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第五节 摩擦材料结构性能检测方法

浏览次数: 日期:2017-06-28

摩擦材料结构性能检测方法         

    摩擦材料结构性能,也就是物理机械性能。

    摩擦材料结构性能,它能反映摩擦材料结构特点的一些特性,对控制摩擦材料的质量也是非常重要的。我们按一定的规律和规定进行检测,并用检测的结果来进行相互比较。以了解其相对特性。比如,反映摩擦材料的重量特性,用比重来测定。反映结构致密程度特性的,用吸油(吸水)率来判别。反映材料表面特性的,用表面硬度来判别等等。所以,对摩擦材料的结构特性,也必须进行控制和严格检测,以保证产品质量。

    一、 物理特性

     1.硬度

    硬度是材料对于塑性变型的抵抗能力,在一定条件下摩擦材料的摩擦性能与塑性变型有关,即与硬度有关。

    硬度是在标准规定的条件下,将钢球压入材料内,将负荷除掉后,测量压痕直径。硬度的测试有多种方法,在摩擦材料中主要应用布氏硬度和洛氏硬度。

    Ⅰ布氏硬度

  布氏硬度的测定,使用布氏硬度试验机。

    ⑴ 试验设备:

    ① 布氏硬度计:须经国家计量部门定期检定的合格,相对误差不大于±1%。

    ② 能均匀平稳地施加负荷。负荷在保持时间内不变。

    ③ 钢球直径为5.010.0mm,允许偏差不超过0.01mm,钢球表面光滑、无任何缺陷。

    ④ 测量试样压痕深度或直径的仪器,精确度达0.01mm

    ⑤ 25倍放大镜精度为0.01mm

    ⑥ 试验样品:

             宽度不小于15mm。

             长度不小于25mm。

             厚度不小于4mm。

       试样表面应平整厚度均匀。并擦一层白粉浆,晒干后再进行试验。

     注:铁路用合成闸瓦硬度值测定是在闸瓦摩擦体两个侧面分别测试验,并取各点测试结果的平均值。压痕间隔应尽量大些,但压痕边缘与闸瓦边缘的距离不得低于10mm。

    ⑵ 试验步骤:

    ①按样品厚度与按表9- 选用负荷及钢球。    

    选择钢球直径和负荷大小及保荷时间应根据样品厚度表9-1 进行。

试样厚度

mm

钢球直径D

mm

负荷P

kg

负荷保持

时间S

>10

10.0

500

30

<10

 

5.0

 

187.5

30

 ②测试时两个压痕中心间距离30毫米。

    ③试验中加荷时应缓慢而均匀,加荷过程不少于5 秒,加负荷保持时间为30秒钟,卸荷过程2-3秒。

    ④ 试验后压痕边缘不得变形,否则应重新测试。

    ⑤用25倍放大镜取两个垂直方向测量测量压痕直径,取算术平均值。

    ⑶计算方法:

                 2P

         HB = ────────

              πD(D-D2-d2)                                        (9-6)

                  式中: P - -加载负荷,kg

                         D --钢球直径,mm

                         d-- 压痕直径,mm

                        HB-- 布氏硬度,kg/mm2  

    Ⅱ洛氏硬度

    洛氏硬度,使用洛氏硬度试验机。

    ⑴ 试验设备:

    ①洛氏硬度计,应符合JJG884规定,并根据使用频率,用相应标尺的标准块进行校验。

    ②硬度计要放在水平台上,压头主轴应垂直使用。钢球在压头套孔中能自由滑动,且要求洁净无缺陷。

    ③托座与硬度计试台紧密贴合,托座支承面与硬度计试台面应洁净。若托座表面为弧形,则压头轴线应通过托座圆心。

    ④更换钢球压头或托座时,要进行两次与硬度试验相同的准备试验。

    ⑤每个试样的硬度测定点为5 个,要均布在整个试样表面,应避开孔和槽。各测定点间距应不小于4d(d为压痕直径),并离试样边缘(含孔、槽)不小于2.5d

    ⑥对弧形摩擦片也可在其内弧面测定,或由供需双方商定。

     ⑵试验步骤:

    ① 按试样形状大小选择试台及托座。

    ② 将试样无冲击地与钢球压头接触,施加初试验力。

    当使用度盘硬度计时,应使硬度批示器短指针批于小红点,长指针转三圈垂直抽上指向B度盘定点(B30),其偏移不得超过±5个分度值(若超过引范围,不得倒转,应改换测定点)。 再调整指示器外圈使长指针对准B30

   ③ 在2-4s内施加主试验力。从施加主试验力开始保持15s

    ④ 在2s内平稳地复回原位,卸除主试验力。

    ⑤ 在卸除主试验力(初试验力仍保持15s时,即从指示器上直接读取洛氏硬度值,精确到一位小数。

    ⑥ 更换测定点,再重复操作。

     下面介绍的是吉林工大机电设备所生产的一种洛氏硬度试验机及其使用方法。

9-9 洛氏硬度试验机的结构图  

    ①将丝杠顶面及被选用的工作台上下端面擦干净,将工作台置于丝杠上。

    ②将试件支撑面擦干净,放置与工作台上,旋转手轮使工作台缓慢上升,并顶起压头,到小指针指着红点,大指针旋转三圈垂直向上为止。

    ③旋转指示器外壳,使CB之间长刻线与大指针对正。

    ④拉动加荷手柄,施加主试验力,这时指示器的大指针按逆时针方向转动。

    ⑤当指示器指针的转动显著停顿下来后,既可将卸荷手柄推回,卸除主试验力。

    ⑥从指示器上相应的标尺读数。

    ⑦转动手轮使试件下降,再移动试件,按以上过程进行新的试验。

     洛氏硬度依9-7式计算:

            HR=130e                                      9- 7

                  h1h2

             e=──────          

                  0.002                                       (9-8

             式中: HR 洛氏硬度

                    h1  初负荷作用,压痕深度  mm

                   h2 在已施加总负荷并除负荷但应保留初负荷时钢球压入试样表 面深度  mm。

                   0.002一个硬度值相应的压痕深度

   

    2.压缩强度

    摩擦材料的压缩特性是通过压缩特性试验机测定。

 

    图9-  所示的JF221A型压缩特性试验机主要用来测量盘式片压缩特性,可兼作盘式片热膨胀和热传导试验。试验机采用计算机控制系统,初始参数由键盘输入,加载过程自动完成,试验结果计算机处理后由打印机打印输出。

9-9   JF221A压缩特性试验机外形简图

 

    可执行标准ISO6310-1881-07-01及其它相应的试验标准。

     测定方法:

    首先准备符合标准的试样,测试试样的初始厚度,调整调整螺母使试件处于合适位置,调整锁紧装置和传感器调整装置,使位移传感器和试件处于所需位置。启动计算机,打开气阀,调整溢流阀选择合适系统压力。                     

    ⑴压缩特性试验:

    ①放上活塞,油缸加载,作常温压缩试验。

    ②取下试件,打开冷却水阀门,启动加热器,预置温度至所需温度,待温度稳定后,油缸加载,放上试件作高温压缩试验。

    ③计算。 结果以每组试样结果的算术平均值表示,按表 (9-9 )计算。

                         P

                   σ =   ──                                   (9-9)

                         F

                  式中:

                      σ--为压缩强度、压缩屈服应力、压缩偏置应力和规定应变时的

                         压缩应力,MPa 。

                       P--分别为相应应力或强度的负荷值,N

                       F--试样的原始横截面积,mm 2

    压缩应变和压缩屈服应力时的压缩应变按(9-10)式计算, 以每组试样的算术平均值表示。

                     △h

                ε=   ───                                     (9-10)

                      h0

                   式中:

