Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶金属含量对酚醛树脂基摩擦材料性能的影响

2022-07-14吴浩宇宋之锴周小平

润滑与密封 2022年7期

吴浩宇宋之锴龙威周小平

(1.湖北工业大学材料与化学工程学院湖北武汉 430068；2.湖北工业大学绿色轻工业材料湖北省重点实验室湖北武汉 430068)

随着科技的发展，人们对汽车安全性提出了更高的要求。刹车片是汽车刹车系统中最重要的组成部分，刹车片质量直接影响车辆行驶安全[1]。性能优异的刹车片可以提供稳定适宜的摩擦因数、低磨损率以及较小的制动噪声[2]。树脂基摩擦材料制备工艺简单、成本低廉、力学性能优良，是目前应用最广泛的汽车刹车片材料[3-5]。树脂基摩擦材料通常由黏接剂、增强纤维、填料、润滑组元等部分组成[6]，其中润滑组元起到降低材料摩擦因数和磨损量的作用，其在调节摩擦性能方面的效果越来越受到人们的关注。传统固体润滑剂石墨具有层片状结构，润滑效果良好[7]，对降低材料摩擦因数和磨损量有较好的效果。但是由于石墨密度较小，与酚醛树脂界面结合度不高[8]，会造成孔隙率的增加以及硬度和强度的降低[9]；另外摩擦时石墨有严重的脱落现象，导致磨损量较高[8,10]。

非晶合金(Amorphous Alloy)是近几十年来发展迅速的新型材料，在快速凝固条件下，金属熔体凝固过程中晶体相无法形核和长大，金属原子来不及形成有序排列的晶体结构相，呈现出长程无序、短程有序、宏观均匀、各向同性的排列方式[11-12]。由于非晶合金独特的结构，晶体内部不存在空位、位错、晶界等缺陷，因此具有优异的性能，如高强度、高硬度以及优良的耐磨性等性能[13]。石岩等人[14]采用粉末冶金法及激光诱导表面改性制备了铜基非晶-纳米晶摩擦材料，发现经表面改性后，材料中α-Cu相晶粒得到细化，并且材料硬度提升了12.7%，耐磨性能提升了45%，摩擦因数提升了1%。

石岩等人[14]的研究表明，非晶合金可以起到提升金属基摩擦材料性能的作用，但是非晶合金在树脂基摩擦材料中的应用却鲜见报道。Fe基非晶合金成本低廉[15]，具有超低的摩擦因数以及磨损率，在摩擦磨损性能方面表现优异[16]，因此Fe基非晶在作为增强颗粒用于摩擦材料方面具有巨大的潜力，有望在增强材料力学性能的同时起到润滑作用。本文作者采用Fe基非晶颗粒代替传统的润滑组元，探究非晶颗粒含量对酚醛树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响规律。

1 试验部分

1.1 试验材料

酚醛树脂，200～300目，长春人造树脂厂股份有限公司生产；Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末，500目，北京桑普斯瑞公司生产。

图1所示为Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末XRD衍射图。可以看出，在40°<2θ<50°处，非晶粉末出现单一弥散的漫衍射峰，且无其他晶体峰出现，说明非晶粉末由单一的非晶相结构组成，无其他杂质，具有良好的非晶结构，可用于增强酚醛树脂基摩擦材料的制备。

图1 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末XRD衍射图

1.2 摩擦材料制备及测试

称取质量分数分别为0、10%、20%、30%、40%、50%的Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶粉末，利用QM-3SP4行星式球磨机与酚醛树脂粉混合，转速200 r/min，时间3 h；将混合后的原料放入模具中预热，置于平板硫化机中热压成型，成型温度170 ℃，压力10 MPa，保压8 min，冷却后脱模；设定箱式炉温度为180 ℃，将制得的试样放入箱式炉中加热使其固化完全。

利用HR-150A型洛氏硬度计测量试样硬度，每块试样测量5次,取平均值作为最终硬度值。利用MFT-EC4000型高速往复摩擦磨损试验机对制备的试样进行干摩擦试验，探究其摩擦学性能。试验用对摩件材质为GCr15。试验参数为载荷20 N、频率2 Hz、滑动距离5 mm、时间20 min。试样体积磨损率按照阿查德方程[17-19]进行计算：

(1)

