纳米颗粒增强铜基喷撒摩擦片的摩擦学性能研究北大核心

通过调整成分配比、添加纳米材料、采用球磨工艺及改变石墨形态研究了纳米材料、球磨处理及石墨形态对铜基喷撒摩擦材料摩擦学性能的影响规律。结果表明:添加Ni/n-SiO2与球磨Cu/天然石墨、球磨Cu/nSiO2与球磨Cu/天然石墨可提高铜基喷撒摩擦片的综合性能;球磨Cu/纳米石墨+球磨Cu/天然石墨可提高铜基喷撒摩擦材料的耐磨性和耐热性能,但会显著降低摩擦材料的摩擦因数;采用球磨法制备Cu与石墨的复合颗粒,可提高铜基喷撒摩擦材料基体中的石墨含量,从而显著提高摩擦材料的耐热性能。     

与GH4169合金配副的C/C复合材料与高强石墨的滑动摩擦磨损性能

在M-2000型摩擦磨损实验机上,以GH4169合金环为配副,对以粗糙层/光滑层/树脂炭(RL/SL/RC)为基体炭的C/C复合材料和拟用作航空发动机轴间密封环的高强石墨的滑动摩擦磨损性能进行对比研究。结果表明,随着时间延长,C/C复合材料的摩擦表面逐渐形成完整、致密的摩擦膜,因而摩擦因数逐渐降低,趋于平稳,在60～180 N载荷下,摩擦因数仅为0.11～0.18;而石墨材料摩擦因数在试验开始后迅速上升,达到动态平衡后保持小幅度的增长趋势,在60～180 N载荷下其摩擦因数为0.23～0.28。与高强石墨相比,C/C复合材料还具有更小的体积磨损,更适用于发动机轴间密封环材料。     

粉末冶金Fe-5(Cu-10Sn)-石墨-P-MoS_2含油材料的摩擦性能

采用粉末冶金法制备Fe-5(Cu-10Sn)-石墨-P-MoS_2含油材料,研究石墨、P与MoS_2的添加量对材料摩擦性能的影响。摩擦实验在150℃(±10℃)条件下进行,线速度分别为0.25,0.50和0.75 m/s,逐级加载,每间隔10min增加10MPa,从10MPa加载至50MPa。结果表明:材料的摩擦因数随石墨添加量增加而减小,当石墨添加量达到1.5%后,摩擦因数基本稳定在一个较低值上;P添加量以0.3%为宜,较低和较高均导致摩擦因数不稳定;摩擦因数随MoS2添加量增加而减小,当MoS2添加量为1.5%时,材料具有稳定且较小的摩擦因数,随载荷和线速度增加,摩擦因数持续减小。     

石墨对铜基粉末冶金闸片材料性能的影响

采用粒度>550μm的天然鳞片石墨和人造石墨配合制备了铜基粉末冶金高速列车制动闸片材料,系统研究了鳞片石墨粒度对材料力学性能、摩擦磨损性能和摩擦膜形成的影响。结果表明:采用粒度>550μm的天然鳞片石墨作润滑组元,所制备摩擦材料的抗压强度显著高于采用小粒度石墨所制材料,达到145.30MPa;随鳞片石墨粒度的增大,材料的摩擦系数降低,磨损率降低幅度可达50%以上,摩擦表面趋于形成完整的摩擦膜;采用鳞片石墨和人造石墨配合使用,能够显著提高材料强度。     

低压力高力矩粉末冶金摩擦材料的研制

为了使摩擦材料在低制动压力下产生高力矩,在选定金属基体的前提下,研究了作为润滑组元的天然鳞片状石墨和人造粒状石墨以及作为摩擦组元的SiO2、Al2O3(刚玉粉)对材料摩擦性能的影响,结果表明:当润滑组元总量一定时,以部分人造粒状石墨取代天然鳞片状石墨可提高摩擦因数15%~20%;当摩擦组元总量一定,选用SiO2、Al2O3的复合摩擦剂的材料比仅采用SiO2的材料可提高摩擦因数45%~50%,比仅采用Al2O3的材料提高20%~25%,同时,摩擦因数稳定度也得到改善。在使用工况下,制动压力为0.25 MPa时,W-0号试样产生的力矩大于24 N.m,其它各项性能均令用户满意。     

