《汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
浙江大学硕士学位论文Y866210汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料摘要本文在分析了汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料的工况条件和技术指标的基础上，确定了摩擦材料研究中的四个技术关键：具有极低的磨耗率和耐久性；动摩擦系数高而稳定；能承受高的能量负荷和压力负荷；具有好的冷冲压性能。根据要求，对摩擦材料的基体组成、孔隙率、减摩组元、摩擦组元等方面进行了系统的研究。通过对基体组成的研究，确定了一种锡、锌共同强化的合金基体，并选用不同的原材料进行配合，在基体组织中形成显微硬度有高低的两个相，并形成连通的孔隙，使基体具有高的强度和好的摩擦磨损性能；通过不同孔隙率材料在不同线速度、比压和能量负荷条件下的性能试验，找出了比压、线速度和能量负荷对^一一一一不同孔隙率材料摩擦磨损性能的影响关系，优化出了摩擦磨损性能最好时的孑L隙率：通过对减摩组元粒度和用量及摩擦组元用量的研究，有效地控制了材料的静摩擦系数。研制的湿式铜基摩擦材料突破了我国传统铜基摩擦材料概念，非金属组元含量很低，具有好的冷冲压性能，满足粉末冶金同步环产品拉深成锥的工艺要求；经检测，在所模拟的同步器工况条件下，材料的平均磨耗率小于1．3×101硼3／J，对对偶钢片的平均磨耗率为0．65×lO-6m?／J，动摩擦系数为0．085—0．103，静摩擦系数为0．129-0．148；经强化试验，材料的能量负荷极限达3．5J／mm2，压力负荷极限达4．7Mpa；经耐久试验和重复性试验，材料的摩擦磨损性能稳定，重复性好。主要性能指标达到了同步器粉末冶金同步环的工况要求。所设计的摩擦磨损性能检测规程分为初期磨损试验、筛选试验、压力试验、速度和能量级试验、耐久试验五个部分，细化和完善了我国传统的摩擦磨损性能试验方法，为湿式摩擦材料的研究提供了一个很有效的试验研究方法。在研究过程中发现，孔隙率是如此大程度地影响着材料的摩擦磨损性能，因此提出：把孔隙作为湿式铜基摩擦材料除基体、减摩组元、摩擦组元以外的第四个组成部分。关键词：同步器同步环粉末冶金摩擦材料孔隙率摩擦系数磨损性能检测方法 浙江大学硕上学位论文汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料ABSTRACTTheworkingconditionsandtechnicalparametersofwetcopper-base。frictionmaterialusedasP／Msynchronizerringforautomobilesynchronizerhavebeendiscussed，andthekeyissueofwhichisexcellentwearresistibilityanddurability,highandstabledynamicfriction【codrttctent,heavypressureload，highenergyandpowerabsorptioncapacityaswell嬲coldpunchingbehavior．Thematri。x，porousproportion，anti-frictionelementsandfrictionelementshavebeenexperimentallyinvestigatedtomeetthekeyissue．AsortofcopperalloymatrixstrengthenedbytiIlandzinc，inwhichspecificrawmaterialpowderisin仕oduced，presentshighstrengthandfrictionperformanceduetoitsmetallurgicalmicrostructurewithtwodifferentmicrohardnessphasesandwispyandconnected。pores．Materialswithdifferentporousproportionhavebeentestedundervariousspeeds，energyloadsandspecificloads豁well．Theeffectsofporous011frictionandwearcharacteristicshavebeenfound，Theeffectsindicatethatthereisa．porousoptimum，ofwhichmaterialshowsexcellentproperties．Staticfrictioncoefficientwaseffectivelydepressedandcontrolledbythewayofstudyingontheparticlesizeandquantityofanti-frictionand衔ctionelements．Thenewdevelopedmaterialcontainingslightnonmetallicelements，whichbrokethroughthetraditionalconcept,showsgoodcoldpunchingpropertyandmeetstherequirementtodeep-drawthesynchronizerringintoconeform．Underthetestingproceduresimulatingtheworkingconditionsofsynchronizer,itswearrateis1．3×10’6rnm3／J,theweartothematingplateis0．65×10石toni3／J．thedynamiccoefficientis0．085—0．103andthestaticcoefficientisO．129—0．148．Theenergyabsorptioncapacityreaches3．5J／ram2andthepressureloadlimit4．7Mpa．Duringthedurabilityandre-productiv晦test，itpresentsstablefrictionandweal"resistancecharacteristics．ThemainparametersmeetthepracticalworkingconditionoftheP／Msynchronizerring．Thespecificdesignedfrictionandwearperformancetestspecificationincludesn 浙}C大学硕士学位论文汽车同步爨粉束冶会同步环用温式铜基摩擦捌制fiveparts—initialwealtest，screeningtest，pressuretest，speedandenergytest，anddurabilitytest，whichisanimprovementtOthetraditionaltestmethodforfrictionlevelandwcarperformanceand．isaeffective．methodforwetfrictionmaterialreachandestimation-、ThecharacteristicsoffrictionandwearisSOdeeplyinfluencedbyporousproportionandanideaisputforwardthatporesshouldbeconsideredasthefourthpartofwetcopper-basefrictionmaterialsbesidesmatrix，anti—frictionelementsandfrictionelements．KEYWORDS：synchronizer,synchronizerring,P／M，frictionmaterial，porousproportion，frictioncoefficienLwear,testmethod．m 淅Ⅱ奠学硕士学位论史汽车同步器糟束冶金同步环用湿式铺基摩擦材料课题来源及研究内容一、课题名称汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料二、课题来源汽车工业是一个国家工业生产能力和科学技术水平的综合体现。经半个多世纪的发展，特别是近二十年来大规模的技术引进和国外技术与资本的大规模进入，我国汽车工业得到了飞速发展，已基本上从开始的整车引进逐步实现了大部分零件的国产化，并且一些零部件的质量和性能已达到或接近国外先进水平，降低了我国汽车工业对国外的依赖。汽车的设计能力也在逐步成长和形成，提癌了民族汽车工业的自主性。但是，目前尚有一些关键零部件及材料，由于其技术难度大，尚未实现国产化。现代车辆的设计是以满足车辆的动力蛀、经济性、安全性、环保性为特征的，中国汽车市场的需求与国际市场的需求在同步发展。车辆功率的不断提高、车辆速度的不断加快、车辆结构的小型化、车辆制造成本的压缩，以及人们对车辆操作轻盈和乘坐舒适性方面要求的曰益苛刻。我国汽车工业又不断面临着新的机遇和挑战。同步器是汽车的关键部件之一，同步环是同步器上的核心零件。由于其优异的性能，采用粉末冶金同步环是我国汽车工业发展的趋势，有着广阔的市场前景。在国外，粉末冶金同步环已有近二十年的发展史。它促进了同步器技术的发展，获得了市场的青睐，并为其技术拥有者创造了巨大的经济效益。在国内，本土汽车企业还没有一家采用粉末冶金同步环，合资企业和外资企业所使用的粉末冶金同步环完全依赖进口，国内还没有一家公司能生产粉末冶金同步环产品。杭州前进齿轮箱集团有限公司杭州粉末冶金研究所作为国内粉末冶金行业的龙头企业，根据国内外同步器技术的发展趋势和对未来的市场分析，决定立项，研究开发jI!{}末冶金同步环。三、选题意义研究开发粉末冶金同步环，做好技术贮备，可以填补国内窑自，为企业在未来创造新的经济增长点，促进高性能新型同步器在我国韵应用和发展，缩小我国汽车工业在关键零部件方面与国外的差距。Ⅳ 浙江_赶学硕士学位论文汽午l哥步嚣粉末冶金同步玮片j湿式铡基瘁擦材料四、研究内容粉末冶金同步环对我们来说是一个全新的技术和产品。国内外文献中关于粉末冶金同步环的资料不多。在仅有的一些文献中，多属于不同材质同步环之间的性能对比及粉末冶金同步环的性能、优点和使用情况的介绍，有关粉末冶金同步环所用摩擦材料的材质配方、制造工艺、性能检测规程及检测手段等方面的文献‘～1——“——。几乎没有。弄清同步器的工作原理，研究粉末冶金同步环的工作环境及工况条件是开展该项目的起点；研究粉末冶金同步环用摩擦材料的材质配方和制造工艺是该项目技术和产品开发的主要内容；研究粉末冶金同步环的性能检测方法和质量控制手段是该项目必不可少的重要内容。在整个项目的进展过程中，少不了汽车设计师特别是变速箱和同步器设计师们的合作。鉴于国内的汽车设计师们刚开始考虑采用粉末冶金同步环，该项目的进度为：首先尽可能做好技术贮备，在将来时机成熟时与汽车设计师们密切配合，使该产品逐渐走向市场。为此。该项目当前韵研究内容为：1了解国内外汽车同步器的发展状况和发展趋势。2了解国内外汽车同步器同步环的发展状况和发展趋势。3研究同步环的工况参数及其所用湿式铜基摩擦材料的性能技术指标。4研究粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料的材质配方、制造工艺和检测方法。V 浙江大学硕士学位论丈第’章绪论1．1．1．同步器概述第一章绪论1．1．汽车同步器与同步环同步器是汽车和非公路车辆变速器的重要部件。在变速器换档时，它使欲换接上的齿轮副迅速达到并保持同步后接合，并能阻止在同步前接合。采用同步器后，可实现迅速而无冲击地换档，避免换档时的复杂操作”o，同时还可以避免其它换档方式在刹车失效的危急情况下欲换低速档(以利用发动机的牵阻作用)而未能换入所带来的因下滑而不断加速的危险LZJ。现代车辆变速器设计以满足车辆的动力性、经济性、安全性、环保性为特征，因而所有齿轮式变速器均采用同步器，带同步器的变速器也因此广泛应用于货车、重型自卸车、越野车、客车、轿车、工程车、拖拉机、履带车辆等领域。随着车辆功率的不断提高、车辆速度的不断加快、车辆结构的小型化、车辆制造成本的压缩，以及人们对车辆操作轻盈和乘坐舒适性方面要求的日益苛刻，汽车同步嚣得到了快速发展。1．1．1．1．同步器技术发展趋势汽车同步器包含三个机构：使滑动齿套与花键齿圈的圆周速度迅速达到并保持一致(同步)的摩擦机构：阻止滑动齿套与花键齿圈在达到i司步之前接合以防止冲击的锁止机构：滑动齿套回到中位(空档)的定位机构。实现同步器换档的关键机构是摩擦机构和锁止挑构。特别地，摩擦机构直接关系到同步器的容量、换档可靠性、操作稳定性和制造成本”1。为改善和提高同步器的性能，目前，同步器技术研究主要集中在：(1)降低A传动链的转动惯量；(2)改进变速器速比分配以更好地发挥同步器的性能；(3)加大同步器摩擦锥面半径；(4)加大换档力；(5)选用性能更好的摩擦材料；(6)减小同步器摩擦锥面角；(7)采用多锥同步器；(8)锁止机构的研究。所有这些 浙江凡学硕士学位论史帮章绪论1．1．1．同步器概述第一章绪论1．1．汽车同步器与同步环同步器是汽车和非公路车辆变速器的重要部件。在变速器换档时，它使欲换接上的齿轮副迅速达到并保持同步后接合，并能阻止在同步前接合。采用同步器r后，可实现迅速而无冲击地换档，避免换档时的复杂操作”。，同时还可以避免其它换档方式在刹车失效的危急情况下欲换低速档(以利用发动机的牵阻作用)而未能换入所带来的因下滑而不断加速的危险L2Jo现代车辆变速器设计以满足车辆的动力性、经济性、安全性、环保性为特征，因而所有齿轮式变速器均采用同步器，带同步器的变速器也因此广泛应用于货车、重型自卸车、越野车、客车、轿车、工程车、拖拉机、履带车辆等领域。随着车辆功率的不断提高、车辆速度的不断加快、车辆结构的小型化、车辆制造成本的压缩，以及人们对车辆操作轻盈和乘坐舒适性方面要求的日益苛刻，汽车同步器得到了快速发展。1．1．1．1．同步器技术发展趋势汽车同步器包含三个机构：使滑动齿套与花键齿圈的圆周速度迅速达到并保持一致(同步)的摩擦机构；阻止滑动齿套与花键齿圈在达到同步之前接合以防止冲击的锁止机构；滑动齿套回到中位(空档)的定位机构。实现同步器换档的关键机构是摩擦机构和锁止虮构。特别地，摩擦机构直接关系到同步器的容量、换档可靠性、操作稳定性和制造成本L3J为改善和提高同步器的性能，目前，同步器技术研究主要集中在：(1)降低A传动链的转动惯量；(2)改进变速器速比分配以更好地发挥同步器的性能；(3)加大同步器摩擦锥面半径；(4)加大换档力；(5)选用性能更好的摩擦材料；(6)减小同步器摩擦锥面角；(7)采用多锥同步器；(8)锁止机构的研究。所有这些 浙tl‘夫学硕士学位沧文第‘章绪沧方面的研究和技术进展都直接或间接地引司步器所采用的摩擦元件相关“卜剐。1．1．1．2．同步器的主要技术参数及计算同步器的技术参数是确定同步器用摩擦材料性能指标的依据。图1．1为同步器计算原理简图，图1．2为同步器受力图，同步器的主要技术参数及其计算公式如下‘1H141：(1)摩擦锥面角a摩擦锥面角是同步器的重要参数，它必须满足tga一>p．的极限条件(其中“为摩擦系数)，以防止同步器出现自锁。日前，一般控制摩擦锥面角的数值为6．5～9。。也就是说，其所用摩擦材料的摩擦系数根据锥面角的不同应大于O．10～O．16o(2)轴向力轴向力为同步器轴囱受到的力。驾驶员施加一个操纵力于换档杆上，经杠杆机构放大后，通过拨叉推动滑动齿套将力施加于同步器的摩擦锥面上，其大小为：Fo=k·E其中，F。为加在同步器上的轴向力，Fh为驾驶员换档时的操纵力，一般在100～450N，k为杠杆比。图1．1同步器计算原理简图图1．2同步器受力图(3)摩擦锥面正压力见图1．2所示，同步器摩擦锥面正压力的大小为：E：善sin口其中n为同步器的摩擦锥面角。摩擦锥面的工作比压需满足以下条件：2 新汪大学硕士学位论文第一章绪论p=鲁≤【p】其中A。为锥面摩擦丽积。[pl蔓J锥面摩擦材料的比压许用值，傲其值取2000kPa。(4)锥面摩擦力矩I：丢硝以：冬盥￡ZSm口其中，Ts为锥面摩擦力矩，u为摩擦系数，dl为同步器锥面的平均直径。对于多锥同步器乏总=∑t，=∑错其中di为同步器各锥面的的平均直径。D)同步时间同步器均可简化如图1．1所示的简图。图中输入端的L为离合器等的阻力矩，输出端的T，为车辆行驶时的阻力矩，I。为同步器输入端的当量转动惯量，I，为同步器输出端的当量转动惯量，。l为同步器输入端的初始角速度，m2为同步器输出端的初始角速度。用动力学和运动学公式推导得同步器的同步时间为：铲赫从上式可清楚地看出影响同步器同步时间的各因素，特别是挂档时离合器的“粘滞”或退档时同步器锥面的“粘滞”都将导致同步器换档的恶化。同步时间一般设计为o．4～1．2秒。若将同步器输出端的当量转动惯量I，当作无穷大，并忽略离合器等的阻力矩k和车辆行驶时的阻力矩T。，同步器的同步时间可简化为：‘=±华≯(6)锥面摩擦功同步器锥面的摩擦功和摩擦功率是同步器的两个重要指标，它必须低于锥面摩擦材料摩擦功和摩擦功率的许用值。其计算公式为；E=±￡．口=lt．△国，出=±寻‘．‘o。一国：) 浙江大学硕士学位论文第一章绪涂P=者=专暑”勘其中E为摩擦功，P为摩擦功率，0为同步器两锥面的相对角位移量，A。为锥面摩擦面积。(7)锥环锁止角同步器锥环锁止角即为锥环接合齿倒角，见图t．2的受力分析，其计算公式为：秽=擘雩巡P,dzSm口+，删l其中，B为锁止角，d2为锥环接合齿平均作用直径，u，为接合齿间的摩擦系数。不发生换档冲击的约束条件为tgfl—d—2_=s—in_：a——-—／—a．—ul_d,幽d2sm口+≯磷1．1．2．同步环发展状况和发展趋势1．1．2．1．同步环概述前面已经讲到，同步器关键的两个机构是摩擦机构和锁止机构。摩擦机构的锥面摩擦副决定着同步器的同步扭矩和同步时间；锁止机构保证同步器只有在达到同步以后才能接合。其中最关键的元件之一是同步环或同步锥，它的锥面是摩擦副的摩擦面。对于环锬式同步器，同步环的外圆端面还有锁止机构的接合齿。图1．3是同步器同步环的一个实例，它为单锥粉末冶金同步环。由此，同步环的技术关键为锥面摩擦材料豹性能和接合齿的性能。