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第三节 摩擦材料的摩擦与磨损

浏览次数: 日期:2017-05-23

  塑料的摩擦与磨损

  (一)、摩擦材料的摩擦机理

  聚合物的摩擦试验研究表明,当摩擦材料与金属对磨时,滑动界面上的不平点由于摩擦产生的瞬时高温会发生粘着(冷焊),其摩擦机理基本上可以用前面章节的粘着理论,摩擦系数可以用下式表示:

            F    S·A   S

  μ= —— = ——- = ——               

        N    A·Pm   Pm   

  式中: F 摩擦力

      N 负荷

      A 真实接触面积

      S 摩擦材料的剪切强度

     Pm  摩擦材料的流动压力

  摩擦材料的摩擦与金属还不完全相同,即摩擦材料接触区的形变既非纯粹为弹性形变,也非纯粹为塑性形变,而是介于这二种形变之间。故在负荷作用下,摩擦材料的接触面积(A)并非和施加的负荷 (N) 成正比,而是成 A ∝ Nnn≤1)的关系。

  摩擦材料的摩擦行为与一般金属或无机非金属材料不同的原因,还在于摩擦材料中的基体为高分子聚合物(酚醛树脂及橡胶)。而高分子材料与低分子无机材料的物化性质具有众所周知的差异。

  线型无定型聚合物,如通常的热塑性树脂,在室温至200℃左右的不同温度范围内会呈现出玻璃态、高弹性和粘流态三种力学状态,当处于粘流态的树脂温度再升高到热分解温度区间时(约200-400℃)树脂发生分解,其高分子结构被破坏。

                  P 30

 

            ___________________________________

 

  热机械曲线图显示了线型无定型聚合物在一定负荷条件下,在不同温度范围内处于三种力学状态时的形变情况,低分子无机材料则不存在高弹态区域,它们的熔化温度也远高于线型无定形聚合物的粘流态温度。

  具有交联(网状)结构的体型聚合物与线型聚合物不同,例如摩擦材料所用的热固性酚醛树脂,当固化剂六次甲基四胺的用量为8-10%时,树脂的交联密度甚大,玻璃化温度较高,甚至树脂一直处于玻璃态而不出现高弹态。由于交联点间距离小,对链段运动的阻碍大,温度升高时也不会出现粘流态,直到达分解温度时,聚合物发生热分解,产生液态或气态低分子物,导至材料的摩擦行为发生变化。

  (二)、摩擦材料的磨损类型

  摩擦材料的磨损类型主要有以下几种:

  1,粘着磨损:在负荷下,摩擦材料与金属对偶材料的接触表面上的不平点受到很大的单位压力,当两个表面发生相对运动而摩擦时,这些不平点相互挤压碰撞而产生强烈的局部过热,导至高温,形成冷焊点。这些微观冷焊点受到剪切作用。较软材料即摩擦材料上的不平点会因高温而变软,并被剪切断掉,从表面脱落,造成粘着磨损。

  2,切削磨损,若两个相互摩擦的表面的硬度相差较大时,在负荷作用下,较硬的材料表面上的凸峰会压入较软材料表面内,在相对滑动过程中,会将较软材料刨离原处。

  摩擦材料的硬度,比如刹车片的布氏硬度,通常为HB20-50左右。而铸铁材质的摩擦盘(或鼓)的布氏硬度为170-210左右。在制动过程中,摩擦盘(或鼓)上的凸峰,易压入刹车片表面,造成刹车片的磨损。在长期制动过程中,刹车片的磨损要比摩擦盘(或鼓)大得多。经对试验机磨损统计约为100倍左右。

  3,磨粒磨损,当第三种物质,如砂粒、尘粒等进入摩擦界面时,由于它们比较硬,能擦伤其中一个或两个摩擦物体表面而形成磨粒磨损。

  在摩擦材料行业中,为了提高产品的摩擦系数,经常在配方中加入硬质增摩填料,如氧化铝、长石粉、铬铁矿粉等。在刹车片与制动盘(或鼓)对磨时,片子表面的硬质填料粒子会被金属表面的凸峰剥离而脱落出来,附在摩擦界面间滚动和摩擦,不但造成摩擦片的磨损加大,并且造成摩擦盘(或鼓)表面擦伤的不良后果。硬质填料的粒径越粗、用量越大,这种情况就越明显。因此在配方设计时,此类填料的用量和细度是需要注意的问题。

