摩擦磨损论文

常见摩擦材料简介

摘要：摩擦磨损是造成材料损耗的主要原因。根据不同的用途，将用到不同的耐摩擦材料。本文将介绍几种常见的摩擦材料及其相应的主要功能。

关键字：摩擦磨损石棉粉末冶金润滑自修复

1.前言

磨损是机械零件失效的3大原因(磨损、腐蚀和断裂)之一。1957年Burwell按照磨损机理将磨损分为4大基本类型，即粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损，这些磨损使机械部件的摩擦表面出现裂纹、梨沟、麻点等缺陷，是造成机械零件失效的主要原因[1]。

磨损是造成材料损耗的主要原因之一，据不完全统计，能源的1/3到1/2消耗于摩擦和磨损；大约80%的机器零件失效是由于磨损引起的。据我国冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个部门的不完全统计，每年仅备件消耗的钢材就在150万吨以上。我国每年因磨损造成球磨机磨球消耗近200万吨，球磨机和各种破碎机衬板消耗近50万吨，轧辊消耗近60万吨。斗齿是挖掘机上磨损最严重的零件，由于其在作业过程中直接与砂土岩石等接触，工作条件十分恶劣，根据对三峡工地斗齿使用情况的统计，磨损是其主要的失效形式，占90-95%。磨损造成的经济损失十分巨大，我国每年由于磨损造成的材料损失和能源浪费高达10亿元，煤炭工业用的刮板输送机仅中部槽的磨损所造成的损失每年即高达1亿元。摩擦与磨损不仅消耗大量能源和材料，而且由于磨损导致零件失效后，修复或者替换零件，以及因此造成的停工给工业生产带来了巨大的损失。因此一些工业部门对于耐磨材料的需求越来越广泛，比如水泥工业的碾碎机、煤炭工业的粉碎机等都需要耐磨性能优异的材料[2]。

航空发动机作为飞行器的心脏, 其零部件长期工作在高负荷、高工作温度的情况下, 容易因运转部件疲劳或磨损引起故障, 严重影响发动机的正常使用。为了保证航空发动机的正常运行专门设置了滑油系统, 用于减少零部件之间的摩擦并带走摩擦产生的金属碎屑。目前航空发动机磨损趋势预测模型主要有灰色模型[3] 、时序模型[4] 、支持向量机模型以及神经网络模型[5],这些模型从不同的角度提取了零部件的磨损信息。

2.摩擦材料简介

材料抗粘着磨损的能力在很大程度上取决于金属的组织结构，材料表面之间的粘着行为主要跟其相互的晶面的配合程度有关。配对材料的互溶性愈大，粘着倾向就愈大，易于发生粘着磨损，摩擦系数较高，粘着磨损就愈大。当两种材料完全不相溶时，其粘着倾向最小。

影响摩擦表面温度的主要因素是速度和压力，其中速度的影响更大。

2.1 石棉摩擦材料

以石棉纤维为增强材料的石棉摩擦材料在摩擦材料发展的初期占有十分重要的地位，石棉材料耐热性好、摩擦系数高、比表面积大、强度较高及价格低廉的优点使得其在20世纪20年代至80年代成为汽车等行走机械的最主要摩擦材料。然而近年汽车、高速列车和航空工业高速发展，工程机械和交通工具行驶速度提高，致使制动系统摩擦材料表面温度可达500℃，对摩擦材料的性能提出了更高的要求。传统石棉摩擦材料在550℃时将完全失去结晶水而导致摩擦材料变质，磨损加剧，摩擦性能不稳定，高温制动时易出现摩擦性能热衰退[6]，其高温稳定性已经不能满足要求。此外细小的石棉纤维被人体吸入后会沉积在肺部造成肺部疾病，严重威胁人体健康，与石棉相关的疾病在建筑、材料、机械等多种行业普遍存在，世界上许多国家已经全面禁止使用这种危险性物质。

2.2 铬系耐磨材料

Fe-Cr-C系合金是用途最为广泛的耐磨合金之一，在此基础上发展出了一系列不同性能的耐磨材料，其中一些高合金的材料具有极为优异的耐磨损性能，但是由于合金含量较高，过高的成本限制了其广泛使用。

低、中合金耐磨钢是以硅、锰为基础加入铬、钼以及其它微量元素而发展起来的耐磨合金钢。其合金系统由成分简单的单一锰系、硅系、铬系、铬锰系到成分复杂的铬锰硅钼其他微量元素的多元复合系统。低、中合金耐磨钢具有较好的强韧性，低、中冲击载荷下的耐磨性优于高锰钢，但存在淬透性和淬硬性低的不足。