式中:K为体积磨损率，mm3/(N·m)；V为磨痕体积，mm3；p为施加的法向载荷，N；S为滑动距离，mm；b为磨痕宽度；R为对摩球半径。

对摩擦磨损试验后的试样表面喷金，采用GeminiSEM 300型场发射扫描电镜(SEM)观察样品的表面及磨痕形貌。

2 结果与分析

2.1 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量对摩擦材料硬度的影响

树脂基摩擦材料的硬度过大，压缩形变过小，易产生制动过硬，且会在使用过程中产生噪声。硬度过小，接触面磨损严重，降低使用寿命[20-21]，60～80 HRB属于较为合适的硬度范围[22]。图2所示为不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的洛氏硬度。

图2 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的硬度

由图2可知，非晶颗粒的添加会使摩擦材料的硬度提升，这是由于非晶颗粒自身的硬度较高，且树脂与非晶颗粒的机械结合较为紧密，使得材料对压入载荷的抵抗力得到提升；随着非晶颗粒质量分数的增加，这种抵抗力会持续增强，表现为摩擦材料硬度的提升。其中非晶颗粒质量分数为20%、30%和40%的试样硬度分别为62.1HRB、67.6HRB和73.6HRB，较基体分别提升了22.24%、 33.07%和44.88%，硬度大小适中，属于较为理想的范围。非晶质量分数为50%的试样硬度达到83.6HRB，但是较高的硬度会造成较大的使用噪声，影响摩擦材料的实际使用。因此非晶颗粒质量分数为30%～40%较为合适，此时摩擦材料硬度最为理想。

2.2 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量对摩擦材料微观形貌的影响

图3示出了不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的微观形貌。图3(a)中亮色部分为原料中的无机添加物，从图中可以看到基体中存在裂纹，这是由于酚醛树脂在固化过程中产生的气体没有及时排出，从而导致裂纹及气孔的产生，这一类缺陷是导致材料摩擦性能较差的主要原因。由图3(b)—(f)可以看出，添加非晶颗粒后，材料裂纹及气孔等缺陷得到改善。图中圆形颗粒即为非晶颗粒，总的来看，非晶颗粒在基体中分布均匀，无团聚现象。由高倍SEM照片可以看出非晶颗粒与基体的机械结合紧密，酚醛树脂固化后对非晶颗粒起到了较好的包覆效果。

2.3 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量对摩擦材料摩擦磨损性能的影响

图4所示为不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的摩擦因数随时间变化曲线。可见，未添加非晶颗粒的试样摩擦因数曲线波动较大，说明该试样在摩擦过程中摩擦稳定性较差，结合图3(a)中结果，分析认为试样中存在的气孔等缺陷是造成材料摩擦稳定性较差的主要原因。添加非晶颗粒后，材料组织更加均匀，各试样的摩擦因数均有不同程度的降低，并且摩擦稳定性均得到了提升。其中，非晶颗粒质量分数为10%的试样由于添加量较低，摩擦过程中基体材料占据主导地位，非晶颗粒起到的润滑作用相对较小，因此摩擦因数略高于20%、30%、40%质量分数非晶颗粒填充的试样，但摩擦稳定性较无非晶颗粒的试样已有很大程度的改善。非晶颗粒质量分数50%的试样摩擦因数曲线进一步稳定，但是摩擦因数高于其他4组非晶颗粒填充试样。

图4 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数

图5和图6所示分别为不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的三维轮廓和对应的磨痕剖面曲线，表1所示是试样磨痕参数。结合图5、图6和表1可知，随着非晶颗粒质量分数的逐渐增加，磨痕的宽度、深度和体积逐渐减小。