  4,疲劳磨损,疲劳磨损与滚动接触的表面相联系。摩擦表面反复多次承受剪切力作用的结果,出现了疲劳结果。在滚动接触的物体中,摩擦表面层以下的地方产生很大的应力集中,然后裂缝扩大,导至表面大片脱落,至使部件逐渐丧失使用能力。对热固性塑料的疲劳性能的研究结果表明,树脂与增强剂之间的粘结是表面疲劳性能的一个重要因素,正常疲劳是由于应力点上树脂和增强剂之间的粘结受到破坏而引起的。随着进一步的破坏,树脂将成为粉末,粘结作用丧失,造成材料的磨损加大和被破坏。   

  摩擦材料的摩擦磨损特点

  上面所述的一般材料的摩擦磨损机理对于摩擦材料都是适用的。除此之外,由于摩擦材料的功能要求及其高温工况条件,它还具有另外一些摩擦特点。

  人们对于机械运动中发生的摩擦行为的研究分为两个领域,一类是减摩和润滑,研究的目的,是为了减少运动部件的磨损,提高机械的使用寿命。另一类是增摩,即摩擦材料,它被用来执行车辆和机械运动中必不可少的制动与传动功能,高速运动的车辆和机械的动能在克服摩擦功的过程中,转变成了热能,形成了摩擦片表面的高温工况条件,为了能很好执行制动和传动功能,我们要求摩擦材料在不同温度条件下,在不同的运动速度和负荷情况下,都具有较高的而稳定的摩擦系数,并且还要具有良好的耐磨损性和使用寿命。

  摩擦材料具有以下摩擦磨损特点

  (一)、热衰退

  摩擦材料的基体(即粘结剂)是热固性酚醛树脂和橡胶。当摩擦片在制动与传动过程中,它与金属对偶的摩擦表面会产生很高的温度,达到200-400℃,甚至更高。这已达到树脂和橡胶的热分解温度区域。此时大分子由于热降介产生液态或气态的低分子物质,在摩擦表面上形成一层很薄的液态或气态介质层,或此介质层只盖住一部分表面,使原本为纯净摩擦或干摩擦的工况条件变为混合摩擦的情况,在宏观上反映为摩擦系数的下降或急剧下降这称为热衰退。在用摩擦试验机对摩擦片样品测定摩擦性能时可以清楚看到热衰退现象。

  (二)、热磨损和热龟裂

  摩擦片长时间处于高温工况条件下时,导至树脂和橡胶大分子热分解的加剧,聚合物的分子主链和交联链断裂,网状结构被破坏,低分子物质的产生和逸出。热分解的结果是树脂和橡胶的碳化和失去重量。碳化使树脂失去粘结作用,失去重量使粘结剂数量减少,导至摩擦片表面渐渐形成龟裂,磨损加剧,有时甚至材料从摩擦片表面脱落,丧失工作功能。

  从图 中可看到酚醛树脂在高温下的热失重与温度、时间的关系。

  可以看出,树脂的热失重,①随温度升高而加大,②随处于高温下的时间增长而加大。

  因此摩擦材料在长时间的高温制(或传)动工作过程中,使结构中的树脂和橡胶的热分解与热失重现象加剧。摩擦片的磨损加剧、使用寿命缩短。由上述可知,树脂和橡胶的耐热性对减少摩擦片的热衰退、热磨损和热龟裂现象至关重要,有关技术人员一般采取的针对措施是,①选用耐热性好的树脂及橡胶类型。②工艺上加强摩擦片的后处理操作,即提高后处理温度,延长后处理时间,使粘结剂固化更充份,这样能提高聚合物的交联密度及抗热降解能力。

  摩擦材料的磨损机理,在一般温度情况下(200℃以下),是由粘着磨损和机械刨削磨损等所决定。S。K。李等将摩擦材料样品在SAE J 661 a 定压式摩擦试验机上进行研究,得出有关磨损的公式:

       

             ΔW=αPa · Vb·Tc

    式中:ΔW  磨损量

       P  正压力

       V  滑动速度

       T  摩擦时间

       αa b c 常数

 

  αa b c为由材料种类和大气条件所决定的常数,摩擦面的温度小于232℃时,α是一定的。霍姆(HOIM)提出a= b= c=1与许多摩擦材料的试验是相吻合的。

  但另一方面,我们应该看到温度对材料磨损的影响,即材料的磨损通常随温度升高而加大,因为材料的机械强度(抗弯、抗压、抗拉、抗剪切、抗扭曲强度等)都随温度升高而降低。对于塑料类材料来说,其磨损类型主要是粘着磨损和切削磨损,即摩擦表面不平点的粘着和剪切破坏以及表面嵌入点的切削和刨离。当材料温度升高时,其表面接触部分的剪彩切强度和其它机械强度的降低,使这种切削和刨离更易进行。这在用定速式试验机测定摩擦片的摩擦磨损性能时,可以清楚看到磨损与温度关系。