图l’3单锥粉末冶金同步环为保证变速器在整个工作寿命期间能充分发挥其作用，同步器同步环所采用的摩擦材料(又称摩擦衬层)应具备以下性能特点‘”1：1)高耐磨损性4 浙￥I，大学硕十学位|^文2)相当匹配的摩擦系数31对对偶件无磨蚀4)具有高强度、耐高温和抗冲击载荷能力5)不受载荷与换挡次数(>200，000)影响的稳定的摩擦系数6)具有可应付过载现象工况(使用不当)的能力7)好的油兼容性1．1．2。2．国外同步环的发展状况和发展趋势1．1．2．2．1．同步环用摩擦材料分类现代汽车同步器所采用的摩擦材料包括特殊黄铜合金、喷锢材料、纸基摩擦材料、铜基粉末冶金摩擦材料¨“。1)特殊黄铜合金用特殊黄铜合金制得的同步环，其摩擦锥面和接合齿是同一种材料，该材料既要满足锥面高的摩擦磨损性能要求，又要满足齿部的高强度要求。它是最早用作同步环的材料。当前用得最多的技术是采用锰铝黄铜合金，经离心铸造环坯、摩擦压力机精密锻造成型和加工中心机械加工雨成‘”卜DT]。2)喷铝材料采用喷钼材料的同步环，其为在钢环的锥面上喷一层0．07～0．25厚度的钼摩擦衬层。其中，钼摩擦衬层使同步环具有满足性能要求的摩擦磨损性能，钢环使同步环具有满足性能要求的强度。其制造工艺为，首先用精密锻造或粉未锻造工艺成型钢齿环，然后对钢齿环的锥面进行机JJⅡI(包括油槽)，再在其锥面上喷一层钼摩擦衬层，必要时还得对钼摩擦衬层进行磨加工。喷铝的工艺有氧乙炔火焰喷涂和等离子喷涂，当前国外主要采用等离子喷涂技术m卜‘2“。3)纸基摩擦材料采用纸基摩擦材料的同步环，其工艺为在钢环或铜环的锥面上粘贴一层纸基摩擦衬层。纸基摩擦衬层由各种纤维、摩擦添加剂和摩擦调节剂造成摩擦纸后浸渍树脂固化，经冲裁后粘贴到钢齿环或铜齿环的锥面上‘刎一‘州。5 浙江大学硕士学位论文第章绪论4)铜基粉末冶金摩擦材料采用铜基粉末冶金摩擦材料的同步环，其工艺为在钢环的锥面上复合一层粉末冶金摩擦衬层。粉未冶金摩擦衬层由铜粉和各种合金组元、摩擦添加剂、摩擦调节剂的混合粉末经特殊工艺成型后烧结在钢芯板上，再经拉深成锥后复合到钢齿环上。对于多锥同步器，经拉深后的锥环可以直接用着摩擦锥环‘”1‘2“。图1．4描述了当前同步器中不同摩擦材料所占的市场份额Ⅲ1。|鬈焉≮《≤。25％＼kk瀛、冰is!■叠j露熬黪霎鬻。。⋯一黝!雾莛ll镶董引图1．4同步器中各摩擦材料所占市场份额1,1⋯222．同步环用各摩擦材料的特征及性能对比特殊黄铜合金、喷钼材料、纸基摩擦材料、铜基粉未冶金摩擦材料各有其特点，性能上有很大的差异，对其性能比较如下‘15¨171‘踟啪m州嘲‘”1‘⋯。1)摩擦衬层表面磨损1．0图1．5摩擦衬层磨损．摩擦功曲线对比图图1．6摩擦衬层磨损一接合次数曲线对比图多项实验研究表明在标准典型的应用条件下，粉末冶金摩擦衬层和钼衬层具：J，l一￡k∞E#t0。j”‘ 浙江人学硕十学位论文第章绪论有极好的抗磨损性能。图1．5展示了随单位而秘摩擦功的增加，不同摩擦衬层的磨损曲线。在较高的摩擦功(表面能量负荷)条件下，黄铜合金和有机摩擦利层出现相对较高的磨损，钳衬层在表面能量负荷增加到一定值后磨损快速增加。图1．6展示了不同摩擦衬层随着接合次增加的磨损情况。2)对对偶锥的磨损纸基摩擦材料衬层。即使在对偶锥的硬度很低的条件下，对对偶锥的磨损也很小。当对偶锥的硬度达到55HRC以上时，纸基、黄铜和烧结摩擦衬层都不会对对偶锥产生磨损，而钼衬层则会对对偶锥产生较大的磨损。隙，但其材质的耐热性能和承受压力s”mm*·的性能较低，因此其载荷能力不高。图1．8各种摩擦材料速度压力载荷极限当传动轴与齿轮间的转速差异较小时，钼衬层的承受载荷能力实际上与铜基粉末冶金衬层相同。但当转速较高时，钼衬层锥面的磨合点会出现明显的热效应现象，产生烧伤痕迹，并在对偶锥表面形成磨蚀。黄铜衬层不适合长期在大于O．1J／mm2能量载荷下使用。图1．8展示了不同摩擦材料所能承受的载荷极限，即线速度．压力载荷极限。舢摩擦性能如图1．9所示，在摩擦衬层和润滑剂所允许的热容量范围内，纸基摩擦材料的摩擦性能近于完美。在相同的工况下，虽然铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦性7 浙江大学硕士学位论文第章绪论能略有降低，但其摩擦性能依然相当的稳定。而铜材料的摩擦性能则在受表面变化影响而随时间的变化明显降低。图1．9各种摩擦材料的摩擦性能对比图5)抗过载能力因操作不当引起同步器在过载条件下工作的情况总是存在的。比如部分驾驶员在推进同步器时忘记或者没有正确地松开离合器。离合器有时也会出现脱排不彻底的情况。在这两种情况下，发动机的动力就完全没有或部分没有被切断，这将使同步环吸收更多的能量，引起同步器过载。现代汽车要求同步器具有抗过载能力。抗过载能力测试(不当使用测试)在美国尤为普遍。抗过载能力测试是在比实际工况更高的比压和线速度条件下进行的。表1．1是为模拟驾驶员的不正确操作换档行为而设计的试验条件。测试结果表明：铝衬层出现磨蚀，纸基衬层则出现热负荷过载(炭化)，而粉末冶金摩擦衬层表现出了最好的抗过载能力。表1．1同步器摩擦材料抗过载能力(不当使用)测试表换档力：50磅=28lN杠杆比：7．5：l轴向力：2109N换档时间：2．5s同步环直径：100mm 新江大学硕土学伉论文第章绪论表1．1(续)转速线速度总能量单位面积能量步骤(转／分)(m／s)(J)(J／ram2)l4502．31237O．5128204．222540．92312306．433811．39415908．243701．79518009．349502．03619009．852232．1461润滑油兼容性四种摩擦衬层对润滑油都十分敏感，但粉末冶金摩擦材料和纸基摩擦材料表现出最好的润滑油兼容性。1．1⋯223．各种摩擦衬层综合性能一览表表1．2各摩擦衬层性能综合对比表[15]‘261技术指标粉末冶金摩擦材料纸基摩擦材料铝衬层摩擦衬层耐磨损性能+++对偶锥的磨损性能0+承载能力(J／film2)+++++动摩擦系数++++摩擦性能稳定性+++O抗过载能力+++油兼容性-4-++++性能比较基点相对于黄铜材料的提商相对于黄铜材料的不足各性能以特殊黄铜合金十++相当大一一相当大的性能为比较基点++明显一轻微十轻微0无 浙汀大学硕士学位论文第璋绪沦表1．2所列，为黄铜合金、粉末冶金、纸基、锱衬层的性能对比。可以看H{粉末冶金摩擦材料衬层的综合性能高于其它三种衬层，纸基摩擦材料衬层也表现出较高的摩擦性能和承载能力。目前，欧洲新设计的同步器主要采用粉末冶金摩擦衬层，而不采用纸基摩擦材料衬层；北美，在重载领域采用粉末冶金摩擦衬层，在轻型车辆和轿车领域大量采用纸基摩擦材料衬层。1．1．2．2,4．粉末冶金同步环粉末冶金摩擦材料已有七十余年的发展史，但它用作同步器的摩擦材料是上世纪，、十年代才开始的。用传统的压烧工艺，要在同步器的摩擦锥面上烧结一层粉末冶金摩擦材料从工艺角度分析是极其麻烦的，从成本角度分析是非常昂贵的，因而一直没有应用到同步器领域。上世纪八十年代，德国贺尔碧格公司用喷撒工艺，。。’～将粉末冶金摩擦衬层烧结到环形薄钢片上，经拉深后成同步器所需的锥形，再将该摩擦锥内镶嵌到钢齿环或铜齿环的锥面上，如图1．10所示。这一工艺上的突破实现了粉末冶金摩擦材料在同步器领域的应用㈨(：2el。+图1．10单锥粉末冶金同步环图例粉末冶金同步环在不改变同步器原。二来几何结构和尺寸的基础上具有如下优．势：可以l：1地替代原有的同步环；其jL、摩擦磨损性能已经过长期的应用证明；使换档更平稳柔和，降低了噪音；提高了同一。、i，6、《|、0I≯I黪／⋯。。{”≯、≤。。lL．．j。。≯一奠。joj?步器的寿命；节约了对偶锥的成本等。因图1．11双锥粉末冶金同步环些它在同步器领域得到了快速的发展‘吲。粉末冶金摩擦材料在同步器上的应用V0；0。。≯{i!一；，囊≮：，。。?： 浙江夫学硕士学位论文第一章臻论又促进了同步器结构的优化，使双锥和三锥同步器的结构变得简单和可靠。图1．11和图1．12为国际上最新的采用粉末冶金同步环的结构图。图I．12采用粉末冶金同步环的双锥同步器结构图例1。'。2,3。我国同步环的发展状况和发展趋势同步环的发展是依赖同步器的发展而发展的。我国从60年代初开始在汽车上使用带有同步器的变速器，但一直到80年代初期，带有同步器的变速器在国产汽车上的装备率才达到33％(主要用于SH760、EQl40、BJ212型等汽车上)⋯1。80年代后期，我国先后从德国、美国引进了ZF变速器和富勒变速器，用于重型载货汽车及工程机械领域。这两种变速器的同步器均为单锥同步器。80年代未90年代初，我国从国外引进了较多的轻型车、微型车、轿车制造技术，如南京汽车制造厂从意大利引进的依维柯汽车、中国一汽集团从德国大众引进的奥迪轿车、上海和德国大众合资生产韵桑塔纳轿车，后来世界各大汽车公司又纷纷涌入中国市场组建合资或独资企业，带各种同步器的变速器进入了中国。髂个80和90年代，中国的同步器发展表现为对引进技术的消化吸收和部分零件的国产化。同步器的种类主要是单锥同步器蛆⋯。进入新世纪后，中国的汽车行业开始考虑选用或着手设计高技术含量的同步器。我国同步环按其使用领域可分为重型载货汽车及工程车辆用同步环、中型载货汽车用同步环、轻型和微型汽车用同步环D6]‘281m1。目前在我国，重型载货汽车和工程车辆采用的是钢环锥面喷钼的同步环，中 新蛆．大学硕士学位论文第一章绪论型载货汽车采用特殊黄铜合金制得的同步环和钢环锥面喷钼的同步环，轻型车辆和轿车采用特殊黄铜合金甫《得的同步环。特殊黄铜合金制得的同步环和钢环锥面喷钼的同步环所采用的材料和生产工艺只停留在引进技术的国产化上，但对引进技术的消化吸收和国产化很成功，并形成了较大规模的生产能力。国内还没有研制和生产粉末冶金同步环及纸基同步环的相关文献和报道mm81[29J。外资企业生产的轿车所采用的粉末冶金同步环和纸基同步环完全依赖进口。国内的汽车制造商、变速箱制造商和同步器制造商，近两年正在着手开发、设计和采用粉末冶金摩擦衬层或纸基摩擦衬层的单／双锥粉末冶金同步环的同步器；外资企业和合资企业也正在着手加快汽车零部件国产化的进程。可以相信在不远的将来，粉末冶金同步环在中国将有一个快速的发展。I2 浙江大学硕士学位论史第⋯章绪论1．2．1．概述1．2．湿式铜基粉末冶金摩擦材料现代机器和机械的传动系统或制动系统都安装了某种用途的摩擦装置，它包括摩擦离合器和摩擦制动器。摩擦离合器或摩擦制动器是由摩擦材料制成的摩擦元件及与其配对的摩擦对偶组成。摩擦离合器利用摩擦副间的摩擦力实现机器或机械主动部分与从动部分的接合、分离或不同步运转；摩擦制动器利用摩擦副间的摩擦力实现机器或机械的减速、限速或停止”“。摩擦离合器和摩擦制动器广泛应用于汽车、船舶、农机、建筑、矿山、石油化工、通用机械、军工等领域。在摩擦材料的发展过程中，早期的摩擦装置多采用干式摩擦材料。由于机械和机器不断向大功率、高速度方向发展，同时对摩擦装置的安全性、可靠性、结构尺寸、环境因素等不断提出苛刻的要求，这就促进了湿式摩擦材料的快速发展。目前所使用的摩擦材料种类繁多，具体见以下分类‘3“： 浙江大学硕士学位论文簿⋯肇缡论1．2．2．湿式铜基粉末冶金摩擦材料发展简史早期的摩擦材料多是干式的，它直接采用树皮、软木、皮革或棉麻织物。十九世纪初，橡胶工业的发展和酚醛树脂的出现，人们得以采用橡胶或树脂粘结棉、麻、石棉等编织物或缠绕制成当时新颖的干式摩擦材料，其中某些干式材料至今}-仍在采用。到上世纪三十年代，出现了新型的摩擦材料一粉末冶金摩擦材料k31J。粉末冶金摩擦材料是1929年提出的。施瓦尔茨科普夫提出用粉末冶金原理制造铜基粉末冶金摩擦材料。1932年通用金属粉末公司组织生产了铜基粉末冶金摩擦块，用于航空工业的干式离合器。摩擦块以钮扣形状机械联结在金属支承盘的两面。航空工业是粉末冶金摩擦材料的第一个用户L32J。1937～1941年间粉末冶金摩擦材料的基本工艺原理被美国威尔曼及其同事们取得了专利。专利采用锡青铜作为摩擦材料的金属基体，加入铁粉和二氧化硅粉末提高摩擦系数，加入石墨粉和铅粉作为润滑组元，各组元粉末混合后压成薄片经烧结成为摩擦材料。由于粉末冶金摩擦材料本身强度低，它必须粘结在钢背(或芯板)上。为了达到很好的结合，钢背(或芯板)表面电镀一层铜，烧结规定在钟罩炉中完成，钢背与粉末冶金薄片叠在一起进行加压烧结。这是最早的干式铜基粉未冶金摩擦材料制造技术‘”1‘⋯。湿式铜基粉未冶金摩擦材料是在干式铜基粉未冶金摩擦材料基础上发展起来的，并与干式铜基粉未冶金摩擦材料同步发展。1938年，出现了两个因为齿轮箱内有润滑油，采用湿式摩擦材料的应用实例。这种应用纯粹是为了结构上的方便和筒单化，一例是GM公司在汽车变速箱换档离合器中采用粉末冶金摩擦材料和用纺织物做成制动带；另一例是Wright航空公司在其飞机增压器的双速齿轮传动箱中采用粉末冶金摩擦材料。湿式摩擦材料一经出现就显示出温升低、摩损小、寿命长、噪音低、可靠性高的优势L31J。1940年，由于战争的需要，美国Raybestos公司设诗制造了世界上第一台测量摩擦材料在油介质中接合特性的试验机，用于二战期间飞机用摩擦材料的性能研究。该试验机的产生使湿式摩擦材料的研究有了重大突破，加快了湿式摩擦材料的发展L31J。I4 浙江大学顿士学位论文第一章绪论二战结束后，变速箱工业迅速发展，拖拉机、工程机械、重型载货汽车制造商开始采用湿式摩擦装置。湿式铜基粉未冶金摩擦材料逐渐在工业领域被广泛使用。粉末冶金摩擦材料比老式的石棉摩擦材料在摩擦性能稳定性、承压能力、耐温耐热性、耐久性等方面都有很大提高，工作时受环境因素影响小，因此得到了快速的发展，在离合器和制动器中得到广泛应用。1935年美国粉末冶金摩擦元件的主要制造商有维尔曼公司，稍后有石墨青铜公司、曼哈顿拉斯别斯托克公司、拉斯别斯托克公司分部。当时主要生产干式铜基粉未冶金摩擦材料。湿式铜基粉未冶金摩擦材料在工业领域大规模应用是从上世纪五十年代开始的。二战后，在美国、法国、前西德、前苏联、日本、前捷克斯洛伐克、前东德、前波兰、前罗马尼亚等国家，粉末冶金摩撩材料的研究和生产开始急速发展。经几十年的发展，湿式铜基粉未冶金摩擦材料的材质组成、制造工艺、检测手段、质量控制等得到了全面的发展。目前大约80％的铜基粉末冶金摩擦元件在油中工作‘叫‘蜘‘3“。我国从六十年代初期就开始研制铜基粉末冶金摩擦材料。1965年杭州粉末冶金研究所研制和生产了中国第一片湿式铜基粉末冶金摩擦片，现拥有二条生产线：引进的喷撒．烧结生产线和压制描l结生产线，并拥有各种试验检测设备，年产粉末冶金摩擦元件120万件以上。我国从事粉末冶金摩擦材料研究和生产的单位有：中南工业大学、杭州粉未冶金研究所、北京摩擦材料厂、黄石粉末冶金厂、厦门粉末冶金厂、长春粉末冶金厂、常德粉末冶金厂等等。产品广泛用于汽车、船舶、农机、建筑、矿山、石油化工、通用机械、冲床、机床电器、军工等领域，远销东南亚和欧美市场⋯1。随着机器制造工业的不断发展，各种机器和机构的工作性能、速度及负荷迅速增大，对摩擦材料的要求亦不断提高，早期的摩擦材料已不能满足使用要求，这成为了摩擦材料不断发展的原动力。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论1．2．3．摩擦和磨损机理1．2．3．1．摩擦和摩擦理论1．2．3．1．1．摩擦的分类根据运动学的特征，摩擦可分为：滑动摩擦和滚动摩擦两种形式。在实际发生摩擦时，可同时兼备上述两种形式。根据物体位移的大小及其与切向力的大小关系，摩擦可分为动摩擦和静摩擦。摩擦副的摩擦材料与对偶之间的厍摞包括滑动摩榛和静廑檫。而日绎常为从静廑檫向滑动摩擦或从滑动摩擦向静摩擦转变。按照摩擦副的摩擦材料与对偶的界面状态，又可以把摩擦分成四类，如图2．1所示‘151[35]o1)干摩擦：通常讲的干摩擦是指在无润滑剂条件下，两物体表面之间可能存在着自然污染膜时的摩擦。2)纯净摩擦：纯净摩擦也称物理干摩擦，化合物及人为加入物)的摩擦。3)液体摩擦：液体摩擦指有充分润滑剂存在时，两物体的摩擦表面有一层连续的液体薄膜，摩擦表面完全被薄膜层隔开的摩擦。假如将气体膜也包括在内，则统称流体摩擦。4)混合摩擦：混合摩擦指液体摩擦中，当油膜变薄出现微凸体触点的相互作用时的摩擦。它分为三种情况：指两物体表面无其它介质(吸附膜、图2．I摩擦分类示意图a)边界摩擦：混合摩擦中，当两物体接触面积内相互作用的微凸体的数量增多，油膜厚度减至几个单分子层或更薄时的摩擦。”半干摩擦：摩擦表面同时存在干摩擦和边界摩擦情况时的摩擦。c)半液体摩擦：摩擦表面同时存在液体摩擦和边界摩擦或同时存在液体摩擦和干摩擦情况时的摩擦。 浙江大学硕士学位|^文第章绪论1．2．3．1．2．摩擦理论两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或有相对运动趋势时，它们在接触面之间的相互作用称为摩擦。在接触面间产生切向运动阻力，这种阻力称摩擦力。当物体在外力作用下对另一物体有相对运动趋势，但仍处于静止状态时的摩擦称静摩擦。当有相对运动时的摩擦称动摩擦。如图2．2所示，在与接触面垂直的力P(垂节～图2．2摩擦力学示图直负荷)和与接触面平行旖加的外力F的作用下，当F较小时，接触面表现出的摩擦力F’与外力F大小相等，方向相反，相抵消，物体不会滑动。F’随外力F的增大而增大，当外力F增大到一定的数值时，物体开始滑动。在即将开始滑动而又没有滑动的临界状态下，物体所受的摩擦力称为最大静摩擦力。最大静摩擦力的大小为：k=以·P总有F’≤／a,·P式中：Ⅱ。为静摩擦系数。当F比p。·P大时，物体开始滑动，滑动时接触面之间也有摩擦力在作用，这种摩擦力称为动摩擦力。Fd=弘d·P式中：ud为动摩擦系数。u。和lid均无量纲，一般情况下，|l。>ud。摩擦系数随材料的种类、接触面间存在的膜的种类和状态不同而变化。特别在润滑状态下，受润滑材料的种类和数量、表面微观形状、压力、滑动速度、温度等因素的影响。见图2．2，P和F的合力用R表示时，R和法线方向形成角0角。当tan0。≤1．1；时，R无论多大，物体也不会滑动。与此界限相关的0。称为静摩擦角，用下式表示。0s=啪～1．ts17 浙江大学硕士学位论文第‘章绪论摩擦是物体两个接触表面相互作用引起的运动阻力和能量的损耗。摩擦现象涉及的因素很多，因而提出了各种不同的摩擦理论E32]啡1136]。1)机械啮合理论早期的摩擦理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中能量消耗于粗糙峰的相互啮合、碰撞以及弹塑性变形，特别是硬租糙峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。1785年阿蒙顿和库伦提出，摩擦力FF与法向载荷FN成正比，把摩擦力与法向载荷之比称为摩擦系数，即∥=每上式称为阿蒙顿．