ZDPH低合金钢表面第三体形成及演变的实验研究

第 33卷 第 5期2013年 1O月航 空 材 料 学 报JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALSVo1．33．NO．5October 20l3ZDPH低合金钢表面第三体形成及演变的实验研究李志强， 韩建民， 李卫京， 潘利科， 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：选用 自主研制的摩擦制动用高纯净低合金钢(ZDPH钢)及铜基粉末冶金材料为配对摩擦副材料，对 1O组环形摩擦试样分别进行 1～10min的摩擦实验 ，研究摩擦材料表面第三体的形成过程及演变规律。结果表明：表面第三体可以在一定的摩擦速度和压力条件下形成；随着摩擦时间的增加，表面第三体会分别经历初生阶段和长大阶段，最终趋于稳定，覆盖率、平整度和致密度升高；第三体是由摩擦副材料磨屑及各 自氧化物的混合物组成，在摩擦压力和表面高温的共同作用下，第三体经历着形成一破坏一形成的动态过程，其表面具有氧化色斑 、粘着颗粒、粘着坑及少量剥离特征 ，局部存在摩擦副材料的直接转移，显微硬度测试显示第三体的硬度高于摩擦副基体材料。

关键词：第三体；形成条件；演变规律doi：10．3969／j．issn．1005—5053．2013．5．002中图分类号 ：TH117．1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1005—5053(2013)0510006—07摩擦系统的摩擦性能很大程度上取决于摩擦副的表面状态 ，在摩擦过程中，摩擦力和热的交互作用会使摩擦表面发生一系列物理和化学变化 ，引起摩擦表面发 生氧化、塑形变形甚 至材 料转移 。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，它将传统的两体摩擦系统改变为三体摩擦系统 。早在 1984年，Godet就基于润滑摩擦理论提出了第三体的概念，并认为摩擦磨 屑 的压实 过程 对 第三 体形 成 起着 主 导作用 ；Majcherczak等在研究碳素钢材料 的第三体时提出，初生的第三体磨屑会在表面堆积并引起局部接触应力和温度的升高，导致磨屑被压紧形成压实区 ；Eriksson等认为摩擦层的不连续分布并不一定是由表面的凸起 变形而引起 ，在正常 的摩擦条件下 ，摩擦表面原发性和继发性摩擦接触 的交替出现才是形成不连续摩擦层的主因 。如今虽然已有众多作者对应用 于制动领域的摩擦材料进行了研究，但对表面第三体 的结构和其作用仍有众多不同的见解，对不同摩擦副材料的表面第三体的形成和收稿 日期 ：2013-03—25；修订 日期：2013—05—25基金项目：中央高校基本科研业 务费专项资金资助项 目(M12JB00190)；国家 自然科学基金项目(51271014)作者简介 ：李志强 (1987一 )，男 ，博士研究 生 ，主要从事 钢质摩擦 制动材料研究 ，(E—mail)52347270###163．tom通讯作者 ：韩建 民，男 ，教授 ，(E—mail)jmhan###bjtu．edu．ca。

演变过程的理解也不尽相 同 。。”]。本工作对新 型ZDPH低合金钢 ，” 及铜基粉 末冶金材料组成 的摩擦副开展实验研究 ，通过表面形貌观察 和元素分析探讨第三体的形成及演变规律，为新型 ZDPH材料的摩擦磨损研究提供理论基础 。

1 实验材料与方法1．1 实验材料实验材料为 自主研制的摩擦制动用高纯净低合金钢一zDPH钢和铜基粉末冶金材料。ZDPH材料为低碳低合金钢 ，含碳量 (质量分数 ，下同)为 0．2～0．3％，主要微合金化元素为 Cr，Mo，V。ZDPH材料经纯净化冶炼后非金属夹杂物及气体含量很低 ，其中 P≤0．009％，S≤0．006％。制样所用 的 ZDPH材料为热处理态 ，不同温度下的机械性能及热物理参数如表 1所示。铜基粉末冶金材料的基体组元为Cu—sn合金 ，含量约为 60％ ～70％，Sn用于强化铜基体，铜粉和锡粉的粒度均为 一200目；润滑组元为石墨 ，在摩擦过程 中起润滑作用 ，含量约为 12％ ～18％ ，粒度为 一30～+200目；摩 擦组元 为 A1，O ，SiC等陶瓷粉末 ，含量约为 15％ ～20％ ，粒度为 一60～ +800目。

1．2 实验方法实验采用环一环对磨的方式 ，将两种材料制成环形摩擦试样在 MPX一2000型摩擦磨损实验机上进行对磨实验 ，其 中上 环试样为 ZDPH材料 ，外径 D




l2 航 空 材 料 学 报 第 33卷purified forging steel for the brake disk of 300 km／h ex-press trains[J]．Journal of The China Railway Society，2003，25(6)：108—11．)[15]孙春华．ZDPH高纯净锻钢制动盘材料热处理丁艺及组织性能研究[D]．北京 ：北京交通大学，2009.

Experimental Research on Formation and EvolutionProcess of Third Body of ZDPH Low Alloy SteelLI Zhi—qiang， HAN Jian-rain， LI Wei—jing， PAN Li—ke，rANG Zhi—yong(School of Mechanical Electric and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract：During the friction process，the two-body friction system is changed into three-body system by the third body which formatedon the surface of the friction materia1．The formation and evolution of third body plays an important role to the friction and wear proper-ties of materials．1 0 tests with diferent friction time which is from 1 to 1 0 minutes were carried out by using ZDPH low aloy steel andcopper matrix powder metalurgy．The result shows that the third body appears on the surface at certain speed and pressure．Duringfriction process，the friction surface is covered by the third body which tends to be more consistent and flatened．Third body is the mix-ture of the friction materials particles and their oxides．With the high pressure and temperature，the third body on the surface experi—ences a dynamic process of forming and destroying． Oxidized spots，adhesive particles，adhesive pits，surface peeling and materialtransfer can be observed on it．And the micro-hardness of the third body is higher than the hardness of friction materia1.

Key words：third body；formation；evolution