   

  (三)、摩擦性能的调节

  仅由树脂---橡胶粘结剂和增强纤维组成的摩擦材料是不能满足对摩擦片的制动和传动工作要求的,必须加入具有各种摩擦性能调节作用的即摩擦性能调节剂(也可称功能性填料)。加入这些填料或提高摩擦系数、或降低摩擦系数与减少磨耗等,但它们的主要作用应是增摩功能,特别是高温增摩功能,以克服因树脂热分解所造成的摩擦系数降低的热衰退现象。

  增摩效果大的填料多为硬度高的物质,硬度不同的填料,在摩擦片和铸铁表面摩擦时的作用也不一样。铸铁的莫氏硬度是4-5,填料比铸铁稍硬的情况,如图 @,填料比铸铁硬度高出较多的情况如图@.

 

 

                  P43                                   P43

 

 

 

  第一种情况中,填料粒和金属表面的接触面A小,第二种情况中,接触面A大。由公式F=AS  可以认为,在同样的负荷(N)及填料加入量相同的条件下,硬度高的填料的摩擦材料形成的接触面A较大,产生的摩擦力要大,因而摩擦系数 =F/N 也相应要高。实践经验也证明了这一点。     

  综上所述,摩擦材料的摩擦磨损机理是较复杂的物理化学过程。摩擦片在进行制动和传动工作时涉及的工况条件变化因素很多,包括速度、 温度、压力、负荷、气候和道路条件的变化,还有金属对偶材料的摩擦表面氧化层的形成及金相组织相变,其中特别重要的是摩擦材料粘结剂,在高温工况条件下的热分解。这些因素的变化导至摩擦片在进行制动和传动工作时摩擦系数和磨损的频繁变化。从事摩擦材料的工作者的任务在于从理论上和科学实验中研究基体粘结剂(树脂和橡胶)--- 增强纤维材料--- 摩擦性能调节剂的各自性能特点,以及由这三种组份形成的结构体系对材料摩擦磨损性能及其它物理机械性能的影响,要根椐不同的用途设计合理的配方,使摩擦材料在各种工况条件下,都能具有较高的而稳定的摩擦系数和良好的耐磨损性,满足汽车和工程机械行业用户的使用要求。

               

  (四)热膨胀

  使用热塑性酚醛树脂为粘结剂的干法生产工艺的摩擦材料制品,在实际应用中存在热膨胀现象,它使生产过程中进行热压和热处理操作时制品因起泡膨胀而报废,在摩擦性能检测试验中出现负磨损、造成性能检测不合格、在实际应用过程中出现胀死,导致车辆行驶事故。因此研究干法生产摩擦材料制品热膨胀原因、机理、。如何闰少热膨胀是一项重要课题。

  国内外研究表明,热塑性酚醋树脂(以下简称树脂)的固化剂——六次甲基四胺在参与树脂的固化反应过程中所产性的气体及树脂在高温时热分解决生的低分子物是导致摩擦材料起泡和热膨胀的主要原因。摩擦材料膨胀有两种形式,一种是加有固化剂的树脂,在热压操作温度155-165℃时以及随后的热处理操温度150-200℃时,六次甲基四胺在树脂固化时产生的氨气和树脂本身在固化时产生的低分子物,应该合理的及时从片子中排出,若不能及时和充分排出,则可能冲相破已硬化的片子表面逸出,造成片子膨胀(起泡、分层)而报废。另一种情况是片子在摩擦性能检测或装车使用过程式中,当摩擦温度升到250-300℃以上时,酚醛树脂开始热分解,分子结构中的主链断裂,大分子降解,并产生种种低分子气态物,当温度达到450-500℃时,达到剧烈分解高峰,产生大量低分子物,它们在高温下形成的气体内压使未充分固化的树脂膨胀,同时树脂进一步固化,最后固化定型的树脂将膨胀的基本形状保留下来,造成摩擦材料宏观上的热膨胀。

  研究人员通过裂解气相色谱(PGC)、裂解气相色谱-质谱(PGC-MS)和付立叶变换红外光谱(FT-IR)等差热分析技术和扫描电镜的形貌分析对摩擦材料基体——热塑性酚醛树脂及其摩擦片,以及六次甲基四胺进行了研究。结果表明,六次甲基四胺参与树脂固化反映,树脂中的游离酚含量以及树脂热分解是导致摩擦材料生产中起泡膨胀的重要原因,树脂在250-300℃以上高温热分解是造成摩擦材料热膨胀的主要原因。

 

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