简介概要

载荷、时间、速度对C/C复合材料摩擦磨损行为的影响

来源期刊:中国有色金属学报2006年第2期

论文作者:葛毅成 易茂中

文章页码:241 - 246

关键词:C/C复合材料; 滑动摩擦磨损; 摩擦系数

Key words:C/C composites; sliding tribology; friction coefficient

摘    要:在M2000型、 MG1000型高温摩擦实验机上, 将3种C/C复合材料分别与40Cr镀Cr钢、 W18Cr4V钢配副进行滑动摩擦实验。结果表明: 在环-块滑动摩擦实验中, 随时间延长, 试样摩擦系数均趋向平稳, 质量磨损量均增长。 其中, 低密度试样的摩擦系数较高, 在0.13~0.18之间波动; 在销-盘滑动摩擦实验中, 室温下, 20 N时,具有粗糙层/光滑层/树脂炭试样摩擦系数为0.13、 1 h质量磨损为1.1 mg, 40 N时分别为0.10和0.9 mg, 60 N时分别0.15和3.9 mg为; 200 ℃时, 试样的摩擦系数和1 h质量磨损均大幅度增加, 分别在0.16~0.27和4.1~5.8 mg之间;“跑合”期间, 随时间延长, 试样的摩擦系数和磨损量均逐渐增大;“跑合”结束后,摩擦系数变小, 磨损量趋于稳定; 随转速增加, 试样的摩擦系数和质量磨损均增加。

Abstract: Using M2000 wear tester and MG1000 high temperature wear tester, the sliding tribology behavior of three kinds of C/C composites with different matrix carbon were investigated with 40Cr steel coated by Cr or W18Cr4V steel as couple. The result shows that in the ring-block sliding wear test, with time prolonging, the friction coefficient of all samples becomes more and more stable, and the mass wear loss increases. Among such samples, the samples with low density hold high friction coefficient between 0.13-0.18. In the pin-dish sliding wear test, at room temperature, under 20 N test, the friction coefficient of the sample with rough lamination/smooth lamination/resin carbon is 0.13 and the mass wear loss after 1 h test is 1.1 mg, and those under 40 N test are 0.10 and 0.9 mg, respectively, and those under 60 N are 0.15 and 3.9 mg, respectively. At 200 ℃, the friction coefficient and mass wear loss increase quickly which varly among 0.16-0.27 and 4.1-5.8 mg, respectively. During the time of running in, the friction coefficient and mass wear loss increases with time prolonging. After the running in, the friction coefficient decreases and the mass wear loss gets stable. With revolving speed increases, both the friction coefficient and mass wear loss increase.

基金信息:国家重点基础研究发展计划资助项目



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 文章编号: 1004-0609(2006)02-0241-06

载荷、 时间、 速度对C/C复合材料摩擦磨损行为的影响

葛毅成, 易茂中

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083)

摘 要: 在M2000型、 MG1000型高温摩擦实验机上, 将3种C/C复合材料分别与40Cr镀Cr钢、 W18Cr4V钢配副进行滑动摩擦实验。 结果表明: 在环-块滑动摩擦实验中, 随时间延长, 试样摩擦系数均趋向平稳, 质量磨损量均增长。 其中, 低密度试样的摩擦系数较高, 在0.13~0.18之间波动; 在销-盘滑动摩擦实验中, 室温下, 20N时, 具有粗糙层/光滑层/树脂炭试样摩擦系数为0.13、 1h质量磨损为1.1mg, 40N时分别为0.10和0.9mg, 60N时分别0.15和3.9mg为; 200℃时, 试样的摩擦系数和1h质量磨损均大幅度增加, 分别在0.16~0.27和4.1~5.8mg之间; “跑合”期间, 随时间延长, 试样的摩擦系数和磨损量均逐渐增大; “跑合”结束后, 摩擦系数变小, 磨损量趋于稳定; 随转速增加, 试样的摩擦系数和质量磨损均增加。

关键词: C/C复合材料; 滑动摩擦磨损; 摩擦系数

中图分类号: TB332                            文献标识码: A

Influence of load, time, speed on

sliding tribology behavior of C/C composites

GE Yi-cheng, YI Mao-zhong

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Using M2000 wear tester and MG1000 high temperature wear tester, the sliding tribology behavior of three kinds of C/C composites with different matrix carbon were investigated with 40Cr steel coated by Cr or W18Cr4V steel as couple. The result shows that in the ring-block sliding wear test, with time prolonging, the friction coefficient of all samples becomes more and more stable, and the mass wear loss increases. Among such samples, the samples with low density hold high friction coefficient between 0.13-0.18. In the pin-dish sliding wear test, at room temperature, under 20N test, the friction coefficient of the sample with rough lamination/smooth lamination/resin carbon is 0.13 and the mass wear loss after 1h test is 1.1mg, and those under 40N test are 0.10 and 0.9mg, respectively, and those under 60N are 0.15 and 3.9mg, respectively. At 200℃, the friction coefficient and mass wear loss increase quickly which varly among 0.16-0.27 and 4.1-5.8mg, respectively. During the time of running in, the friction coefficient and mass wear loss increases with time prolonging. After the running in, the friction coefficient decreases and the mass wear loss gets stable. With revolving speed increases, both the friction coefficient and mass wear loss increase.