库仑古典摩擦定律，认为：幻摩擦力与法向载荷成正比；b)摩擦系数的大小与几何接触面积无关，摩擦表面到处是凹凸不平的，而摩擦起因于接触表面上微凸体的互嵌作用；c)静摩擦系数大于动摩擦系数；m摩擦系数与滑动速度无关。经大量研究发现经典摩擦定律并不完全正确，但是它在一定程度上反映了摩擦的机理，因此在许多工程实际问题中依然近似地引用它。2)分子作用理论19世纪20年代，科学家提出摩擦的“粘附理论”。认为摩擦力来自接触表面之间的分子粘附力，摩擦力的大小与接触面积成正比，即表面越粗糙。实际接触面积越小，因而摩擦系数应越小，而与法向载荷无关。可是这一点与许多摩擦试验结果不符合，试验表明摩擦力与接触面积无关。31分子机械理论经对摩擦的进一步研究，入们认识到，摩擦的起因非常复杂，不能用简单的理论进行解释，而需要作精确的试验和详细的物理分析。1940年前后科学家才弄清楚上述分歧。认为摩擦力既来自于摩擦副表面凹凸微区的机械互嵌作用，又来自于摩擦时变形过程的粘附作用。这种摩擦“二重性的分子机械理论”已被公认为是一种综合的摩擦理论。 浙江大学硕士学位论文第～章绪沦呵以矧图2．3表示互相啮合一‘定深度的两微凸体之间形成的微观触点，在结合和分离的发生过程中：i)微凸体弹性变形；ii)微凸体塑性变形：iii)犁沟；iv)剪切粘接点。】变形竞形步彝n稚憎始备步晷m尊由接矗弹性恢复图2．3摩擦过程中的分过程示意图根据分子机械理论，每项分过程综合结果显示出摩擦力为摩擦副表面接触点上机械啮合作用和分子吸引作用所产生的阻力的总和，即F=咀+胪或表达为 浙江大学硕L学位论文第章绪论F=∥l芳爿r+Pj式中：F一摩擦力；Ar一真实接触面积；P一负荷；a和B一系数；上式叫做摩擦二项式定律，其中Q与B分别为由摩擦表面的物理和力学性能所决定的系数。由此，可得到摩擦系数：u=8+口等式中B是一个定值，它是根据纯机械啮合理论确定的摩擦系数，n是分子引力引起的一个变量，它是对纯机械啮合理论的修正。实验指出，对于塑性材料，由于真实接触面积与负荷成正比，摩擦系数与负荷无关，为一定值。对于弹性材料，由于真实接触面积因负荷增高而缓慢地增大，因此，摩擦系数因负荷增大而减小。‘3幻‘⋯1．2．3．1．3．边界摩擦在不同的载荷、速度和粘度条件下，湿式摩擦副接合的摩擦过程遵循图2．4所示的著名的Steibcck曲线，它反映了摩擦副从液体摩擦向边界摩擦转化的三种工作状态‘3“E3e3：I液体摩擦；Ⅱ混合摩擦；Ⅲ：边界摩擦。图中横坐标表征so--粘度×速度威荷，即流体润滑中Sommerfeld数，纵坐标是摩擦系数。在状态I液体摩擦中，摩擦副表面被连续的油膜隔开，油膜厚度h大于表面合成粗糙度R，表面间不发生实际接触，摩擦阻力来自于油膜的内摩擦，它遵循牛顿内摩擦定律。随着s0的减小，摩擦系数降、篁’1凳基轴_雠矗J卅q矗图2．4Steibeek曲线Z0 浙_口=大学硕L学位论文第一’章绪论低。在这一状态卜摩擦副间几乎不产牛摩损。若油的粘度或速度降低、或者载荷增大，则油膜就变得更薄，甚至油膜局部被撕裂，发生少量微凸体的相互接触，便达到状态II混合摩擦。在该状态中，正压力载荷一部分由油膜承受，另一部分由接触中的表面微凸体承受。摩擦阻力一部分由油膜的剪切引起，另一部分由微凸体的相互作用变形和剪切引起。在混合摩擦过程中，摩擦系数达到最低点。在这一阶段，干摩擦所有的摩擦磨损机理原则上都会发生。如果油粘度降低、载荷再加大，摩擦副接触面积内相互接触作用的微凸体数量增多，油膜厚度减小至几个单分子层或更薄，则到达状态ⅡI边界摩擦。摩擦表面越粗糙及油槽的存在，油膜很快减薄，并撕裂油膜进入边界摩擦。在边界摩擦状态下，正压力几乎全部由微凸体的变形来承受，摩擦阻力仍然包含液体、固体两部分。摩擦材料、润滑剂、摩擦副界面上的物理一化学相互作用决定了摩擦副的摩擦磨损特住。对于多孔性表面，摩擦副一经接合就有可能越过混合摩擦进入边界摩擦状态。这个跨越的过程使得湿式摩擦副从开始接合到同步的过程中具有一个平坦的摩擦系数曲线。1．2．3⋯14摩擦扭矩和摩擦功11摩擦扭矩动力传输轴作用的扭转力矩或旋转物体回转轴的旋转力矩称为扭矩。摩擦扭矩表示离合器利用摩擦传递动力的能力或制动器利用摩擦制动的能力。圆盘式离合器、制动器产生摩擦扭矩的公式如下：M=Ⅳ·P‘毛·Z=∥·P·4·如·Z式中：M．．摩擦扭矩(N·m)；u一摩擦系数；P一轴向压力(N)；P_一单位面积承受的压力P／Al口a)；Rm．一摩擦面的有效平均半径(m)；Ar啊摩擦面一面的面积(m2)；21 浙江大学硕士学位论文第一章绪论z一摩擦副数。一般情况情况下按以1=．公式近似计算月。=妻(‘+‘)式中：ro．．摩擦面的最大半径(m)；ri--摩擦面的最小半径(m)。21摩擦功摩擦装置的摩擦副接合时，摩擦副之间产生滑动摩擦，摩擦力做功，这种功转变成热能，被摩擦材料吸收，称为摩擦功。摩擦功使摩擦副温度升高。在干式工况下，热量向周围的零件传导，向空气中散发；在湿式工况中，摩擦热由冷却油带走。这种吸收能量的能力由摩擦副材料的特性和散热条件决定。一次接舍摩擦副吸收摩擦功的计算公式为：E=群袭群‰式中：Tn一原动机的驱动扭矩Td一离合器的动摩擦扭矩T_一离合器的工作扭矩Il，I厂主、从动部分的转动惯量ml一开始接合时主动部分的角速度m2～开始接合时从动部分的角速度一次接合摩擦副单位面积吸收的摩擦功的计算公式为：E彳．Z摩擦元件单位面积吸收功率为：式中卜滑摩时间。2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论1．2．3．2。磨损和磨损理论1．2．3．2．1．正常磨损的三个阶段磨损是相互接触的物体由于相对运动，在其接触表面物质逐渐损耗的现象。摩擦副的正常磨损过程一般地分为三个阶段，如图2．5所示。11磨合阶段新摩擦副摩擦表面具有一定的粗糙度，真实接触面积较小。在磨台阶段(图2．5中O～a线段)，摩擦表面逐渐磨平，真实接触表面逐渐增大，磨损速率减小。2)稳定磨损阶段这一阶段(图2．5中a～b线段)磨损缓慢稳定。这是摩擦副正常工作时期。31剧烈磨损阶段图2．5磨损的三个阶段b点以后，磨损速率急剧增大。这时机械效率下降，精度丧失，产生异常噪音及振动，摩擦副的温度迅速升高，最后导致摩擦副失效。1．2⋯322．磨损机理摩擦材料的磨损受许多因素影响，影响关系十分复杂，有以下机理‘划Ⅲ3‘3“：1)热冲量机理认为摩擦时材料的磨损和破坏，决定于表面温度和引起材料中产生热应力的温度梯度的共同作用。通常脆性材料只能经受短时间的热负荷，而塑性材料能经受较长时问的热负荷和热冲量作用，在交变温度梯度作用下产生热应力，热应力大小决定于热冲量的速度。抗热冲量的能力取决于材料性能、传热条件、摩擦速度、摩擦零件的形状和尺寸等。用材料的热性能和力学性能评价单位体积材料抗磨损能力的数值表达如下：掣钒岔严23 新江大学硕J：学位沦文第一章绪论评价表而薄层抗磨损能力的数值如下：掣㈨卢式中：or抗拉强度：V一泊松系数；U一热膨胀系数；C一接触热容量；d，—接触密度；￡一弹性模量；^一导热系数。从以上式可以看出，材料的热性能和力学性能决定了材料的抗磨损能力。材料的导热系数大，抗拉强度大，热容量大，材料的抗磨损能力大，抗磨损能力又与热膨胀系数、弹性模量成反比。摩擦副表面层在热应力反复作用下会形成裂纹，裂纹逐渐扩展会引起材料毁坏。21各种应力破坏机理各种应力、变形及各种物理一化学过程影响摩擦材料的磨损和破坏。摩擦表面在外力帮热应力作用下，在表面各接触部分都产生应力，当应力大于材料的屈服极限时，就产生塑性变形。根据金属塑性变形时晶体结构重建机理，金属变形和破坏过程分三阶段进行：第一阶段——弹塑性变形：在晶粒范围内发生晶块破碎和位错塞积。第二阶段——主要是塑性变形，并有非位错性的破坏性变形：破坏性变形表现为晶粒的折转和位移，在整个应力体积内发展。第三阶段——产生初期裂纹，引起材料破坏。所施加应力的特性大大影响着晶块的碎化和位错塞积。如果应力具有正负的话，周期性正负交替变化的应力会引起显微应力的集中或消除。显微应力在晶块界面的聚集就是微裂纹源。当达到破坏性变形阶段时，材料表面强烈表现出微裂纹的萌生和扩展。摩擦副摩擦过程的特点是应力状态的复合性——压应力、拉应力和剪切应力 浙江大学硕士学位论殳第一章绪论同时作用。甚至在单向摩擦时，表面凸峰沉陷于对偶表面中，材料承受压应力和拉应力，使大量的封闭位错塞积在晶界上、隐藏的缺陷处、结构缺陷附近等，引起疲劳性破坏。3)位错变形机理在摩擦材料的极薄表面层(100～1000。A)中产生强烈有方向性的塑性变形和织构，同时有成束的位错线。多次摩擦，产生表面金属层非晶体化。摩擦体相对位移引起在表面层更深(数百um)处发生弹性变形扩展波。4)晶格变形机理在外力长时间作用下，晶格变形及相应的弹性达到极大值，当进一步增加弹性能，则会引起微观应力的周期重复下降，萌生微裂纹和微裂纹的扩展，导致材料的破坏。出现疲劳微裂纹网，引起材料颗粒剥落而磨损。因为施加的力及热冲量的不均匀性，材料结构和成分的不均匀性，使得破坏过程复杂化。5)微观取向畸变机理在负荷、温度、加工硬化、相变等因素的影响下，品格点阵参数的变化是不均匀的，与旅加压力的大小不成比例。由于在与晶粒大小相当的个别体积内存在局部变形，晶格点阵参数比例性被破坏。变形性的局部化，导致材料的力学性能不均匀，晶粒体心部的晶格未畸变，强度较小，变形阻力较小；紧挨着晶界或晶格强烈畸变部分区域强度较高。称这个微观应力为微观取向应力。施加于金属的压缩应力大于宏观屈服极限时，将导致具有拉伸性质的取向微观畸变出现。上述金属变形的规律在很大程度上可解释摩擦副表面层中磨损发生的过程，考虑到高温磨损，将摩擦材料的磨损机理分为六种类型，见表2．1。综上所述，由于摩擦材料结构的多相性、冷却介质的不同、界面温度的变化、以及一系列物理——化学过程的进行，摩擦材料的变形和破坏是相当复杂的。单一的磨损机理仅仅在特殊条件下才能适用，一般来说，磨损是各种磨损机理综合作用的结果。虽然，现在还没有形成摩擦材料摩擦和磨损的完整理论，但是，在摩擦材料中加入各种起固体润滑剂作用的润滑组元(防止摩擦表面胶合)和起增高摩擦系数作用的摩擦组元，有效地提商和稳定了摩擦材料的摩擦系数，降低了摩擦材料的磨损，在工程应用中已经取得明显效果。通常把摩擦材料的磨损作如下归类，见表2．1。 浙江大学硕十学懂论文第一章绪论表2．1产生磨损的机理类型及磨损}酶彳丘出于粘着效应所形成的粘着点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落粘着磨损成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面。摩擦表面的突起或硬介质在摩擦过程中因机械作用在表孺产生擦磨粒磨损伤或微小的犁沟痕迹而引起的表面材料脱落。摩擦表面在反复的摩擦力作用下，表面层连续流动形成片状磨损薄剥层磨损片，从材料表面脱落。摩擦表面在反复变化的接触应力作用下产生疲劳后，材料从摩擦面疲劳磨损脱落而形成麻点或凹坑。摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学或电化学反应产生表面腐蚀磨损损伤以至材料从表面损失。在液体与固体表面接触处的微小气泡在溃灭瞬间产生极大的冲击冲蚀磨损力和高温，经反复冲击后摩擦表面材料发生疲劳脱落。1．2．3．2．3．磨损量的表示方法磨损量的表示方法很多，一般用单位摩擦功的磨损量来表示ⅣW=一E式中：旷磨耗率(cm3，J或g／1)：W一磨损体积(cm3)或磨损重量(g)；E-一摩擦功(J)。1．2．4．湿式摩擦材料的性能要求随着现代工业的快速发展，机器和机构的功率、速度和负荷迅速增加，同时对其在安全性、可靠性、结构尺寸、环境因素等方面不断提出苛刻的要求。菇舞擦材料制成的摩擦元件及其对偶组成的摩擦副是机器中的关键部件之一，它决定着机器工作的可靠性和寿命，甚至关系到人们的生命安全。这就对摩擦材料提出非常严格的要求。对摩擦材料的基本要求有：26 浙江大学硕士学位论文第章绪论1)具有高而稳定的摩擦系数，以提供大而可靠的传递扭矩的能力，使结构尽可能小型化。2)静动摩擦系数接近，以提供平稳柔和、冲击力小、噪音低的接合。31具有好的耐热性、导热性和大的热容量，能提供高的能量吸收和功率吸收能力。4)具有好的耐磨损性能，且不损伤对偶件，以提供长的使用寿命。5)具有良好的机械强度，能承受高的载荷、速度和扭矩。6)具有好的油兼容性，以适用于多种油品。7)制造成本低，具有好的性能价格比。8)无环境污染。102．5．湿式摩擦材料的性能影响因素从前面摩擦磨损机理分析可知，湿式摩擦材料性能受摩擦材料本身、对偶件材料、介质性能、载荷、速度、温度等各种因素的影响。摩擦系数和磨损是摩擦材料的主要技术指标，其数值的大小与这些因素密切相关。湿式摩擦材料性能影响因素主要有以下几个方面胁1‘”m“。在给出一种材料的摩擦系数和磨损值时，必须同时给出得到这些数值的检测条件、检测规程和所使用的检测设备。1)材料性能的影响同种金属及互溶性大的金属组成的摩擦副，易发生粘结现象，摩擦系数增大。——’+，一——’———，——————_——一这种摩擦副发生胶合时，胶合层强度大于金属强度，所引起的变形和焊接的破坏具有向摩擦体内发展的特征，磨损很大。所以摩擦副一般不采用同类金属来制造。由以上分析知道，依靠摩擦表面的粘附力来提高摩擦系数，过程难以控制，负荷增大时，将形成胶合，破坏不可控制和材料严重破坏，所以不希望用粘着机理提高摩擦系数。～般偏重于选择硬质相夹杂物，依靠机械啮合机理调节摩擦系数。但是，粘着机理和机械啮合机理对摩擦系数的作用是相互交织错综复杂的，同时很大程度上取决于温度、压力、滑动速度和润滑液等因素。不同种金属的摩擦副，由于互溶性差，不易产生粘着现象，摩擦系数一般都较低。从材料的组织结构考虑，聋塑金属比单相金属的堍鳖董磨垂基哉力商。21表面膜的影响Z7 浙蛆大学硕士学位论文第一章姥论表面膜——摩擦时摩擦材料发热氧化，金属表面形成的薄膜，也称第三体。金属表面上的原子通常处于不平衡状态，易与周围介质形成表面膜。摩擦过程中的表面变形和温升促进表面膜的形成。为了稳定摩擦系数和防止摩擦副表面过度磨伤，粉末冶金摩擦材料中总加有一定量的固体润滑剂，这些固体润滑剂在摩擦过程中便生成表面膜。在高温摩擦过程中，粉末冶金摩擦材料中的摩擦剂也参与表面膜的生成。为了描述真实表面的组成，早在1936年Schmalty就把“内表层”(即基体材料和加工硬化层)和“外表层”(即污染物，吸附层)区分开来，图2．6为摩擦表面横剖面组成示意图。表面膜的减摩作用十分显著，当表面膜破坏以后摩擦系数将急剧增加。表面膜的存在可防止或减少粘着胶合现象的产生，从而降低了材料的磨损，并促进摩擦系数和摩擦力矩的稳定。希望表面膜比较软，有一定变形能力，表面膜与金属有较强的连接力。对于湿式摩擦材料。由于液体介质的存在，在一次接合过程中固体模一经形成，在其后的脱排过程中有可能被液体介质冲散并带走，表面油膜对摩擦副性能的影响更大。图2．6摩擦表面横剖面组成示意图3、压力负荷的影响在弹性接触情况下，压力负荷较小时由于真实接触面积与负荷无关，摩擦系数随负荷增高达到一极大值。负荷足够大时。真实接触面积变化很小，因此摩擦系数趋于稳定。在弹塑性接触情况下，材料的摩擦系数随负荷增大而达到一极大值，然后随负荷的增大而逐渐减小。28 浙江大学颂上学位论文第章绪论4)滑动速度的影响当滑动速度不弓I起表面层性质发生变化时，摩擦系数几乎与滑动速度无关。事实上，有所有情况下，滑动速度均会引起表面层发热、变形、化学变化和磨损等，从而显著地影响摩擦系数。5)表面粗糙度对摩擦系数的影响在塑性接触的情况下，表亟粗糙度对真实接触面积影响不大，故表面粗糙度对摩擦系数影响不大。。般情况下表面粗糙，机械啮合作用增大，摩擦系数有所提高。当表面粗糙度达到表面分子吸引力有效地发生作用时，机械啮合作用减弱，粘着机理起主要作用，此时表面越光洁，真实接触面积影响越大，摩擦系数也越大。国温度的影响摩擦副滑动时。温度变化使表面材料的性质发生变化，从而影响摩擦系数，并随摩擦副工作条件不同而改变。摩擦副表面的接触是无数个点接触，接触点在滑摩过程中产生热，接触点就是热源。接触点位置即热源位置随滑摩速度和压力不断变化，这样在摩擦表面形成温度场。表面热能不断向摩擦副深处传导，从而也提高了体积温度。表面温度、体积温度和温度梯度的大小与速度、压力、材料的热物理性能、零件的结构有直接关系，直接影响摩擦系数的大小和磨损。∞油品的影响湿式摩擦材料对油品十分敏感。冷却油一方面带走摩擦界面的热，使摩擦界面快速冷却，防止过高的界面温升，另一方面界面油膜的性质直接关系到摩擦副的摩擦磨损性能。商业油品中除基油外，一般还添加10％左右的添加剂，包括粘度改进剂、凝固点抑制剂、消泡剂、抗氧化剂、极眶剂、分散剂、去污剂、摩擦调节剂、防锈剂等。这些添加剂影响着摩擦材料的摩擦磨损性能。摩擦调节剂是一种含有极性原子团的有机化合物，能吸附在摩擦层表面，形成多分子层，减少硬性接触。摩擦调节剂对静摩擦系数的影响较大。可以使静摩擦系数下降18％到53％。去污剂和分散剂的作用是使沉淀物处于悬浮状态，防止沉淀物沉积在摩擦层2g 浙江大学硕士学位路文絷一拳锗沦表面。它们对摩擦性能的影响是次要的，但蜘1果他们的功效降低，高温卜油的分解产物就会沉积在摩擦层表面，堵塞摩擦层表面孔隙，以至降低摩擦性能。极压剂分为两类，一类是以s／p为主要成份的添加剂，在摩擦过程中与摩擦材料发生化学反应，形成一层物理和化学性质都高度稳定的反应层(如FeS，cuS)。在高负荷下，这层保护层不断地被磨损又不断地生成，可以减少摩擦副的磨损；另一类是二硫代磷酸锌或二硫代磷酸铅，它能在摩擦界面形成吸附反应层，起到阻止摩擦副磨损的作用。1．2．6．湿式铜基粉末冶金摩擦材料的组成1．2．6A．材料中组元的分类粉末冶金摩擦材料是一种含有金属和非金属多组元的假合金。在一定程度上可将这些组元分成三类。1)使摩擦材料形成或促进其形成一定的物理一力学性能的基体组元。它们为铜及用来强化铜的合金组元。2)调节摩擦界面粘结程度的润猛组元，又称固体润滑剂。虽然它们使摩擦力减弱，但可使粘一滑现象降至最低，使摩擦系数稳定，并有效控制磨损。粘一滑现象是：粘——两摩擦面间的相对速度为零，即粘停的意思；滑——为两摩擦面问的相对速度急剧上升。若两摩擦面产生粘一滑现象。离合或制动过程就不平稳，产生抖震和噪声。润滑剂能减小或完全消除摩擦副的粘结和卡滞，故通常称它们为抗卡剂或摩擦稳定剂。属于这类组元的有：石墨和钼、锌、钡、等的硫化物及低熔点纯金属铅、锡。3)调节相互力学作用大小的摩攮塑霾，又称摩擦添加剂。摩擦组元能切削转移到对偶面上的堆积物和氧化物，保持对偶表面的清洁，稳定摩擦系数。切削对偶时，增加了摩擦滑动的阻力。基体中适当分布一定的摩擦硬介质组元，尤其是在高温时，可防止基体流动，起至q基石的作用，增强耐磨损性。