實現0°、45°、90°三個角度的調整(圖2)，達到實現金屬片的排列方向和摩擦方向分別成平行、垂直以及45°角方向摩擦的目的.金屬片的長和寬分別爲21mm和15mm.銅片、鋁片的厚度分別爲0.4mm和0.8mm.銅鋁的摩擦面積比爲2∶1.試驗採用GF150D型定速摩擦機，摩擦對偶盤材料爲H13鋼，摩擦半徑是150mm，摩擦壓力分別爲0.25、0.38、0.51和0.64MPa，摩擦速度爲200～2000r/min，每次的摩擦時間爲30s.每種測試條件下測試三次，測試結果爲三次的平均值.摩擦表面的形貌觀察採用OLYMPUS光學顯微鏡.
2結果與討論
圖3是三種摩擦角度(0°，45°，90°)對摩擦係數的影響.可以看出，三個摩擦角度下的摩擦係數都隨摩擦速度的提高而有所降低.從整體上觀察，當壓力小於0.51MPa時，三個方向的摩擦係數值比較接近，摩擦角度的改變對摩擦係數影響不大;當壓力超過0.51MPa時，45°方向的摩擦係數要明顯高於0°方向和90°方向的摩擦係數，90°方向的摩擦係數與0°方向的摩擦係數基本持平.圖4是金屬片平行於摩擦方向(0°)時，摩擦表面的形貌變化.由圖可見，當速度爲200r/min時，摩擦表面的犁溝現象比較明顯，粗糙度較大.當轉速增加到600r/min時，鋁表面區域平整，銅表面出現了剝落坑，並且犁溝現象比較嚴重.當速度爲1800r/min時，鋁表面的平整度進一步提高，銅表面出現了彩色的氧化物，犁溝現象減弱，幾乎看不到剝落坑的存在.由此表明，金屬片平行於摩擦方向時，在低速時，鋁表面易形成犁溝，在隨後的摩擦過程中，鋁的表面形態變化不大.而銅表面會形成緻密的第三體層，使表面粗糙度得到明顯的降低，但由於氧化物的脆性，在摩擦過程中會形成剝落坑.圖5是層片方向與摩擦方向垂直時，銅鋁表面的形貌變化，由圖可見，當轉速爲200r/min時，銅和鋁之間發生了相互覆蓋的現象，其中，鋁向銅上的覆蓋比較明顯，摩擦表面整體上存在大量細小的犁溝，表面粗糙度較大.當速度增加到600r/min時，銅鋁的混合程度進一步增加，已經難以區分銅片與鋁片之間的界限，粗糙度有所降低，摩擦表面的流線已經完全和摩擦方向平行，即垂直於金屬片方向.當速度增加至1800r/min時，摩擦表面的氧化現象比較嚴重，其中顏色較淺的部位是以鋁爲主要成分的，而銅氧化物顏色較深.
由此表明，當層片方向與摩擦方向垂直時，在低速時，由於金屬要發生剪切流動，而且是垂直於層片方向流動，提高了該條件下的摩擦係數，當速度增加到600r/min時，兩組元混合的更加充分，表面粗糙度得到了改善，當速度爲1800r/min時，高速下的溫升使材料表面的氧化程度嚴重，另外使得基體軟化，表面粗糙度降低，進而降低了摩擦係數.圖6是與摩擦方向成45°角時，銅鋁表面的形貌變化情況，其中圖6(a)～6(c)對應的壓力爲0.38MPa下的表面形貌，由圖可見，當速度爲200r/min時，鋁向銅的表面發生了剪切流動，當速度增加到600r/min時，摩擦表面的兩種組元進一步混合，表面粗糙度略有增加，當轉速爲1800r/min時，混合後的摩擦表面形成了連續的第三體層，局部出現了剝落坑，其尺寸相對較大.由此表明，當層片方向與摩擦方向成45°角時，與層片垂直於摩擦方向類似，在低速情況下均發生大面積的剪切流動.圖6(d)～6(f)對應的是0.64MPa下的表面形貌，由圖可見，當轉速爲200r/min時，在摩擦表面出現了壓實區，混合後的兩組元已分不清彼此之間的界限，當速度爲600r/min時，在鋁的表面出現了大塊剝落的銅，摩擦表面的犁溝現象比較明顯.當速度增加到1800r/min時，摩擦表面出現黏着物和撕裂情況.由此表明，當壓力爲0.64MPa，低速時摩擦表面的整體剪切流動現象比較明顯，當速度增加到600r/min時，出現了表層物質塊狀的剝離，當速度爲1800r/min時，由於層片方向與摩擦方向成45°角，因此兩端和中間的流動速度存在差異，表面溫升也有所不同，而溫升大的部位由於基體軟化導致的黏着撕裂現象明顯，進而提高了摩擦係數.
3結論
(1)摩擦角度對摩擦係數的影響與壓力有關.當壓力小於0.51MPa時，摩擦角度的改變對摩擦係數影響不大;當壓力超過0.51MPa時，45°方向的摩擦係數要明顯高於0°方向和90°方向的摩擦係數;
(2)壓力超過0.51MPa，摩擦角度爲45°時，摩擦表面容易發生整體剪切流動，較強的粘着力形成魚骨狀裂紋，使剪切作用力增大，導致摩擦係數高於摩擦角度爲0°和90°的摩擦係數.
參考文獻:
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