改性粉煤灰微珠摩擦材料摩擦磨損性能的研究

1、改性粉煤灰微珠摩擦材料摩擦磨損性能的研究*曲烈，楊久俊，樂(lè)俐（天津城市建設(shè)學(xué)院材料科學(xué)與工程系）孫金鵬，申坤瑞（河北省摩擦材料研究所）Research on Frictional Wear Behaviour of Modified Fly Ash Beads Friction Material Lie Qu, Jiujun Yang, Li Yue(Tianjin Institute of Urban Construction, Material Science and Engineering Department)Jinpeng Sun, Kunrui Shen(Hebei Provinc

2、e Graduate School of Friction Material)摘要：通過(guò)定速摩擦試驗(yàn),研究了摻加工業(yè)固體廢棄物中提取的粉煤灰微珠的半金屬配方摩擦材料摩擦磨損性能。試驗(yàn)表明：與未加粉煤灰的對(duì)照組比，小粒徑、大摻量的改性粉煤灰試樣摩擦系數(shù)變大，尤其是在低溫段（2000C）明顯變大；摻浮石和摻礦渣的試樣摩擦系數(shù)均明顯變小，但僅在2000C時(shí)摻礦渣試樣的摩擦系數(shù)稍有增加。與未加粉煤灰的對(duì)照組比，所有摻粉煤灰試件磨損率都明顯增加。粒徑小、摻量大的改性粉煤灰試樣相對(duì)磨損較小，但在高溫段磨損率變大。摻浮石的試樣比摻礦渣的試樣在高溫段（2000C）的磨損率更大。摻加改性粉煤灰有類(lèi)似摻加磨料的作

3、用，但其高溫段磨損率明顯增大，其原因可能是由于硬度相差大而產(chǎn)生應(yīng)力集中的裂縫缺陷，建議在原配方的基礎(chǔ)上摻加復(fù)合填料來(lái)改變硬度匹配問(wèn)題。關(guān)鍵詞：摩擦材料；摩擦磨損；粉煤灰微珠；偶聯(lián)劑。Abstract: Using fixed speed testing，the frictional wear behaviour of the semimetallic compound friction material which adulterate fly ash beads from industrial solid waste has been researched. The experiment s

4、howed: Compared with the group without fly ash, the friction factor of the group with higher content and small size modified fly ash is much larger, especially its obviously larger in the low temperature part (200); the friction factor of the group with floatstone and the group with scoria are both

5、obviously smaller, but the friction factor of the group with scoria increases little, only in the 200. Compared with the group without fly ash, the wear-rate of all the fly ash groups increase obviously. The wear-rate of the group with higher content and small size modified fly ash is samller, but i

6、ts larger in the hign temperature part. In the high temperature part(200), the wear-rate of the group with floatstone is much larger than the group with scoria. Adulterating modified fly ash takes the similar role as adding abrasive, but the wear-rate increase obviously in its high temperature part,

7、 the reason is that bigger difference of hardness makes the stress of crack defect concentrated, the suggestion to solve this problem is recruit small hardness filling.Key words: friction material；frictional wear；fly ash beads；Coupling agent隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)新型高性能摩擦材料的需求不斷增加，特別是對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)呼聲的日益高漲，以節(jié)能和環(huán)保為目

8、標(biāo)，采用多學(xué)科技術(shù)的交叉，研究具有節(jié)能和環(huán)境保護(hù)特征，更高效更可靠的綠色摩擦材料是我國(guó)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)制備汽車(chē)制動(dòng)器和離合器所用的摩擦材料，幾乎都是用樹(shù)脂或橡膠材料作為粘合劑的，用無(wú)機(jī)、有機(jī)* 本研究得到天津市科委科研項(xiàng)目基金資助。和金屬等作為增強(qiáng)劑，非金屬、金屬和有機(jī)物作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑來(lái)制作的，其比例組成為：粘合劑約占525%；增強(qiáng)劑約占2050%；摩擦性能調(diào)節(jié)劑約占3060%；工藝調(diào)節(jié)劑約占0.51%。其中摩擦性能調(diào)節(jié)劑占摩擦材料配方中較大比例，它可以使材料保持較穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和較小的磨損率，常采用非金屬礦物制得。常用的可提高摩擦系數(shù)的礦物有重晶石（硫酸鋇）、硅灰石、鉻鐵礦、氧化

