非光滑表面材料的摩擦學(xué)性能研究

近年來，隨著我國汽車產(chǎn)量的增加和平均速度的提高，其運行可靠性問題日益突出。摩擦和磨損是滑動過程中的一個矛盾點。在一定的襯底摩擦和負(fù)荷-摩擦之間，由于工作環(huán)境的復(fù)雜性和影響因素，它受到了各國科研人員的廣泛關(guān)注。對于摩擦緩沖材料，摩擦和磨損是滑動過程中的一個矛盾點。因此，雖然它沒有引起過度的磨損，但一定的摩擦阻力是必要的。換言之，增加材料的系數(shù)是提高動靜態(tài)環(huán)的長度是動態(tài)振動研究人員最關(guān)心的問題。目前，使用和研究的車輛制動盤（側(cè)面）材料主要包括鑄鐵和金屬基材料。由于鑄鐵具有一定的強(qiáng)度和良好的耐候性，制造成本低，因此長期以來一直用于車輛動態(tài)平臺材料。金屬基材料雖然具有良好的性能，但價格非常高，尚未解決間隙材料的匹配問題，因此相關(guān)研究仍處于初始和實驗階段。生物體結(jié)構(gòu)經(jīng)過20億年物竟天擇的優(yōu)化,幾乎是完美無缺的.通過對某些動物如螳螂、穿山甲及竹材等研究發(fā)現(xiàn),生物體表呈非光滑形態(tài),且具有良好的耐磨、抗擠壓和抗裂紋等功能[4,5,6,7,8,9,10,11,12].本文作者模仿動物體表狀態(tài),通過激光在試樣表面雕刻出具有規(guī)則分布的凹坑、條紋和網(wǎng)格等非光滑形態(tài),以此研究非光滑表面制動盤(轂)材料的摩擦磨損性能.1試樣制備和磨損試驗試驗所用材料由斯太爾卡車剎車轂上切取,其主要化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)為3.27%C、1.97%Si、0.85%Mn、0.08%P、0.07%S、0.21%Cu,余量為Fe.利用線切割機(jī)切成尺寸10mm×10mm×14mm的試樣.通過激光在試樣表面加工出一定規(guī)則分布的非光滑單元體,其分布參數(shù)見表1.摩擦磨損試驗采用M-200型摩擦磨損試驗機(jī),試驗前,試樣采用無水乙醇在超聲波清洗器中清洗20min,風(fēng)干.摩擦副接觸形式為面接觸,偶件材料為GCr15,尺寸為ue001φ60mm×10mm,硬度63HRC,載荷為15N.用精度萬分之一的FA2004型電子天平稱量磨損前后的質(zhì)量損失,并以此評價其耐磨性,每組試樣重復(fù)3次,取其平均值為試驗結(jié)果.摩擦系數(shù)通過計算機(jī)監(jiān)控的摩擦力矩計算得出.2硬度對磨損量的影響表2列出了光滑表面與非光滑表面試樣的磨損量以及摩擦系數(shù)對比試驗結(jié)果.非光滑表面參數(shù)為:d=w=0.8mm,s=s1=s2=3mm,條紋試樣α=90°,凹坑和網(wǎng)格試樣α1=90°,α2=180°.可見非光滑表面試樣具有優(yōu)良的耐磨性和較高的摩擦系數(shù);與光滑試樣相比,磨損量減少1倍以上,當(dāng)單元體形狀不同時磨損量減少程度不同,其中網(wǎng)格狀單元體非光滑表面的耐磨性最佳,較光滑試樣的耐磨性提高了2.31倍,較條紋狀試樣提高了1.69倍,較凹坑狀試樣提高了1.10倍;網(wǎng)格狀試樣的摩擦系數(shù)增大1倍,較條紋狀試樣增大86%,凹坑狀增大63%.圖1所示為當(dāng)單元體硬度變化時各試樣的磨損量以及摩擦系數(shù)試驗結(jié)果.非光滑表面參數(shù)分別為:d=0.9mm,w=0.8mm,s=s1=s2=3mm,條紋試樣α=90°,凹坑和網(wǎng)格試樣α1=90°,α2=180°.可見:隨著單元體的硬度增加,試樣的耐磨性增大,當(dāng)單元體硬度較低時,不同形狀單元體試樣的磨損量變化較小,隨著硬度增加,試樣的磨損量變化較大;同時,隨著單元體硬度增加,各試樣的摩擦系數(shù)增大,其中網(wǎng)格狀試樣的變化較小,凹坑狀試樣的變化較大.圖2所示為單元體直徑或?qū)挾葘υ嚇幽p量及摩擦系數(shù)的影響,其中所用非光滑表面參數(shù)d分別為0.4mm和0.8mm,w為1.2mm和1.6mm,s=s1=s2=3mm,條紋試樣的α=90°,凹坑和網(wǎng)格試樣α1=90°,α2=180°.可見隨著直徑或?qū)挾仍黾?試樣的磨損量減少,其中凹坑狀試樣磨損量減少幅度較大,網(wǎng)格狀試樣磨損量減少幅度較小,條紋狀試樣居中.另外,隨著單元體直徑或?qū)挾仍黾?摩擦系數(shù)增大,其中網(wǎng)格狀試樣變化較小,凹坑狀試樣變化較大,這同圖1的變化規(guī)律一致.圖3所示為單元體間距對試樣的磨損量以及摩擦系數(shù)的影響.其中非光滑表面參數(shù)分別為:d=w=0.8mm,s=s1=s2=1mm,2mm,3mm,4mm,條紋試樣α=90°,凹坑和網(wǎng)格試樣α1=90°,α2=180°.可見隨著單元體間距增加,各試樣的耐磨性下降.與圖3相反,隨著間距增加,凹坑狀試樣磨損量增加幅度最大,網(wǎng)格狀試樣最小,條紋狀試樣居中.同樣,隨著單元體間距增加,摩擦系數(shù)減小,其中網(wǎng)格狀試樣變化較小,凹坑狀試樣變化較大.通過激光在試樣表面加工的單元體與母體相比可見,單元體處的組織致密,具有較高硬度,相當(dāng)于在母體表面增加了許多強(qiáng)化質(zhì)點并起到抗磨作用,使其耐磨性增加.當(dāng)單元體的形狀、大小及分布間距不同時,其占母體的面積也不同且呈網(wǎng)格狀分布,單元體越大,分布間距越小,非光滑單元體所占母體面積的百分比越大,耐磨性越佳.在摩擦過程中,這些單元體與母體的高低位置有所不同,相當(dāng)于增加了母體的表面粗糙度,增加了摩擦阻力,從而提高了摩擦系數(shù),單元體呈網(wǎng)狀分布,單元體直徑越大,分布間距越小,在表面形成的粗糙度越大,故摩擦系數(shù)增加.因此,非光滑表面材料在提高耐磨性的同時,又能夠提高材料的摩擦系數(shù).3非精密表面試樣的磨損量和摩擦系數(shù)a.通過激光加工在材料表面形成非光滑表面,其耐磨性較光滑表面提高1倍以上,摩擦系數(shù)提高66%以上.對比網(wǎng)格狀、條紋狀及凹坑狀單元體非光滑表面試樣的磨損量和摩擦系數(shù),其中網(wǎng)格狀最優(yōu),條紋狀次之