文章编号: 1004-0609(2005)07-1040-05
不同成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响与机理
肖鹏, 熊翔, 任芸芸
(中南大学 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083)
摘 要: 采用温压-原位反应法制备C/C-SiC复合材料, 研究了SiC、 石墨和树脂炭成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响及其机理。 结果表明: SiC在摩擦表面摩擦膜的形成过程中起骨架作用, 提高SiC的含量有利于提高摩擦系数, 降低磨损率; 树脂炭在材料中具有粘结各成分和提高摩擦系数的作用, 但其成膜性较差, 易增大磨损率; 石墨粉在制动过程中起润滑作用, 适量石墨粉有助于形成稳定的摩擦膜降低磨损率; 摩擦表面摩擦膜的形成有利于减少C/C-SiC材料的磨损率。
关键词: C/C-SiC; 制动材料; 摩擦磨损; 摩擦机理 中图分类号: TB331; TH117.3
文献标识码: A
Effect and mechanism of different components of C/C-SiC composites on friction and wear behaviors
XIAO Peng, XIONG Xiang, REN Yun-yun
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: C/C-SiC composites were fabricated by warm compacted-in situ reacted process, and the effect and mechanism of SiC, graphite and resin carbon on friction and wear behaviors of C/C-SiC composites were investigated. The results indicate that, SiC acts as a framework in the course of forming friction film on the surface of a sample, and SiC is propitious to improve friction coefficient and lighten wear. Resin carbon makes all components compacted and enhances the friction coefficient, but with resin carbon increasing the wear is prone to increase. Graphite is a lubricant and its moderate content helps to forming friction film and to decrease wear. In the course of braking, to form film on the frictionizing surface of C/C-SiC composites is in favor of decreasing wear.
Key words: C/C-SiC; brake materials; friction and wear; friction mechanism
制动材料从合成材料、 粉末冶金材料、 C/C复合材料发展到了C/C-SiC复合材料[1-4]。 C/C-SiC复合材料具有密度低(约为2.0g/cm3)、 耐磨性好、 摩擦系数高、 制动平稳、 抗腐蚀、 抗氧化、 耐高温、 环境适应性强(如湿态下摩擦系数不衰退)和寿命长等优点, 引起了飞机、 汽车和高速列车等领域的极大关注[5-9]。 研究报道[10-12]的C/C-SiC复合材料制备方法主要有热压-烧结法(HP-Sinter)、 化学气相渗透法(CVI)、 聚碳硅烷转化法(PIP)和熔Si浸渗法(RMI)。 CVI和PIP法工艺周期长, 主要用于高强度热结构C/C-SiC复合材料的制备; HP-Sinter法成形性较差, 炭纤维损伤大; 国外普遍采用成形性较好和周期较短的RMI法制备C/C-SiC制动材料, 并对其摩擦磨损性能进行了初步研究[13-15], 但对每种成分在摩擦磨损过程中的作用及其机理缺乏研究。 从推广应用的角度看, RMI法制备C/C-SiC制动材料成本高, 目前仅用于保时捷等高级轿车、 跑车和高速列车试用线, 一辆保时捷轿车的C/C-SiC刹车副价值8000多美元。 因此发展高性能C/C-SiC制动材料的低成本制造技术是推广其在制动领域应用的关键。 本文作者在国内外首次探索采用温压-原位反应法制备C/C-SiC复合材料, 发现与前述方法相比制备周期大大缩短, 成本大幅度降低。 本文作者研究了SiC、 石墨和树脂炭等成分对温压-原位反应法制备C/C-SiC材料的摩擦磨损性能影响及其机理, 以期为温压-原位反应法制备高摩擦磨损性能C/C-SiC制动材料奠定应用基础。
