铜基粉末冶金材料湿式摩擦性能的研究
王莠飞１黄启忠’尹彩流１吴才成２宁克焱２
（Ｌ中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙４１００８３｝
２．中国北方车辆研究所车辆传动国家重点实验室．北京１０００７２）
●
摘要：采用粉末冶仝方法制鲁了铜基湿式摩擦材抖．利用金相技术分析了材井表面的氍现黠柯，井用ＭＭ—ｉ０００
摩幕试验机研完了制动务锌对萄摩接目敷影响的变化荒律。嫱秉表明ｉ举加Ｔｉ和囊纤维增强的材井托有效提高
材科的能量许用负荷和摩棒日拄。摩擦副的初皓转速为１５００ｒ／ｍｉｎ和２５００ｒ／ｒａｉｎ时，摩擦因数随着制动比压的增
加而减小．摩擦副的初始转动速度为３５００ｒ／ｒａｉｎ时，摩擦固敷随制动压力的增大呈现先降低而后增大的趋势。当
制动比压为１．０ＭＰａ和１＿５ＭＰａ时，摩擦固教随制动速度的提高而缓慢减小．当制动比压为２．０和２．５ＭＰａ时。摩
擦日教随制动速度的增加王现克战小足急剧增太的趋势．
关毽词：耪束冶金；湿式摩尊材井Ｉ铜基；制动条件；摩攘性能
ＳｔｕｄｙｏｎｗｅｔｆｒｉｃｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ
ｍａｔｅｒｉａｌｖｉａＰｏｗｄｅｒ
ＷＡＮＧＸｉｕ—ｆｅｉｌ，ＨＵＡＮＧＱｉ－ｚｈｏｎ９１，ＹＩＮＭｅｔａｌｌｎｒｇｙＣａｉ—ｃｈｅｎ９２，ＮＩＮＧＫｅ－ｙａｎ２Ｃａｉ—ｌｉｕｌ，ＷＵ
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３Ｃｈｉｎａ；
２．ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＶｃｈｉｃｌｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＣｈｉｎａＮｏｒｔｈＶｃｈｉｃｌｅＲｅｓｅａｒｃｈ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２Ｃｈｉｎａ）
ＡｂｓｔｒａｃｔｔＡｋｉｎｄｏｆｗｅｔｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｍａｄｅｂｙＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＰｒｏｃｅｓｓ．
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ；ｗｅｔｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ；ｂｒａｋｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
随着工程机械工作载荷和最高车速的不断增大，制动器承受的热负荷越来越高，为了有效降低制动器温升和减小磨损ｔ开始采用湿式多盘式制动器。这种制动器具有制动容量大、摩擦性能稳定、使用寿命长、热衰退小和易于实现系列化等优点。目前，这种多盘式湿式制动器已应用在国内外的大型装载机、挖掘机、矿用４８７
汽车、等工程车辆上“－５Ｊ。
－利用摩擦力原理进行工作的制动器、离合器等摩擦装置在现代科技领域和工业应用中起着举足轻重的作用。用于这些摩擦构件的摩擦材料主要有：纸基、石棉基、金属基、半金属基材料、粉末冶金材料等“＿１“。但Ｅｈ于石棉基摩擦材料对人体和环境存在较大的危害，已逐渐被淘汰，而纸基摩擦材料热负荷较低，在高温下易园摩擦磨损而毁坏，导致性能恶化。粉末冶金摩擦材料具有高的摩擦因数、高导热性、高耐磨性以及能承受较大的扭矩等优良性能而得到广泛的应用。．
本文立足于提高湿式摩擦材料的动摩擦因数，降低磨耗和提高材料的能量负荷能力以满足重载使用的要求，研究了一种高性能的铜基粉末抬金摩擦材料并进行了变工况下的湿式摩擦性能试验。
１实验部分
１．１原材料
电解铜粉：ｃｕ≥９９．７％，ｒＣ７４ｔｔｍ；还原铁粉：Ｆｅ≥９８．ｏ％，＜７４ｕｒｎ；电解钛粉：Ｔｉ≥９９．８蹦，＜５０ｐｍ；天然石英砂：不规则形状，Ｗ（Ｓｉ０：）≥９７％，１５０～２４６／ｘｍ；天然鳞片状石墨：Ｗ（Ｃ）≥９７“，２４６～５００／－ｍ；ＭｏＳｚ：胶体粉剂，分析纯；短炭纤维：Ｔ７００纤维。
１．２制备工艺
