碳材料摩擦性能浅谈

王志刚

（哈尔滨电碳厂，哈尔滨 150025）

0 前言

稳定的摩擦系数、良好的耐磨性是高性能摩擦材料重要的性能指标。碳材料如何降低摩擦磨损、调节摩擦系数，调节材料孔隙率等方面来保证材料摩擦系数、减少材料磨损值有重要作用。因此摸索碳材料摩擦性能十分必要。

试验主要内容

本文通过以下试验，摸索碳材料以下3个方面内容：

1 试验转速变化对碳材料摩擦系数的影响试验

1.1 试验机理

为了解不同试验机转速条件下，在MG-2000试验机上分别进行了不同转速的摩擦试验。对磨件为：碳（试样mm：Φ6×18）与40CR或5CR。

试验条件：实验摩擦副为盘销式试件，下试样为试样盘是40CR或5CR，上试样为试样是碳。润滑剂为15#航空液压油。试验温度为常温，试验时间五分钟。

图1 试验摩擦接触如图Fig.1 Test Friction Contact

从图1中可以看出，碳与对磨件为面接触。当有润滑摩擦时，其润滑的目的在摩擦表面之间形成具有法向承载能力而切向剪切强度低的润滑膜，用它来减少摩擦阻力和降低材料磨损，使摩擦性能良好。润滑膜可以是液体膜或气体组成的液体膜或固体膜[1]。我们选用的是液体膜为15#航空液压油。

1.2 根据润滑膜的形成原理和特征，润滑状态可以分为

(1)流体动压润滑; (2)流体静压润滑; (3)弹性流体动压润滑(简称弹流润滑) ; (4)薄膜润滑; (5)边界润滑; (6)干摩擦状态等 6 种基本状态[2]。

1.3 试验步骤

1试验前用超声波清洗机对试样盘进行清洗（丙酮）15分钟，将清洗后的试样放入恒温干燥箱进行干燥，干燥温度60℃，时间30分钟。2安装试样销与试样盘，设置转速及载荷。3在软件界面设置采样频率2（即每秒采样二次），点击运行，开始试验。

试验一对磨件为5Cr相应数据如表1所示。

表1 碳与5Cr试验压力与摩擦系数数据Table 1 Data of Pressure and Friction Coefficient for Carbon and 5Cr Tests

并将其转化成曲线图如图2、图3所示：

图2 碳与5Cr试验压力与摩擦系数数据图Fig.2 Data Diagram of Pressure and Friction Coefficient for Carbon and 5Cr Tests

试验中，碳与5CR对磨在MG-2000上试验：

㈠压力21 MPa时，此碳材料随着转速由30增大到70，摩擦系数增大；而另外两个压力，变化不规律。

图3 碳与5Cr试验转速与摩擦系数数据图Fig.3 Data Diagram of Rotational Speed and Friction Coefficient of Carbon and 5Cr Tests

㈡当30 r/min和54 r/min转速时，碳材料随压力减小，摩擦系数增大；而另外三个转速变化无趋势。

试验二对磨件40cr相应数据如表2所示。

表2 碳与40Cr试验压力与摩擦系数数据Table 2 Pressure and Friction Coefficient Data of Carbon and 40Cr Tests

并将其转化成曲线如下图：

图4 碳与40Cr试验压力与摩擦系数数据图Fig.4 Data Diagram of Pressure and Friction Coefficient for Carbon and 40Cr Tests

图5 碳与40Cr试验转速与摩擦系数数据图Fig.5 Data Diagram of Speed and Friction Coefficient of Carbon and 40Cr Test

试验中，碳与40CR对磨在MG-2000上试验：

①压力21 MPa时，碳材料随着转速由30增大到70，摩擦系数增大；而另外两个压力，变化不规律。。

②当30 r/min和36r/min低转速时，碳材料随压力减小，摩擦系数增大；而另外三个转速变化无趋势。

结论：由此可得，碳材料在MG-2000试验机试验，在有航空15#机油做润滑时，碳与5Cr或40Cr进行对磨时，可归纳如下：一压力一定时，碳材料在一定转速范围内，随着转速增大，摩擦系数增大。二当转速较低时，碳材料随压力减小，摩擦系数增大。

上述规律验证了，在摩擦学系统中摩擦系数最初随速度的增大而减小，到高速时随速度的增大而增大。即摩擦系数最初随转速的增大而增大而减小，当转速在一定时，摩擦系数最小，但当转速继续增大时，摩擦系数增大。也证明了，当转速一定时，在摩擦学系统中压力较小时，摩擦系数增大，当压力较大时，摩擦系数也增大。

2 试验机定转速下，变化压力时对碳材料动静摩擦系数的影响试验

在MM-200试验机上，了解定转速条件下，压力变化对碳材料摩擦系数影响。试验设备：MM-200试验机，对磨件为：碳（试样mm：6×7×30）与40CR和5CR。

2.1 试验条件

实验摩擦副为盘销式试件，下试样为试样碳，上试样为试样盘40CR和5CR。润滑剂为15#航空液压油。试验温度为常温，试验时间五分钟。

图6 碳与对磨件为点线接触。Fig.6 Carbon is in point-line contact with abrasive parts.

