CN108253278A - 一种新型的高温摩擦副 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的高温摩擦副，包括碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面和氧化锆陶瓷表面，所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面包含纤维束端面，将包含纤维束端面的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面作为摩擦对偶面，所述氧化锆陶瓷表面设置有加工磨痕。本发明既保证了摩擦副的摩擦系数小、磨损率低、使用寿命长，又可用于高温干摩擦的工况条件。

Description

一种新型的高温摩擦副

技术领域

本发明涉及一种摩擦副，更具体的说，是涉及一种新型的高温摩擦副。

背景技术

随着航空航天、国防、汽车等领域的高速发展，对摩擦副的摩擦磨损特性、摩擦副的损伤形式以及应用条件变得越来越严苛。复合材料因其高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、密度低、化学性质稳定等优良特性，而被广泛应用于上述领域中。然而，金属材料摩擦副现在仍然是大多数摩擦系统的主流应用，为改善材料的摩擦磨损特性，延长零部件寿命，通常采用表面涂覆、表面改性等方法降低金属材料的表面活性。但随着现代高新技术领域的发展，金属材料摩擦副已经不能满足所应用的工况条件(如高低温交变、高速重载、真空等)，从而出现严重的粘着磨损、疲劳磨损、微动磨损等降低了零部件的寿命，给机器带来不可逆转的伤害。于是，在金属材料表面增加复合材料摩擦层，从而降低摩擦界面的化学活性，达到零部件的预期效果就应运而生。

金属表面涂覆复合材料摩擦层，不仅改变了摩擦副的摩擦磨损特性，同时也改变了摩擦副的损伤形式(因不同的涂覆层会出现不同的磨损形式，如磨粒磨损、微裂纹、剥落等)，为延长零部件使用寿命做出了一定的贡献。但复合材料化学稳定性好，实现金属表面涂覆一般是采用酚醛树脂粘接剂直接与金属连接，因树脂涂抹不均、复合材料脆性大，极易导致表面不平和表面微裂纹的萌生。而且随着零部件结构的复杂化，很多重要表面并不能实现复合材料涂覆，这就为复合材料摩擦副的应用提供了条件。

复合材料摩擦副，不仅减少了金属摩擦副常见的粘着磨损、疲劳磨损等，而且克服了因表面涂覆摩擦层造成的表面不平和表面微裂纹，同时还不必担心因零部件结构复杂化而无法实现涂覆的问题。在高温工况下，润滑油一般会蒸发从而出现贫油甚至干摩擦的状况。为避免因润滑系统设计的不便无法实现润滑和增加润滑系统带来机器质量增加两方面原因，在高温干摩擦条件下的摩擦副成为了重点研究方向。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，在保证摩擦副正常使用的前提下，满足高温干摩擦的工况条件，提供了一种新型的高温摩擦副，其在高温干摩擦的工作条件下不仅摩擦系数小，而且磨损率低，从而延长了使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种新型的高温摩擦副，包括碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面和氧化锆陶瓷表面，所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面包含纤维束端面，将包含纤维束端面的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面作为摩擦对偶面，所述氧化锆陶瓷表面设置有加工磨痕。

所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面首先经过磨削加工，磨削参数选择范围为：砂轮粒度120#-200#，砂轮转速15m/s-25m/s，磨削深度60μm-150μm，进给速度1m/min-4m/min；经过磨削加工后碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面用1000#-2000#砂纸打磨，打磨正压力3N-8N，打磨速度0.1m/s-0.5m/s，打磨时间60s-150s，最终得到摩擦副初始表面。

所述氧化锆陶瓷表面经过磨削加工，磨削参数选择范围为：砂轮粒度180#-280#，砂轮转速15m/s-25m/s，磨削深度10μm-50μm，进给速度1m/min-4m/min，最终保证氧化锆陶瓷表面粗糙度为1.5±0.3μm。