                      ε--计算的应变值。

                     △h--试样的原始高度的变化,mm

                       h0--试样的原始高度,mm

     压缩模量按(9-11)式计算,结果以三位有效数字表示。

                    σ

                E= ──                                       (9-11)

                    ε

                   式中:

                        E --压缩模量,MPa

                       σ--应力应变曲线的线性范围内的任意应力值,MPa

                       ε--与应力应变曲线的线性范围内的应力相对应的应变值。

    ⑵热膨胀试验:

    放上活塞(图9-10)打开冷却水阀门,启动加热器,预置温度至所需温度,待温度稳定后,作热膨胀试验。

 图9-10  活塞结构图              

     ⑶热传导试验:

    试件衬板、摩擦片和加热板上装有热电偶,根据温差和时间等参数进行热传导试验。

     3.剪切强度

     剪切强度是通过剪切强度试验机测定。

    剪切强度试验机用来测定摩擦材料内部的剪切强度和摩擦材料与背板、鼓式片与蹄铁的粘结强度。盘式片或粘接制动蹄的粘结剪切强度是一项非常重要的指标。当车辆行驶过程中一旦出现脱片现象,将导致制动系统失效,造成严重后果。

    剪切强度试验机主要可执行ISO6311,ISO6312JC/T472-92JISO4415等标准。

    结合图9-11,简介该试验机工作原理如下。

    在一定正压力下,剪刀按一定加载数率加载,直到将摩擦块剪下与金属背板分离,记录最大剪切力F,并且τ=F/A,求出剪切强度τ为剪切强度,A为摩擦块面积。

    JF211型剪切强度试验机采用了液压伺服加载系统和先进的计算机测控技术。使整个试验全部由计算机控制完成。 具有测量精度高,技术先进,使用简单方便等特点。更换夹具,可适用于盘式片和鼓式片的剪切强度测量。

    4.冲击强度

    冲击强度是摩擦材料受到冲击负荷断裂时所需要的功。   

    冲击强度是通过冲击强度试验机测定。

     如图9-12 XL141型冲击强度试验机。主要用于摩擦材料冲击强度的测定。

    冲击强度试验机的工作原理:将试样放在摆锤悬挂的垂直线上的冲击试验机上,在进行冲击试验时,把摆锤升到最高位置与垂直位置成一个角度。如果以最大的下冲击速度,就击碎试样摆锤又扬起另一个方向的高度。试样的强度愈高,则消耗这种能量愈大,而摆锤升起的高度则越低。反之,抗冲击强度越低, 冲破试样后的升起高度越高。

    测定方法:

    ①按标准规定制成试样尺寸为55×15×10mm五条, 准确测量宽度与厚度,做好记录后放在样品托架上。

    ②将摆锤放到最高位置卡好。

    ③调好指针。

    ④放下摆锤,读好量值并做好记录。

    ⑤冲击强度计算按(9-12)的算术平均值进行计算:            

                   W           

         Q = ──────

                  S                                        (9-12)

           式中:Q 冲击强度极限

                 W 冲击试验消耗功  kg·cm

                  S 试样面积 / 厘米2

         1.固定支座 2.螺钉 3.活动支座 4.支承刀刃 5.被动指针 6.主动指针 7.紧固螺母 8.摆轴

           9.手柄 10.挂钩 11.摆体 12.调整套 13.摆杆 14.上连接套 15.螺钉 16.刀刃 17.水准泡

    5. 旋转强度

    旋转强度是通过旋转强度试验机测定。

    旋转强度是指汽车离合器面片在高速旋转情况下,由于离心力作用使其破坏的最高转速或在某一规定的高速转速下运行一定时间而不被破坏的能力。

    基本试验方法是离合器面片在一定温度环境中,被带动旋转并以一定的速度上升数率旋转,直到面片被破坏,记录其最高转速,或在某一转速下运行规定时间,看其是否会被破坏。

    ⑴ 试验设备

    安装试件必须在关闭电源的情况下进行,操作者应戴手套。首先按试件规格选择合适的夹具,在轴端锥面上和夹具内孔上涂少许润滑脂,将夹具装在主轴上,套上压套旋上螺母。螺母用手拧紧即可,切不可用搬手用力拧紧,因为在高速旋转时,夹具内孔会增大,螺母拧的太紧会造成夹具拆卸困难。然后,将试件装在夹具的止口上,把三个弹簧压片转至沿经向方向。如果试件内孔与夹具止口配合太紧,应稍加找正。关闭试件仓门并锁住。