9、鋁、長(zhǎng)石、陶土、礬土（剛玉）等。常用保持摩擦系數(shù)平穩(wěn)、摩擦表面潤(rùn)滑的礦物有石墨、二硫化鉬、云母、滑石等1-4。在傳統(tǒng)的配方體系中，這些摩擦調(diào)節(jié)劑均采用的是非金屬礦物，不僅成本較高，而且使用天然礦物材料消耗不可再生資源。從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)看，利用工業(yè)固體廢棄物發(fā)展綠色摩擦材料作為摩擦調(diào)節(jié)劑，不僅可降低成本，而且也保護(hù)了環(huán)境與資源，并且對(duì)促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重大意義?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，僅見(jiàn)過(guò)改性粉煤灰用作塑料材料填料的報(bào)道，尚未有用粉煤灰和改性粉煤灰作為摩擦材料增摩調(diào)節(jié)劑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供研究參考，因此改性粉煤灰用作摩擦材料的摩擦磨損性能值得作進(jìn)一步研究。1 原材料及試驗(yàn)方法 1.1 原材料樹(shù)脂6816；

10、礦物纖維（101）；鋼纖維；丁腈膠粉；蛭石；硫酸鋇；石墨；粉煤灰；表面改性粉煤灰；礦粉；浮石粉。1.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法試驗(yàn)設(shè)備硬度按照GB/T57661996摩擦材料液壓硬度實(shí)驗(yàn)法，在萊州華銀試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的XHRD150電動(dòng)塑料洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；摩擦系數(shù)和磨損率按照GB57631998汽車(chē)制動(dòng)器的襯片標(biāo)準(zhǔn)，在二汽設(shè)備制造廠生產(chǎn)的DMS定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度按照汽車(chē)制動(dòng)器襯片材料內(nèi)抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法QC/T47399，在濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的WE100型（最大試驗(yàn)力100KN）液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)方法將樹(shù)脂、礦物纖維投入到高速混料機(jī)預(yù)松開(kāi)，使樹(shù)脂與鋼纖維、礦物纖維等混合均

11、勻，然后將摩擦顆粒、性能調(diào)節(jié)劑與其它填料放入混料機(jī)中，按照設(shè)計(jì)的混料時(shí)間將物料混合均勻。按照通常的熱壓工藝條件進(jìn)行壓制成型。然后在高溫下進(jìn)行摩擦片的二次固化，使產(chǎn)品的物理與化學(xué)性能更加趨于穩(wěn)定，工藝流程如下：壓制熱處理鋼板沖裁噴砂涂膠烘干混料配料原材料干燥磨削噴漆包裝剪切硬度制樣密度定速臺(tái)架1.3 試驗(yàn)配方設(shè)計(jì)本試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)了十個(gè)配方，見(jiàn)表1。表1 摻粉煤灰的摩擦材料試驗(yàn)配方設(shè)計(jì) 單位：%原材料A1*A2*B1B2C1C2D1D2E1E2樹(shù)脂（6816）10101010101010101010礦物纖維（101）52555555555鋼纖維2002525252525252525硫酸鋇（500目）

12、25252020202020202020還原鐵粉4400000000鉻鐵礦（200目）3344445355石墨1515111111111291212摩擦顆粒6600000000丁腈膠粉3333333333蛭石（6080目）4400000000銅粉5500000000粉煤灰0022*22*000000改性粉煤灰000022*22*20*25*1414礦渣粉0000000060浮石粉0000000006注：* A1、A2為某廠的生產(chǎn)配方，其中A1為半金屬纖維配方，A2為非金屬配方;* 粒徑為150200m；*粒徑為4575m。2 試驗(yàn)結(jié)果2.1定速摩擦試驗(yàn)結(jié)果表2 定速摩擦試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目試樣 摩擦系