1 实验
1.1 C/C-SiC制动材料的制备
采用短切的东丽T700炭纤维为增强相, 长度为3~10mm; 基体成分来源于石墨粉(粒度≤0.075mm)、 呋喃树脂、 含99.3%Si的硅粉(粒度≤0.053mm)和高含炭量粘结剂。 在制备过程中将Si粉、 石墨粉、 树脂、 短炭纤维和粘结剂按一定配比均匀混合, 温压成形后通过原位反应在坯体中生成SiC相得到最终C/C-SiC复合材料, 工艺过程如图1所示。
图1 C/C-SiC复合材料的制备工艺
Fig.1 Fabrication process of C/C-SiC composites
1.2 分析测试
采用排水法测定C/C-SiC复合材料的体积密度。 在MM-1000型摩擦试验机上进行摩擦磨损性能的测试, 以C/C-SiC复合材料作为静盘, 钢对偶件为动盘。 试样和对偶件大小为d75mm×d53mm×16mm。 采用摩擦热冲击法, 将动环通过键槽与驱动主轴相连并随驱动主轴和惯性飞轮一同加速到规定的制动速度下, 施加一定的压力使静环和旋转的动环发生摩擦而实现制动刹车, 通过测量制动力矩可计算制动摩擦系数。 制动条件为: 惯量0.1kg/m2、 刹车压力0.5MPa、 制动线速度22m/s。 用螺旋测微器测量试环上5点处摩擦前后尺寸的变化, 取平均值得到线性磨损。 每种条件实验10次, 取每组数据的数学平均值。 采用JSM-5600LV和KYKY2800型SEM设备对摩擦表面进行微观观察分析。
2 结果与分析
2.1 实验结果
试样主要成分和摩擦磨损性能试验结果列于表1中。 从表1中1号~3号试样的成分和摩擦性能可看出, 在其他成分相同的情况下, 增大SiC的体积含量, 可提高材料的摩擦系数, 降低材料磨损率。 而从5号~8号试样的成分和摩擦试验结果中看到, 在炭纤维含量和石墨粉含量分别相等的情况下, 随树脂炭体积含量的增加, SiC含量的减少并没有使材料摩擦系数下降, 说明树脂炭具有增大摩擦系数的作用; 同时, 从对磨损率来看, 树脂炭的影响不明显。 对比4号和5号试样的成分和摩擦性能可发现, 尽管SiC含量和炭纤维含量相同, 石墨粉和树脂炭的总量基本相同, 但是两个试样的摩擦系数和磨损率相差很大, 表明石墨粉和树脂炭虽然都是炭基体, 但两者因结构不同而对摩擦磨损性能具有不同的作用机制。 从表1中还可知, SiC含量最高的1号试样具有最高的摩擦系数0.39, 最低的磨损率1.1μm/次, 而SiC含量最低、 石墨含量最高的4号试样摩擦系数最低0.20, 磨损率最高达12.7μm/次。
在相同的刹车条件下, 不同成分的试样具有不同的摩擦表面形貌(如图2所示), SiC含量越高, 试样表面的摩擦膜越趋于完整; 树脂炭含量对试样表面摩擦膜形成的影响不明显; 石墨含量最低的1号和3号试样均形成了较好的摩擦膜, 含量最高的4号试样摩擦表面凹凸不平, 出现了堆积成团的磨屑, 总的来看石墨对摩擦膜形成的影响取决于SiC和树脂炭的含量。 摩擦膜形貌表明了不同成分具有不同的摩擦磨损机制, 在它们的综合作用下表现出不同的摩擦表面形貌。
2.2 SiC的作用
SiC硬度高、 耐磨、 耐蚀、 高导热、 高强度, X射线衍射结果表明在所有试样中均以面心立方β-SiC形式存在。 在摩擦过程中, 高硬度的SiC以硬质点形式存在, 形成骨架起增摩和固定磨屑的作用; 而试样中硬度和强度较低的石墨、 树脂炭和炭纤维, 易被剪切形成大量的磨屑, 聚集在摩擦表面填充于硬质SiC骨架中, 形成摩擦膜起调节摩擦系数的作用。 SiC含量越高, 摩擦表面SiC骨架形成的空隙越小, 表面游离的炭质磨屑越易镶嵌在SiC骨架的空隙中形成摩擦膜, 从而磨损率越低。
表1 C/C-SiC材料的主要成分和摩擦性能
Table 1 Main components and friction properties of C/C-SiC material
图2 试样摩擦表面形貌的SEM照片
Fig.2 SEM images of friction surfaces