本实验采用电解铜粉作为基体，添加ｌＯ～１６ｗｔ％的还原铁粉、锡粉和钛粉与基体合金化，分别添加８～１２ｗｔ％的鳞片石墨和短切炭纤维作为润滑组元，５～８ｗｔ％的ＳｉＯ：作为摩擦组元，３ｗｔ％的ＭｏＳ：作为辅助组元，制备出铜基粉末冶金摩擦材料。主要工艺过程：按照配比称取后先混合，然后再将粉末混合料装入“Ｖ”型混料机内混合均匀。冷压成形后，于Ｈ：保护条件下采用加压烧结制备出铜基粉末冶金摩擦材料。烧结温度为９５０土２０℃，烧结压力为２．Ｏ～４．ＯＭＰａ，保温３ｈ后，随炉冷却至室温出炉。
１．３性能测试
用光学显微镜观测其微观组织结构，在ＭＭ一１０００型摩擦磨损试验机上进行湿式摩擦性能试验。
摩擦试验试样采用内外径分别为中６５ｍｍ和ｑ）８５ｒｆｌｍ的圆环。厚度为１３～１５ｉｔｉ－ｌｔｎ，在表面加工等间隔的１２个径向油槽、圆周向加工两道油槽并磨平，槽宽２．０ｒａｍ，槽深０．７５ｍｍ。偶件为６５Ｍｎ钢，其硬度值为ＨＲＣ４０～４５，几何尺寸与材料试样圆环相同。所用润滑油为某型号的重型车辆专用传动油，油压小于１ＭＰａ，流量为３～５ｍｌ／（ｃｍ２・ｒａｉｎ）。
首先对摩擦副试验环进行磨合，当目视接触面积达到８０％后进行摩擦试验。试验过程固定转动惯量为０．１ｋｇ・ｍ２，将惯性轮速度分别设定为１５００ｒ／ｒａｉｎ、２５００ｒ／ｒａｉｎ和３５００ｒ／ｍｉｎ，制动比压依次设定为０．５ＭＰａ、１．ＯＭＰａ、１．５ＭＰａ、２．ＯＭＰａ、２．５ＭＰａ。每个条件下测试５条制动曲线，取其平均值作为材料的动摩擦因数。２结果与讨论
２．１材料的微观结构
对摩擦材料的研究离不开研究基体组织，通过表面组织的变化情况可以了解摩擦热的温度、材料的耐热性，摩擦表层的变化程度等。图ｌ为样品烧结后的微观组织形貌。
图１（ａ）是材料在垂直压制压力方向上的金相显微组织照片，可以看出添加的鳞片状石墨粉和短切炭纤维受压制压力的影响，其排布多平行于实际接触工作面，硬质点颗粒（摩擦相、摩擦组元）的分布较为均匀、平整并牢固镶嵌于基体中。这样的排布方式可以保证材料在摩擦时与对偶件良好的表面接触。
图１（ｂ）是样品在平行于试样摩擦方向上的金相显微组织照片。从图中可以看到鳞片石墨和摩擦组元较均匀地分布在基体中，从而保证了摩擦因数的平稳性和防止金属粘着及相对转移的发生。从图中也可看出铜基粉末冶金材料与钢背的结台性能良好。
从图１可知，材料的合金化较为充分，所添加的ｓｎ、Ｔｉ等各种成分能均匀地分布在基体中，在铜中形成４８８
田１铜基材料的微观结构
均匀的固溶体。纯铜基材料的硬度较小，但基体铜经过Ｓｎ、Ｔｉ等合金元素强化后，基体材料的硬度会显著增加““。尖角状的黑色颗粒是ＳｉＯ：颗粒，加入Ｆｅ以颗粒形式均匀分布于Ｃｕ－Ｓｎ合金中，减少了材料内部应变区的扩展，使塑性变形趋势减小，提高基体的抗塑性流变能量，从而提高材料的强度和硬度。加入Ｔｉ粉一方面改善Ｃｕ与Ｃ的润湿性，解决了石墨和短切炭纤维与铜基体的结合问题，另一方面Ｔｉ与Ｃ反应生成ＴｉＣ，使基体得到强化。同时由于ＴｉＣ的生成，可以增大摩擦过程中的磨粒磨损，继而提高犁沟效应，以达到提高材料湿式摩擦因数的目的。
２．２制动压力对动摩擦因数的影响
评价摩擦材料湿式摩擦性能的主要指标是动摩擦因数的大小和稳定性，提高动摩擦因数是本研究的主要设计思想。对材料进行了不同制动比压对摩擦性能影响的摩擦试验，摩擦因数随制动比压的变化关系见图２。
由图２可知，在摩擦副的初始转速分别设定为１５００ｒ／ｒａｉｎ
和２５００ｒ／ｒａｉｎ时，制动比压从０．５ＭＰａ～２．５ＭＰａ的变化过程
中，摩擦因数的变化趋势一致，均随着制动比压的增加而减小。
当初始转速为１５００ｒ／ｒａｉｎ时，制动比压从１．０ＭＰａ增大到２．
５ＭＰａ时，摩擦因数从０．０９４８减小至０．０８２３，下降比率为１３．
２％。当初始转动速度升高到２５００ｒ／ｒａｉｎ后，从比压０．５ＭＰａ时
的０．１００６减少到２．５ＭＰａ时的０．０８１４。制动压力从０．５ＭＰａ
～１．５ＭＰａ的过程中，摩擦因数从０．１００６下降至０．０８４１，下降
比例为１６．４“。随制动压力的继续提高，摩擦因数的下降趋势
减缓。在制动压力由１．５ＭＰａ增加到２．５ＭＰａ时，摩擦因数由
０．０８４Ｉ减小至０．０８１４，下降比例仅为３．３％。摩擦因数的下降周２摩擦因数随制动压力的变化关蕞为非线性下降，随着压力的增大，摩擦因数下降的趋势变缓，并逐渐趋于平衡。