13、數(shù) 磨損率10-7cm3/（N·m）100150200250300350100150200250300350A10.400.340.340.340.280.260.180.250.370.520.670.96A20.350.320.360.290.260.270.120.270.340.630.721.00B10.360.280.320.260.260.260.190.370.450.591.211.60B20.300.280.310.260.270.260.370.500.901.121.301.56C10.400.350.300.310.270.260.270.420.761.0

14、41.351.60C20.390.360.360.340.290.270.250.310.721.001.141.59D10.380.330.340.290.290.260.270.340.800.981.181.85D20.390.410.380.380.290.270.210.350.591.041.161.86E10.380.350.360.300.270.260.150.420.750.961.091.85E20.400.320.320.290.270.260.220.400.691.061.601.832.2 剪切強(qiáng)度表3 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果試樣項(xiàng)目A1A2B1B2C1C2D1D2E1

15、E2剪切強(qiáng)度(N/cm2)360.5393413.5562401369360.5416.5396356.52.3 硬度表4 硬度試驗(yàn)結(jié)果試樣項(xiàng)目A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2硬度（HRS）728879867880727670803 討論與分析3.1 摻粉煤灰對(duì)摩擦材料摩擦系數(shù)的影響從現(xiàn)代摩擦理論來(lái)說(shuō)，摩擦分為內(nèi)摩擦和外摩擦兩大類(lèi)，外摩擦又分為靜、動(dòng)摩擦兩類(lèi)，動(dòng)摩擦又分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦?；瑒?dòng)摩擦可根據(jù)摩擦面間存在潤(rùn)滑劑的情況分為干摩擦、邊界摩擦（邊界潤(rùn)滑）、混合摩擦（混合潤(rùn)滑）及流體摩擦（流體潤(rùn)滑）。干摩擦理論分機(jī)械嚙合、粘著、分子機(jī)械能量理論。機(jī)械嚙合理論認(rèn)為，兩個(gè)粗糙表面接觸時(shí)

16、，接觸點(diǎn)互相嚙合、摩擦力間的阻力總和，故表面越粗糙，摩擦力越大。粘著理論認(rèn)為，在荷載作用下，摩擦副只是部分封頂接觸，單位接觸面上的壓力完全達(dá)到材料屈服極限產(chǎn)生塑性流動(dòng)。汽車(chē)用制動(dòng)器和離合器摩擦副多數(shù)處于干摩擦狀態(tài)，摩擦材料與對(duì)偶之間接觸產(chǎn)生的摩擦力由“粘著”阻力和機(jī)械變形阻力組成。在外力作用下，接觸點(diǎn)處承受較大的應(yīng)力而產(chǎn)生彈性或塑性變形，吸附在摩擦表面上的污染膜，有可能因高壓在變形過(guò)程中受到破壞、剝落或被擠出，造成基體間的直接接觸而產(chǎn)生“粘著”。吸附理論認(rèn)為：任一固體表面狀態(tài)的能量，都是處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)，就是發(fā)生分子間吸力或斥力的條件，其大小取決于物體之間的距離及其表面的性質(zhì)

17、。5-6從表2和圖1-4可看出與對(duì)照組A1相比，摻不同粒徑未改性粉煤灰的試樣摩擦系數(shù)都明顯變小；摻小粒徑改性粉煤灰的試樣摩擦系數(shù)明顯變大，反之摻大粒徑改性粉煤灰的試樣變??；摻量大的改性粉煤灰試樣摩擦系數(shù)明顯變大，反之摻量少的改性粉煤灰試樣明顯變??；摻礦渣、浮石的試樣摩擦系數(shù)明顯減小，但在2000C時(shí)摻礦渣試樣的摩擦系數(shù)稍有增加。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的比較,可以看出摻量大的小粒徑改性粉煤灰的試樣，由于用偶聯(lián)劑改性，增強(qiáng)了粉煤灰與酚醛樹(shù)脂界面粘接，增大了摩擦系數(shù)。一般而言,使用磨料可以提高摩擦材料在高溫時(shí)的摩擦性能。因此,為了穩(wěn)定摩擦系數(shù)通過(guò)增加磨料(碳化硅) 的配比可以適當(dāng)提高高溫摩擦系數(shù),但也會(huì)增加