图5 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的三维轮廓图

图6 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的磨痕截面轮廓

表1 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数试样磨痕参数

图7所示为不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的平均摩擦因数和体积磨损率。可知，试样的体积磨损率随着非晶颗粒质量分数的增加而逐渐降低，说明非晶颗粒起到了改善材料耐磨性的作用。其中当非晶颗粒质量分数增加至50%时，试样体积磨损率为0.125 7 mm3/(N·m)，较基体的体积磨损率1.09 mm3/(N·m)降低了88.47%。在非晶颗粒质量分数小于等于40%时，随着非晶颗粒质量分数的增大，试样的平均摩擦因数逐步降低，质量分数40%时达到最低的0.249，较基体的0.315降低了20.95%。由于独特的电子结构，非晶合金具有较低的表面能，进而使其具有较低的摩擦因数，因此摩擦时的非晶颗粒可以降低对摩件与试样间的摩擦力，减小材料摩擦因数。此外，非晶合金在摩擦过程中表现出“碾抹”作用[23]，磨屑中的非晶颗粒受到挤压以滚碾的方式运动，在摩擦面被碾压抹平，使得磨损面变得平整，同样减小了摩擦过程中的摩擦力，从而降低了材料磨损率。当非晶颗粒质量分数继续增加至50%时，平均摩擦因数增加至0.291，高于其他4组复合摩擦材料，这是因为酚醛树脂基体与非晶颗粒的热膨胀系数相差较大，且非晶含量较高，在摩擦过程中由于温度的升高，导致基体对非晶颗粒的包覆效果减弱，颗粒从基体中脱落形成磨屑，脱落后的磨屑不均匀地分布于摩擦副，使得摩擦表面粗糙度升高，进而导致平均摩擦因数增大。与非晶颗粒质量分数30%与40%的试样相比，这种脱落发生在摩擦面，未造成磨痕深度增加，且非颗粒质量分数50%的试样的磨痕宽度进一步减小，因此试样的磨损体积及体积磨损率降低。结合前文分析，非晶合金质量分数在30%～40%是较为合适的范围。

图7 不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料的平均摩擦因数和磨损率

2.4 Fe52Cr15Mo26C3B1Y3含量对摩擦材料磨损机制的影响

图8所示是不同Fe52Cr15Mo26C3B1Y3质量分数摩擦材料磨损表面显微形貌的SEM照片，摩擦方向为水平方向。图8(a)、(b)中的磨痕表面存在大量的鱼鳞状裂纹，材料发生翘边。这是因为在较长时间的摩擦磨损试验过程中，材料摩擦面的次表层在法向和切向应力作用下产生变形，并逐步形成裂纹；裂纹沿着平行于表面的方向扩展，而后折向摩擦表面，形成鱼鳞状裂纹；在磨球的反复挤压下，部分鱼鳞片膜层会剥落，形成图8(a)、(b)中的剥落坑，此时的磨损机制为接触疲劳磨损。

如图8(c)所示，当非晶颗粒质量分数增加至20%以上时，磨损表面与图8(a)、(b)相比较为平整。图8(c)中出现剥落现象以及犁沟带，犁沟较深且宽度较宽，这是因为在摩擦磨损过程中会产生大量磨屑，磨屑在法向力的作用下被压入材料表面，又在切向力的作用下向前推进，形成犁沟带。此外，图8(c)中仍存在部分鱼鳞状裂纹，说明当非晶颗粒质量分数为20%时，磨损机制主要为磨粒磨损和接触疲劳磨损。

如图8(d)所示，质量分数为30%的试样磨损表面平整光滑，犁沟宽度变窄，方向整齐，摩擦表面剥落情况得到很大改善。此时的磨损机制主要为磨粒磨损。

如图8(e)所示，非晶颗粒质量分数为40%的试样摩擦表面存在小的剥落坑，同时可以观察到裂纹以及裸露于摩擦表面的非晶颗粒。这是因为在摩擦磨损试验过程中，摩擦表面的基体对非晶颗粒的包覆效果逐渐减弱，最终造成非晶颗粒的脱落。

如图8(f)所示，非晶颗粒质量分数为50%的试样在摩擦磨损试验时，发生了树脂基体与非晶颗粒的脱落，在磨损表面留下较大面积的剥落坑。由于酚醛树脂与Fe52Cr15Mo26C3B1Y3非晶颗粒的热膨胀系数相差较大，并且此时试样中含有较多的非晶颗粒，摩擦过程中温度的升高使得酚醛树脂与金属颗粒的机械结合效果减弱，存在于摩擦面表层及次表层的非晶颗粒在循环切应力下逐渐挣脱基体的束缚黏着到对摩件上，两摩擦表面发生相对运动后，黏着点被剪切，同时又形成新的黏着点，并且黏着到对摩件上的颗粒又附着到试样摩擦面上，形成反黏着。摩擦表面不断发生黏着点的剪切、黏着和反黏着，从而形成磨屑，造成较大面积的脱落，在摩擦表面形成脱落坑与凹坑，此时的磨损机制主要是黏着磨损。