摩擦副的初始转动速度增加到３５００ｒ／ｍｉｎ，当制动压力由１．０ＭＰａ增加到２．０ＭＰａ的过程中，摩擦因数先降低而后增大，由０．０８６２减小到０．０８２６后又增长到０．０８９７，当制动压力达到２．５ＭＰａ时，摩擦因数剧增为０．２１９３。．
在制动速度一定、制动比压增大的情况下，温度较低时摩擦表面的润滑油粘度较高，摩擦面油膜较厚。低压制动时摩擦表面的润滑油冷却效果好，摩擦表面温度低，油膜剪切力是摩擦力矩的主要成分，由于低温润滑油剪切力大““．因而摩擦力矩较大，摩擦因数较高。
随着压力增加，制动时间缩短，摩擦表面温度在较短时间内升高，润滑油粘度降低，摩擦面润滑膜变薄，油膜剪切力减小，由油膜剪切力产生的摩擦力矩减小。由于在摩擦副中使用的润滑油具有牛顿流体性
４８９
质“”，其粘温特性可用Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程表示为：＿一咖ｅ—Ｈ丁－¨。随着制动比压升高，动摩擦力矩呈现减小趋势，摩擦因数减小。
当制动初始速度达到３５００ｒ／ｍｉｎ时，此时材料在制动过程中的吸收能量增加，随着制动压力的增大，在制动的开始阶段，摩擦表面的温度迅速升高，当接触表面的接触温度超过润滑油的临界温度时，边界润滑膜发生破裂，摩擦副之间发生粘着磨损，摩擦因数急剧升高。
２．３制动速度的试验性能
图３为材料的摩擦因数随制动初始速度的变化曲线。
从图３可以看出：在制动比压为较小的１．０ＭＰａ和１．５ＭＰａ
时，摩擦因数随制动速度的提高而缓慢减小。随制动压力的继
续增大，在制动比压分别为１＿５ＭＰａ、２．５ＭＰａ，制动速度由１
１５００ｒ／ｍｉｎ增加到２５００ｒ／ｍｉｎ时，摩擦因数随速度增大而减小。・；
继续提高制动的初始速度，由２５００ｒ／ｍｉｎ提高到３５００ｒ／ｍｉｎ时，ｘ
摩擦因数又呈现增大趋势。§
平均摩擦因数与初始速度之间的变化随比压值的不同而表Ｉ
现出了相反的变化趋势。当制动比压较低时，摩擦因数随速度
的升高而减小。当摩擦副的制动比压较高时，摩擦因数随速度
的升高而增加。这种现象出现的原因在于：由于制动比压较低
时，摩擦副之间的润滑油膜不足以被立即破坏，致使整个制动过围３摩擦因数随镧动转速的变化关系程基本上都处于由流体润滑向混合摩擦状态过渡。按照边界润滑理论［１“，摩擦力Ｆ可以表示如下：
Ｆ＝Ａ・［口。・Ｌ＋（１一口。）・ｒＬ］＋ＦＰ（１）式中：Ｆ一摩擦力ｔｓ一油膜润滑部分；Ａ一滑动面间的真实接触面积；
。，是固体接触面积Ａ．在真实接触面积Ａ中所占的百分数，Ｌ和ｒｃ分别是固体和流体表面的剪切强度，Ｆ。是犁沟效应产生的阻力。总载荷可以写成：
．Ｗ＝Ａ・［口。ｐ。＋（１一口。）Ｐｃ］（２）
Ｒ是硬度较低的金属的塑性流动压力，尸ｃ是润滑剂膜中的压力。取平均压力为Ｐ，使公式２变为：Ⅳ一Ａ・户，与公式１相除，可得到边界润滑的摩擦因数，ｎ为：
＾Ｌ—Ｆ／ｗ一口。ｌ导Ｉ＋（１一ａ。）百ＬＬ＋厶（３）
ＬＰＪ１
在油膜存在的情况下，＾与前两项比较相对很小，可以忽略。因此，摩擦因数主要来源于油膜的破坏程度。又由于粗糙表面的平均膜厚与速度具有指数函数关系［１“，即：
’
＾。ｏ。，（４）膜厚随速度的增加而增加，所以在速度增加的情况下摩擦因数减小。一方面，随着制动速度增加．在制动过程中摩擦副吸收的能量增加，导致摩擦副的表面温度升高，导致材料表面的温度升高，润滑油粘度减小，而呈现非牛顿性““。在高剪切力作用下。使分子排列规则化，从而减少相邻层之间的作用而降低表观粘度，
当摩擦副的制动比压升高到一定程度时，摩擦副间油膜的破坏已不再成为问题。此时，随着初始制动速当初始制动速度为３５００ｒ／ｍｉｎ时，在制动压力较小时，材料的摩擦因数呈下降趋势，当压力为２．０ＭＰａ，４９０摩擦因数减小｝另一方面，随着转动速度增加，润滑油在高速下的切应变率稀化，也将导致润滑油的粘度降低从而导致摩擦因数降低。三方面的作用导致材料随速度的增加而摩擦因数减小。度的增大，一方面导致制动初期摩擦表面温度的快速升高，使润滑油的粘度减小，油膜的剪切强度降低，从而导致摩擦因数降低；另一方面由于制动压力的增大，油膜被破坏，摩擦副直接接触的区域大增，会导致摩擦因数的升高，同时公式３中的第三项也会随着制动比压的增大而变得不容忽视，ｆｐ由于制动压力的增大而增大。几个方面的原因综合导致材料在制动压力较高的情况下，出现了平均摩擦因数随初始速度变化的规律在高比压状态下与在低比压状态下相反的趋势，即摩擦因数随速度的增大而升高。