它们的作用是补偿固体润滑剂的影响及在尽量不损害摩擦表面的前提下增加滑动的阻力。此外，这类组元能促进形成多相组织，减少表面粘结和卡滞。属于这类组元的有：硅、铝、铬的氧化物，碳化硅和碳化硼，矿物性的复杂化合物(石棉、莫来石、蓝晶石、 衙江』=学硕士学位论文第⋯章纯沧硅灰石1等。1．2．6．2。形成金属基体的组元粉末冶金摩擦材料的强度、耐磨性在很大程度上取决于基体的组织结构、物理和化学性质。金属基体应能凰基疆擦组元和润滑组元的颗粒，防止摩擦滑动过程中纵向压弯或凹陷，保持形状，参与摩擦，并把摩擦热传导出去。密度提高，则基体强度提高。但从摩擦磨损观点来看，并不一定强度越高越好。强度低，实际接触面积大。摩擦系数大，磨损小。相同组成条件下，密度的提高所伴随的是孔隙率的降低。一定的密度条件下才能得到适合的综合性能。在摩擦过程中，摩擦热引起金属基体材料物理力学性能的变化，表面氧化，摩擦性能随着变化很大，甚至会发生与对偶粘结胶合的现象。为了提高基体的耐磨性、耐热强度，改善摩擦表面的导热性，稳定摩擦性能，防止与对偶发生粘结，必须应用合金化基体，用合金作为摩擦材料金属基体，必须着重解决下列问题：强化和提高基体耐磨性能；提高耐热强度；改善摩擦表面的导热性；采用价廉易得的金属代替贵重稀缺的金属哑1E37]。1)铜它广泛用作摩擦材料的基体。在铜基材料中，铜含量的范围为50～90％，铜具有高的导热率，保证摩擦过程散热良好；具有良好的塑性，铜粉易于压制；铜与氧的亲和力小，在空气中氧化速度缓慢，烧结时对保护气氛无特殊要求，容易烧结，但很少采用纯铜作为摩擦材料的基体。2)锡为了强化铜，使其具有良好的耐热性和摩擦性能，通常在铜粉中加入其它金属粉末，以便烧结过程中合金化。用得最广泛的合金元素是锡。一般加入量为4～12％。铜一锡合金是在摩擦条件下工作最有效的合金之一，加之生产铜一锡合金零件在工艺上没有困难。铜粉中加入锡粉后提高了压坯强度，也提高了烧结制品的强度和硬度。铜—锡二元合金的磨损量随锡含量增加有些降低，摩擦系数相当高(0．4~o．6)，但不稳定。粉末冶金锡青铜摩擦材料的组织和性能首先取决于锡的含量。大多数材料中铜锡比为9：1。根据铜一锡相图，在烧结温度720～760。C下进入d固溶体的锡可 浙；_1：=大学硕士学位论文第一章绪论达15％，在室温下也留在固溶体中。含锡6％及14％的合金基体的显微组织相同。湿式铜基摩擦材料，含锡6～10％的合金平均摩擦系数几乎一样。含锡10～14％的平均摩擦系数随锡含量增加稍有增加。含6～8％锡的材料具有最好的磨合性。3)锌有时用锌部分或全部地代替昂贵的锡。锌含量达12～15％。此外，铜一锡系粉末中，加锌显著强化了烧结时的扩散过程，可以提高基体的强度。4)铝从物理一力学和某些特殊性能综合来看，铜一铝合金在多数情况下超过锡青铜。例如：在提高铜的强度上铝比锡有效，特别在铝的含量为7～10％的范围内。铝是有效提高铜§雠绫力的台金元素(由于急剧地提高了铜的显微硬度)。这是摩擦合金的主要性能之一。铝青铜的耐热强度比锡青铜高。例如，某些铝青铜500。C时的力学强度高于锡青铜的室温强度。铝青铜室温和高温的耐蚀能力大大超过其它的铜合金(锡青铜、黄铜)。除锡、锌和铝外，还采用镍和铁、锑、钛、钼、钨作合金元素。材料中加入钼和钨除强化铜外，还有以下目的：这些金属热容量高，易于氧化可降低工作表面温度和稳定摩擦过程。锡、锌、钼这类添加剂最大数量可达40％。在选择何种金属或合金作为摩擦材料基体时，应当考虑技术上的必要性(能赋于材料足够的强度、硬度和耐热强度)，同时，要考虑材料制造工艺的可能性及经济上的合理性。尽管铝青铜基材料性能优越，但市场上很少见，广泛应用的仍是锡青铜，锌黄铜和青铜一黄铜基体的材料。锌黄铜和青铜一黄铜基体材料在油润滑装置中具有摩擦系数高和较大的吸收能量的能力。1．2_6．3。起固体润滑剂作用的组元为改进粉末冶金摩擦材料的抗胶合性能和耐磨性能，材料中加入一定量的固体润滑剂‘3”。固体润滑剂中有的是金属，有的是非金属。金属有铅、铋、锑等低熔点金属。非金属有石墨、二硫化钼等。润滑荆中得至Ⅱ广泛应用的是层状结晶构造的润滑剂，首先是石墨、二硫化钼，其次是氮化硼。1)锚与其它低熔点金属32 浙江大学硕上学位论文第章绪论铅与其它低熔点金属的特点是熔点低，容易在摩擦表丽形成薄膜，硬度很低，剪切强度低，故使材料具有低摩擦系数和低磨损的特征。但由于环保的要求，国外在粉末冶金摩擦材料中己很少用铅。2>石墨石墨的化学成分为C，系碳的同分异构体。色泽为铁黑或钢灰，有金属光泽，有滑腻感。石墨质软，莫氏硬度为l～2，比重为2．1N2．39／cm3,具有良好的导电、导热和耐高温性能。其导热性能超过钢、铁、铅等金属材料。石墨熔点高达3850"C，因此其耐高温性能极为优良。工业上将石墨矿物分为晶质(鳞片状)和隐晶质(土状或称无定形)两大类，通常称为鳞片石墨和土状石墨。鳞片石墨是摩擦材料中使用最广泛的一种固体润滑剂。鳞片石墨结晶较好，晶体粒径大于1p121，一般为O．05-1．5mm，大的可达510mm。我国标准中鳞片石墨分为高纯石墨(纯度为99．9％．99．99％)，高碳石墨(纯度为94％-99％)，中碳石墨(纯度为80％．93％)，低碳石墨(纯度为50％．79％)等四种。粉末冶金摩擦材料一般使用固定碳含量为95％．99％的高碳中粗石墨。铜基材料中加入石墨，能提高材料的耐磨性能，有利于摩擦平滑，改进摩擦性能。最佳石墨含量取决于含锡量，含锡量愈高，石墨加入量愈高。要使青铜基摩擦材料获得较好的摩擦性能，大多数情况下，最佳石墨含量为5-10％，并与铅配合使用，且摩擦组元的用量越大，则石墨的用量要相应增加。若材料中加有石墨、二硫化钼、铅，从获得满意摩擦系数值的观点来看，固体润滑莉的总含量在12~13％之问，最高用量可达25％。1．2；6．4．摩擦组元固体润滑剂减小材料的磨损，促进摩擦副工作稳定，但降低摩擦系数。为了提高摩擦系数达到要求的水平，材料中需加入摩擦组元，亦称摩擦剂[323田3。加入摩擦剂除了提高摩擦系数以外，还消除对偶表面上从摩擦片转移过来的金属，并使对偶表面的擦伤和磨损很小，基本做至4对对偶件无磨粒磨损。在选择摩擦组元时，必须首先注意它与基体相比较的硬度及颗粒形状和大小。3 浙江大学预十学位沧文第一章绪沧对摩擦组元的要求如下：1)熔点和离解热商；2)从室温到烧结温度或使用温度的范围内无多晶转变；3)与其他组分或烧结气氛不发生化学反应；4)具有足够高的强度和硬度，保证在摩擦过程中破坏它需耗费大量能量，但是强度和硬度又不能太高，否则会过度磨损对偶；5)基体合金对摩擦组元润湿性能要好。金属氧化物，一些碳化物、硅化物、硼化物及难熔金属能够满足上述要求。对金属氧化物的补充要求是，与基体金属相比，它应具有鐾鲢壅壁势。否则，在烧结过程中，氧化物将被基体金属还原。湿式铜基摩擦材料常用的摩擦组元如下。l】铁铁，奠氏硬度4．0，比重7．87g七m3，熔点1535。C。在铜基粉末冶金摩擦材料中的品种有还原铁粉、铸铁粉。2)二氧化硅二氧化硅由石英岩粉碎获得。石英岩简称沙岩，是自然界常见的、最普遍的硅质矿物原料之一，主要成分是石英，化学式为：Si02，呈白色，莫氏硬度7，比重2．65g，cm3，属六方晶系。石英岩是高硬度摩擦剂，普通的砂子即为石英岩成分，摩擦材料行业的石英粉要求粒度很细，它虽然具有很好的增摩作用，但也容易造成明显的制动噪音和划伤对偶，所以粒度和用量受到限制。3)长石长石是钾、钠、钙、钡等碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物，分别称为钾长石、钠长石、钡长石等。常用的长石是钾长石，化学分子式为[KAISi30s]，属三斜晶系，其莫氏硬度为6，密度为2．5斗也．57g／cm3。长石粉价格便宜，属硬质摩擦剂，是摩擦材料中常用的摩擦剂，因硬度高，增摩效果显著，但用量过大或粒度过大时，制动噪音也增大，在使用中特别注意。4)硅酸错硅酸锆又称锆英石和风信子石，分子式为ZrSi04，正方晶系，黄褐色或淡褐34 浙2L大学硕十学位跄文第一章绪沦红色，有金属光泽，密度为4．6--4．79／cm3，莫氏硬度7-8。硅酸锆因其硬度高增摩效果显著。1．2。7．湿式铜基粉末冶金摩擦材料制造工艺粉末冶金摩擦材料制造工艺目前有“压制一烧结”工艺和“喷撒”工艺。“压制—烧结”工艺为传统工艺：首先把摩擦材料的混合粉料压制成形，然后加压烧结。其工艺流程如下：“喷撒”工艺为：粉料不经过压制成形而成松散状态进行烧结，即“松装烧结法”。喷撒法生产铜基摩擦片的方法是DuriaSintermetallAG于1966年创始，1975年被MibaSintermetallAG所接受，1983年8月24日我国杭州齿轮箱厂由奥地利MibaSintcrmetallAG引进。其工艺流程如下：与压制—烧结工艺相比，喷撒工艺具有下列优点：1)摩擦片摩擦层压制成形的槽型可保持摩擦层组织结构的连续性。无缺口效应，且摩擦材料无剥落现象；而压制—烧结片的槽型由车削而成，破坏了摩擦材料层组织结构，存在缺口效应，常常引起材料的剥落；2)不需要磨加工和其它机械加工，厚度和平行度可达到公差要求；3)钢芯板两面的摩擦层厚度均匀，因此没有双金属效应；4)材料的密度更均匀，可获得高孔隙率摩擦材料，满足特定条件的使用；5)钢芯板和摩擦层间的粘结保证了钢芯板与摩擦层间的良好粘结，放宽了钢芯板镀层的要求；6)摩擦材料层的最小厚度，无槽型时最薄可达O．2mm；有槽型时，最薄可达35 浙汀火学硕十学位论文第一‘章绻论O，35ram，提高了材料利用率7)提高生产效率一|．分明显。 浙江大学硕士学位论文第章同步环用湿武锅转摩擦材料研究方案设·I第二章同步环用湿式铜基摩擦材料研究方案设计本课题的主要内容为粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料的材质配方稠剑～—_^●——一i‘造工艺研究。粉末冶金同步环用摩擦材料为湿式铜基摩擦材料。根据粉末冶金同步环的工况特征及性能要求，决定采用嚏墩王茎，对材质配方和工艺参数进行研究，研制一种满足同步器工况要求的湿式铜基摩擦材料。2。1．工况要求与性能指标的确定及技术难点分析在前面己对同步器、同步环和湿式铜基粉末冶金摩擦材料作了分析，现对其进行进一步汇总分析，以确定所要研制材料的性能要求和技术指标。1)磨耗率同步器工况要求摩擦材料具有高的耐磨损性能，即低的磨耗率。目前，一一般要求同步环用摩擦材料能可靠换档200000次以上，在未来可能要求其达300000次以上；目前同步器在一次换档过程中，摩擦副吸收的能量即摩擦功为O．2～O．5J／ram2，在未来可以达到0．4～0．7J／mm2；摩擦材料在整个工作期内可磨损的厚度为0．25～0．30mm。由此可计算密耗率指标如下：目前的要求：磨耗率：_=_譬堕兰!一：2．5x10—6埘m3／J：2．5×10一册3，，O．5×l×200000未来的要求磨耗率：——堕生型一；1．2×10-6ram3／J：1．2×10—9硎3／．，0．7×1×300000我国国家标准要求湿式铜基摩擦材料的磨耗率指标为2×10。8伽3／JH⋯，目前大部分在用的湿式铜基摩材料还不能达到此标准的要求。由此可见，同步器对摩擦材料的耐磨损性镱要求是非常苛刻的。获取高耐磨损性能的湿式铜基摩擦材料是本课题的技术关键之一。对偶材料的磨损指标为不得超过摩擦材料的磨损，这也是一个很高的技术指标。37 浙江大学硕士学位论文第二璋同步环用湿式铜壁摩擦榭料研究方案设计2)摩擦系数由于摩擦系数必须与摩擦锥面角相匹配，即满足tg口≥“的极限条件；同时又必须有足够高的动摩擦系数和较接近的动、静摩擦系数，以提供大的摩擦扭矩和高的接合平稳性。目前国外在用的同步器要求湿式铜基摩擦材料的动摩擦系数在0．08～O．10之间，静摩擦系数在O．12～o．15之间，并且在整个工作期内，摩擦系数稳定。目前，我国湿式铜基摩擦材料，动摩擦系数最高达0．06．0．08，个别极高石墨高氧化物含量的配方，采用压烧工艺，其动摩擦系数达0．08．0．1[3“，但其工艺性较差，难以制造和加工。因此，获取商而稳定的动摩擦系数且工艺性能好的湿式铜基摩擦材料是本课题的第二个技术关键。3)线速度、比压、摩擦功和摩擦功率根据前面对同步器工况的分析，要求摩擦材料能承受O-10rrgs的线速度，这个线速度为低到中等的线速度；目前大部分同步器要求摩擦材料在2MPa的比压条件下能长期工作，部分新型同步器要求摩擦材料能承受2．5～4Mpa的比压。因此，该工况为低线速度高比压工况，获得能承受高压力载荷的湿式铜基摩擦材料是本课题的第三个技术关键。目前要求的摩擦功即摩擦副吸收能量的能力为0．2～O．5J／ram2，在未来可能达到0．440．7J／mm2，这也是一个较高的数值。另外由于高比压和换档时间很短，所以该工况具有很高的摩擦功率。以接合时间0．4秒计算，其摩擦功率为1．75Ⅵr／lnm2。以上技术指标要求摩擦材料具有高的强度和耐高温的能力。由于频繁的换档和高的比压，要求摩擦材料具有高的抗冲击载荷的能力。另外要求摩擦材料具有抗过载或不当使用工况的能力。4)能够满足拉深工艺的要求由于粉末冶金同步环产品最终采用抻深工艺成锥，因此摩擦材料必须具有好的塑性变形能力(冷冲压性能)，以满足拉深工艺的要求。目前具有较好摩擦磨损性能的湿式铜基摩擦材料都含有较高的非金属组元，材料脆性大，塑性差。因此，获得较好冷冲压性能的湿式铜基摩擦材料是本课题的第四个技术关键。38 浙扛大学硕士学位论文第一章阿步环州湿式铜基摩擦材料酬究方案设计2．2．先行试验为了减少开发成本，也是为了给试验方案设计提供依据，进行了先行试验。目前，杭州粉末冶金研究所有十余种湿式锕基摩擦材料配方，其中，摩擦磨损、耐温耐热性能及其它综合性能最好的材料为99-13配方，用喷撒工艺制造，用于工程机械变速箱。它也是国内最好的喷撒湿式铜基摩擦材料。其动摩擦系为O．06,,-0．085，与同步器工况要求相比略微偏低；其平均磨耗率为8．5×10。啪3／J，其非金属组元含量为8％的硅酸锆，7％的石墨，工艺密度为5．29／cm3，理论孔隙率为17％。其非金属含量最低，基体具有较好的塑性。用该材料加工成样品，利用拉深工艺进行压锥试验，经拉深，材料表面出现大量裂纹，部分材料从表面脱落。试验结果表明：该材料不能满足拉深工艺的塑性要求。现有的其它材质配方非金属组元含量更高，或摩擦性能与同步器工况要求相差甚远。因此，必须研制新的材质配方，以满足同步器特殊工况的要求和同步环产品制造工艺的要求。纯粹为了摸索材料满足冷冲压工艺塑性要求时的组成，进行了材料非金属组元含量．拉深工艺性先行试验。试样按粉末冶金铜基摩擦片喷撒工艺制作。先行试验所设计的配方及试验结果列于表3．1。从表中结果分析可知，对于Sn7Zn8Cu的锡、锌强化的黄铜基体，其非金属组元含量在8％以下时，具在很好的冷冲压(拉深)工艺性能。表3．1非金属组元含量——拉深工艺性能表编黄铜基体非金属组元拉深后状态号Sn7Zn8CU石墨硅酸锆总量摩擦层沿锥面母线方向开裂较严重，肉眼观察1余量5．511其表面分布着较密的细小裂纹，外锥表面边缘摩擦层局部有脱落。摩擦层沿锥面母线方向开裂，肉眼观察其表面2余量510分布着较密的细小裂纹，外锥表面边缘摩擦层无脱落。3余量4．59两眼舰聚县最回尤裂驭，显假说p规祭伺少讦微裂纹。4余量48显微镜下观察无裂纹。5余量3．57显徼镜下观察无裂纹。6余量36显微镜下观察无裂纹。39 浙江大学硕士学位论文第．章同步环用湿式铜基摩擦材料刊：究疗窠设训2．3．试样材质配方和制造工艺设计2．3．1．材质配方设计的基本思路根据摩擦磨损机理和湿式铜基摩擦材料理论，结合同步器对摩擦材料的工况条件和性能技术指标及先行试验结果，确定材质配方的基本思路分析如下。1)材料必须有高的基体强度，以满足其高耐磨损性能、承受商的比压和抗冲击载荷能力的要求。决定采用锡、锌合金组元对铜基体进行强化。2)根据先行试验结果，材料只能含有较低含量的非金属组元，以保证其有足够的的塑性，满足冷冲压工艺的要求，保证其在拉深成锥过程中不被破坏。31材料在大量减少石墨、氧化物等非金属组元的含量后，其摩擦磨损性能和耐热性能将会有较大损失。为满足其高的摩擦磨损性能要求，只有一条途径：提高材料的气孔率。根据边界摩擦理论，微气孔中贮存的油将会改变材料的摩擦磨损行为。钔高的孔障率使材料具有能进行内部油微循环的连通孔陈，它可以把材料在摩擦过程中产生的热迅速热带走，有效抑制界面温升，提高材料的能量负荷和功率负荷。高的孔隙率会使材料的基体强度下降，可能导致磨损的增加；另一方面，高的孔隙率有利于摩擦界面油模的形成，可以使材料处于边界摩擦，避免半干摩擦，减少材料的磨损。因此需对材料的孔隙率进行重点试验研究，选择一个合适的孔隙率(或密度)范围。2．3．2．材质配方设计1)基体组元基体采用铜合金基体。为使其在高孔隙率条件下具有高的强度、高的耐磨损性能和抗冲击载荷能力，决定采用锡、锌强化的黄铜基体作基体，加8％的锌，7％锡。另外，借鉴特殊黄铜合金同步环产品——为了提高其耐磨损性能，最新的技术采用特殊的锰铝黄铜合金。为此，决定尝试一种新的基体，采用铝、锡强化的铜合金基体作为另一种基体进行对比试验，加8％的铝，7％的锡。铜含量取余量。4O 浙江大学硕士学位论文第一章同步环用湿式钢基摩擦材料研究方案设计2)减摩组元减摩组元采用最常用的石墨。石墨具有最好的抗粘一滑性能，使摩擦系数稳定，降低磨损。根据先行试验的结果，为保证材料的冷冲压工艺性，加石墨4％。铅也是一种很好的润滑组元，考虑到欧洲已在摩擦材料领域禁止用铅，所以不采用铅作为润滑组元。3)摩擦组元摩擦组元采用硅酸锆。据米巴公司资料介绍，硅酸锆具有较高的硬度，在较低摩擦剂含量时，具有较好的增摩效果，是用于湿式铜基摩擦材时综合性能最好的摩擦组元。根据先行试验的结果，为保证材料的冷冲压工艺性，加硅酸锆4％。2．3．3．试样制作工艺设计根据前面对喷撒工艺的介绍，喷撤工艺可有效地控制材料的密度，且材料的微观密度均匀，可获得高而稳定的材料孔隙率，可制取薄至0．2mm的摩擦层，生产效率高，油槽可用模具压制成形等优点。这些优点均满足了粉末冶金同步环产品的要求，而压烧工艺制造的摩擦材料密度高且较难以较准确地控制，所制造的摩擦层厚度一般需大于O．5mm。决定采用喷撒工艺制造摩擦材料。为尽量消除其它因素对试验结果的干扰，对摩擦材料试样所用钢芯板的厚度和重量进行严格控制，在试样制作过程中，对撒粉量和压制的厚度尺寸进行严格的控制，以消除它们对试样密度的影响。对摩擦材料和对偶钢片的表面光洁度进行了严格的控制。还对烧结设备、烧结温度和烧结压力进行了严格的控制，以使各样品尽可能具有相同的制作工艺参数。1)原材料预处理及混料按ZY．71．01混粉操作规程，石墨、硅酸锆等原材料进行烘干处理。