     ⑵试验步骤:

     按下“电源”键,接通电源,如果此时显示窗无显示,请按下“复位”键。

    按照试验要求设定参数。为了便于操作,请按下述步骤行:

     ①将“自动/手动”键置于“自动”灯亮。

     ②按一下△键,使显示窗显示上限转速。

    ③拨动Ⅱm拨码开关,使所需的值显示出来。注意Ⅱm值绝不允许超过所用夹具的许用极限转速〔Ⅱm〕见表(9-2 )

夹具号

1

2

3

4

5

Ⅱm

15000

14000

12000

10000

9000

        注:夹具号按夹具直径自小至大排列

     ④再按一下△键,显示窗显示升速率。

    ⑤拨动tnm拨码开关,使所需的值显示出来,其余类推。最后设定温度值,如果不需加热,应将温度设为Ⅱ℃。

    ⑶ 如果是“自动”试验,按一下“启动”键就可以了,试验机将自动完成全部工作。在自动试验过程中不能改变参数设置,如果必须改变,应按下复位键,使试验机复位,然后由第三步重新做起。如果是“手动”试验,则先按下“自动/手动”键,然后若须加热,则按下“加热”键;“油泵”键,过15秒后按下主电机键,然后按△和△调整转速至2000/分左右。 用启动键可切换显示窗的内容为“转速”或“温度”。但如果在显示温度时试件破损,则无法了解当时的主轴转速。

    图9-13 JF102型旋转强度试验机是采用微型计算机作为主控元件,变频调速器控制转速,同时工作腔内有辅助加热系统依要求自动控制温度,具有全自动试验程序,可根据要求确定升速数率,速度极限,速度保持时间,工作腔温度。并且自动记录破坏时转速,主轴最高转速可达20000/分。可根据需要完成不同标准的试验。

 6.热膨胀

  摩擦材料的热膨胀是用热膨胀测量仪测定。 XL211热膨胀测量仪

     1.计算机 2.控制箱 3.主机 4.显示器 5.打印机 6.加热盘 7.试件

      8.热电偶 9.活塞 10.支架 11.加载弹簧 12.调整螺杆 13.手柄

      14.位移传感器 15.滑板 16.底座 17.手轮

          图9-14  XL211型热膨胀测量仪

  XL211热膨胀测量仪,用来测量摩擦材料制品受热后厚度方向的变形量,同时分别测出加热盘、摩擦板和钢背的温度,从而了解整个样品沿受压方向的热传导规律。本测量仪采用计算机控制,CRT瞬时显示,整个试验过程由计算机显示菜单,逐级引导,打印试验结果——包含变形量和加热盘、摩擦块、钢背的温度、曲线及数据表。本测量仪执行标准ISO6313。

  7.弯曲强度

    摩擦材料受到弯曲应力的作用折断时的强度,为称弯曲强度。弯曲强度是通过弯曲试验机测定。

    ⑴ 试验设备

    ①载荷大小于800N,最小分度值1N

    ②试验夹具如图9-  所示。

    ③支点间距离为40mm,若用短试片时可为30mm

    ④支点端部的曲率半径为1.5mm,加压端部的曲率为3mm

    ⑤百分表,最小分度值0.01mm。精度0.02mm

    ⑥从同一面片沿摩擦方向取3个 试片。采用面片制品厚度,长(55±0.5)mm,宽度(15±0.2)mm。若试样长不足55mm时,可取长(40±0.5)mm。 取样时应使试样中央部位不得有沟槽。