摩擦因数开始呈现增大。这是由于随着压力的增大，制动效率提高，在较短的时间内，摩擦表面的润滑油被挤出，粉末冶金材料与对偶片直接接触，增大了材料的粘着接触，提高了材料的动摩擦因数。当压力继续增大至２．５ＭＰａ时，材料的摩擦因数骤然增大至０．２１９３。这是由于材料与对偶件之间的润滑油在很短的时间被挤出，材料表面的温度骤然升高，造成材料与对偶件间的润滑油炭化，摩擦副在很短的时间内完成流体润帮摩擦一混合摩擦一粘着摩擦一混合摩擦的转变，导致材料的牵擦因数出现较大反常。及图４（ｂ）的摩擦试验曲线可以看出这一点。
从图４（ａ）中可以看出：在与图４（ｂ）相同的制动压力下，材料在２５００ｒ／ｍｉｎ制动时，摩擦力矩曲线随着制动压力的增加摩擦力矩逐渐增大，摩擦因数在整个制动过程中是比较稳定的，随着制动过程的进行，摩擦因数稍有增加。而图４（ｂ）显示在３５００ｒ／ｍｉｎ的速度下，摩擦力矩在制动１秒后出现了一个力矩的高峰值，随着制动过程的进行，摩擦力矩又逐渐降低至正常水平，摩擦因数也就在制动的１～１．５秒处出现一个峰值。这是因为在制动１秒后摩擦副表面出现了瞬时高温，宏观表现为制动时摩擦副接触处出现了”烟雾”，即导致摩擦副表面的润滑油出现了炭化现象，从而使摩擦副的两个表面出现了粘着摩擦，摩擦因数剧变。
在瞬时高温过后，由于润滑油的冷却作用和摩擦副材料热传导的双重作用，摩擦副表面温度逐渐降低，重新在摩擦副表面形成新的油膜，摩擦面由粘着摩擦向混合摩擦过渡，摩擦因数下降。此时材料的能量负荷值为８７３１４Ｊ“ｃｍ＿‘・ｓ一，远大于烧结金属摩擦材料规定中能量许用负荷值技术要求的大于８５００Ｊ。・ｃｍｌ・ｓ一，表明该材料能使用在高能载的工况下。
叩∞帅．＿仁，ｔ哪．呻∞＾哪，坤蚺
Ｆ（１∞雠），小斜．－）・●ｔ‘Ｂ■山ｌｎ），，‘●．婿＇
・・省ｕ‘＾ｌ１．∞¨Ｉ．＾ｚＬ∞２．５Ｉｂ’２＾．。．ｓｌⅢ２¨３嚣
（ａ）ｎ一２５００ｒ／ｒａｉｎ。Ｐ＝２ＯＭＰａ（ｂ）ｎ＝３５００ｒ／ｒａｉｎ．Ｐ一２．ＯＭＰａ
图４不同转速时的制动曲线
３结论
ａ．铜基粉末冶金摩擦材料中添加Ｔｉ和短切炭纤维能有效提高材料的强度，有效提高材料的能量许用负荷和动摩擦系数，摩擦因数高而且稳定。
ｂ，在低转速下摩擦因数随制动比压的增大而减小，高转速条件下摩擦因数随压力的增大先降低而后增大。在制动比压条件下，摩擦因数随制动速度的提高而缓慢减小，高比压下摩擦因数随速度的提高先减小后增大。
Ｃ．摩擦副的初始转速１５００ｒ／ｍｉｎ和２５００ｒ／ｒａｉｎ时．摩擦因数均随着制动比压的增加而减小。摩擦副的初始转动速度增加到３５００ｒ／ｒａｉｎ时，压力由１＿ＯＭＰａ增加到２．５ＭＰａ的过程中，摩擦因数先降低而后增大。
ｄ．当制动比压为１．ＯＭＰａ和１．５ＭＰａ时．摩擦因数随制动速度的提高而缓慢减小。当制动比压达到２．ＯＭＰａ和２．５ＭＰａ时，制动速度由１５００ｒ／ｒａｉｎ增加到２５００ｒ／ｍｉｎ时，摩擦因数减小制动速度提高到３５００ｒ／ｍｉｎ时，摩擦因数又呈现增大趋势。
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铜基粉末冶金材料湿式摩擦性能的研究
王莠飞１黄启忠’尹彩流１吴才成２宁克焱２
（Ｌ中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙４１００８３｝
２．中国北方车辆研究所车辆传动国家重点实验室．北京１０００７２）
●
摘要：采用粉末冶仝方法制鲁了铜基湿式摩擦材抖．利用金相技术分析了材井表面的氍现黠柯，井用ＭＭ—ｉ０００
摩幕试验机研完了制动务锌对萄摩接目敷影响的变化荒律。嫱秉表明ｉ举加Ｔｉ和囊纤维增强的材井托有效提高
材科的能量许用负荷和摩棒日拄。摩擦副的初皓转速为１５００ｒ／ｍｉｎ和２５００ｒ／ｒａｉｎ时，摩擦因数随着制动比压的增
加而减小．摩擦副的初始转动速度为３５００ｒ／ｒａｉｎ时，摩擦固敷随制动压力的增大呈现先降低而后增大的趋势。当
制动比压为１．０ＭＰａ和１＿５ＭＰａ时，摩擦固教随制动速度的提高而缓慢减小．当制动比压为２．０和２．５ＭＰａ时。摩
擦日教随制动速度的增加王现克战小足急剧增太的趋势．
关毽词：耪束冶金；湿式摩尊材井Ｉ铜基；制动条件；摩攘性能
ＳｔｕｄｙｏｎｗｅｔｆｒｉｃｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ
ｍａｔｅｒｉａｌｖｉａＰｏｗｄｅｒ