称量后，用V型混料机，各金属粉末及硅酸锆预混20分钟后，加入石墨粉混10分钟后出料。后加入石墨是为了减少混合过程中石墨与金属粉末之间的摩擦，防止石墨脏化金属颗粒表面，以减少隔离作用。2)钢芯板表面镀铜按ZY．71．03电镀工艺规程，在钢芯板表面镀一层铜。3)喷撒 浙江大学硕士学位沦文第一章同步环用湿式铜基摩擦材料斜究方案设计按喷撒作业指导书，撒粘结层4．0+0．59／dm2，撒摩擦层27+-0．59／dm2。炉温：入口段650～750。C，中间段800+10。C，出口段800+10℃。马达转速900950rpm。检验表面波纹及粘结情况。41压制按zY．71．02粉末冶金压制操作规程，根据工艺将样片加限高块压平面，压油槽至不同的厚度，以得到不同密度的样品(即不同孔隙率的样品)。51复烧按ZY．71．07烧结电炉操作规程，烧结温度800+100C，保温时间2hr，通保护气对样品进行复烧。们精压按ZY．71．02粉末冶金压制操作规程，根据工艺要求，加不同的限高环，对产品进行精压到所要求的厚度尺寸。2．4．原材料技术条件试验所用原材料的技术指标直接关系到样品的性能，必须加以控制。记录原材料技术指标也是为以后产品性能具有重复性。对试验所用原材料的技术参数进行了检验。1)电解铜粉上海产FTD．4电解铜粉，粉末形态为树枝状。化学成分牌号Cu％氢损％水分％酸不溶物％FTD-499．67O．23O．0110．009粒度分布牌号．100+150．150+200—200+240-240．320．320FTD-．407．81．925．165．22)黄铜粉上海产CuZn20雾化铜合金粉，粉末形态为球状化学成分42 浙江大学硕+学位论文第二章同步环用湿式铜基摩擦材料研究方案设tl牌号Cu％Zn％Sn％Pb％氢损％水分％酸不溶物％FHD．379．3l19_33O．21O．160．3lO；0190．008(-300／-200)粒度分布牌号．100+150．150+200．200+240-240．320．320FHD．30O．1O8．191．8(．300)FHD．33．26．886．92．7O．4(．200)31锌粉上海产-200目纯锌粉。化学成分(本数据为厂家提供)牌号Zn％Pb％Fe％Cd％水分％1．200目≥98≤O．15≤O．10≤0．1粒度分布牌号．100+150．150+200．200+240．．240．．320．3201．200日03．21．32．293．34)锡粉上海产锡粉，含锡99．62％，氢损0．044。粒度分布牌号．100+150．150+200．200+240．．240．．320。3201．200目03．91．320．773．95)铝粉鞍钢产FLQT3铝粉。化学成分(厂家提供)牌号A1％Cu％Fe％Si％水分％FLQT3≥98≤0．015≤0．20≤0．5≤0．143 浙江大学硕十学位论文第一审同步环用湿式铜基摩擦材料研究方案设训粒度分布(J’家提供)l牌号0-55—1010-1515-2020—2525-3535-4545-55FLQT36．420．6l33．9512．6611．947．784．721．961石墨山东产鳞片石墨，．299和．199两种。粒度分布牌号+80．8计100．100+15C．150+20C．200+24C．240+32C．320．．2990．12．36．27．871．211．50．9．1991．37．473．711．53．61．41．17)硅酸锆南非生产，硅含量大于55％。粒度分布l牌号+80培O+lOO．100+150|．150+200|．200+24(|．240+324—320I硅酸错03．940．953．11．60．4o．12．5．摩擦磨损试验方法设计2．5．1．摩擦磨损性能试验试样为模拟同步器工况的线速度、比压、能量负荷等工况参数，并根据试验台的技术参数，经对线速度、比量、惯量、能量、功率及制动时间进行估算后，确定采用妒208×舛91×3规格的试样，芯板厚2mm，108条径向槽，槽宽lmm，深O．2～0．25mm。单面毛面积5325mm2，摩擦净面积3795珊m2，有效面积71％。对偶件65Mn，厚度2mrn，HRe42-48，Ra0．8。4 断江大学硕士学位论文第一章同步环用湿武铜基摩擦村管}研究方案设Yl2．5．2．试验设备性能检狈4在HF．85wT湿式摩擦材料试验台上进行。该试验台的组成结构如图3，l所示，主要包括主电机、增速箱、起动式离合器箱、惯性轮组、制动式离合器箱以及速度、压力、扭矩、温度、流量等测量装置和传感器。1．主电机2．增速箱3．集流环4．起动油缸工作压力传感器5—起动式离合器箱6．润滑油(进口)温度传感器7-莛动式滑滑渣瀛量传感罄8-集滚环测量起动式离舍器接合扭矩9．主油箱lO-惯性轮组11磷摩擦系数测量装置12．制动润滑油流量传感器13-润滑油(进口)温度传感器14埔4动式离合器箱lS-韶J动油缸工作压力传感器16_电气控制柜l硼4量对偶片中心温度传感器18一制动扭矩测量装置19·润滑油(出口)温度传感嚣20-仪表台21．润滑油油箱22-微机台23．制动离台器输入端测速装置24．润滑油油箱25．操作台26-润滑油(出口)温度传感器27·起动离台器输入端测速装置图3．1HF。85VrI媪式摩擦材料验台其基本参数如下主电机功率主轴转速最大轴向力基本鞋系撰量飞轮惯量测量扭矩进口油温100kw400—1700rpm98惫Ⅳ0．79kg·I'n21．97kg-m2四只0—2940Ⅳ跏40—130℃45 浙}I：大学硕上学位论文辩．章同步环用湿式铜基摩擦材料研究方案设计冷却油流量1—25ml／cm2．min通过改变转速、压力、飞轮惯量等参数可以模拟实际工况，测试湿式摩擦材料的性能。2．5．3．试验规程设计摩擦材料的性能，包括其在不同线速度、比压、能量负荷、功率负荷条件下的摩擦性能，耐磨损性能和耐久性能。根据同步器用湿式铜基摩擦材料的工况条件和性能技术指标，结合杭州粉末冶金研究所的检测条件，进行了试验规程的设计‘39卜‘⋯。试验规程是除试验设备外，对摩擦材料的性能进行实验室评估时最重要的分析对比手段，是鉴别摩擦材料性能优劣的方法。依据同步器工况条件，根据杭粉所试验台位的技术参数，参考Raytech、CaterpiUar、Miba、Herbiger、Rexroth等公司的摩擦材料工程规范、试验规程或试验报告及相关国家标准，对试验的试样尺寸、摩擦副数、比压、线速度、惯量、摩擦功、摩擦功率、介质油流量、制动或离合次数进行了组合设计。设计了五组试验。在项目进展过程中有选择地进行其中的部分试验或全部试验。1)初期磨损试验摩擦材料和对偶在制造过程中，其表面分布着高峰、凹凸、翘曲、不等厚等缺陷，摩擦材料在工作初期表现出比后来工作时有一个偏大的磨损，称之为初期磨损。另外，对于高气孔率的材料，在反复的压力载荷作用下有可能导致摩擦副中的摩擦材料在工作初期在厚度方向上产生一定量的永久变形，称之为压缩变形。由于初期磨损和压缩变形都是在工作初期表现出来的，一般难以加以区分，因此，将其合称为初期磨损。初期磨损是摩擦材料研制过程中登须加以考虑和控制的。过大的初期磨损会给摩擦装置中摩擦副间的间隙设计带来麻烦，其数值的大小又是摩擦装置中摩擦副间隙设计和间隙调整的依据。一直以来，我国粉末冶金摩擦材料国家标准中没有对初期磨损进行试验和检测的相关内容，只是安排了一个个磨合试验，不测量磨合过程中的磨损量。初期磨损试验选用目前同步器最常用的工况参数，线速度8．3m／s，比压2．1Mpa，能量密度0．90J／mm2，(由于受试验台位的限制，能量密度比实际工况46 浙江大学硕士学位论文第二章同步环用湿式铜基摩擦材料研究方案设计高)。在此试验条件下进行500次离合，检测材料在试验过程中的摩擦磨损性能。2)筛选试验筛选试验为采用较少次数的离合，对摩擦材料的耐磨损性能作一个初步的评估，并在试验过程中测试材料的摩擦性能，以使对其它性能指标的进一步评估有意义。在完成上述初期磨损试验后，进行本筛选试验。筛选试验设计了二种线速度(9．8m／s，1．25J／mm2；1115m／s，1．72J／mm2)和三种比压(2．1Mpa，2．6MPa、3．1MPa)。在每个比压条件下完成200次离合，检测材料在试验过程中的摩擦磨损性能。3)压力试验压力试验用于评估材料在不同比压条件下的摩擦磨损性能。压力试验设计了一种线速度(9．8m／s，1．25J／nun2)和八种比压(从1Mpa开始，以O．5Mpa的增量递增。在每个压力条件下各进行50次离合循环，检测材料在不同压力条件下的摩擦磨损性能。4)速度和能量级试验速度和能量级试验用于评估材料在不同的线速度条件下的摩擦磨损性能，并测定材料在某一压力条件下的失效速度和能量极限。完成压力试验后进行本速度试验。速度和能量级试验设计了一种比压(2．1肝a)，在此压力条件下，从6．5m／s线速度开始，并按合适的线速度增量逐级提高线速度(以能量递增为计算依据)，在各级线速度条件下进行20次离合循环，直至摩擦副失效。失效点时的线速度为摩擦材料在该比压条件下所能承受的线速度极限，此时的能量为摩擦材料的许用能量极限。5)耐久试验所设计的耐久试验用于量化评估摩擦材料的耐久性。设计了一种线速度(9．8m／s，1．25J／mm2)和三种比压(2．1Mpa，3．1Mpa，4．1Mpa)。在各比压条件下各进行2000-10000次离合循环，检测材料在试验过程中的摩擦磨损性能。本试验需花较长的试验时间。一般在完成前面所述各试验，并在各试验中材料表现出较满意的性能后再进行耐久试验。各试验的详细试验参数见表3．2摩擦磨损试验规程表。在以上各试验中，都必须进行瞬时动摩擦扭矩、静摩擦扭矩、以及磨损的测定。47 浙江大学硕士学位论文第二章同步环用湿式铜基摩擦材料研究方案设训表3．2摩擦磨损试验规程表能量助率最大功率痒擦制动摩擦片试验转速线速度总能蕺表压密度8密度w密度w。。扭矩时间面压组号名称rDme+w‘104MpaJ／ram2W／mmzWfrom。NmSMpa初期l磨损7958．395550．900．8677121．72220．25l040．42．07试验9389．8133201．251．02126952．03220．251．230，42．07筛93898133201．251．抑158682．54l275．3l0．980．52．59选93898133201．251．52190423．05330．370．820，63．112试110l11．5183421．721．19205132-39220．25144O．42T07验110l11．5183421．721．492：5641298275．3ll160．52，59110111．5183421．721．79307703．S7330‘370960．63．119399．8133201．2505163471．02110．122．460．21．0493898133201．25O7695211．5216519l640．3l55压9389．8133201．251．02126952．03220．251．2304207力9389．813320l-25L27158682．54275．3lO．98052593试93a9．8133201．251．52190423．05330．3'O．820．63．11验9389．8i33201．251．78222i53．55385．430．700．73．639389．8133201．252．03253894．∞440．500．620．84．149389．8133201．252．28285634．57495560．550．94，666226．558600．55n673704】．35220250820．42．07795&395550如O．踟77121．72220．251．040．42．07速9389．8133201．251．02126952．03220．251．230．42．07度110111．518342I．72l-19205132．38220．25l440，42，们和119712．52167l2．031．30263432．59220．251570．42，07能4129213．5252772，371．4q331852．80220．251—0O．42．0'量138814．52916(J2．741．50411193．00220．251．820．42．07级148415．5333213．131．6l502273．2l220．251．950．4207试158016．5377593．541．7l60S893．42220．252．070．42．07验167517．5424753．991．8l722863．63220．252．200．42．07177118．5474684．461．92853993．83220．252．320．42079389．8133201．251．∞126952．03220．251．230．4207耐久59389．g133加1．251．52190423．05330．37O．820．63．11试验9389．8133201．252．03253894．06440．500．62O．84．14基本外径208mm内径191mm平均半径99．75mm单面毛面积5327mmz惯量2．76kgmz试验参数摩擦副数2动摩擦系数计算值0．1油流8ml／em2min总流量51．1llltr循环周期20s48 辑江大学顺士学位论文第簪目步环H提武锅纂摩擦齄尊=}硪宽方寨设试2．5．4．失效判据在以上各试验中出现摩擦副失效即终止试验，因此都要用到摩擦副失效的判别标准和判别方法，即为失效判据。除胡期磨损试验外，在其它各试验中，当出现以下情况，判断试样已失效，终止试验。图3．3不稳定接合的典型瞬时扭矩曲线11不稳定接合失效(初期磨损试验除外)如果在试验的某一次离合或制动过程中，瞬时动扭矩出现较大波动，绘制出的瞬时动扭矩——时间曲线粗糙不平滑，或出现驼峰，见图3．3，称之为不稳定接合失效。21摩擦系数衰退失效<初期磨损试验除外)在同一试验条件下稷邻两次离合循环的接合时间变化量大于5％，或静扭矩变化大于8％；从一个试验条件转变为另一试验条件时，摩擦系数衰退(典型的为动摩擦系数)达15％；在整个试验过程中出现摩擦系数衰退(典型的为动摩擦系数)达25％；3)磨损失效在初期磨损试验、磨损试验、压力试验、速度试验的组合中摩擦材料的厚度变化较大；在耐久试验中摩擦材料的厚度变化超出油槽深度的一半即判定为失效。钔对偶翘曲变形失效在试验过程中，如果出现制动时间突然变得很长，并可能出现不正常的扭矩曲线。这很可能是对偶的翘曲变形引起的。初判为变形失效。一∑～|二=洼㈣¨ii二．=．～ 浙江大学硕=|二学位论文第二章同步蚪用湿式铜基摩擦材料1洲：究方案设训2．6．试验研究过程在项目进展过程中，除先行试验外，先后共进行了三轮材质配方、工艺参数和性能试验，试验的重点分别为：第一轮试验——基体组成研究；第二轮试验一一密度和孔隙率研究；第三轮试验——静摩擦系数研究和重复性试验。每轮试验均按前述工艺制作试样，进行摩擦磨损性能检测，部份试样进行了显微分析，并对其中的部分样品有选择地进行了拉深成锥试验。 浙江大学硕士学位论文第三章基体组成研究3．1．研究方案设计及试样根据理论分析、实践经验及先行试验的结果，基体组成研究，主要是对黄铜基体进行试验，对基体组元粉末进行对比试验，并对石墨粒度、密度(孔隙率)进行一个初步试验，为后面孔隙率试验的方案制定提供方向。基体研究的材质配方和工艺密度见表4．1。采用锡、锌共同强化的黄铜基体。其中1-l配方是直接采用锌粉加入到配方中以强化基体，其设计思路来源于99．13配方，另外直接采用锌粉比采用黄铜粉便宜，如果可行，则可降低原材料成本；1—2和l_3配方分别部分采用黄铜合金粉，与直接采用锌粉的1-1进行对比，并采用了两种粒度的黄铜合金粉，以对比粉末粒度对其性能的影响；1．1、l一2、1．3均采用中粗石墨粉，一般认为，粉末冶金摩擦材料采用中粗石墨粉性能较好；1-4以铝粉替代锌粉，以对铝强化的基体做一个对比试验：在本试验中，由于大幅度降低了石墨的含量，决定采用细石墨粉进行一个对比试验；孔隙率设计参照了99一13和D221配方，按前面的公式进行计算后确定。表4．1基体研究材质配方和工艺密度表试样电解CuZn20cuzn20锌铝锡石墨粉工艺密度理论硅酸锆孔隙率编铜粉_200．300粉耪-299．199g／cm3％号1—1770807046．O201-243．6241．38O0O7O46．O20l一343．62041．3807046．0201．477O087046．020l-57708074046．0203．2．试验结果与数据分析在基体研究中，按设计的试验规程，对试样的摩擦磨损性能检测进行了初期磨损试验和筛选试验，并对材料进行了金相组织和显微硬度分析。 浙江大学硕十学位论文第三章基体组成研究3．2．1．初期磨损试验在初期磨损试验中，l-4表现出很大的磨损，特别是出现锯齿形的摩擦扭矩曲线，接合很不平稳，因此终止了1．4的其它试验。分析原因，可能是由于铝在本试样制作工艺条件下，在烧结过程中被氧化。基体研究的初期磨损试验的试验条件和数据列于表4．2。对其它各试样的试验数据进行分析如下。表4．2基体研究初期磨损试验数据表试验条件8．3m／s，2．IMPa，0．9J／mm2试样编号l—l1—21．31．5pd0．07990．07940．08320．0810lOOMSO．15270．15100．14600．1461lad0．08080．0797O．08180．0792200MS0．14860．1522O．15320．1432lid0．07950．08030．08290．0798接合次数300Ms0．15130．1486O．1501O．1393Ud0．08100．08270．0804400Ms0．15070．14630．14900．1412pd0．08170．07970．08340．0813500MSO．15200．14770．14970．1397Ud0．08060．08000．08280．0803平均摩擦系数MsO．15llO．14920．14960．1419线磨损(双面)咖0．0380O．01830．01250．0255摩擦材料磨耗率×10巧mm3／j42．2220．3313．8928-33磨损线磨损(单面)衄O．00280．00230．00250．0020对偶钢片磨耗率×lO-6mm3／j6．225．115．564．44各材料的初期磨损及其对对偶钢片的磨损情况见图4．1。从图4．1中可以看出：采用细黄铜粉的1-3表现出最小的摩擦材料初期磨损。采用粗黄铜粉的1．2与采用锌粉的1．1相比，初期磨损下降近50％。采用细石墨粉的1-5比采用粗石墨粉的1-1初期磨损下降30％。四种材料对对偶的初期磨损数值接近，其中采用细石墨的1-5对对偶的初期磨损比采用细石墨的1-1下降了30％。