18、磨損。本研究中粒徑小、摻量大的改性粉煤灰起到了類(lèi)似增加磨料的作用。在低、高溫時(shí)主要以粘著理論摩擦為主，即在荷載作用下摩擦材料與對(duì)偶之間接觸產(chǎn)生的摩擦力由“粘著”阻力和機(jī)械變形阻力組成。在外力作用下，接觸點(diǎn)處承受較大的應(yīng)力而產(chǎn)生彈性或塑性變形，造成基體間的直接接觸而產(chǎn)生“粘著”。圖1 不同粒徑的粉煤灰對(duì)摩擦材料摩擦系數(shù)的影響圖2 不同粒徑的改性粉煤灰對(duì)摩擦材料摩擦系數(shù)的影響圖3不同摻量粉煤灰對(duì)摩擦材料摩擦系數(shù)的影響圖4不同填料對(duì)摩擦材料摩擦系數(shù)的影響3.2摻粉煤灰對(duì)摩擦材料磨損率的影響對(duì)于制動(dòng)摩擦來(lái)說(shuō)，摩擦與磨損是摩擦過(guò)程中既相關(guān)又矛盾的兩個(gè)方面，摩擦系數(shù)越高，其所產(chǎn)生的剪切阻力越大，因而摩擦材

19、料越易破壞，產(chǎn)生的磨損就越大，材料的使用壽命越短。而在生產(chǎn)中所需要的是有一定的摩擦阻力而又致引起過(guò)大磨損的摩擦材料。制動(dòng)副主要有三種磨損形式：粘著磨損、磨料磨損和熱疲勞磨損。粘著磨損：在高溫、高壓下，由于接觸的均勻性和分散性不好，接觸點(diǎn)形成局部粘著點(diǎn)。當(dāng)粘著點(diǎn)受剪切所產(chǎn)生的摩擦阻力大于表面膜與基體材料本身的流動(dòng)極限時(shí)，在法向和切向力的聯(lián)合作用下，表面膜將破裂。摩擦面的表面材料粘到另一面上產(chǎn)生材料的轉(zhuǎn)移，一般是較軟材料移到較硬材料表面上。摩擦副粘著磨損與襯片的硬度成反比，與襯片中金屬物質(zhì)的含量、載荷成正比。磨料磨損：對(duì)于摩擦材料，摩擦初期由于表面粗糙及表面溫度不高，硬質(zhì)點(diǎn)在切向力的作用下將材料表

20、層劃傷，對(duì)有機(jī)摩擦襯片的材質(zhì)，其磨粒呈卷曲狀。熱疲勞磨損：在制動(dòng)過(guò)程中，每經(jīng)一個(gè)接觸斑點(diǎn)就是一變形波。由于循環(huán)熱應(yīng)力的作用，表面或表層將產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展至小塊磨粒而剝落。對(duì)于有機(jī)摩擦襯片，在填料粘合劑或填料填料界面間總存在一些粘合強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)而成為裂紋的根源。7-9從表2和圖5-8可看出與對(duì)照組A1相比，所有的試件都增加了磨損率，說(shuō)明摻粉煤灰和其它礦物填料的改性方法仍有待進(jìn)一步提高。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn),可以看出對(duì)于未改性粉煤灰試樣，粒徑變小的試件反而增加了磨損率；對(duì)于改性粉煤灰的試樣，減小粒徑、增大摻量將減少磨損率。摻浮石的試樣比摻礦渣的試樣磨損率大，尤其是在高溫段。改性粉煤灰試樣在減小粒徑、增大

