Page 69 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 孙涛, 等: 纸基摩擦材料与不同含碳量钢配副之间的摩擦学性能及其失效机理研究 479

压力5 MPa、热压时间5 min，最终制备的样品厚度为 The matching material

0.8 mm. Sample
1.2 摩擦配副材料的选择
摩擦配副材料表面硬度的大小是摩擦过程中的 Sliding direction Steel block
重要影响因素之一，为考察纸基摩擦材料与不同钢配
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副材料之间的适配性，本试验中选择未热处理的20 、 Fig. 2 Schematic diagram of the friction experiment of paper-
based friction material
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35 、45 和65Mn钢作为摩擦副材料，其主要的区别是
图 2 纸基摩擦材料的摩擦示意图
随含碳量的增加，摩擦配副的表面硬度逐渐增大. 摩
擦配副材料含碳量和表面维氏硬度数据列于表1中. 擦材料初始表面、磨损表面以及摩擦配副磨损表面形
貌，表征之前对样品表面进行喷金处理. 利用能谱分
表 1 配副材料的含碳量与表面维氏硬度 析仪(Energy Dispersive System，EDS)分析样品表面及
Table 1 Carbon content and surface Vickers hardness of
磨斑表面的物相组成，采用KLA-Tencor表面粗轮廓仪
matching material
测量样品表面粗糙度，采用维氏硬度仪测量摩擦配副
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Item 20 -Steel 35 - Steel 45 -Steel 65Mn-Steel
的表面硬度.
w(C)/% 0.17~0.24 0.32~0.40 0.42~0.50 0.62~0.70
HV 200.4±16.3 219.6±7.5 282.9±15 310.2±3.8
2 结果与讨论

1.3 摩擦性能测试 2.1 纤维纸基摩擦材料表面形貌
在美国Center公司生产的UMT-3摩擦磨损试验机 图3分别给出了纸基摩擦材料表面光学照片(OM)
上进行摩擦学性能研究，采用栓-块接触、往复运动的 和表面扫描电子显微形貌照片(SEM). 从图3(a)可以看
方式(往复1次行程为4.95 mm)，摩擦试验示意图如图2 出，纸基摩擦材料组分分布均匀、表面平整，通过
所示. 摩擦配副材料为不同牌号的Φ6 mm×15 mm商 KLA-Tencor表面粗轮廓仪测得样品表面粗糙度约为
业钢，材料表面粗糙度R 约为0.02~0.05 μm. 下试样为 0.87±0.05 μm. 由图3(b，c)，可以看出，纤维经过充分分
a
25.0 mm×25.0 mm×0.8 mm的纸基摩擦材料片，将其粘 散成型后呈现出随机分布状态，且纤维之间通过相互
贴在25.0 mm×25.0 mm×4 mm的钢块上. 在室温20±2 ℃， 无序交错排列和相互叠桥状分布，使得纤维间产生了

湿度18%±5%下考察试样在不同润滑状态(无油和富 较多大小分布不均的孔隙结构. 此外，粘结剂树脂在
油)和不同载荷工况下的摩擦学性能. 其中，油品选择 纸基摩擦材料中以包裹纤维和黏团状分布，在摩擦材
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N32 机油，试验频率固定为5 Hz，载荷15~30 N(预加载 料各种成分中通过粘连作用使得成分间具有一定强
时间为10 s)，摩擦试验时间30 min. 度而形成整体结构. 由于粘结剂分布的不均匀性，进
1.4 物相组成、微观结构和磨损表面表征 一步使得纸基摩擦材料孔隙大小和分布呈现无规律性.
用日本生产的JSM-5600LV型扫描电子显微镜 2.2 纸基摩擦材料在无油状态下的摩擦学性能
(Scanning Electron Microscope，SEM)表征分析纸基摩 分别考察了不同摩擦配副材料与纸基摩擦材料

500 μm 50 μm

(a) Optical image of paper-based (b) SEM micrograph of paper-based (c) The bonding of resin and fibers
friction materials friction materials

Fig. 3 SEM micrographs and optical images of surface of paper-based friction materials
图 3 纸基摩擦材料的表面光学照片和表面SEM照片