混料时间对含石墨的铜基摩擦材料性能的影响

本文采用粉末冶金方法制备了含石墨的铜基粉末冶金摩擦材料,通过调整加入石墨后的混料时间,采用布氏硬度计、摩擦磨损试验机和扫描电镜等设备研究了混料时间对含石墨的铜基摩擦材料性能的影响。研究结果表明:随着加入石墨后混料时间的增加,烧结后摩擦材料中的石墨颗粒分布更加均匀,铜基体的连续性变差,材料密度和硬度均下降,材料的摩擦因数先增大后减小,磨损量先减小后增大。加入石墨后,混料8 h的烧结体的摩擦磨损性能最佳(较其他试样摩擦因数增加了10%左右,磨损量降低了30%左右)。     

石墨类型对铜基粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的影响

采用粉末冶金方法制备了分别以鳞片石墨、球形石墨、焦炭、人造石墨和隐晶石墨为润滑组元的铜基摩擦材料,使用MM3000摩擦磨损试验机测试了摩擦磨损和制动性能。结果表明：在3 000～7 000 r/min的转速下,含人造石墨铜基摩擦材料的平均摩擦因数最高,但磨损量大;含焦炭铜基摩擦材料的摩擦因数次之,但磨损量最小,优于含鳞片石墨铜基摩擦材料。在7 000 r/min转速制动条件下,含人造石墨铜基摩擦材料的瞬时摩擦因数最高,制动时间最短,但摩擦材料表面温升最大;含焦炭铜基摩擦材料的瞬时摩擦因数和制动时间次之,但摩擦材料表面温升最小,且整体性能优于常用的含鳞片石墨铜基摩擦材料。因此,相比而言,以焦炭作为润滑组元的铜基摩擦材料具有最佳的摩擦磨损和制动性能。     

石墨的铜包覆量对自润滑材料的性能影响

采用粉末冶金方法,选取铜质量分数分别为30%和60%的铜包石墨与铜粉制备铜基石墨自润滑材料,并对不同包覆量的石墨制备的固体自润滑材料的性能进行分析。结果表明,铜包覆量为30%的石墨制成的固体自润滑材料在20N载荷下的最小摩擦因数为0.13,对应的抗压强度为192 MPa,力学性能和摩擦磨损性能好;选用包覆含量为30%的铜包石墨可以与铜粉制成减摩润滑效果好且力学性能优的固体自润滑材料。     

C/C坯体密度对熔融渗硅法制备的C/C-SiC复合材料摩擦行为的影响

以密度分别为0.92,1.10和1.46 g/cm3的多孔C/C材料为坯体,采用熔融渗硅法获得密度分别为1.94,1.86和1.79 g/cm3的C/C-SiC复合材料A、B和C。将C/C-SiC复合材料与40Cr钢配副进行滑动摩擦实验,研究其摩擦磨损行为。结果表明:随载荷增加,坯体密度为1.83 g/cm3的材料B的摩擦因数较稳定,基本围绕0.60波动,波动幅度0.2。材料A的摩擦因数波动幅度为0.3,而材料C的摩擦因数呈直线下降,降幅最大达0.5。但随时间延长,在试验载荷下,材料A的摩擦因数稳定性最好,波动幅度为0.07。SEM形貌表明,低载荷下,C/C-SiC复合材料的陶瓷相磨屑易聚集在摩擦膜边缘,而高载荷下磨屑分布较均匀,但摩擦表面都较粗糙,未形成完整、致密的摩擦膜。     

镍与石墨含量对新型铜基粉末冶金受电弓滑板材料性能的影响

采用粉末冶金法,在N2和H2混合气氛保护下烧结,制备以石墨和镍等为主要合金元素的新型铜基受电弓滑板材料,研究石墨含量对该材料电阻率、冲击韧性、硬度、摩擦因数和磨损性能的影响,以及镍含量对其硬度和冲击韧性的影响,并分析烧结过程中形成的弥散相和固溶体对材料的增强增韧效果。结果表明:石墨对材料密度影响较明显,石墨含量越高,材料的电阻率越大,冲击韧性越小,并且摩擦因数越小,减磨和耐磨性越好,但石墨含量超过5%时材料性能下降;随镍含量增加,受电弓滑板材料的硬度和冲击韧性都提高,但电阻率增大。石墨和镍的含量(质量分数)均为3%时,材料的电阻率为0.22μΩ·m,硬度为HB60,冲击韧性为7.1J/cm2,摩擦因数为0.19,能满足铜基受电弓滑板的使用要求。     