从图6中可以看出，碳与对磨件为点线接触。特点：当有润滑摩擦时，当试验压力增大是，二者的接触是由点线接触变为曲面接触。

2.2 试验步骤

1)试验前用15#航空油浸渍标准件。2)安装试样销与试样盘，设置转速及载荷。3)调节试验载荷，启动试验机的主电源，开始试验。试验线速度为0.42m/s。

动摩擦试验：试验一对应数据如表3所示。

表3 5cr与碳摩擦系数与压力试验数据Table 3 Friction Coefficient and Pressure Test Data of 5cr and Carbon

图6 5cr与碳摩擦系数与压力关系Fig.6 5cr and the Relationship Between Carbon Friction Coefficient and Pressure

5cr与碳分析：当转速一定，动摩擦系数随压力增大，摩擦系数在一个0.07-0.05狭小区域波动。 试样1号与2号随着压力减小，动摩擦系数减小。试样1号与2号动摩擦系数相当。

试验二对应数据如表4所示。

表4 40cr与碳摩擦系数与压力试验数据Table 4 Friction Coefficient and Pressure Test Data of 40Cr and Carbon

图7 40cr与碳摩擦系数与压力关系Fig.7 40 Cr vs.Carbon Friction Coefficient VS.Pressure

40cr与碳分析：当转速一定，动摩擦系数随压力增大，摩擦系数在一个0.09-0.05狭小区域波动。试样1动摩擦系数随着压力减小，而摩擦系数减小。试样1号与2号在与40CR和5CR对磨时，动摩擦系数变化不大。

静摩擦试验：试验一5cr与碳同动摩擦同一设备，只是用手盘进行试验，数据如表5所示。

表5 5cr与碳静摩擦试验数据Table 5 5cr and carbon static friction test data

5cr与碳分析：一静摩擦系数随压力增大，静摩擦系数减小。并且变化区域较大。

二试样1号比2号动静摩擦系数，当压力较小时，2号比1号大，当压力增大时，2号和1号相当。

试验二40cr与碳对应数据如表6所示。

表6 40cr与碳静摩擦试验数据Table 6 40 Cr and Carbon Static Friction Test Data

40cr与碳分析：一静摩擦系数随压力增大，静摩擦系数减小。并且变化区域较大。

二试样1号比2号动静摩擦系数，当压力小时，相差较大；当压力增大时基本相当。

试验结论：综合表三和表五、表四和表六可看出：一静摩擦系数随压力增大，静摩擦系数减小。并且变化区域较大。动摩擦系数随压力增大，也有减小趋势，但变化区域较小。二试样1号是比2号动静摩擦系数，当压力小时，相差较大；当压力增大时基本相当。三静摩擦系数大于动摩擦系数。

可以看出，在较小的试验压力下，碳材料的摩擦系数较高，当试验压力增大时，碳材料摩擦系数略有下降，但在每一个特定压力下摩擦系数波动不大。

3 变化压力时对碳材料磨损值的影响试验

磨损是零件损坏或机器和设备失效的主要原因之一，因此了解材料磨损也很重要的。设备为MM-200磨损试验。温度是常温。

3.1 碳的磨损试验步骤：

1)试验前用航空油浸渍标准件。2)安装试样销与试样盘，设置转速及载荷。3)调节试验载荷，试验机的主电源，开始试验。试验线速度为0.42m/s。4)先通电运行一小时，测试试样高度，再装机该试样运行二小时后，测试试样高度，测试的磨损结果如下表七。

表7 5cr或40cr与碳磨损试验数据Table 7 Data of 5cr or 40Cr and Carbon Wear Test

3.2 磨损试验结论

从表上数据可看出：①碳在40cr中的磨损值比在5cr的磨损值小。②在40cr对磨中磨损值1号比2号磨损小，在5cr对磨则1号比2号磨损大。③不论在40cr和5cr对磨过程中，压力大，碳材料的磨损值也增大。

4 上述试验结论

经过上述试验，可得出以下结论：

4.1 转速一定试验

一摩擦系数随压力增大，摩擦系数在一个0.07-0.05狭小区域波动。

二试样1号比2号动摩擦系数大。试样1号与2号在与40CR和5CR对磨时，动摩擦系数变化不大。

4.2 压力一定试验

一压力一定时，碳材料随着转速增大，摩擦系数增大。

二当转速较低时，碳材料随压力减小，摩擦系数增大。

4.3 压力变化下动静摩擦系数的影响

随压力增大，静摩擦系数减小，并且变化区域较大；动摩擦系数随压力增大，动摩擦系数减小，并且变化区域较小。

试样1号和2号动静摩擦系数，当压力小时，相差较大。

静摩擦系数大于动摩擦系数。

4.4 压力大小对碳材料摩擦磨损的影响

① 碳在40cr中的磨损值比在5cr的磨损值小。

② 不论在碳与40cr或5cr对磨过程中，压力大，碳材料的磨损值也大。