楊玲玲，蘭 海，徐 宜，寧克焱

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

彈子加壓機(jī)構(gòu)是干片式制動(dòng)器核心部件之一，是將制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)化為摩擦部件制動(dòng)所需的正壓力的部件.其主要由轉(zhuǎn)動(dòng)彈子盤、移動(dòng)彈子盤、支撐體部件組成，三者通過(guò)柱面配合形成的較小工作間隙來(lái)達(dá)到密封的效果，其柱面配對(duì)材料均為38CrSi.

干片式制動(dòng)器通常在高溫、高轉(zhuǎn)速、高載荷以及沙塵等惡劣環(huán)境中使用，支撐配合面接觸狀態(tài)不良或雜質(zhì)進(jìn)入配合面間隙內(nèi)會(huì)導(dǎo)致彈子盤運(yùn)動(dòng)卡滯，嚴(yán)重時(shí)造成制動(dòng)失效.在潮濕或鹽霧較重地區(qū)，加壓機(jī)構(gòu)支撐配合面(鋼-鋼接觸)在缺少潤(rùn)滑的情況下，極易因銹蝕引發(fā)彈子盤運(yùn)動(dòng)不暢導(dǎo)致制動(dòng)失效，影響車輛行駛安全性.

因此，在彈子盤支撐配合面間形成一種對(duì)小間隙有較好密封性能且具有一定減摩耐磨、耐腐蝕功能的密封材料至關(guān)重要.本研究對(duì)鎳包石墨和鎳包二硫化鉬兩種材料性能進(jìn)行了對(duì)比研究.

1 材料選擇

根據(jù)彈子加壓機(jī)構(gòu)工作形式和環(huán)境要求 (見圖1)密封材料應(yīng)滿足:減摩耐磨、材料硬度應(yīng)低于鋼的硬度，以保證運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)對(duì)配合件產(chǎn)生加速磨削的效果;密封材料在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生剝落現(xiàn)象;在濕潤(rùn)環(huán)境中應(yīng)具有耐蝕性;能夠?qū)崿F(xiàn)良好密封，滿足小間隙需求以便能夠抑制沙塵等異物侵入.

圖1 彈子加壓機(jī)構(gòu)工作示意圖

自潤(rùn)滑材料本身含有潤(rùn)滑介質(zhì)，在工作過(guò)程中潤(rùn)滑介質(zhì)逐漸向摩擦面轉(zhuǎn)移形成潤(rùn)滑膜實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑［1］.金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料是以高強(qiáng)度耐熱合金為基體，以固體潤(rùn)滑材料作為分散相，通過(guò)某種工藝制備成的具有一定強(qiáng)度的復(fù)合材料，高強(qiáng)耐熱合金基體能夠?qū)崿F(xiàn)支撐負(fù)荷和粘結(jié)，固體潤(rùn)滑劑則起減摩的作用［2］.常見的材料有鎳包石墨、鎳包二硫化鉬，其中二硫化鉬和石墨作為硬度較低的固體潤(rùn)滑劑，可以大幅降低對(duì)摩件表面的材料磨損;鎳則具有高耐熱性、高強(qiáng)度、不易氧化等優(yōu)點(diǎn).鎳包二硫化鉬和鎳包石墨是一種以二硫化鉬或石墨為核心，表面包裹鎳金屬的雙組份材料，該雙組份材料將金屬鎳的強(qiáng)度和固體自潤(rùn)滑材料的潤(rùn)滑性相結(jié)合，經(jīng)火焰噴涂、等離子噴涂等方法可以形成抗沖蝕、抗氧化、和較低摩擦系數(shù)的涂層［3］.

因此金屬基自潤(rùn)滑材料成為彈子加壓機(jī)構(gòu)配合柱面密封材料的首選.

2 試樣制備

2.1 試樣

根據(jù)不同檢測(cè)項(xiàng)目需求，共需3種試樣，具體如表1和圖1所示.

表1 試樣列表

2.2 噴涂參數(shù)

噴涂前對(duì)擬噴涂表面進(jìn)行預(yù)處理，包括除油、噴砂、打底，等等，目的是清潔表面、增強(qiáng)涂層材料與基體的結(jié)合強(qiáng)度.

噴涂面經(jīng)化學(xué)清洗劑清洗除油后，采用干式吹砂機(jī)進(jìn)行清理，以便活化基片表面，吹砂所用粉料為80目白剛玉，強(qiáng)度為0.25～0.3 MPa，吹砂距離為140～150 mm.