试样的表面粗糙度直接影响着其初期磨损，尽管在试样加工过程中对表面粗 浙江大学硕士学位埝文第三章基体组h毙研究糙度进行了严格的控制，但总存在一定的差别，会影响材料的初期磨损值。在下面筛选试验中获得的磨损数据将更好地反映材料的耐磨损性能。图4．1基体研究初期磨损试验磨耗率对比柱图四种材料在初期磨损试验中的平均动摩擦系数见图4．2。从图中可看出，采用细黄铜粉的l-3比其它具有稍高的平均动摩擦系数，1-1、1．2和1．5具有接近的平均动摩擦系数水平。四种材料在初期磨损试验中的平均静摩擦系数情况见图4．2。其中采用细石墨粉的1．5比其它具有稍低的静摩擦系数，1．1、1．2和1．3具有接近的静摩擦系数水平。3．2．2．筛选试验图4．2基体研究初期磨损试验摩擦系数柱图基体研究筛选试验的试验条件和数据列于表4．3和表4．4。对试验数据进行分析如下。53 浙江大学硕士学位论文第三枣基体组成研究表4．2基体研究筛选试验摩擦系数数据表试样编号1—11—21．31．5摩擦系数UdUs“dUs1．tdUsUdUs—接1．500．0776O．15110，0783O．14930．0807O，15080．0770．14349．8m／s，△1．1000．07760．15180，07790．15120．08110，14770．0768O．14252．1MPa．口次1．1500．07790．14930．0775O．15050．0805O．1513O．0768O．14371．25J／ram。数t-2000．07730．15070．07760．14970．0804O，15130．07610．144l9．8m／s，接2．500．07840．14390．07920．1460．0821O．14470．078lO．1373厶2．1000．07880．14620．0785O．14550．0815O．14380．07830．13692．6MP乱口1．25J／ram2次2．1500．07860．14630，07840．14520．08180．14560．07820．1381数2．2000．07830．14480．07860．1467O．08160．14550．07750．13799．8m]s，接3，50O．0813O，1423O，0809O．14490．(18360．14420,0804O．1368A3．100O．08ll0．1421O，08140．14330．0832O．14360．0807O．1355试3．1MPa．口验1．25J／mra2次3．1500．0812O．13970．08080．14330．0829O．14210．0804O．1347数3．2000．08030．1418O．08120．1435。0．0830．14250．0802O．1362条接4-500．07540．14990．0764O．14870．07840．14870．075O．1416件11．5m／s，A4．1000．07680．14910，07580．1490．0791O．150．075O．13982．1Ⅳ【Pa．口1．72J／ram2次4．1500．07660．14930、07620．14810．07950．14930．0758O．1408数4．2000．07560．t5070，07590．14680．0794O，14980．07540．142711．5m／s．接5—500．07820．14330．07780．1420．0808O，14470．0775O．1352A5．1000：0780．14420．07760．14550．08110．14320．07720．13582．6MPa,口1．72J／ramo次5．1500．0770．14270．07810．14410．08090．1435D．07760．1366数5．2000．07740．1440．07770．1432O．0812O．1426D．07790．1347n．5m／s．接6．500．079l0．13830．07870．14270．08220，1420．07890．135厶6—100O．07890。1386tO由792O．1412O。0819O．1436D．Q786O．13453．1MPa,口1．72J／ramo次6．1500．0789O．138l0．07850．14220．082O，1425D．07870．134数6．2000．0784O．13720．0787O．13960．08220，1430．0789O．1348平均摩擦系数0．07830．14480．0784O．14550．08130．1457D．0778O．1380表4．4基体研究筛选试验磨损数据表试样编号1．11．2l-31．5摩线磨损(双0．0470．034O．0310．041擦面)衄材磨耗率×磨料10"6ram3／J13．199．548．7011．50损对线磨损(单0．00320．00280．00250．0029偶面)舢钢磨耗率×片lO'6mm3，J1．801．S71．401．63粗糙度的偏差而影响磨损数值的情况已不存在，在试验中测得的磨损数据由材料54 浙江大学硕士学位论文第二三章基体组成研究本身的性能、介质及试验条件决定。筛选试验过程中，摩擦材料磨损、对偶钢片磨损、动摩擦数、静摩擦系数都发生r一定的变化，现分述如下。筛选试验的磨损情况见图4．3。从图中可以看出，与初期磨损试验数据类似，仍然是采用细黄铜粉的l一3表现出最小的摩擦材料磨损。采用粗黄铜粉的1-2与采用锌粉的1．1相比，磨损下降27％。采用细墨粉的1．5比采用粗石墨粉的l-l磨损下降12％。四种材料对对偶钢片的磨损数值非常接近。基体研究筛选试验磨耗率(6种试验条件下各200次接舍)Ia量加一曼几口摩擦材料●对偶锅片羹一L一。1—1l一2l卜31—5口摩擦材料13．199．54{8．7011．50一对偶钢片1．801．571．401．63配方代号图4．3基体研究筛选试验磨耗率对比柱图图4．4为采用锌粉的1．1材质放大200倍的显微组织照片。图中，A和B为铜合金基体，C为硅酸锆，D为石墨，其余为孔隙。铜合金基体保留了其所用原材料电解铜粉树枝状的形貌，其中B完全维持了电解铜粉的形貌，A已由树枝状的形貌长大为较大的团块组织。对两种形态的组织进行显微硬度分析，A为HV。；170～181，B为Hv。。166～175，A和B具有接近的显微硬度。图4．4I-I材质显微组织照片5 浙江大学硕士学位论文第=i幸基体绸成研究图4．5为采用粗黄铜粉的1．2材质放大200倍的显微组织照片。矧中，A和B为铜合金基体，C为硅酸锆，D为石墨，其余为孔隙。其中，B完全维持了电解铜粉原有的树枝状的形貌，说明其由电解铜粉形成。A为较大的球状，与雾化黄铜合金粉的形貌一致，说明其由黄铜合金粉形成。对两种形态的组织进行显微硬度分析，B为HVom5174～183，与1．1基体的显微硬度接近；A为HVo_05234～241，比B的显微硬度高。与l—l相比，1—2具有两种显微硬度的相，是在较低显徽硬度的B中分布着显微硬度较高A，这正是1-2比1-1具有好的耐磨损性能的原因所在。图4．51-2材质显微组织照片图4，6t-3材质显微组织片图4．6为采用细黄铜粉的1-3材质放大200倍的显微组织照片。图中，A和B为铜合金基体，C为硅酸锆，D为石墨，其余为孔隙。与图4．5进行比较，其区别为由细雾化黄铜粉形成的球状组织要细小，分布要均匀。对其进行显微硬度分析，B为}I、矗m5172,--184，A为I-IVo．05231～240。其显微硬度情况与l一2一致，因此它同样具有较好的耐磨损性能。对图4．6进行进一步分析，可以发现l一3材质比 断江大学硕士学位论文第=幸墓体组成研究1-2材质的孔隙要细小且分布均匀，由此可以推测，1．3材质比1—2材质具有小的磨损，可能是与其更细小和分布均匀的孔隙也有‘定的关系。分析对比图4,4、图4．5和图4．6，可以看出，电解铜粉和细黄铜粉具有较好的生成细小孔隙的能力。四种材料在筛选试验中的平均动摩擦系数和平均静摩擦系数见图4．7。图中，采用细黄铜粉的1．3比其它具有稍高的平均动摩擦系数，这可能与其内部的孔隙有关。l—l、1．2和1-5具有接近的平均动摩擦系数水平。采用细石粉的l一5比其它具有稍低的静摩擦系数水平，这是由于在相同石墨用量的条件下，细石墨在基体中分布更均匀，能更好地起到减摩作用。瓤惴辣酱图4．7基体研究筛选试验平均摩擦系数对比柱图各材料的动摩擦系数随接合次数(试验条件)变化的曲线见图4．8。曲线表明，在各种试验条件下，1．3比另外三种材料均具有稍高的动摩擦系数。分析对比1．1、1．2和1．3的显微组织照片(图4．4、图4．5和图4．6)，似乎采用细黄铜粉的1．3具有更细小的孔隙，孔隙分布更均匀。这可能是1-3材质具有稍高动摩擦系数的原因所在。图4．8中，曲线随试验条件的变化，每四个数据点(为同一试验条件下测得的数据)出现～个平台，平台起伏有一定的规律：在同一线速度条件下，台阶随压力的上升而上升；而当升高线速度时，台阶下降。这说明材料的动摩擦系数是随比压的增加有增大趋势，随线速度的增加有减小趋势。57 浙江大学硕士学位沧文第j章基体组成研完图4，8基体研究筛选试验动摩擦系数-接台次数曲线各材质的静摩擦系数随接合次数(试验条件)变化的曲线见图4．9。曲线表明，在各种试验条件下，用细石墨的1-5材质比其它材料具有稍低的静摩擦系数。各材料的静摩擦系数随比压的增加有下降趋势，随线速度的增加有上升趋势。图4,9基体研究筛选试验静摩擦系数-接合次数曲线图4．101-3材质动摩擦系，比压，线速度曲线图4．111—3材质静摩擦系数一比压／线速度曲线 浙江大学硕』：学位论文第三章基体组成研究图4．10和图4．1l以1—3材质为例，对在该试验巾，其动摩擦系和静摩擦系数随比压和线速度的变化关系作了更清晰的表述。由于石墨的特殊结构，它可以有效地抵抗摩擦材料与对偶之间的粘着，阻止摩擦过程中的粘一滑现象，在摩擦材料接合过程中，能起到稳定和降低摩擦系数、降低磨损的作用，另一方面由于石墨的耐热性能可以提高材料的热负荷，因此，在摩擦材料中都加入一定量的石墨。一般认为，粉末冶金摩擦材料采用中粗石墨(．80+150目之间)可以使材料具有更好的摩擦蘑损性能，石墨用量可从7％～25％之间变化。低石墨含量时需与铅等其它固体润滑剂配合使用曲钉口”。对于多相物质组成的摩擦材科，随着材料石墨用量的增加，材料的强度下降，另一方面，材料的磨损机制也从粘着磨损+磨粒磨损逐步过渡到疲劳磨损+磨粒蘑损‘”1[521[531。为使材料具有足够的强度以使其具有好的耐磨损性能，石墨含量越高的材料，其所用石墨的粒度需越粗。因为在相同石墨用量的条件下，粗石墨的比表面积承，隔离作用小，对材料强度的影响要小。在本试验中，石墨的用量很低，尽管细石墨的比表面积大，但采用细石墨不会导致材料强度的较大幅度下降，因而也不会增加材料的疲劳磨损；另一方面，在石墨用量相同的情况下，细石墨在基体中更分散，在摩擦界面会分布更多的石墨质点。这些在摩擦器面分布密度更高的石墨质点能更有效地抵抗摩擦材料与对偶之间的粘着，阻止摩擦过程中的粘一滑现象，减小粘着力，降低粘着磨损。所以采用细石墨的1．5材质比采用中粗石墨的1．1材质具有稍低的磨损和稍低的静摩擦系数。由于加工工艺的缺陷，试样中的石墨微观分布不均一，从各材质的显微组织照片中无法准确判定石墨的分布形态。但摩擦磨损试验数据对以上的分析做出了实验证明。 浙扛大学硕士学位沧变螭三章基体组成研究3．3．基体研究总结经以上试验结果与数据的分析，可得出以下结论：1)部分采用黄铜粉另加合金组元的基体比全部采用电解铜粉另加合金绢元的基体具有更好的耐磨损性能。采用黄铜粉后，材料中分布着显微硬度更高的相，使材料具有好的耐磨损性能。2)部分采用细黄铜粉另加合金组元的基体比采用粗黄铜粉的基体具有稍高的动摩擦系数。采用细黄铜粉后，材料中的孔隙更为细小，分布更加均匀，有利于动摩擦系数的提高。3)孔隙不仅影响着动摩擦系数还影响着材料的磨损。细微和分布均匀的孔隙可降低材料的磨损。4)石墨粉含量很低时，在石墨含量相同的条件下，采用细石墨粉可以降低材料的磨损和静摩擦系数。5)比压和线速度对材料的动摩擦系数有较大影响，对材料的静摩擦系数也有一定的影响。6)在基体研究的各试验中，相比之下，1-3材质表现出最好的摩擦磨损性能。其平均动摩擦系数为O．081，在整个试验中，动摩擦系数在O．0784--0．0836范围内波动，与所确定的技术指标O．08,-42．10比较，偏低；其平均静摩擦系数为O．146，在整个试验中，静摩擦系数在0．142~o．153范围内波动，与所确定的技术指标0．12---0．15比较，偏高：其平均磨耗率为8．7xlO“mm3／J，对对偶钢片的平均磨耗率为1．4xlO‘6mm3／J，与所确定的技术指标2．5x10。mm3／J(当聃前要求)有效大差距，1．2x104mm3(未来要求)相差更多，但该磨损数据是在比较少的离合情况下测得的，主要表现为材料的初期磨损，增加离合次数，该数据会下降。7)对基体研究的各试验数据的分析和结果提供了进一步研究和提高材料性能的方法：通过孔隙的研究提高材料的动摩擦系数和降低磨损，把1-3中的粗石墨换为细石墨有可能降低材料的静摩擦系数和磨损。 浙江大学硕十学位论文第㈣章密度和孔隙率酬究第四章密度和孔隙率研究4．1。研究方案设计及试样密度和孔隙率研究的目标为通过密度和孔隙率的研究，掌握其对材料摩擦磨损性能的影响规律，以提高材料的动摩擦系数，降低材料的磨损，并采用细石墨以降低材料的静摩擦系数和磨损。根据基体研究的试验结果和分析以及摩擦磨损理论。确定以卜3配方为基础，采用细黄铜粉和细石墨设计配方，重点进行工艺密度(孔隙率)试验，并进行压力和线速度对摩擦系数影响试验，以确定合适的材料工艺密度。在试样制作过程中，对试样加工的技术指标及工艺参数进行了严格的控制。材料组成不一样，其密度将会发生变化。在进行密度设计时，以材料的理论孔隙率为计算依据，按设计的理论孔隙率、材料的致密密度计算出材料的工艺密度。其中，材料的致密密度(无孔隙密度)和理论孔隙率依据以下公式计算。致密密度Po=————二——一pl。p2．。P口’。一-f-1-。一PlP2成其中仇为混合料中各组元的百分含量，岛为各组元的密度n理论孔隙率P=(1一旦一2)x100％风其中P为材料的工艺密度，五为油槽所占的体积百分数。密度和孔隙率研究的各试样情况见表5．1密度和孔隙率研究配方表、表5．2密度和孔隙率研究试样密度和孔隙率对照表、图5．1密度和孔隙率研究样品代号一理论孔隙率曲线。表5。I密度和孔隙率研究配方表I电解铜粉cuZn20(一300目)锡粉石墨粉(-299)硅酸锆I43．6241．3874 浙汀大学硕士学位论文第旧章奎鹰和孔隙率研究表5．2密度和孔隙率研究试样密度和孔隙率对照表试样编号2—122—32-4252-62—72—8工艺密度4．85．05．Z5．45．65，86．06．2g／cm’理论孔隙率3633．330．62825．322．62017．3％图5．1密度和孔隙率研究样品代号～理论孔隙率曲线412_试验结果与数据分析在密度和孔隙率研究试验中，对材料进行了初期磨损试验、压力试验、速度和能量级试验，并有选择地进行了耐久试验。另外，对部分样品进行了显微组织分析。4．2．1．初期磨损试验密度和孔隙率研究中，初期磨损试验的试验条件和试验数据列于表5．3和表5．4。并对试验数据分析如下。6Z 蛾江大学硕士学位论文第四章密度和孔隙宰研究表5．3密度和孔隙率研究中初期磨损试验摩擦系数数据表密度和孔隙率研究中初期磨损试验摩擦系数数据(8-3m／s，2．1MPa，0．9J／mm2)接台次数试样平均摩撼系数1002舶蚰O599编号2一i0．11210．157310．11090．15060．t113014970．1Ⅻ0．10920．15280．1l∞0．15252—20．1∞00．18210．10680．15060．10500．14790．10530．14600．10590．14730．10580．14892—30．101201496010260．10150l蛹00．10船mI蚰l0．1018也14660．10190．1467‘2-40．09聃O．15吨0，09720．1495仉帽册0，14780．0981n147l0．09850．1砧a0．0984D．1耜32-50．∞3l0．15∞0．09180．1519O．14990．0925玑1476O．09290，14730．0921O．14932—6O．∞120．16320，05880，1527ol08760．15200．0884o．1∞80．08870．14880．08890．15132—7乱08300．15100．明230．15∞0．08130，14920．08240．14950，08210．1∞20．∞240．1502—2J8。-0f920．I飘Zn0778o-i5310．们嚣2of{5050．1517of0771O．1S2{0．们T6nl驼8表5．4密度和孔隙率研究中初期磨损试验磨损数据表密度和孔隙率研究中瓠期期磨损试验磨损数据材质摩擦材料对偶钢片代号线磨损磨耗率线磨损磨耗率(双面)Ⅲx10—6衄3／J(单面)m×lO-8mm3／J2一l0．01718．890．0012．222—20．009lO．OO0．00132．892-30．0077．780．002l4．672-40．00556．110．0024．442-50．00657．220．00173．782-60．00788．670．00286．222—70，00910．000．0036．672—80．012I13．440．0036．67对初期磨损进行分析，见图5．2。随着材料工艺密度的增加(或理论孔隙率63 浙江大学颤士学位论文第四最密度和孔隙率研究的减小)，材料的初期磨损F降后又增加，其中，2—3、2-4和2—5三种工艺密度的材质有最低的初期磨损水平。随着材料工艺密度的增加(或理论孔隙率的减小)，各材料对对偶钢片的初期磨损有上升的趋势，但上升的幅度很小，工艺密度最低(理论孔隙率最大)的2．1孛才质对对偶钢片有最小的初期磨损。密度和孔隙率研究初期磨损试验磨耗率83m／s，2．1MPa,0．9J／ram2皂“≥15一l口摩擦材料l曼lol1一n。I1■对偶钢片{巢。—IHb隋吲HI_|恤O2-12—22—32—42-5．2—62-72-8I口摩擦材料18．8910．007．786．1l7．228．6710．0013．441■对偶钢片2．222．894．674．443．786．226．67材质代号图5．2密度和孔隙率研究中初期磨损试验磨耗率柱图各材质的平均摩擦系数曲线见图5．3。从图中可以看出，平均动摩擦系数随着材料工艺密度的增加(孔隙率的下降)而下降；平均静摩擦系数随材料工艺密度的增加变化不大。图5．