沙尘环境下含玻璃微珠铜基摩擦材料的摩擦磨损性能

利用MM-1000摩擦实验机,分别在沙尘环境与干摩擦情况下,研究不同玻璃微珠含量(质量分数)铜基摩擦材料的摩擦磨损性能。结果表明:在摩擦过程中,玻璃微珠含量通过影响摩擦膜的形成而影响材料的摩擦磨损性能;在沙尘环境下,沙尘破坏材料表面摩擦膜致使材料的摩擦因数高于干摩擦情况下的摩擦因数,且材料的制动稳定性较差,线性磨损量随着玻璃微珠含量增加而增加;综合不同环境下的摩擦实验结果表明,含6%玻璃微珠的材料具有良好的摩擦学性能;添加2%和4%玻璃微珠材料的磨损机制主要为磨粒磨损与剥层磨损,但添加6%和8%玻璃微珠的材料以粘着磨损和磨粒磨损为主要磨损机制。     

粉末冶金制备碳纤维增强铁-铜基摩擦材料的组织与性能

以铁-铜为主组元,以石墨和MoS2为润滑组元,以Al2O3、SiC、锆英砂为摩擦组元,并添加不同质量分数的碳纤维,将原料混合均匀后经600 MPa冷压成形,然后在氢气气氛下热压烧结2 h(980℃,2~3 MPa),制备得到碳纤维增强铁-铜基摩擦材料,并对其硬度、相对密度、显微组织、摩擦磨损性能进行研究。结果表明:铁-铜基体上均匀分布着耐磨的陶瓷相及润滑组元,铁-铜基体有部分固溶,碳纤维掩埋在基体和摩擦组元间。当碳纤维质量分数为2%~4%时,所制备的摩擦材料硬度为HV 102.2~118.6,相对密度为90.4%~92.6%,摩擦系数为0.56~0.60,磨损失重量最小。该摩擦材料的磨损主要为磨粒磨损,伴随少量粘着磨损。碳纤维可以强化基体,钉扎摩擦组元,在摩擦磨损过程中隔断犁沟,降低材料磨损。     

石墨粒度对Cu-Fe基摩擦材料性能的影响

研究了石墨粒度对Cu-Fe基摩擦材料性能的影响,发现随着石墨粒度的细化,材料的硬度升高,强度降低,材料及对偶的磨损增大,对材料的摩擦因数也有所影响。     

高能量高功率密度湿式铜基摩擦材料的研制

采用粉末冶金方法,添加Sn、Zn、Ni、Ti合金元素作为合金组元,添加不同颗粒形态、粒度的鳞片石墨和人造石墨作为润滑组元,添加ZrO₂作为摩擦组元,通过对铜基粉末冶金摩擦材料进行成分设计及工艺优化,制备出高能量高功率密度的湿式铜基粉末冶金摩擦材料,提升湿式铜基摩擦材料的摩擦磨损性能。结果表明：铜基摩擦材料基体中同时添加Sn、Zn、Ni、Ti等多元合金元素可以提高材料的摩擦因数及稳定系数,基体硬度显著提高。添加ZrO₂对提高材料高速下摩擦因数的稳定性效果明显。大比例的鳞片石墨和人造石墨搭配使用可以显著提高材料的耐热性能。研制的摩擦材料能量吸收水平和功率水平得到有效提高,能量负荷许用值提升了30%,摩擦因数高且稳定,磨损率显著降低。     