底層材料采用鎳包鋁，由火焰噴涂方法加工，參數(shù)如下:粉末粒度為－160目～320目，噴涂厚度為0.1～0.2 mm，噴涂距離為200～300 mm.

圖2 摩擦磨損試驗(yàn)試樣

鎳包石墨和鎳包二硫化鉬層采用氧-乙炔火焰噴涂，材料狀態(tài)為粉狀，粒徑為100～300 μm，噴涂工藝參數(shù)為:氧氣流量0.8 L/h，乙炔流量1000 L/h，載氣壓力(空氣壓力)0.1 MPa，送粉壓力0.04 MPa，噴涂距離150 mm.

3 試驗(yàn)方法

3.1 金相

試片經(jīng)鑲樣、切割及打磨拋光至鏡面后，采用掃描電子顯微鏡觀察噴涂后涂層表面形貌及各組分分布情況.每種涂層制樣1件.

3.2 硬度

采用顯微硬度計(jì)檢測(cè)噴涂后涂層的表面硬度，硬度值測(cè)三點(diǎn)取平均值.每種涂層制樣1件.

3.3 結(jié)合強(qiáng)度

結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定方法選用拉伸試驗(yàn)法.為了獲得更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，采用專用薄膜膠對(duì)涂層進(jìn)行粘結(jié).拉伸試驗(yàn)基本原理見圖3，拉伸速率為2 mm/min，每種涂層制樣2件.

圖3 拉伸試驗(yàn)法測(cè)結(jié)合強(qiáng)度示意圖

3.4 表面粗糙度

利用表面粗糙度儀，由計(jì)算機(jī)控制測(cè)量和數(shù)據(jù)計(jì)算，測(cè)量噴涂表面粗糙度，檢測(cè)取樣長(zhǎng)度0.4 mm，連續(xù)取4段，每段重復(fù)測(cè)量3次取平均值，精度±0.03 μm.每種涂層制樣1件.

3.5 摩擦系數(shù)

3.5.1 靜摩擦系數(shù)

采用斜坡法測(cè)量.利用重力原理，在光滑的斜坡上通過(guò)檢測(cè)工件在自身重力作用下由靜止到開始自由滑落時(shí)斜坡角度的大小來(lái)檢測(cè)磨擦系數(shù)大小，光滑斜坡采用玻璃板替代，玻璃板表面粗糙度Ra為0.004～0.006 μm，玻璃板總長(zhǎng) 103 cm，寬50 cm.

試樣受力分析情況見圖4，物體的重量為G，其垂直斜面和沿平面方向上兩個(gè)分力分別記為F1和F2，靜摩擦系數(shù)為μ*，摩擦力為F，斜坡傾斜角度為α，則:

圖4 試樣受力分析圖

當(dāng)斜坡傾角較小時(shí)，F(xiàn)＞F2，試樣靜止不動(dòng);不斷增大斜坡傾角，當(dāng)F=F2時(shí)，試樣處于臨界平衡點(diǎn)，忽略空氣阻力的影響，此時(shí)摩擦力達(dá)到最大且與試樣重力在沿平面方向上分力大小相等方向相反，因此可得到 μ*·G·cos α =G·sin α，即

測(cè)量臨界平衡時(shí)傾角對(duì)邊和臨邊長(zhǎng)度，即圖中a、b值，則靜摩擦系數(shù)

3.5.2 動(dòng)摩擦系數(shù)

采用拖磨工況，在MM6000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上完成，原理圖見圖5.

圖5 動(dòng)摩擦系數(shù)試驗(yàn)圖

試驗(yàn)中對(duì)偶件靜止，涂層件/對(duì)比件轉(zhuǎn)動(dòng)，原始安裝間隙為0.5±0.05 mm.試驗(yàn)輸入?yún)?shù)為涂層件轉(zhuǎn)動(dòng)速度n和涂層對(duì)摩面接觸壓強(qiáng)P，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量拖磨過(guò)程中的扭矩T，則動(dòng)摩擦系數(shù)由式(4)計(jì)算得到.

為保證測(cè)試動(dòng)摩擦系數(shù)過(guò)程中扭矩測(cè)試穩(wěn)定，試驗(yàn)開始前先進(jìn)行接觸面磨合，磨合工況為:轉(zhuǎn)速50 r/min，壓力0.1 MPa，拖磨時(shí)間60～120 s.當(dāng)涂層表面與對(duì)偶件表面接觸面積大于80%時(shí)完成磨合.試驗(yàn)條件為:轉(zhuǎn)速59 r/min，壓力0.1 MPa，拖磨時(shí)間60 s.