3密度和孔隙率研究中初期磨损试验摩擦系数曲线各材质的动摩擦系数．接合次数曲线见图5．4。从图中可以看出随着材料工艺密度的下降(孔隙率的增加)，材料的动摩擦系数有规律地增大，在整个500次64 浙江大学颤L学忙论文第四章密度年N-／L隙率研究接合过程中，各工艺密度的材质动摩擦系数稳定。密度和孔隙率研究初期磨损试验动摩擦系数一接合次数曲线图5．4密度和孔隙率研究中初期磨损试验动摩擦系数一接合次数曲线各材料的静摩擦系数．接合次数曲线见图5．5。从图中可以看出各材质的静摩擦系数差随材质工艺密度的不同变化很小，在整个500次接合过程中各材质的静摩擦系数稳定。图5．5密度和孔隙率研究中初期磨损试验静摩擦系数—接合次数曲线4．2．2．压力试验密度和孔隙率研究中，进行压力试验的试验条件和摩擦磨损试验数据列表5．5。对试验数据分析如下。 霉d■。窖§l蓦昌§d气占gSg。占$譬一q0。od6器竺N案。=暑宝S宝鲁孽l斟誊占善蓦琴Sdg毒d古d誉Nn咎导!曼等砻1'譬鲁：dSd1。若doA誉警襄叠是1警鐾莹善皇g舍蓑‘舍de占Sd交呐晷∞宝苎髻=尊置害一=ij譬等苫d。苦S亭S茵gd1。蓉曲等客苫替峙8办g毫穹誉爨善暑ad音。d辍棼音蒸筇莩暮量荨j拳譬虿0暑g■占苦do置0羹’拿鲁昌Nl擘l寄害g罄Sd昌窨叫gd髻d毒。d篓々gSd鱼音篓景象睾蓦誊毒暑塞一：乏=写暑d苦墨竹。g■。萎门n6磊誉l鐾裘l善誉8蓬5苦8暑d占苫奢g霪-霸采专蓦葛誉鱼：S薯g虿霸20譬占d1卓昌鬻窖g雩蓉窨dS叫鼍o寸寺g毒_X墓旨暑墨§lj=锌02薯占s若d苦g6d'鲁g基禁l基|謇一旦善暑d暑d耄鲞dg蛊昌摹篙墨是豁q蒜莛藿童蓁鑫鎏遣S一1皤鞴登×X霹幽邕崎斗避撩舞琉靛阜举越丑星一硼鞲懈靶籁鞲恤鹫蠢f髻蹲R田廿浆宙褂篮]士娶趟怖叶n懈 浙江大学硕士学位论文第四章密度瑚孔隙枣研究对压力试验过程中的磨损分析见图5．6。从图中可以看出，各材质磨损的变化规律与初期磨损试验相似，但其磨损数值要比在初期磨损试验中的磨损数值小，这是由于材料经初期磨损后，表面许多在机加工过程中形成的高峰被磨平，表面变缛平滑。随着材料工艺密度的增自“(或理论孑L隙率的减小)，材料的初期磨损下降后又增加，其中，2-3和2-4两种工艺密度的材质有最低的摩擦材料磨损水平。随着材料工艺密度的增加(或理论孔隙率的减小)，各材质对对偶钢片的初期磨损有上升的趋势。但上升的幅度很小，工艺密度最低(理论孔隙率最大)的2．1材质对对偶钢片有最小的初期磨损。密度和孔隙率研究压力试验各材质磨损对比柱图。u氍旧摩擦材料}妻tsIinn对偶铜片I。蕊10盥5_1nL．．阳．．一．。甩．-．-、1．玉∑翼美蓦置玉蓦材质代号揭5．6密度和孔隙率研究中压力试验各材质磨损对比桂胬在湿式摩擦材料的摩擦磨损过程中，存在着摩擦副界面微凸体的相互作用和油膜的作用两个方面。基体之间的相互作用遵循分子机械理论；油膜的作用则遵循Steibeck曲线反映的摩擦过程啪¨”¨鲫。”。湿式摩擦副的接合过程，是从某一相对线速度开始，在摩擦力的作用下相对线速度逐渐减小，直至相对线速度为零。相对线速度趋于零时进入静摩擦。因此可将湿式摩擦副的接合过程分为动接合和静接合。在动接合过程中，油膜不断地被剪切破坏后又不断地形成，油膜在被剪切破坏和形成两种状态下交变。这种交变是微观的，而在整个宏观摩擦界面，总是存在着一个稳定的油膜；摩擦界面的微凸体的咬合也是同样的交替变化。在静接合过程中，相对线速度趋近于零的那一时刻，摩擦界面钓油膜不再被剪切破坏，摩擦界面的微凸体之间的咬合也趋于稳定。因此，除外部条件外，湿式摩擦材料的摩擦磨损行为受摩擦界面的油膜和基体两个因素影响。在密度和孔隙率研究中的各试样具有相同的基体，唯一的区别为孑L隙。图 浙江大学硕士学位论文第四章密度和孔隙率研究5．7、图5．8、图5．9和图5．10分别为2一l、2～3、2—5和2-8四种材质的金相显微组织照片。图5：72-1材质放大200倍的显微组织照片图5．82-3材质放大200倍的显微组织照片图5．92-5材质放大200倍的显微组织照片 浙“大学硕士学位沦文第四擘密度和孔隙率研究图5．102-8材质放大200倍的显微组织照片比较图5．7、图5．8、图5．9和图5．IO，很明显，各材质随着工艺密度的提高孔隙量逐渐下降。图5．7中，基体很分散，成相互独立的小岛状，没有连成片，孔隙占了很大的比例；图5．8和图5．9中，其基体相互联连通，孔隙也相互连通，形成网状结构：图5．10中的基体大面积相连，形成板块，孔隙占的比例很小，且大部分被阻断。随着材料工艺密度的增加，孔隙率下降，材料基体强度增大。根据分子机械理论，材料基体强度增大，其抗磨损能力增强；随着材料孔隙率的下降，其内部的微孔隙中贮存的油量下降，有可能导致摩擦副界面的温度升高，材料的强度随界面温度升高也会有所下降，因此又会导致磨损的增大；当材料的孔隙率减小时，摩擦副界面的微孔隙使摩擦界面的油膜面积所占总面积的百分比下降，液体摩擦所占比重减小，从这个角度分析，材料孔隙率下降，会导致磨损增大。综合这三个方面的增减趋势，材料的磨损表现为：随着工艺密度的增加，材料的磨损下降后又增大。在某一密度条件下可以取得材料的最小磨损。在压力试验过程中，各材质的平均摩擦系数曲线见图5．11。从图5．1l中，可以看出，平均动摩擦系数随着材料工艺密度的增加(理论孔隙率的下降)而下降。当材料的孔隙率减小时，摩擦副界面的微孔隙使摩擦界面的油膜面积所占总面积的百分比下降。可篚本试验中的界面油膜被剪切比界面相互啮合的微凸体被剪切需要更大的力，而且界面油膜面积越大，其界面温升也越低，油膜的强度就会越高。当边界摩擦和液体摩擦共存时，高孔隙率材料能更有效地清除摩擦界面上的油膜，从而增加边界摩擦哺¨⋯。这样，高孔隙率材料，摩擦副一经接合， 浙江大学硕士学证论文第四章密度和孔隙率研究就有可能越过摩擦系数较低的混合摩擦状态而进入边界摩擦状态，这也有可能导致动摩擦系数的增加。因此，材料的平均动摩擦系数随其工艺密度的增加(理论孔隙率的下降)而下降，高孔隙率的材料具有高的动摩擦系数。从图5．n中还可以看到，平均静摩擦系数随材料密度的增加(孔隙率的下降)变化不大，也就是说材料的孔隙率对其静摩擦系数影响不大。这是由于，在线速度趋近于零的时刻，油膜不再被剪切破坏，因此工艺密度(孔隙率)对材料的静摩擦系数影响不大。图5．11密度和孔隙率研究中压力试验平均摩擦系数曲线在压力试验过程中，各材质的动摩擦系数随比压变化的关系曲线见图5．12，从图中可见，不同工艺密度的材质，其动摩擦系数受压力影响的规律不一样。对于高工艺密度(低孔隙率)材料，其动摩擦系数随比压的增大而增加，随着材质密度的下降(孔隙率的增大)动摩擦系数随压力的变化率减小(见图5．11中的2—8、2—7、2-6、2-5、曲线)；对于低工艺密度(高孔隙率)材质，比压对动摩擦系数的影响规律发生了变化，其中2-4、2-3和2．2材质，比压对其动摩擦系数的影响极小，而孔隙率最高的2—1材质的动摩擦系数随比压增加出现了下降的趋势，压力直接影响着摩擦界面的油膜厚度。由于压力的变化，界面温度发生变化后又影响油膜的粘度(强度)。压力又影响着界面的接合程度，会导致界面微凸体相互啮合的个数和啮合程度的变化，而对于弹性材料这种变化又不是与压力成比例变化的。当材料的工艺密度下降到一定程度时，压力对其产生的弹性变形也会发生变化，从而会改变界面孔隙的面积。由于这几方面的综合作用，压力影响着材料的动静摩擦系数，并随着材料孔隙率的改变其影响规律发生改变。对于高 浙江大学硕士学位论文第四章密度和孔隙率研究工艺密度材料，主要是其弹性基体的作用，因此，其动摩擦系数随比压的增大而增加。当材料的工艺密度F降后，变为弹性基体与油模的共同作用，因此其动摩擦系数随压力的变化率减小。当材料的工艺密度下降到一定程度时，其基体可能随压力的增大发生较大的弹性变形从而减少的界面泊膜，同时也使界面的温度有所上升，因此，其动摩擦系数趋于平稳，甚至随压力的增大出现下降的趋势。因此，存在着某一工艺密度，在此密度条件下，材料的动摩擦系数受压力的影响最小，其动摩擦系数在不同的压力条件下最为稳定。图5．12密度和孔隙率研究中压力试验动摩擦系数．比压关系曲线在压力试验过程中，各材质的静摩擦系数随比压的变化关系见图5．13。在不同的压力条件下，不同工艺密度的材质的静摩擦系数有着相似的变化规律。随着比压的增加，各材质的静摩擦系数下降，当比压增加至2．6Mpa左右时，各材质的静摩擦系数随着压力的增加不再变化，趋于稳定。在相同的压力条件下，各材质具有接近的静摩擦系数水平。O-18藿o．16始鬈0140．12密度和孔踪率研究压力试验静摩擦系数一比压曲线穗萋&1．o1．62．12．63．13．64．14．7比压MPa图5．13密度和孔隙率研究中压力试验静摩擦系数-比压曲线 辑江太学硕士学位论文尊四章密度和孔隙章研究在静接合的过程中，油膜不再初切断，主要为基体间的相互作用，因此其静摩擦系数遵循一般弹性材料摩擦系数随压力变化的规律，即其真实接触面积随压力增高而缓慢增大，当压力增高到一定程度后其真实接触面积又与压力成正比增加∞"。“。因此，材料的静摩擦系数随压力增加而下降，当压力增大到一定的数值后，材料的静摩擦系数趋于平稳。 浙r大学硕士学位论文第四章密度和扎隙率研究4．2．3．速度和能量级试验密度和孔隙率研究中，各试样的速度和能量级试验的试验条件和试验数据列于表5．6，对试验数据分析如下。图5．14为密度和孔隙率研究的速度和能量级试验过程中，不同工艺密度材质的动摩擦系数随线速度变化曲线。图5．15为密度和孔隙研究的速度和能量级试验过程中，不同的线速度条件下，动摩擦系数随材质的工艺密度(孔隙率)的变化曲线。从图中可以看出，低工艺密度(高孔隙率)材质具有高的动摩擦系数。各材质的动摩擦系数随线速度的增加而下降。高工艺密度材质的动摩擦系数受线速度的影响程度要小一些，也就是说，高工艺密度(低孔隙率)材质在不同的线速度条件下具有更好的稳定性。线速度主要是通过界面温度来影响湿式摩擦副的摩擦行为的。随着线速度的增大，摩擦功增大，摩擦副界面温度升高，从而影响着界面的油膜粘度。低工艺密度(高孔隙率)材料§＆更好地阻止摩擦界面的温升。因此，在各工艺密度条件下，材料均表现为动摩擦系数随线速度的增加而下降，但高工艺密度材料的动摩擦系数随线速度的变化率小。图5．14密度和孔隙率研究中速度和能量级试验动摩擦系数一线速度曲线73 ．t楚帑鬻秘辨糍恒止搭恃避惴齄球．《避怛蓁萋萋萋垂篓蓑藩霎器沣瞥样辅骤．扯世职桑薹壁萎菱萎囊蓬蕞蹲蜒噎止霜k斟{噼糍卿．越髓忙垒罐麓旧止帮●门l翻N恒心o爨褒o洚罄醛艇袋埘鞋o)．盘世律镒缎薯峰蛏僻酶球嚣●倒甲o刑“寸岳譬球o窿d甜∞．扯避限餐嚣蓑茎囊萎东一恃髓僻缝翻景c；越静髓懈鞭靼∞毳萋菱垂藁蛊k照旧止坦|鲁c?o芸篓藿鬣导*肇语盘餐rJd黎差籁聪鬟鉴窭避目水根4U鬈鼍霹睁懈职赫翻簿聚娴避品憾增廿妖匿静暨罱冥髓翻9-∞僻 浙江大学硕士学位论文第凹章整度和孔隙率研究图5．15密度和孔隙研究中速度和能量级试验动摩擦系数．密度曲线图5．15为速度和能量级试验过程中，在不同的线速度条件下静摩擦系数随材质的工艺密度(孔隙率)的变化曲线。从图中可以看出，高工艺密度材质的静摩擦系数在不同的线速度条件下波动范围较小。也就是说高工艺密度材质的静摩擦系数受线速度的影响比低工艺密度材质要小一点。图5．15密度和孔隙率研究中速度和能量级试验静摩擦系数一密度曲线图5．16为速度和能量级试验中，整个过程中的平均摩擦系数随材质工艺密度(孔隙率)的变化曲线。图中，平均动摩擦系数随材质工艺密度的增加(孔隙率的下降)而下降，平均静摩擦系数随材质工艺密度的变化很小。 浙江大学硕士学位沧文第叫章密度和孔隙葶研究密度和孔隙率研究速度和能量级试验平均摩擦系数曲线r0．140．】0斗——o一争——丹——廿——田——_c卜—加—O一平均动摩擦"-{3--平均静摩擦“·’一k、、。。材质代号图5．16密度和孔隙率研究中速度和能量能试验平均摩擦系数一密度曲线图5．17为速度和能量级试验测得的不同工艺密度材质的失效点对应的Cm／l直．。从图中可以看出，低工艺密度(高孔隙率)材质具有高的cm值，即高的能量失效点。材料的孔隙率越高，其微孔隙中贮存的油就越多，可以有效地抑制界面温升。而且连通的的孔隙能更好地将界面的摩擦热带走。因此，其低工艺密度(高孔隙率)材质具有高的CⅢ值，即高的能量失效点。密度和孔隙率研究速度和能蜃级试验各材质cm值对比柱图800007000060000f粤伽5000器一■一30000■20000■i0000■．．■■r明甲中甲材质代号图5．17密度和孔隙率研究中速度和能量级试验不同密度材质Cm值对比柱圈4⋯24耐久试验根据前面的试验结果，及完成初期磨损试验、压力试验、速度和能量级试验后各试样的性能和状况，选择2—3材质进行了耐久试验。分别在2．IMpa，3．1Mpa和4．1Mpa压力和9．8m／s线速度条件下各进行了2000次接合，试验数据列于表5．7。并将2—3材质在初期磨损试验、压力试验、速度和能量级试验过程中的磨损试验 浙江大学硕士学位论文第【】_【】章密度和孔隙率研究数据列于，以便于对2—3材质的耐磨损性能进行‘个综合评价。表5．7中的试验数据表明，在整个耐久试验过程中的各试验条件卜，2-3材质的动、静摩擦系数稳定，磨耗率非常低。经初期磨损试验、压力试验、速度与能量级试验后，2-3材质在6000次的耐久试验接合中表现出了很好的耐磨损性能，这说明材料已进入了稳定磨损阶段。表5．7密度和孔隙率研究中2-3材质耐久试验数据表密度和孔隙率研究中2．3材质耐久试验9．8m／s1．25J细m2磨损摩擦系数比压摩擦材料对偶钢片接台次数Mpa线磨损磨耗率×线磨损磨耗率דdUs(双面)inl3aIO'*mm3／J(单面。)mm10"Smm3／J1000O．09850．14970．00000．OO0．00000．002，12000O．09720．15200．00100．400．00000．0030000．10020．14520．0020O．800．00000．003．140000．0993O．14630．00251．OO0．0003O．2450000．10300．14270．00301．200．00080．644．16000O．0989O．14620．00281．12O．0005O．4平均摩擦系数0．09950．1470耐久试验总磨损O．01130．750．0016O．21初期磨损试验磨损0．00768．440．002l4．67压力试验磨损0．00282．80．00l2．OO全部试验总磨损0．02171．280．00470．567 浙江大学硕士学位论文第四章密度和孔隙率研究4．3．密度和孔隙率研究总结对密度和孔隙率研究各试验的试验数据和分析进行归纳，可以得以下结论。1)材料的工艺密度(孑L隙率)影响着其耐磨损性能。高工艺密度和低工艺密度的材料都具有较高的磨损，中等工艺密度的材料具有较低的磨损。对于密度和孔隙率研究试验中所确定的基体，及在密度和孔隙率研究所确定的试验条件下，工艺密度取5．2-5．69／cm3(理论孔隙率为25—31％)时，材料具有最好的耐磨损性能。2)在密度和孔隙率研究的各试验条件下，材料的平均动摩擦系数随其工艺密度的增加(理论孔隙率的下降)而下降，高孔隙率的材料具有高的动摩擦系数。而工艺密度对材料的静摩擦系数影响不大。3)不同工艺密度(孔隙率)的材料，其动摩擦系数受压力的影响程度和随压力的变化规律是不一样的。对于高工艺密度(低孔隙率)材料，其动摩擦系数随比压的增大而增加，但随着材质密度的下降，动摩擦系数随压力的变化率减小，当材料的工艺密度下降到一定程度时，其动摩擦系数不再随压力的增加而下降，而是趋于平稳，甚至随压力的增大出现下降的趋势。对于密度和孔隙率研究试验中的配方，当材料的工艺密度取5．0-5．49／cm3(理论孔隙率为28—33％)时，其动摩擦系数随着压力的增加而趋于平稳。4)对于密度和孔隙研究试验中的配方，其静摩擦系数随着比压的增加而下降，当比压增加至2。6～Ipa以后，其静摩擦系数随着压力的增加不再变化，趋于稳定。在相同的压力条件下，不同工艺密度的材质具有接近的静摩擦系数水平。5)在各工艺密度条件下，材料均表现为动摩擦系数随线速度的增加而下降，但高工艺密度材料的动摩擦系数随线速度的变化率小。也就是说，高工艺密度(低孔隙率)材质在不同的线速度条件下具有更好动摩擦系数稳定性。6)线速度对材料的静摩擦系数影响不大，高工艺密度材料在不同的线速度条件下具有更好的静摩擦系数稳定性。7)低工艺密度(高孔隙率)材质具有高的Cm值，即高的能量失效点。8)尽管对孔隙率进行研究的论文很多，但在论述摩擦材料组成的著作中，总是把摩擦材料的组成分为基体、摩擦缎元和减摩组元三个部分。事实上，孔隙在很大程度上影响着湿式摩擦材料的摩擦磨损行为，因此，应把孔隙列为湿式摩擦78 浙江大学硕士学位论文第四章密度和孔隙率研究材料的第四个组成部分。9)综合材料的耐磨损性能、动摩擦系数及其有不同压力和速度条件卜-的稳定性、静摩擦系数及其有不同压力和速度条件下的稳定性、能量负荷许用值cm，材料取5．2—5．49／cm3的工艺密度(理论孔隙率在28-31％)，具有较好的摩擦磨损性能。也就是本试验中的2—3和2-4具有最好的综合性能。10)在密度和孔隙率研究的各种试验条件下，2—3和2-4的动摩擦系数为O．087—0．102，达到所确定的技术指标0．08加．10；摩擦材料在初期磨损、压力试验和耐久试验中的平均磨耗率为1．28×10-6mm3／J，对对偶钢片的磨耗率为0．55×104聊矿／．J，达劲所确定的技术指标2．5×104聊m3，J(当前的要求)和1．2×lO“mm3(未来的要求)，根据所确定的试验规程，材料的摩擦功、摩擦功率、承受比压和线速度的能力也均达到同步器工况要求；，但其静摩擦系数略为偏高。但在各试验条件下，材料的静摩擦系数为0．138—0．159，与所确定的技术指标O、t2加，15比较。偏高。11)根据密度和孔隙率研究的试验数据及分析可知，静摩擦主要是通过基体的作用产生的。根据分子机械理论可以通过改变材料中的摩擦组元和润滑组元的量来改善材料的静摩擦系数。79 浙江大学硕士学位论文第扛章静摩擦系数研究和重复性试验第五章静摩擦系数研究和重复性试验5．1．研究方案设计及试样进行静摩擦系数研究和重复性试验的目的是为了降低材料的静摩擦系数，并验证材质性能和工艺的稳定性。根据密度和孔隙率研究的试验结果和分析及摩擦磨损理论，对配方进行了调整，在非金属组元总量不增加的情况下，调整石墨粉与硅酸锆的含量，把石墨粉从原来的4％提高至5％，将硅酸锆的含量从原来的4％降低至3％，并进行了材料的拉伸性能试验。静摩擦系数研究和重复性试验的试样况见表6．1。表6．1静摩擦系数研究和重复性试验配方和参数表电解Cllzn20石墨粉工艺密度理论锡粉硅酸锆铜粉．