ＷＡＮＧＸｉｕ—ｆｅｉｌ，ＨＵＡＮＧＱｉ－ｚｈｏｎ９１，ＹＩＮＭｅｔａｌｌｎｒｇｙＣａｉ—ｃｈｅｎ９２，ＮＩＮＧＫｅ－ｙａｎ２Ｃａｉ—ｌｉｕｌ，ＷＵ
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Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２Ｃｈｉｎａ）
ＡｂｓｔｒａｃｔｔＡｋｉｎｄｏｆｗｅｔｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｍａｄｅｂｙＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＰｒｏｃｅｓｓ．
Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｒａｋｅ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｌａｌｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙＭＭ－１０００ｆｒｉｃｔｉｏｎｔｅｓｔｅｒ．
ｃａｎＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＴｉａｎｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ
ｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｔｉｖｅｌｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｅｎｈａｎｃｅｅｎｅｒｇｙｌｏａｄｐｅｒｍｉｔｔｉｎｇｖａｌｕｅｏｆｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．ＷｈｅｎｔｈｅｂｒａｋｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉＳ１５００ｒ／ｍｉｎａｎｄ２５００ｒ／ｍｉｎ，ｒｅｓｐｅｃ—ｄｅｃｒｅａｓｅ．ｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ
Ｗｈｉｌｅｋｅｅｐｉｎｇｂｒａｋｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓ３５００ｒ／ｍｉｎ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｂｒａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ
ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔｄｅｓｃｅｎｄｓａｎｄｔｈｅｎ
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ｄｅｃｒｅａｓ．Ｗｈｉｌｅｔｈｅｂｒａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ２．ＯＭＰａａｎｄ２．５ＭＰａ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｂｒａｋｅｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｉｒｓｔｄｅｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅｎｓｈａｒｐｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ；ｗｅｔｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ；ｂｒａｋｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
随着工程机械工作载荷和最高车速的不断增大，制动器承受的热负荷越来越高，为了有效降低制动器温升和减小磨损ｔ开始采用湿式多盘式制动器。这种制动器具有制动容量大、摩擦性能稳定、使用寿命长、热衰退小和易于实现系列化等优点。目前，这种多盘式湿式制动器已应用在国内外的大型装载机、挖掘机、矿用４８７