    ⑵试验步骤

    ① 将试片摩擦面一侧朝上,置于试验夹具支点上。

    ②在试片中央部位以不大于10mm/min的速度加压。

    ⑶弯曲强度按式(9-13)计算:   

                       3PL

                 δ=──────           

                       2Bd                                  (9-13

              式中: δ  抗弯强度                    

                    P 为试样折断的最大负荷  kg   

                    L 为试样支点距离   cm

                    B 为试样宽度   cm

                    d 为试样厚度    cm

    选用试验机压头的平均半径及其移动速度,要随样品尺寸而变化。

    最大应变(e)按下式计算:

                     σ·d

             e= ───── × δ

                      L                                      (9- 14

             式中:e 为最大应变  cm

                   d 为试样厚度  cm

                   L 为支点距离   cm

                   δ  为最大挠度  cm

                  σ  为抗弯强度  kgmm

    本试验结果以三个试片试验结果的算术平均值表示,精确至一位小数。

 图9-15 弯曲试验夹具

 

    8.抗压强度          

    抗压强度,是指摩擦材料受到压缩力作用后,结构被破坏时所承受的最大的力。

    抗压强度通过抗压强度试验机测定。

    试验方法:

    将制好的摩擦材料标准试样,放到试验机的压具上施加作用力,注意不要产生偏心力。挤压具的移动速度,控制在每分钟10-25mm左右,而且要平稳而不断地对试样施加负荷,直到试样被压坏。此时试验机所指示的最大作用力,就是试样的抗压强度极限。

    抗压强度极限按9-15式计算:

                          P

                     Y=───

                          S                           (9-15

           式中:P  试验时的最大载荷    kg

                S  试样的横截面积     cm

                Y  抗压强度极限     kgcm

     在试验中,每个试样的二个面必须平行,表面也必须光滑。

    9.抗拉强度

    抗拉强度,是指摩擦材料受轴向压力作用后而断裂时,其单位面积(横截面)所承受的最大的力,称为该材料的抗拉强度极限。

    抗拉强度通过抗拉强度试验机测定。

    试验方法:

    将标准试样紧固在拉力试验机上的夹具上,夹具按规定的下移速度,均匀平移稳定,直到试样断裂。试样断裂在中间部分为有效试验。试验机指示的最大值,就是试样的抗拉强度。材料的抗拉强度极限按9-16式计算:

                          P

                  X = ────

                         S                                (9-16

              式中:x  抗拉强度极限  kgcm

                   P  试样断裂时的最大负荷 kg

                   S  试样的横截面积   cm

 

    10.内抗剪强度

     内抗剪强度适用于汽车用鼓式制动器衬片和盘式制动器衬垫。

     ⑴试验设备

     内抗剪强度通过内抗剪强度试验机测定。

    内抗剪强度试验机的工作原理:按既定的工况加载并具有剪切力记录装置的拉力或压力试验机。平均的加载速率为4500±500N/S。当剪切力高于5000N时,应调整加载机构,使瞬时的加载速率在4500±2250N/S范围内。 若用液压式拉()力试验机,上述试验规定范围可按无负载时试验机活塞的运行速率予以调整,运行速率(mm/s)取决于试验机类型。

    剪切夹具:它具有上、下拉头,两拉头间的间隙不得大于0.1mm, 相对滑动时的摩擦力及拉头与导轨间的摩擦力应尽可能地小。两拉头均开槽,以容纳试样,试样与嵌槽应配合良好,以免受力时倾斜。

    剪切力通过夹具和试样两者的中线,并与导轨平行。导轨在100mm长度内的偏差不能超过0.1mm

    ⑵试验步骤:

    ①试样应从库存成品中或随机抽取样品制成试样,试样总数至少5 个,应尽量取自同一片样品,若样品较少,则应从尽量少的样品上制取。

    取样部位距样品边缘至少5 mm。鼓式制动器衬片的取样部位,应在剪切应力最大处。

    ②试样规格:长:20±0.1mm 、 宽:20±0.1mm、厚:5±0.1mm10±0.1mm

    试样表面应用0号砂纸磨平,并应清洁、无裂纹。

    ③按编号顺序,将试样逐个置于夹具中,试样的受剪方向应平行于样品的正常制动方向。

    ④启动开关,试验机运行,在试样开始受力瞬间立即计时。加力至试样破裂,停机。记录剪切时间。并将夹具的拉头恢复至试验开始时位置,取下破裂的试样。检查并记录试样的断面有无汽泡、杂质等内部缺陷。

    ⑤计算(精确至小数点后第一位)

     内抗剪强度:    

                          F

                     I =  ──

                          A                                      (9-17

                                   式中:

                                        F --剪切力,N

                                        A--剪切面积,mm2

    11.密度

    摩擦材料的密度,即单位体积的重量(g/cm3),密度对于摩擦材料来说,基本上可以表明组成材料之间相互之比例是否合理,摩擦材料的密度一般在1.6-2.3左右,其中:石棉摩擦材料密度约1.8-2.1、钢纤维摩擦材料密度约2.0-2.4

    密度一般采用液体静力称重法测定。

    由摩擦材料成品中截取高15mm,宽与厚各10mm的长方体 试样三个,然后用浸渍法浸于液体(蒸镏水)中,称其在水中重量,称量要迅速,因时间长会影响比重的精确度。

    试样在空气中的重量与在水中所损失重量之比,即为该样品的比重。

                            G

                  D=───────

                         G-G1                          (9-18)

              式中:  D 密度    g/cm3

                      G 试样在空气重量  g

                      G1 试样在水中中重量 g

    12.吸水(油)率

    吸水(油)率,可以反映出摩擦材料结构的致密程度。可以间接说明施加的压力及增强纤维、粘结剂等用量的配方执行状况以及生产工艺情况等。

    测定方法:制取5cm2试样后,精称其重量及准确测量其几何尺寸,然后放入蒸镏水或者10机油中,应注意试样在容器中不可接触容器的内壁或贴于容器壁上。试样表面不得有气泡,经浸渍4小时之后,取出用纸擦干,并立即称重。要求在2分钟之内结束。

      吸水(油)率按下式计算:

                     W1W2

                B=──────×100

                       W1                                  (9-19)

              式中:B  吸水(油)率

                   W1  浸水(油)前重量 g

                   W2  浸水(油)后重量 g

      以二个试样的试验结果的算术平均值进行计算。

     13.收缩率

    摩擦材料同其它物质一样具有热胀冷缩的特性。尤其是经过热压后出模时温度较高,因冷却后制品尺寸就会变小,即发生收缩。这种收缩变化以收缩率表示。

    在生产中利用收缩率大小,可以估计热压后因冷却而导致产生裂纹,弯曲变形等缺陷的可能性,从而可有效地控制生产工艺,尽可能地避免这些缺陷的出现,并可为正确的设计模具尺寸提供准确数据。

    收缩率的测定方法:

    按测定比重的方法,称取一定数量的受压料,在模具中于热压机上热压,加压保持一定时间,然后取出,冷却后精确测量尺寸,收缩率的百分率按下式计算:

                      d-d1

                A=──────×100

                        d                                           (9-20)

             式中:A  收缩率     %

                   d  模腔尺寸     cm

                   d1  冷却后的尺寸  cm

    14.热膨胀率

    在摩擦材料样品的边缘做好标记,用千分尺准确测量并做好记录,然后放入恒温葙中,用40分钟的时间升温至200℃,保持30分,然后取出样片立即在标记处进行测量尺寸,加热前后的尺寸差的变化率,即为该样品的热膨胀率。按9-21式计算:

                     h2h1

              Δh =         × 100%

                      h1                                   (9-21

                 式中:Δh  热膨胀率。

                        h1 试验前试验样品厚度 mm。

 

                        h2  试验前试验样品厚度 mm。

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