300．299g／cm3孔隙率43．6241．387535．329．3％5．2．试验结果与数据分析在静摩擦系数研究和重复性试验中，对材料进行了初期磨损试验、压力试验、速度和能量级试验及耐久试验，并对材料进行了拉伸试验。样片编号为3．1和3-2，它们在相同的工艺条件下制得。静摩擦系数研究和重复性试验的初期磨损试验的试验条件和摩擦系数数据和曲线见图6．1。从图中可以看出材料在初期磨损试验中具有稳定的动、静摩擦系数，材料的静摩擦系数有所下降，动、静摩擦系数达到了所确定的技术指标要求。静摩擦系数研究和重复性试验的压力试验的试验条件和摩擦系数数据曲线见图6．2。从图55中可以看出，材料的动摩擦系数在所有压力条件下平稳，静摩擦系数随压力的变化与密度和孔隙率研究试验中表现出相同的规律，但材料的静摩擦系数已有所下降，在整个压力试验过程中，材料的动摩擦系数和静摩擦系数均达到了所确定的技术指标要求。 浙江大学颁士学位论文第五章静摩擦系数研究和重复性试骑图6．1静摩擦系数研究和重复性试验初期磨损数据图表圈6．2静摩擦系数研究和重复性试验压力试验数据衄线表静摩擦系数研究和重复性试验的速度和能量级试验的试验条件和摩擦系数数据曲线见图6．3。从图6。3中可以看出，材料的动摩擦系数随着线速度的增加下降，静摩擦系数受线速度的影响不大。在整个线速度范围内，材料的动、静摩擦系数均达到了所确定的技术指标要求。在速度和能量级试验中，材料的失效线速度为16．5m／s，此时，能量为3．54J／mm2，超出了所确定的技术指标0．4．0．7J／mm2。8I 浙江大学硕士学位论文撼五章静摩擦系数研究和重复性试验静摩擦系数研究和草复性试验速度和能量级试验摩擦系数线速度曲线2．IMPaU·0—{P3Ⅶ10．。4昊吴嗣—嘲具叉其回盈0．12—口_3—1u^一。0．10一e■0——．．一_——}一3-2u‘O．080．06—舯3-2H0．0465839，811．512．513．514．515．516．5—-e一3-1ud0，10470．10400．0977mO09610．09600．0952009410．0893D0886"-0--3—1us0．13680．1359O．13480．1340．13410．13370．13280．131001318I—·卜3—2udO．1025仉10260．1010静．0967O．09580．0943009360．0907D0392l—哼t一3—2usD．13200．13140．1334n．13130．13070．13030．12930．12990，1317线速度Ⅲ／s图6．3静摩擦系数研究和重复性试验速度和能量级试验数据曲线表静摩擦系数研究和重复性试验的耐久试验的试验条件和摩擦系数数据见表6：2。从表6．2中可以看出，在整个6000次的耐久试验的接合过程中，材料的动、静摩擦系数稳定，3．1和3-2两个试样的试验数具有很好的重复性。材料的动、静摩擦系数均达到了所确定的技术指标要求。表6．2静摩擦系数研究和重复性试验耐久试验摩擦系数数据表静摩擦系数研究和重复性试验耐久试验摩擦系数表9．8m／s1．25J／ram2摩擦系数比压接合次数3．13．2MpaUdUsUdUs10000．0981O．1352O．0969O．13372．120000．09870．13760．0984O．134930000．09950．13040．0993O．13003．140000．0987O．13120．10070．130750000．1023O．12940．09900．12854．160000．1015O。13060．10100．1298平均摩擦系数0．0998O．1324O．0992O．131382籁№瓣世一 浙江大学硕L学位论文第血章静摩擦系数研究和莺复件试骑静摩擦系数研究和重复性试验的初期磨损试验的磨损、压力试验的磨损、耐久试验的磨损数据汇总于表6_3。从表6．3可以看出，3—1和3—2两试样的磨损具有较好的重复性，摩擦材料的平均磨耗率为1．28×10石llLrn3／J，对对偶钢片的平均磨耗率为0．64x10’6mn33／J，达到所确定的技术指标的要求。表6．3静摩擦系数研究和重复性试验磨损数据表静摩擦系数研究和重复性试验磨损数据表磨损3—13-2试验名称摩擦材料对偶钢片摩擦材料对偶钢片及试验条件线磨损线磨损(双磨耗率×磨耗率x磨耗率×(单面)(双面)(单面)面)mm【1矿mmJ／JlO。‘5mm3／j1酽mm3／J1驴film3／J初期磨损试验0．00738．110．00235．1l0．008l9．000．00184．008．3m／s，2．IMPa,o,gl／mm2压力试验磨损0．0033．000．00132．600．00242．400．00153．0098m／s．1．25J／mm22．11000O．0000O．000．00000．OO0．00000．000．00000．00M口a20000．0000O．000．0000O．000．00030．12O．00000．00耐久3．130000．00230．920．00000．000．00180．720．00000．00试验～心a40000．00251．00O．00000．000．00230．920．00030．24磨损4．150000．00351．400．00080．64O．00301．200．00050．409．8m／s．胁60000．00301．200．0010O．800．0035l_400．00050．401”J／nee。耐久试验0．01130．75O．00180．240．01090．730．00130．17总磨损0．02161．278O．00540．639l0．02141．26630．00460．5444在耐久试验的三个压力条件下，材料的接合过程柔和，无冲击，接合扭矩平稳。图6．4、图6．5和图6．6为在耐久试验过程中，材料在三个不同压力条件下的典型接合特性曲线。83 浙江大学硕士学位论文第五章静摩擦系数研究和重复性试验图6．4耐久试验3-2样片典型接合特性曲线(2IMPa,9．8州s，1．25J／ram2)图6．5耐久试验3-2样片典型接合特性曲线(3．1MPa,9．Sm／s，1．25J／ram2)图6．6耐久试验3-2样片典型接合特性曲线(4+lMPa，9．8m／s，1,25J／ram2)84 浙江大学硕士学位论文第五章静摩攘系数研究和重复性试验将本试验最终所研制的材料进行拉伸成锥试验，满足拉伸工艺的要求，经深拉拔后，在显微镜下观察，摩擦材料表面无任何微裂纹。5．3．静摩擦系数研究和重复性试验结论根据以上数据分析和讨论，得以下结论：11材料的动摩擦系数在整个试验条件范围内，分布在O．085—0．103之间，达到所确定的技术指标0．08--4)．10。2)调整摩擦组元和润滑组元后，降低了材料的静摩擦系数。材料的静摩擦系数在整个试验条件范南内。分布在O．129,4)．148之间，达到所确定的技术指标0．12~o．15。3)材料的动摩擦系数随压力的增加变化很小。41尽管材料在初期磨损试验和压力试验过程中表现出比指标高得多的磨损，但在耐久试验中，材料的磨耗率很低。综合初期磨损试验、压力试验和耐久试验三个试验中的磨损结果，材料的磨耗率在1．3X10钳／J以下。估计增加耐久试验的接合次数，可以使材料的综合磨损进一步下降，达到了所确定的技术指标2．5×10“mm3／J(当前的要求)和1．2×10_6mm3(未来的要求)。5)材料对对偶钢片的磨耗率大约为摩擦材料磨耗率的一半，达到了所确定的技术指标的要求，即，对对偶钢片的磨损不得超过摩擦材料的磨损。6)经试验，所研制的摩擦材料满足拉伸工艺的要求。85 辑江大学硕士学伉论文第六章结论通过对汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料的工况条件和技术指标进行分析，确定了所需研究的湿式铜基摩擦材料的四个技术难点或技术关键为：要求摩擦材料具有极低的磨耗率和耐久性、对对偶钢片磨损极低；动摩擦系数高而稳定；能承受高的能量负荷和压力负荷：具有好的冷冲压性能。其技术指标为：1)在目前的工况条件下，要求摩擦材料的磨耗率小于2．5×10。6埘p／J，在未来可能要求摩擦材料的磨耗率小于1．2×lO％m3／J，对对偶钢片的磨耗率不得大于摩擦材料的磨耗率。2)在lOm／s线速度和目前2．OMpa、未来可能要求达到2．5-4．0MPa的压力条件下，要求材料的动摩擦系数为＆08-0．1，静摩擦系数为0．12—0．15．3)目前要求摩擦材料的摩擦功即摩擦副吸收能量的能力为0．2-0．5J／mm2，在未来可能达到0．4-0．7J／衄2。4)要求摩擦材料具有好的冷冲压性能以满足同步环产品拉深成锥的要求。针对这些技术难点和技术指标，在摩擦材料基体、孔隙率、减摩组元、摩擦组元等方面进行了研究。通过对基体的研究，确定了一种锡、锌共同强化的合金基体，并选用不同的原材料进行配合，在基体组织中形成显微硬度有高低的两个相，并形成连通的孔隙，使基体具有高的强度和摩擦磨损性能；通过不同孔隙率材料在不同线速度、比压和能量负荷条件下的性能试验，找出了比压、线速度和能量负荷对不同孔隙率材料摩擦磨损性能的影响关系，优化出了摩擦磨损性能最好时的孔隙率；通过对减摩组元的粒度和用量及摩擦组元的用量研究，有效地控制了材料的静摩擦系数。下面是经本文的研究和探讨所得出的结论：1)研制的湿式铜基摩擦材料突破了传统铜基摩擦材料必须有一定量非金属组元的概念，非金属组元含量极低，具有好的冷冲压性能，满足粉末冶金同步环产品拉深成锥的工艺要求：经检测，在所模拟的同步器工况条件下，材料的磨耗率为1．3×10、一／J，对对偶钢片的磨耗率为0．65×101mVJ。动摩擦 新江大学碗士学位论文第：^章结论系数为0．085—0．103．静摩擦系数为0．1290．148；经强化试验，材料的能量负荷极限达3．5J／mm2压力负荷极限达4．7～tpa；经耐久试验和重复性试验，材料的摩擦磨损性能稳定。主要技术指标达到了同步器粉末冶金同步环的工况要求。2)部分采用黄铜粉另加合金组元的基体比全部采用电解铜粉另加合金组元的基体具有更好的耐磨损性能。采用黄铜粉后，材料中分布着显微硬度不同的两个相，使材料具有好的耐磨损性能。采用细黄铜粉后，材料中的孑L隙更为细小，分布更加均匀，有利于动摩擦系数的提高。3)石墨粉含量很低时，在石墨含量相周的条件下，采用细石墨粉可以降低材料的磨损和静摩擦系数。4)孔隙率是影响湿式铜基摩擦材料的摩擦磨损性能的重要因素之～，细微的连通分布的孔隙使其具有好的摩擦磨损性能。过高孔隙率或过低孔隙率的材料都具有较高的瘩耗率，中等孔隙率的材料具有较低的磨耗率。对于本文研究的材质配方其孔隙率为25-3t％时具有最好的耐磨损性能。5)材料的动摩擦系数随孔隙率的下降而下降，高孔隙率的材料具有高的动摩擦系数，孔隙率对材料盼静摩擦系数影响不大。6)不同孔隙率的材料，其动摩擦系数受压力的影响程度和随压力的变化规律不同。对于较低孔隙率的材料，其动摩擦系数随比压的增大而增加，随着材料嚼隙率的增加，其动摩擦系数随压力的变化率减小，当材料的孔隙增大到一定的僮时，其动摩擦系数不再随压力的增加而下降，而是趋于平稳，此孔隙率的材料在不同的压力下具有稳定的动摩擦系数，当孔隙率继续增大时，材料的动摩擦系数随压力的增大出现下降豹趋势。对于本文研究的材质配方，其孔隙率为28—33％时，其动摩擦系数具有最好的压力稳定性。7)对于本文研究的材质配方，在相同的压力条件下，不同孔隙率时，具有接近的静摩擦系数水平。8)对于本文研究的材质配方，其静摩擦系数随着比压的增加而下降，当比压增加至2．6Mpa以后，其静摩擦系数随着压力的增加不再变化，趋于稳定。9)对于本文研究的材质配方，低孔隙率时，相比之下具有更好的动摩擦系数稳定性。8了 浙江太学硕士学位论文第六章结沦10)对于本文研究的材质配方，线速度对其的静摩擦系数影响小大，低孔隙材料在不同的线速度条件F具有更好的静摩擦系数稳定性。“)高孔隙率的材料具有高的c朋值，即高的能量失效点。i2)所设计的摩擦磨损性能检测规程，分为初期磨损、压力试验、速度和能量级试验、耐久试验四个部分，细化和完善了我国传统的摩擦磨损性能试验法。该规程能更好地分析对比摩擦材料的性能，是进行摩擦材料研究时的有效测试手段。13)经显微组织分析，材料中的石墨组元微观分布不均匀，需对制造工艺进行进一步研究，以进一步提高材料的性能。14)对于用铝粉强化基体的试验，由于工艺上的缺陷，导致试验失败。或许采用铝青铜合金粉作为原材料，可以避免直接采用铝粉作为原材料所带来的后果——铝粉在烧结初期被氧化。8 浙辽大学硕1一学位论史毁谢致谢本文能如期完成，首先要感谢我的指导老师浙江大学的凌国平副教授。凌国平副教授具有丰富的经验，广博的学识，特别是他严谨的治学态度、有效的分析解决问题的思路和方法使我受益非浅。从课题的选择、可行性分析到试验方案的设计、和数据分析，凌老师都倾注了大量的精力，给予了精心指导。还要感谢的是我的另一个指导老师杭州前进齿轮箱集团有限公司总工程师宣安光教授级高工。宣高工具有丰富的工程实践经验和广博的理论知识，在课题的研究和论文的撰写过程中他给予了我指导、支持和帮助。课题的完成是多人合作、共同努力的结果。在课题进展过程中，杭州粉末冶金研究所所长曲在纲在资金和人员配置上给予了大力支持，经常给予鼓励，并把他多年收集的文献资料提供给我；俞金华、高士平、沈维荣在研究和试验所需的非标工夹具方面做了大量工作，高级技师朱季良在课题中的项目显微分析方面做了大量工作；蒋守林高工和沈军为满足项目试验要求，对摩擦磨损性能检测设备和试验磨头进行了改进和调试，并做了大量的摩擦磨损性能试验和检测工作；高级化验工李桦在课题所用原材料及研究过程中的混合料和最终产品化学成份分析方面做了大量工作；还有杭州前进齿轮箱集团有限公司粉末冶金厂热加工工段的管理人员和部分操作工作在试验制作过程中付出的劳动。没有这些同志付出的劳动和支持，本文不可能如期完成。最后，还要感谢杭州前进齿轮箱集团有限公司教培处的有关同志、杭州粉末冶金研究所英文翻译郑岚和我的同学们给予的帮助。再一次衷心感谢给予过帮助的所有同志。89 浙江大学硕士学位论文参考文献[1]刘惟信、吴明常，同步器优化设计的研究，汽车工程。1990(3)，44．49。[2]林树兴，同步器锁止角分析计算，渝州犬学学报(自然科学版)1993(1)t1-6。[3]陈明，黄宗益、方伟荣．同步器设计参数对同步啮合性能的影响．上海汽车，1997(9>，1-3。[4]周庆森，缩短INl62变速器同步时间的途径，黄河汽车，1992(2)，6．8。[5]綦力，ZF-Ecosplit16档同步器变速器，商用汽车，2003(10)，59．61。[6J吴修义，同步器同步环及同步器弹簧设计对同步性能的影响。重型汽车，2004(2)，16。[73吴修义，嗣步变速器换档系统对同步性能的影响，重型汽车，2001(4)，20-2I。[8]李荫梧，同步器摩擦半径设计对同步性能及同步器使用寿命影响研究．汽车齿轮，1991(4)．3-8。[9]曹学江，变速器取锥面同步器的设计计算，机械管理开发，2004(6)．11-12。[10]刘哲义，换档原理与同步器的正确使用，上海汽车，1997(3)，13—15。[11]王玲生。多锥式同步器，轻型汽车技术．1999(2)，4-9。[12]徐建明，多锥面齿环式同步器，汽齿科技，1997(2)，1-3；[13]赵世琴、黄宗益、陈明、方伟荣，同步器换档接合过程的数学模型，同济大学学报，1999vol27(12)．676_68n[14]代作元。zF同步器剖折，重型汽车，1999(2)，5-7。￡15]Newfrieti曲materials粕dnewc锄哪forsingleandmul6ples”lcbroIliz口systems,Hocfbi舭＆岫H血gRepolt(31)[163贾建军，汽车同步环制造技术的现状厦旋展，汽车工艺与材料，1997(12)，1-4。[17]Developmentofcpdmizedfrietionsystemsforvehiclemmsmissiom，H∞rbigerBn罟in∞fingR印矾(34)[18]李二宁。汽车变速器同步环喷钼工艺探讨，汽车工艺与材料，1996(1)，15-18。[19]夏光明、严淑群、闵小兵、吴和元、周小军，制各同步环涂层工艺的研究及性能检测，表面技术，2001(2)，12．16。[20]阮廷川，重型汽车变速器同步环喷钼工艺改进，汽车研究与开发，2002(2)，51．59。[21]叶宏、李晖、闫忠琳，变速箱同步环喷钼工艺，现代制造工程，2002(7)，49．50。[22](日)冈崎要一郎、小松崎清，谈中型卡车用的双锥同步器(带纸衬材料)，唐齿科技，1992(4)，56-62。[23]官久芳．改善汽车变速器换档性能的商榷，綦齿传动，1993(3)，1-8。[24]GⅢtefLanz∞IhandI-IelmIltPat,zer,Syae,hromzerblockerringwi血organiclining，JournalofSocietyofAutomotiveEn曲m，sAEPaper860384,2．765-2775．[25]PI雠0rm∞ceandcostoptimizationoffrictionsystemsforsingle刚multiplesurfacesynchronizers,Ho豳g口琢硒I|c耐ngR印。ft(32)[26]曲在纲，汽车变速箱用铜基粉末冶金单，双锥同步环，粉末冶金工业，2004(6)，34-37。[27]聒哪gas如俐∞虹；Isbi丑iroshi，Shozald，H曲柏；蚀蛐i，K娜．Th柚alysisofⅡ埽synchronizerfiicti∞slwfaeeandits印pJ枷0ntothesyn曲rc咀江盯durabilityitmprov黝entJSAER蜘柏w，1999,20(2)217·222[28]NAAMel．Halim，DC．Barhm，DA．CmllaandAMSolirnPeff㈣eeofmdticones”幽niz口l打m跚u8l廿觚锄妇s缸．Proceedingsofthelm石tl王衄ofMeclla士lic“EⅡ百noe拈，partD．Jotm曲lofAutomobileEIIginc盯吨2000,214∞1)55-56．[29]任书坤．我国汽车变速器同步环用材料的现状及发展趋势，汽车技术．1993(10)．44—46。[303束金声，我国汽车同步器齿环生产现状及茇展，汽车工艺与材料，1993(1)，1-2-[31]刘有德，湿式摩擦材料与湿式摩擦装置—_i显式摩擦元件设计计算和湿式摩擦材料应用选择指南，90 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