汽车、等工程车辆上“－５Ｊ。
－利用摩擦力原理进行工作的制动器、离合器等摩擦装置在现代科技领域和工业应用中起着举足轻重的作用。用于这些摩擦构件的摩擦材料主要有：纸基、石棉基、金属基、半金属基材料、粉末冶金材料等“＿１“。但Ｅｈ于石棉基摩擦材料对人体和环境存在较大的危害，已逐渐被淘汰，而纸基摩擦材料热负荷较低，在高温下易园摩擦磨损而毁坏，导致性能恶化。粉末冶金摩擦材料具有高的摩擦因数、高导热性、高耐磨性以及能承受较大的扭矩等优良性能而得到广泛的应用。．
本文立足于提高湿式摩擦材料的动摩擦因数，降低磨耗和提高材料的能量负荷能力以满足重载使用的要求，研究了一种高性能的铜基粉末抬金摩擦材料并进行了变工况下的湿式摩擦性能试验。
１实验部分
１．１原材料
电解铜粉：ｃｕ≥９９．７％，ｒＣ７４ｔｔｍ；还原铁粉：Ｆｅ≥９８．ｏ％，＜７４ｕｒｎ；电解钛粉：Ｔｉ≥９９．８蹦，＜５０ｐｍ；天然石英砂：不规则形状，Ｗ（Ｓｉ０：）≥９７％，１５０～２４６／ｘｍ；天然鳞片状石墨：Ｗ（Ｃ）≥９７“，２４６～５００／－ｍ；ＭｏＳｚ：胶体粉剂，分析纯；短炭纤维：Ｔ７００纤维。
１．２制备工艺
本实验采用电解铜粉作为基体，添加ｌＯ～１６ｗｔ％的还原铁粉、锡粉和钛粉与基体合金化，分别添加８～１２ｗｔ％的鳞片石墨和短切炭纤维作为润滑组元，５～８ｗｔ％的ＳｉＯ：作为摩擦组元，３ｗｔ％的ＭｏＳ：作为辅助组元，制备出铜基粉末冶金摩擦材料。主要工艺过程：按照配比称取后先混合，然后再将粉末混合料装入“Ｖ”型混料机内混合均匀。冷压成形后，于Ｈ：保护条件下采用加压烧结制备出铜基粉末冶金摩擦材料。烧结温度为９５０土２０℃，烧结压力为２．Ｏ～４．ＯＭＰａ，保温３ｈ后，随炉冷却至室温出炉。
１．３性能测试
用光学显微镜观测其微观组织结构，在ＭＭ一１０００型摩擦磨损试验机上进行湿式摩擦性能试验。
摩擦试验试样采用内外径分别为中６５ｍｍ和ｑ）８５ｒｆｌｍ的圆环。厚度为１３～１５ｉｔｉ－ｌｔｎ，在表面加工等间隔的１２个径向油槽、圆周向加工两道油槽并磨平，槽宽２．０ｒａｍ，槽深０．７５ｍｍ。偶件为６５Ｍｎ钢，其硬度值为ＨＲＣ４０～４５，几何尺寸与材料试样圆环相同。所用润滑油为某型号的重型车辆专用传动油，油压小于１ＭＰａ，流量为３～５ｍｌ／（ｃｍ２・ｒａｉｎ）。
首先对摩擦副试验环进行磨合，当目视接触面积达到８０％后进行摩擦试验。试验过程固定转动惯量为０．１ｋｇ・ｍ２，将惯性轮速度分别设定为１５００ｒ／ｒａｉｎ、２５００ｒ／ｒａｉｎ和３５００ｒ／ｍｉｎ，制动比压依次设定为０．５ＭＰａ、１．ＯＭＰａ、１．５ＭＰａ、２．ＯＭＰａ、２．５ＭＰａ。每个条件下测试５条制动曲线，取其平均值作为材料的动摩擦因数。２结果与讨论
２．１材料的微观结构
对摩擦材料的研究离不开研究基体组织，通过表面组织的变化情况可以了解摩擦热的温度、材料的耐热性，摩擦表层的变化程度等。图ｌ为样品烧结后的微观组织形貌。
图１（ａ）是材料在垂直压制压力方向上的金相显微组织照片，可以看出添加的鳞片状石墨粉和短切炭纤维受压制压力的影响，其排布多平行于实际接触工作面，硬质点颗粒（摩擦相、摩擦组元）的分布较为均匀、平整并牢固镶嵌于基体中。这样的排布方式可以保证材料在摩擦时与对偶件良好的表面接触。
图１（ｂ）是样品在平行于试样摩擦方向上的金相显微组织照片。从图中可以看到鳞片石墨和摩擦组元较均匀地分布在基体中，从而保证了摩擦因数的平稳性和防止金属粘着及相对转移的发生。从图中也可看出铜基粉末冶金材料与钢背的结台性能良好。
从图１可知，材料的合金化较为充分，所添加的ｓｎ、Ｔｉ等各种成分能均匀地分布在基体中，在铜中形成４８８
田１铜基材料的微观结构
均匀的固溶体。纯铜基材料的硬度较小，但基体铜经过Ｓｎ、Ｔｉ等合金元素强化后，基体材料的硬度会显著增加““。尖角状的黑色颗粒是ＳｉＯ：颗粒，加入Ｆｅ以颗粒形式均匀分布于Ｃｕ－Ｓｎ合金中，减少了材料内部应变区的扩展，使塑性变形趋势减小，提高基体的抗塑性流变能量，从而提高材料的强度和硬度。加入Ｔｉ粉一方面改善Ｃｕ与Ｃ的润湿性，解决了石墨和短切炭纤维与铜基体的结合问题，另一方面Ｔｉ与Ｃ反应生成ＴｉＣ，使基体得到强化。同时由于ＴｉＣ的生成，可以增大摩擦过程中的磨粒磨损，继而提高犁沟效应，以达到提高材料湿式摩擦因数的目的。
２．２制动压力对动摩擦因数的影响
