摩擦条件对钢质摩擦材料第三体及磨损的影响

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第37卷 第4期2013年 8月北 京 交 通 大 学 学 报0URNAL OF BEUING _IIAa_I、[)NG UNIVERSITYVo1 37 NO 4Aug．2013文章编号：1673—0291[2013}04—0174—05摩擦条件对钢质摩擦材料第三体及磨损的影响李志强，韩建民，李卫京，杨智勇(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044)摘 要：摩擦条件对摩擦材料表面第三体的连续性产生重要影响，进而影响材料的摩擦磨损性能.

选用两种轨道车辆用低合金制动盘材料与铜基粉末冶金材料为配对摩擦副，在不同速度、压力条件下进行摩擦试验，观察第三体的形成过程中，表面形貌的变化规律及磨损机理．结果表明：在特定的摩擦条件下，第三体的显微硬度可达800-900 HV，远高于基体材料的硬度；连续、致密的第三体，使材料具有最低的磨损率；当摩擦转速和压力过低时，磨粒磨损为主要磨损形式，当摩擦转速和压力过高时，黏着磨损将成为主导；在第三体的形成破坏过程中，摩擦速度、压力过低或过高均可能使第三体的破坏速度大于形成速度，使材料的磨损率增大.

关键词：摩擦；摩擦条件；第三体；连续性；磨损率中图分类号：TH117．1 文献标志码：AEffects of friction condition on the third body and wearproperties of steel friction materialLI Zhiqiang，HAN Jianmin，LI Weijing，YANG Zhiyong(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract：Friction condition is an important factor of continuity of third body which has a significant impact onthe friction performanceofmaterials．Inthis paper，twokindsoflow aloy steel for railway brake disc andCu—matrix powder metallurgy ma terial were chosen gS friction pairs．Friction tests were conducted under differentsliding speeds and pressures．Micro appearance O{ rd body was observed during its formation ess and thewear mehaniwn WaS explained．Results showed that under certain friction condition，microhardnms of thethird body reached range between 800 and 900 HV．which was much higher than the fiction ma terials．Withtight and continuom third Ixxty．wear rate of the spedmens were the lowest． he main mehanisrns wereabrasive wear when slidng speed and pressure W&S too low，and adhesive we~tr was obvious when the parame—ters were too high．During the friction process，we&r rate of friction ma terials increased when destruction rateof third body WaS higher than its formation rate.

Key words：friction；friction condition；third body；continuity；wear rate第三体是存在于摩擦副表面的摩擦产物，常被称作摩擦转移膜、摩擦膜或表面膜等，在摩擦制动过程中，材料表面第三体的形成将两体摩擦系统变为三体摩擦系统，第三体的形成及演变规律对材料的摩擦磨损性能有着重要的影响?．Godet基于润滑摩擦理论，于 1984年提出了第三体的概念，认为在第三体的形成过程中，摩擦磨屑的压实过程起着t导作用[ ．基于对碳素钢材料表面第三体的研究，收稿日期：2013—05—15基金项目：国家自然科学基金资助项目(51271014)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(M12JB00190)作者简介：李志强(1987一)，男，内蒙古包头人，博士生．研究方向为轨道车辆钢质制动盘材料．email：52347270###163．corn.

通讯作者：Nit~ (1960--)，男，山东青岛人，教授，博士，博士生导师．研究方向为轨道车辆高性能金属材料与精益成彤．email：jmhan###b]tu．edu．cn.

76 北 京 交 通 大 学 学 报 37卷型及 S-530型扫描电子显微镜观察第三体形貌及能谱分析.

2 结果与讨论2．1 摩擦试验结果在不同的摩擦条件下，分别测试两种钢质制动盘材料的磨损率，如图2所示．由图2可以看出：① 两种材料在相同摩擦条件下的磨损率差别不大，且磨损率主要与摩擦速度、压力组合相关．② 当摩擦转速较低，为 2 930 r／min时，材料的磨损率随摩擦压力的增大而出现波动．当摩擦压力为 150 N时，两种材料均有最低的磨损率，约为 3×10 kg／m；当压力低于或超过 150 N时，磨损率都会升高．③ 当摩擦转速提高到 5 880 r／rain时，摩擦压力从 20 N增大到 70 N使材料的磨损率略微降低，摩擦压力为100 N时，两种材料均有最低的磨损率，约为 8×10～如kg／m；当摩擦压力超过 100 N时，磨损率大幅升高.

图2 不同摩擦条件下试样的磨损率Fig．2 Wear rates of test samples underdifferent friction conditions根据上环试样的温度变化实时监测结果，绘制两种钢质材料的最高温度变化曲线，如图3所示．可见当摩擦压力和转速都相同时，两种材料的试样最高温度基本相同．摩擦压力和转速越高，单位时间内摩擦力做功就越多，摩擦热的累积越快，试样的温度圈3 不同摩擦条件下上环试样的最高温度Fig．3 Maximum temperatures of the upperrings under different friction conditions越高．结合图2中磨损率的测试结果，在两种材料磨损率最低的摩擦条件下，测得试样的最高温度非常相近，均为 8O℃左右；试样最高温度低于或高于该温度时，材料磨损率均有所升高.

图4为试样表面第三体在不同摩擦条件下的微硬度．可见，显微硬度对摩擦压力较为敏感，而摩擦速度对其影响不大．当摩擦压力低时，表面第三体的显微硬度也较低；当压力达到 100N以上，表面第三体的显微硬度值达到800～1 000 HV，趋于稳定，硬度远高于 RBS和删 材料本身的290~300 HV.

>趣吲图 4 表面第三体 的显微硬度Fig．4 Microhardness of third bodyon the surface of specimens2．2 摩擦压力的影响观察在不同摩擦压力下，以转速为 5 880 r／rain进行 5 min试验后的试样表面形貌变化见图 5.

1)从图5(a)、图5(b)中可以看出，当摩擦压力较低时，试样表面间隔分布着磨痕与暗灰色的表面膜．在摩擦过程中，摩擦副的真实接触状态是各自的表面轮廓峰发生接触，接触面积很小．当摩擦压力较小时，试样的温度低，磨屑颗粒和试样表面均具有较强的抵抗塑性变形的能力，形成的磨屑中仅有少数会被压实在试样表面，硬质颗粒的存在还会使材料发生磨粒磨损，从而在摩擦表面形成划痕.

2)对图5(b)的摩擦表面进行能谱分析，如图6(a)所示，可见摩擦表面既有来自ZDPH和 RBS材料的 Fe、Ni、Cr等合金元素，还存在来自铜基粉末冶金材料的Cu、A1等元素．在磨痕内部检测到的Al元素含量较高，推断是摩擦组元中的硬质颗粒 A103存留在了摩擦表面的磨痕中．在磨痕周围，可观察到平整、致密的表面膜，它是由两种摩擦副材料的磨屑共同混合、压实而成，即为表面第三体.

3)图5(c)、图5(d)为在 70～100 N的压力下试验后的表面形貌，可见表面原有磨痕逐渐被覆盖，第三体的连续性和致密度升高．这是因为随着摩擦压力的增大，试样表面形成的磨屑逐渐增多，试样的温升4 3 2 O 一暑 ＼ I×斛骚