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 金相

鎳包石墨和鎳包二硫化鉬涂層金相檢驗(yàn)結(jié)果見圖6.圖6(a)為鎳包石墨涂層表面形貌，圖6(b)為鎳包二硫化鉬涂層表面形貌.可見二者表面均無(wú)明顯孔洞，石墨相、二硫化鉬相分布較均勻.

圖6 金相檢驗(yàn)結(jié)果

4.2 硬度

鎳包石墨和鎳包二硫化鉬涂層硬度檢驗(yàn)結(jié)果見表2.可見鎳包二硫化鉬涂層顯微硬度略高于鎳包石墨涂層，約高26.2%.

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果

4.3 結(jié)合強(qiáng)度

結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見表3，鎳包二硫化鉬涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較鎳包石墨涂層略高約4%.

表3 結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

4.4 表面粗糙度和摩擦系數(shù)

4.4.1 靜摩擦系數(shù)

對(duì)鎳包石墨和鎳包二硫化鉬噴涂表面分別進(jìn)行拋光與未拋光件對(duì)比，檢測(cè)表面粗糙度對(duì)靜摩擦系數(shù)測(cè)定的影響.材料不同導(dǎo)致鎳包石墨和鎳包二硫化鉬試樣表面粗糙度不可能完全一致，定性得出鎳包石墨和鎳包二硫化鉬靜摩擦系數(shù)對(duì)比情況，檢測(cè)結(jié)果見表4.

表4 靜摩擦系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

從表4中可看出，相同噴涂加工工藝條件下，鎳包石墨噴涂層與鎳包二硫化鉬噴涂層表面粗糙度值存在差異;表面未拋光試樣在用斜坡法測(cè)量涂層靜摩擦系數(shù)時(shí)，鎳包二硫化鉬涂層表面粗糙度較鎳包石墨涂層大11.1%，但靜摩擦系數(shù)仍較鎳包石墨涂層小13.4%;表面拋光后，鎳包石墨噴涂層和鎳包二硫化鉬噴涂層表面粗糙度均有所降低，分別降低了77%和90%，拋光后后者表面粗糙度和靜摩擦系數(shù)均較前者低，分別降低51.7%和13.8%.

4.4.2 動(dòng)摩擦系數(shù)

38CrSi、鎳包石墨涂層和鎳包二硫化鉬涂層動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定曲線圖見圖7.可見，磨合階段動(dòng)摩擦系數(shù)均較低，隨著摩擦的不斷進(jìn)行摩擦系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，38CrSi基體動(dòng)摩擦系數(shù)最大值為0.388，鎳包石墨涂層動(dòng)摩擦系數(shù)最大值為0.279，鎳包二硫化鉬涂層動(dòng)摩擦系數(shù)最大值為0.248.從整體趨勢(shì)上看，涂層材料摩擦系數(shù)與基體材料摩擦系數(shù)相比均較低，鎳包二硫化鉬涂層與鎳包石墨涂層相比動(dòng)摩擦系數(shù)略小.

圖7 38CrSi、鎳包石墨涂層和鎳包二硫化鉬涂層動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定曲線圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鎳包石墨和鎳包二硫化鉬涂層性能的比較研究，結(jié)果表明:

鎳包石墨涂層和鎳包二硫化鉬涂層中石墨相/二硫化鉬相均能均勻分布在鎳基體中，涂層無(wú)明顯孔隙;

鎳包二硫化鉬涂層顯微硬度略高于鎳包石墨涂層;

相同噴涂加工工藝條件下，鎳包二硫化鉬涂層表面粗糙度較鎳包石墨涂層大，靜摩擦系數(shù)較鎳包石墨涂層小，表面拋光后二者表面粗糙度均降低，鎳包二硫化鉬涂層表面粗糙度降低幅度大于鎳包石墨涂層;

相同工況下，鎳包二硫化鉬和鎳包石墨涂層與基體材料相比，動(dòng)摩擦系數(shù)均較低，鎳包二硫化鉬涂層與鎳包石墨涂層相比動(dòng)摩擦系數(shù)略小.

［1］顧明亮，黃國(guó)華，陳安軍.鎳包石墨自潤(rùn)滑涂層摩擦磨損性能研究 ［J］.潤(rùn)滑與密封，2008，33(9):58-60.

［2］歐陽(yáng)錦林，牛淑琴，等.鎳合金基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的研究 ［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1993，13(1):33-47.

［3］楊勝群，孟慶武.鈦合金表面鎳包石墨噴涂層的耐磨性能 ［J］.宇航材料工藝，2007，(3):58-60.