21、摻量的條件下磨損率減少的原因，可能是由于增大摻量、減小顆粒粒徑后將使摩擦材料內(nèi)部變得更加密實(shí)，另一方面摻鋁酸脂偶聯(lián)劑后增加了粉煤灰與酚醛樹(shù)脂的界面粘接強(qiáng)度使得摩擦材料磨損率變小和不易破壞。由圖6和圖7可看出，大摻量小粒徑的改性粉煤灰在高溫段的磨損率更大。有的研究人員認(rèn)為5，有機(jī)摩擦襯片在低溫時(shí)以磨粒磨損為主，即摩擦初期由于表面粗糙及表面溫度不高，硬質(zhì)點(diǎn)在切向力的作用下將材料表層劃傷。高溫時(shí)以粘著磨損和熱疲勞磨損為主，即在高溫、高壓下，由于接觸的均勻性和分散性不好，接觸點(diǎn)形成局部粘著點(diǎn)。當(dāng)粘著點(diǎn)受剪切所產(chǎn)生的摩擦阻力大于表面膜與基體材料本身的流動(dòng)極限時(shí)，表面膜將破裂；并在制動(dòng)過(guò)程中，由于熱疲勞作

22、用，表面或表層裂紋擴(kuò)展至小塊磨粒而剝落，界面成為裂紋的根源。由此可見(jiàn)，改性粉煤灰試件高溫段的磨損機(jī)理是粘著磨損和熱疲勞磨損機(jī)理。作者認(rèn)為還有一個(gè)原因也應(yīng)考慮，即由于摻加粉煤灰后顆粒硬度提高較大，加上在高溫時(shí)樹(shù)脂軟化，基相和界面相彈性模量降低，造成了硬顆粒粉煤灰與軟化的樹(shù)脂彈性模量（剛度）不兼容，引起額外的應(yīng)力集中問(wèn)題，使得改性粉煤灰試件在高溫時(shí)的磨損增加。摻加改性粉煤灰顆粒在摩擦材料中其作用類(lèi)似于摻加磨料，即摻加碳化硅磨料會(huì)提高摩擦系數(shù),同時(shí)也會(huì)增加磨損。圖5 不同粒徑的粉煤灰對(duì)摩擦材料磨損率的影響圖6 不同粒徑的改性粉煤灰對(duì)摩擦材料磨損率的影響圖7 不同摻量粉煤灰對(duì)摩擦材料磨損率的影響圖8

23、不同填料對(duì)摩擦材料磨損率的影響3.1 摻粉煤灰對(duì)摩擦材料剪切強(qiáng)度和硬度的影響從表3-4和圖9-10可見(jiàn)，摻加未改性和改性后的粉煤灰試件的剪切強(qiáng)度和硬度值均接近或大于摻加粉煤灰試件對(duì)照組的值；僅試件B2的剪切強(qiáng)度值明顯高于其它試件，原因可能是試驗(yàn)過(guò)程中操作失誤造成的。摻礦渣試件的剪切強(qiáng)度值比摻浮石的剪切強(qiáng)度大，但摻浮石試件的硬度高于摻礦渣的硬度值。一般而言，增摩材料是摩擦調(diào)節(jié)劑的主要部分，低溫增摩填料宜采用硬度小的，高溫增摩填料宜采用硬度大的填料2。但在本研究中，發(fā)現(xiàn)摻粉煤灰后制品的硬度增大，但制品在低溫段摩擦系數(shù)上升較大，在高溫段摩擦系數(shù)反而上升不大，故我們的試驗(yàn)結(jié)果與原有一般理論預(yù)期不一致。欲解決由于硬度相差大產(chǎn)生的應(yīng)力集中缺陷問(wèn)題，可補(bǔ)充硬度小的填料來(lái)改進(jìn)原有配方。另外，增摩材料的硬度高，其制品的剪切強(qiáng)度也高；這就可以解釋為什么摻粉煤灰后制品剪切強(qiáng)度增大的現(xiàn)象。圖9 不同