TiCN/VCN多层膜的力学和摩擦磨损性能

采用多靶磁控溅射技术,制备TiCN、VCN单层膜及一系列调制比为1的不同调制周期的TiCN/VCN多层膜。利用X射线衍射仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损测试仪和扫描电子显微镜,研究各种薄膜的微结构、力学性能及室温和高温摩擦磨损性能。研究表明:不同调制周期的TiCN/VCN多层膜的硬度围绕混合法则计算的硬度值上下波动,没有出现致硬现象。TiCN和VCN单层薄膜室温下的摩擦因数很低,TiCN/VCN多层膜调制周期较小时摩擦因数较高,调制周期大于10 nm时摩擦因数逐渐接近TiCN和VCN单层膜。700℃下,TiCN/VCN多层膜的摩擦因数主要取决于表面生成的TiO2和V2O5的共同作用,与TiCN相比,TiCN/VCN多层膜的高温摩擦因数较小。     

石墨对Cu-12Al-6Ni粉末合金组织和性能影响

研究了石墨的添加对Cu-12Al-6Ni粉末合金组织和性能影响。结果表明：随着石墨含量增加,合金中的孔隙、Al4Cu9和NiAl相逐渐增多;合金的烧结密度、硬度和抗拉强度随着石墨的增加逐渐减小,而合金的摩擦因数和磨损量都先增大后减小,当石墨含量为0.5%时磨损达到最大,当石墨含量为1%时摩擦因数达到最大,当石墨添加2%时,磨损量比不添加石墨合金降低了约32%。     

添加ZrO2对铜基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

采用粉末冶金方法制备了高速列车用铜基摩擦材料,研究了添加ZrO2的量对材料的摩擦因数、磨损量的影响规律。结果表明:在添加ZrO2的材料中,含5%(质量分数,下同)ZrO2的材料摩擦因数较高,磨损量也较大;添加8%ZrO2的材料在高速下的摩擦因数较高,磨损率较小且变化平稳。材料的磨损在较低的速度下以粘着磨损为主;随着速度的上升,磨损也逐渐变成以剥层脱落和氧化磨损的混合机制为主。     

基体炭含量对C/C复合材料滑动摩擦磨损行为的影响

在M2000型摩擦试验机上,以表面镀Cr的40Cr钢为配副,测试了基体炭分别为光滑层热解炭(SL)、树脂炭(RC)和热解树脂炭(SL/RC)的3种C/C复合材料摩擦磨损行为.结果表明:随载荷增加,基体炭为全SL炭的材料A摩擦因数变化小,在0.117～0.105之间;全RC炭的材料B波动最大,在0.156～0.123之间;基体炭中SL炭质量分数为48.9%、RC炭质量分数为20.2%的材料C的摩擦因数波动幅度接近于材料A,在0.120～0.110之间.材料C的体积磨损最小,在0.191～0.620 mm3之间.随时间延长,材料A、C的摩擦因数稳定,材料B的下降幅度最大.SEM观察表明,随载荷增加,材料B摩擦表面逐渐致密、完整,材料C摩擦表面的纤维磨损现象加重.     

铅对铜基固体自润滑材料的润滑机理

以固溶强化的铜锡合金作为基体,以石墨和铅作为固体润滑剂,采用粉末冶金方法制备高速、重载条件用新型固体自润滑材料,研究铅对材料的高温力学性能和摩擦学行为的影响,通过分析摩擦表面和亚表面的微观形貌与结构探讨铅与石墨的协同润滑机理。结果表明:在铜-石墨材料中添加铅可显著提高材料的硬度和室温拉伸强度;铅的添加可提高铜-石墨材料300℃以下的高温压缩强度,Cu-9Sn-9Pb-10C在300℃的高温压缩强度为215.3 MPa;添加铅可显著提高铜-石墨材料在高速、重载条件下的摩擦稳定性,并略微降低平均摩擦因数。     

SiC含量对C/C-SiC摩擦材料摩擦磨损性能的影响

以整体碳毡为预制体,经化学气相渗透法制得C/C多孔坯体,然后采用反应熔融浸渗法制得C/C-SiC摩擦材料,探究SiC含量对C/C-SiC摩擦材料摩擦磨损性能的影响。结果表明:C/C-SiC试样的摩擦因数随着SiC含量的增加呈现先上升后下降的趋势,当SiC含量为29.88%时摩擦因数达到最大值0.62。当SiC含量低于33.56%时磨损率的变化规律与摩擦因数比较一致,当SiC含量高于33.56%时磨损率的变化规律与摩擦因数则呈相反的变化趋势。因此,SiC含量为33.56%时是该摩擦材料摩擦磨损性能的拐点。