以碳化物为耐磨相的白口铸铁是应用较早且比较广泛的一类耐磨材料，耐磨白口铸铁的发展分为普通白口铸铁、镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁三个阶段。后来又相继开发了钨系白口铸铁、钒系白口铸铁和锰系白口铸铁等。高铬白口铸铁显微组织中存在着硬度较高且分布孤立的(Cr,Fe)7C3型碳化物，高铬白口铸铁比普通白口铸铁和镍硬白口铸铁具有更好的硬度和韧性组合，半个多世纪来，国内外铸造工作者对铬在铸铁中的作用进行了大量的研究试验，使铬系白口铸铁性能不断提高，生产工艺逐渐简化。目前铬系铸铁磨球已取代了一些耐磨锻钢、中锰球铁和低合金钢等材质的磨球，在冶金、矿山、建材及电力等行业中得到推广应用，成为较好的抗磨材料。

2.3 复合纤维基摩擦材料

20世纪80年代以来，摩擦材料的发展迅猛，世界各国研究重点转变为新型的无石棉摩擦材料，半金属摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、代用纤维增强或聚合物粘接摩擦材料以及复合

纤维摩擦材料等相继问世。

半金属摩擦材料是70年代美国Bendix开发的无石棉摩擦材料，以钢纤维或高碳铁粉代替石棉纤维，加入石墨、二硫化钼及一定数量的热固型树脂热压而成。半金属摩擦材料在400℃以下工作时摩擦系数稳定，无热衰退，有良好的耐磨性，其寿命可达石摩擦材料的3倍以上；然而半金属材料的耐腐蚀性较差，钢纤维容易腐蚀而引起摩擦片强度降低，磨损加剧，其在高温高负荷环境工作时稳定性不佳，粘接树脂在300℃～400℃高温下分解产生的气体液体产物导致摩擦系数下降，剧烈的温度变化引起的热应力会导致摩擦材料的剥落。

目前常见的代用纤维增强有机摩擦材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及混合纤维等[7]。玻璃纤维[8]有热稳定性好、硬度高、与树脂亲和性好的优点，但玻璃纤维的热传导率很差，摩擦表面的温度很高使得其磨损率较大。降低玻璃纤维的硬度和采用适当的改性树脂可改善玻璃纤维增强有机摩擦材料热稳定性差和磨损率大的缺点[9]，单一玻璃纤维增强的摩擦材料很难满足高速高温条件下的摩擦学性能要求。碳纤维有机摩擦材料有着突出的耐磨性和高温稳定性，因此被广泛用于赛车和飞机制动系统中，Giltrow[10]的研究表明碳纤维的类型对摩擦材料的磨损特性影响很大，而纤维的排列方向和摩擦过程中界面第三体对磨损特性影响极小。芳纶纤维是一种芳族酰胺人造纤维，具有较高的韧性，高温下尺寸稳定，非常适合用作高温高摩擦条件下工作的摩擦材料。Loken[11]的研究表明Kevlar增强摩擦材料有较大的摩擦系数，且在高温下具有和半金属摩擦材料相近的高耐磨性。Takahisa Kato等[12]研究表明，Kevlar含量增加，摩擦材料的硬度和导热率线性降低，Kevlar含量达到10%时摩擦系数降低50%，磨损率降低一个数量级，但继续增加Kevlar，摩擦系数基本不变而磨损率继续下降，其实验结果表明，加入Kevlar后该摩擦材料的耐磨性大大提高了，但同时摩擦系数降低，这却是人们不希望见到的。混合纤维增强有机摩擦材料是采用二种及以上纤维混合增强的摩擦材料，这种形式不仅能发挥每一种纤维的优点，使其摩擦学性能全面的提高，而且成本的降低使得这一类摩擦材料更具有竞争力，混合纤维可以用最低廉的价格提高抗拉、弯曲、冲击和疲劳性能，并且能减小摩擦材料整体的密度，被人们广泛关注。

2.4 粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料是以金属及其合金粉末作为基体，添加摩擦组元和润滑组元，经均匀混合、压制，用粉末冶金技术烧结而成的复合材料，即主要由基体组元、摩擦组元和润滑组元三大部分构成。粉末冶金摩擦材料具有足够的强度，合适而稳定的摩擦系数，工作平稳可靠，耐磨及污染少等优点，是现代摩擦材料家族中应用面最广、量最大的材料，是摩擦式离合器与制动器的关键组件，已用于新干线、TVG、ICE等高速列车及飞机、高速摩托车上