Key words: C/C composites; sliding tribology; friction coefficient

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   C/C复合材料密度低、 热膨胀系数小、 强度高、 比热容大、 以及具有优异的摩擦磨损性能, 已在高性能飞机刹车制动系统中得到应用。 而在高性能航空发动机中, C/C复合材料作为主轴密封环已成为先进密封装置的实施和提高发动机效率的重要技术基础[1-15]。 因此, 开展C/C复合材料与金属之间的滑动摩擦磨损行为的研究, 是确保其成功应用的重要前提。

在配副均为C/C复合材料、 瞬时而重复的刹车制动摩擦行为和机理方面, 已进行了广泛、 深入的研究。 但在密封环中, 与C/C复合材料配副的是钢材料, 其摩擦行为为长时间的滑动摩擦, 因此, 由制动摩擦得到的摩擦机理难以完全符合密封环用C/C复合材料的滑动摩擦机理[1-8]。 所以, 必须对此类工况下C/C复合材料的摩擦机理进行研究。 因此, 本文作者将重点探讨时间、 载荷、 速度对C/C复合材料与钢材料配副时摩擦磨损行为的影响。

1 实验

实验材料为3种具有不同类型和结构基体炭的C/C复合材料。 试样性能参数见表1。

在M2000型摩擦实验机上进行C/C复合材料与表面镀Cr的40Cr钢配副的环-块滑动摩擦实验。 其中, C/C复合材料加工成20mm×12mm×6mm的块状试样, 摩擦面为20mm×12mm, 表面粗糙度为0.8μm, 配副间的滑动线速度为0.42m/s。 实验时块状样固定。 室温、 干态, 载荷分别为60、 80、 100、 120N。

在MG-2000高速高温摩擦磨损实验机上进行C/C复合材料销与W18Cr4V钢盘配副的滑动摩擦实验, 销试样尺寸为d6mm×20mm的小圆柱体。 试样摩擦回转半径为16mm。 实验时上试样销固定, 下试样盘旋转。 实验温度分别为室温(RT)、 200℃, 干态; 实验载荷分别为20、 40和60N; 下试样盘的转速分别为100、 200、 300和400r/min, 干态。

采用光学读数显微镜测量块状试样摩擦表面磨痕宽度, 光学分析天平测量试样摩擦前后的质量变化, 采用JSOL-5600型SEM扫描电镜观察材料摩擦表面形貌。

2 结果与分析

2.1 M2000型实验机上的结果与分析

图1(a)、 (b)所示分别为与表面镀Cr的40Cr钢配副, 试样A的摩擦系数和质量损失随时间的变化。 由图1(a)可见, 随时间延长, 不同载荷下试样摩擦系数波动幅度不一样, 但基本上是围绕在某一平均值波动, 其中以60、 80N摩擦系数的波幅较大。 由1(b)可见, 质量磨损基本是随时间延长而增加, 但增幅逐渐降低。

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图1   与表面镀Cr的40Cr钢配副时试样A摩擦系数、质量磨损随时间的变化

Fig.1  Variations of friction coefficient(a), mass loss(b) with time for composites A with 40Cr steel coated by Cr as couple

表1   C/C复合材料的性能参数

Table 1  Properties of C/C composites

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   图2(a)、 (b)所示分别为与表面镀Cr的40Cr钢配副, 载荷为100N时, 不同取向时试样B的摩擦系数和质量磨损随时间的变化。 由图2(a)可见, 随时间延长, 试样摩擦系数增加, 但增幅降低, 趋于稳定。 纤维平行摩擦滑动方向(x)试样的摩擦系数高于纤维垂直滑动方向(y)的试样。 由图2(b)可见, 体积磨损同样随时间延长而增加, y方向试样的增幅大。

7-t2.jpg

图2   与表面镀Cr的40Cr钢配副时试样B摩擦系数、质量磨损随时间的变化

Fig.2  Variations of friction coefficient(a),mass loss(b) of composites B with time with 40Cr steel coated by Cr as couple

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