从图2(a)~2(c)的SEM照片可知, 在SiC含量较高的1号试样中, 被剪切的磨屑易镶嵌在SiC骨架中, 形成较为完整的摩擦膜; SiC含量较低的3号试样中, 大量的磨屑在空隙较大的SiC骨架中难以聚集成膜而脱落, 因而形成不完整的摩擦膜; SiC和树脂炭含量均最低的4号试样中, 由于缺乏足够的硬质相形成骨架, 摩擦表面没有形成摩擦膜, 磨屑脱落导致较大的磨损率。 结合表1中1号、 3号和4号试样的摩擦系数和磨损率可知, 完整摩擦膜的形成有利于摩擦面通过膜与对偶表面紧密接触, 使真实接触面积增大, 产生粘着磨损, 增大摩擦力, 使摩擦系数增大; 同时较为完整的摩擦膜又阻止了对材料的进一步磨损, 因而材料的磨损较小。 相比之下摩擦膜不完整使摩擦面的真实接触面积较小, 导致摩擦系数较小; 同时由于摩擦表面骨架与磨屑间成膜性较差, 磨屑脱落导致材料磨损较大。
2.3 石墨粉的作用
对比石墨粉含量高的4号试样与树脂炭含量高的5号试样的摩擦系数变化曲线(图3)可知, 高石墨粉体积含量为52.5%的4号试样摩擦系数曲线平稳, 没有产生振动, 而树脂炭体积含量为41.4%的5号试样摩擦系数曲线振动很大, 并且4号试样的摩擦系数为0.2, 明显低于5号试样的0.3。 这表明具有六角形网格层面规格堆积而成的层状晶体结构的石墨粉, 由于晶体层间易于滑移, 在制动过程中可防止刹车片产生振动。
在试样制备过程中石墨以粉末的形式加入, 依靠Si-C反应和树脂炭进行粘结, 其粘结强度取决于SiC和树脂炭的含量。 4号试样中石墨粉体积含量高达52.5%, 粘结强度较低, 在摩擦过程中石墨粉容易剥离形成磨屑。 从图2(c)的试样摩擦表面SEM照片可观察到, 石墨磨屑在摩擦表面团聚, 由于骨架相SiC和树脂炭的含量较低不能固定磨屑成膜, 大块的磨屑团在摩擦过程中脱落, 导致较大的磨损率。 由此可见, 石墨磨屑虽易于成膜, 但在试样中骨架相含量较低的情况下, 石墨并不能成膜起到降低磨损的作用, 因此只有在适量骨架相的固定作用下, 石墨才能成膜降低磨损率。
图3 不同试样摩擦系数的变化曲线
Fig.3 Friction coefficient curves of
different samples
2.4 树脂炭的作用
树脂炭晶体结构不发达, 结晶程度较低, 为无定形炭, 其硬度和强度均高于石墨, 在试样中主要起粘结各成分和调整摩擦系数的作用, 在摩擦过程中易被剪切成细小的磨粒。 由于树脂炭磨粒较硬成膜性差, 因此以磨粒形式增大摩擦力, 提高摩擦系数; 如果没有足够SiC骨架固定和适量的石墨的辅助成膜, 游离的树脂炭磨粒将进一步剪切变细而脱落, 增大磨损率。 在树脂炭体积含量高达41.4%、 而从SiC体积含量只有10%的5号试样的摩擦表面SEM照片(图2(d))可观察到, 磨粒作用于表面形成犁沟状划痕, 而没有形成摩擦膜。
2.5 SiC、 树脂炭和石墨粉的综合作用
由表1可知, 5号~8号试样的石墨粉和炭纤维的体积含量相同, SiC和树脂炭的含量不同, 从摩擦实验结果可以看出, 4种试样的摩擦系数变化不大, 5号试样的磨损最大, 6号试样最小, 7号、 8号试样磨损接近。 从图2试样的摩擦面SEM照片可以看出, 不同试样的摩擦状况有较大的区别: 5号试样的摩擦面凹凸不平, 有犁沟状的划痕, 摩擦表面没有形成摩擦膜; 6号试样的摩擦面形成了一定的摩擦膜, 但摩擦膜不完整, 中间有剥落现象; 7号试样摩擦面上形成了不连续摩擦膜。 这表明摩擦膜的形成有利于减少C/C-SiC材料的磨损率。
从5号~8号试样的摩擦实验结果及摩擦面形貌可以看出, 在SiC含量变化较大时, 试样的摩擦系数并没有明显的变化, 这表明树脂炭具有增大摩擦系数的作用。 在SiC含量较低时, 较硬的树脂炭颗粒以磨粒磨损的形式增大摩擦力, 使试样的摩擦系数没有因SiC较低而明显下降。 综合分析全部试样的实验结果可知, SiC有利于提高摩擦系数, 降低磨损率; 树脂炭在提高摩擦系数的同时也易提高磨损率; 石墨有助于形成摩擦膜降低磨损率, 同时降低摩擦系数; 三者相互影响, 共同作用, 在已有的实验中, 当SiC、 石墨粉和树脂炭的体积含量分别为37%、 12.1%和20.8%时, 摩擦系数和磨损率分别达到最大值0.39与最小值1.1μm/次。
3 结论
1) C/C-SiC材料在摩擦磨损过程中, SiC对摩擦膜的形成起骨架作用, 有利于提高摩擦系数和降低磨损率; 树脂炭起粘结各成分和提高摩擦系数的作用, 但易增大磨损率; 石墨粉起润滑作用, 适量石墨含量有助于形成摩擦膜降低磨损率。
2) 摩擦过程中试样表面摩擦膜的形成有利于减少C/C-SiC材料的磨损率。
3) 采用温压-原位反应法制备的C/C-SiC制动材料的摩擦系数和磨损率可分别达到0.39和1.1μm/次。
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基金项目: 国家教育部科学技术研究重点资助项目(02148)
收稿日期: 2005-02-17; 修订日期: 2005-05-09
作者简介: 肖鹏(1971-), 男, 教授, 博士.
通讯作者: 肖鹏, 教授; 电话: 0731-8830131; E-mail: xiaopeng@mail.csu.edu.cn
(编辑 陈爱华)