评价摩擦材料湿式摩擦性能的主要指标是动摩擦因数的大小和稳定性，提高动摩擦因数是本研究的主要设计思想。对材料进行了不同制动比压对摩擦性能影响的摩擦试验，摩擦因数随制动比压的变化关系见图２。
由图２可知，在摩擦副的初始转速分别设定为１５００ｒ／ｒａｉｎ
和２５００ｒ／ｒａｉｎ时，制动比压从０．５ＭＰａ～２．５ＭＰａ的变化过程
中，摩擦因数的变化趋势一致，均随着制动比压的增加而减小。
当初始转速为１５００ｒ／ｒａｉｎ时，制动比压从１．０ＭＰａ增大到２．
５ＭＰａ时，摩擦因数从０．０９４８减小至０．０８２３，下降比率为１３．
２％。当初始转动速度升高到２５００ｒ／ｒａｉｎ后，从比压０．５ＭＰａ时
的０．１００６减少到２．５ＭＰａ时的０．０８１４。制动压力从０．５ＭＰａ
～１．５ＭＰａ的过程中，摩擦因数从０．１００６下降至０．０８４１，下降
比例为１６．４“。随制动压力的继续提高，摩擦因数的下降趋势
减缓。在制动压力由１．５ＭＰａ增加到２．５ＭＰａ时，摩擦因数由
０．０８４Ｉ减小至０．０８１４，下降比例仅为３．３％。摩擦因数的下降周２摩擦因数随制动压力的变化关蕞为非线性下降，随着压力的增大，摩擦因数下降的趋势变缓，并逐渐趋于平衡。
摩擦副的初始转动速度增加到３５００ｒ／ｍｉｎ，当制动压力由１．０ＭＰａ增加到２．０ＭＰａ的过程中，摩擦因数先降低而后增大，由０．０８６２减小到０．０８２６后又增长到０．０８９７，当制动压力达到２．５ＭＰａ时，摩擦因数剧增为０．２１９３。．
在制动速度一定、制动比压增大的情况下，温度较低时摩擦表面的润滑油粘度较高，摩擦面油膜较厚。低压制动时摩擦表面的润滑油冷却效果好，摩擦表面温度低，油膜剪切力是摩擦力矩的主要成分，由于低温润滑油剪切力大““．因而摩擦力矩较大，摩擦因数较高。
随着压力增加，制动时间缩短，摩擦表面温度在较短时间内升高，润滑油粘度降低，摩擦面润滑膜变薄，油膜剪切力减小，由油膜剪切力产生的摩擦力矩减小。由于在摩擦副中使用的润滑油具有牛顿流体性
４８９
质“”，其粘温特性可用Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程表示为：＿一咖ｅ—Ｈ丁－¨。随着制动比压升高，动摩擦力矩呈现减小趋势，摩擦因数减小。
当制动初始速度达到３５００ｒ／ｍｉｎ时，此时材料在制动过程中的吸收能量增加，随着制动压力的增大，在制动的开始阶段，摩擦表面的温度迅速升高，当接触表面的接触温度超过润滑油的临界温度时，边界润滑膜发生破裂，摩擦副之间发生粘着磨损，摩擦因数急剧升高。
２．３制动速度的试验性能
图３为材料的摩擦因数随制动初始速度的变化曲线。
从图３可以看出：在制动比压为较小的１．０ＭＰａ和１．５ＭＰａ
时，摩擦因数随制动速度的提高而缓慢减小。随制动压力的继
续增大，在制动比压分别为１＿５ＭＰａ、２．５ＭＰａ，制动速度由１
１５００ｒ／ｍｉｎ增加到２５００ｒ／ｍｉｎ时，摩擦因数随速度增大而减小。・；
继续提高制动的初始速度，由２５００ｒ／ｍｉｎ提高到３５００ｒ／ｍｉｎ时，ｘ
摩擦因数又呈现增大趋势。§
平均摩擦因数与初始速度之间的变化随比压值的不同而表Ｉ
现出了相反的变化趋势。当制动比压较低时，摩擦因数随速度
的升高而减小。当摩擦副的制动比压较高时，摩擦因数随速度
的升高而增加。这种现象出现的原因在于：由于制动比压较低
时，摩擦副之间的润滑油膜不足以被立即破坏，致使整个制动过围３摩擦因数随镧动转速的变化关系程基本上都处于由流体润滑向混合摩擦状态过渡。按照边界润滑理论［１“，摩擦力Ｆ可以表示如下：
Ｆ＝Ａ・［口。・Ｌ＋（１一口。）・ｒＬ］＋ＦＰ（１）式中：Ｆ一摩擦力ｔｓ一油膜润滑部分；Ａ一滑动面间的真实接触面积；
。，是固体接触面积Ａ．在真实接触面积Ａ中所占的百分数，Ｌ和ｒｃ分别是固体和流体表面的剪切强度，Ｆ。是犁沟效应产生的阻力。总载荷可以写成：
．Ｗ＝Ａ・［口。ｐ。＋（１一口。）Ｐｃ］（２）
Ｒ是硬度较低的金属的塑性流动压力，尸ｃ是润滑剂膜中的压力。取平均压力为Ｐ，使公式２变为：Ⅳ一Ａ・户，与公式１相除，可得到边界润滑的摩擦因数，ｎ为：
＾Ｌ—Ｆ／ｗ一口。ｌ导Ｉ＋（１一ａ。）百ＬＬ＋厶（３）
ＬＰＪ１
在油膜存在的情况下，＾与前两项比较相对很小，可以忽略。因此，摩擦因数主要来源于油膜的破坏程度。又由于粗糙表面的平均膜厚与速度具有指数函数关系［１“，即：
’
＾。ｏ。，（４）膜厚随速度的增加而增加，所以在速度增加的情况下摩擦因数减小。一方面，随着制动速度增加．在制动过程中摩擦副吸收的能量增加，导致摩擦副的表面温度升高，导致材料表面的温度升高，润滑油粘度减小，而呈现非牛顿性““。在高剪切力作用下。使分子排列规则化，从而减少相邻层之间的作用而降低表观粘度，
当摩擦副的制动比压升高到一定程度时，摩擦副间油膜的破坏已不再成为问题。此时，随着初始制动速当初始制动速度为３５００ｒ／ｍｉｎ时，在制动压力较小时，材料的摩擦因数呈下降趋势，当压力为２．０ＭＰａ，４９０摩擦因数减小｝另一方面，随着转动速度增加，润滑油在高速下的切应变率稀化，也将导致润滑油的粘度降低从而导致摩擦因数降低。三方面的作用导致材料随速度的增加而摩擦因数减小。度的增大，一方面导致制动初期摩擦表面温度的快速升高，使润滑油的粘度减小，油膜的剪切强度降低，从而导致摩擦因数降低；另一方面由于制动压力的增大，油膜被破坏，摩擦副直接接触的区域大增，会导致摩擦因数的升高，同时公式３中的第三项也会随着制动比压的增大而变得不容忽视，ｆｐ由于制动压力的增大而增大。几个方面的原因综合导致材料在制动压力较高的情况下，出现了平均摩擦因数随初始速度变化的规律在高比压状态下与在低比压状态下相反的趋势，即摩擦因数随速度的增大而升高。
摩擦因数开始呈现增大。这是由于随着压力的增大，制动效率提高，在较短的时间内，摩擦表面的润滑油被挤出，粉末冶金材料与对偶片直接接触，增大了材料的粘着接触，提高了材料的动摩擦因数。当压力继续增大至２．５ＭＰａ时，材料的摩擦因数骤然增大至０．２１９３。这是由于材料与对偶件之间的润滑油在很短的时间被挤出，材料表面的温度骤然升高，造成材料与对偶件间的润滑油炭化，摩擦副在很短的时间内完成流体润帮摩擦一混合摩擦一粘着摩擦一混合摩擦的转变，导致材料的牵擦因数出现较大反常。及图４（ｂ）的摩擦试验曲线可以看出这一点。
从图４（ａ）中可以看出：在与图４（ｂ）相同的制动压力下，材料在２５００ｒ／ｍｉｎ制动时，摩擦力矩曲线随着制动压力的增加摩擦力矩逐渐增大，摩擦因数在整个制动过程中是比较稳定的，随着制动过程的进行，摩擦因数稍有增加。而图４（ｂ）显示在３５００ｒ／ｍｉｎ的速度下，摩擦力矩在制动１秒后出现了一个力矩的高峰值，随着制动过程的进行，摩擦力矩又逐渐降低至正常水平，摩擦因数也就在制动的１～１．５秒处出现一个峰值。这是因为在制动１秒后摩擦副表面出现了瞬时高温，宏观表现为制动时摩擦副接触处出现了”烟雾”，即导致摩擦副表面的润滑油出现了炭化现象，从而使摩擦副的两个表面出现了粘着摩擦，摩擦因数剧变。
在瞬时高温过后，由于润滑油的冷却作用和摩擦副材料热传导的双重作用，摩擦副表面温度逐渐降低，重新在摩擦副表面形成新的油膜，摩擦面由粘着摩擦向混合摩擦过渡，摩擦因数下降。此时材料的能量负荷值为８７３１４Ｊ“ｃｍ＿‘・ｓ一，远大于烧结金属摩擦材料规定中能量许用负荷值技术要求的大于８５００Ｊ。・ｃｍｌ・ｓ一，表明该材料能使用在高能载的工况下。
叩∞帅．＿仁，ｔ哪．呻∞＾哪，坤蚺
Ｆ（１∞雠），小斜．－）・●ｔ‘Ｂ■山ｌｎ），，‘●．婿＇
・・省ｕ‘＾ｌ１．∞¨Ｉ．＾ｚＬ∞２．５Ｉｂ’２＾．。．ｓｌⅢ２¨３嚣
（ａ）ｎ一２５００ｒ／ｒａｉｎ。Ｐ＝２ＯＭＰａ（ｂ）ｎ＝３５００ｒ／ｒａｉｎ．Ｐ一２．ＯＭＰａ
图４不同转速时的制动曲线
３结论
ａ．铜基粉末冶金摩擦材料中添加Ｔｉ和短切炭纤维能有效提高材料的强度，有效提高材料的能量许用负荷和动摩擦系数，摩擦因数高而且稳定。
ｂ，在低转速下摩擦因数随制动比压的增大而减小，高转速条件下摩擦因数随压力的增大先降低而后增大。在制动比压条件下，摩擦因数随制动速度的提高而缓慢减小，高比压下摩擦因数随速度的提高先减小后增大。
Ｃ．摩擦副的初始转速１５００ｒ／ｍｉｎ和２５００ｒ／ｒａｉｎ时．摩擦因数均随着制动比压的增加而减小。摩擦副的初始转动速度增加到３５００ｒ／ｒａｉｎ时，压力由１＿ＯＭＰａ增加到２．５ＭＰａ的过程中，摩擦因数先降低而后增大。
ｄ．当制动比压为１．ＯＭＰａ和１．５ＭＰａ时．摩擦因数随制动速度的提高而缓慢减小。当制动比压达到２．ＯＭＰａ和２．５ＭＰａ时，制动速度由１５００ｒ／ｒａｉｎ增加到２５００ｒ／ｍｉｎ时，摩擦因数减小制动速度提高到３５００ｒ／ｍｉｎ时，摩擦因数又呈现增大趋势。
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