本发明显著改善了传统摩擦副在高温干摩擦条件下的摩擦磨损性能，在保证摩擦副正常工作的前提下提高其工作温度，能够应用于更严苛的工作条件，为现有机械设备的极限工作环境提供了可能和基础。与现有摩擦副相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明中碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料因碳纤维的加入，不仅增加了材料的强度和韧性，还提高了材料的耐磨性，同时材料本身具有耐高温、质量轻的特性；材料的各向异性，使得对摩擦副表面所含纤维方向的设计成为可能，而不同的纤维方向会表现出不同的摩擦磨损性能；

(2)氧化锆陶瓷具有化学性质不活泼、硬度高、耐腐蚀、耐磨损、熔点和电阻率高、热膨胀系数低等性质，使其成为重要的耐高温绝热结构陶瓷材料。两者结合的摩擦副，不仅降低了摩擦副质量，减小了摩擦系数和磨损率，还可适用于更苛刻的高温干摩擦工况。

(3)摩擦副的加工方法及工艺参数，极大地影响了材料的表面粗糙度及显微硬度，通过参数的合理选择，相同的摩擦副可以获得更优异的摩擦学性能。且本发明中，摩擦副的加工方法和工艺参数简单易实现，对节约材料加工成本具有重要意义。

附图说明

图1是加工后的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面示意图；

图2是加工后氧化锆陶瓷表面的三维形貌示意图；

图3是摩擦系数随时间的变化曲线图；

图4是摩擦后销盘表面电镜图；

图5是摩擦前后销盘表面EDS元素分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的新型的高温摩擦副，是一种新型的复合材料-陶瓷摩擦副，包括碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面和氧化锆陶瓷表面，满足高温干摩擦的工况条件。其中，选择的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面一定要包含纤维束端面，将包含纤维束端面的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面作为摩擦对偶面。因为纤维束端面抗剪切能力较强，因此材料磨损小，摩擦过程中形成的磨屑少，从而摩擦系数小。同时，磨屑中包含的碳纤维可以在摩擦接触面间形成部分润滑，更进一步改善了摩擦学特性。

所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面首先经过磨削加工，磨削参数选择范围为：砂轮粒度120#-200#，砂轮转速15m/s-25m/s，磨削深度60μm-150μm，进给速度1m/min-4m/min；经过磨削加工后碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面用1000#-2000#砂纸打磨，打磨正压力3N-8N，打磨速度0.1m/s-0.5m/s，打磨时间60s-150s，最终得到可用的摩擦副初始表面。

所述氧化锆陶瓷表面同样需要经过磨削加工，磨削参数选择范围为：砂轮粒度180#-280#，砂轮转速15m/s-25m/s，磨削深度10μm-50μm，进给速度1m/min-4m/min，最终保证氧化锆陶瓷表面粗糙度为1.5±0.3μm。所述氧化锆陶瓷表面有明显的加工磨痕，不仅提高了表面的显微硬度，使得材料具有更高的耐磨强度；而且磨痕的存在，可以形成天然的锯齿状的表面微结构，在摩擦过程中，可以起到贮存磨屑减小摩擦的作用，从而使得摩擦系数和磨损率显著降低。

上述方案中，主要的发明构思是：用碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料和氧化锆陶瓷配副代替传统的金属自配副、复合材料自配副或金属和复合材料配副，克服了金属自配副在摩擦过程中的粘着磨损和化学磨损，复合材料自配副制备和加工过程表面缺陷不可控造成的初期磨损时间长、磨损率和摩擦系数大，金属和复合材料配副难以满足高温干摩擦的工况条件等问题。同时，合理控制摩擦副表面的加工工艺参数范围，可以得到初期磨合周期短、磨损和摩擦系数小的摩擦副表面。

实施例：

在本实施例中，加工碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面采用的具体磨削参数为砂轮粒度120#，砂轮转速15m/s，磨削深度120μm，进给速度3m/min；打磨所用砂纸粒度为1200#-2000#，打磨正压力5N，打磨速度0.3m/s，打磨时间60s，最终得到初始表面如图1所示。可以看到，碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面上包含不同走向的纤维束和基体。氧化锆陶瓷表面所采用的具体磨削加工参数为：砂轮粒度180#，砂轮转速15m/s，磨削深度30μm，进给速度3m/min，最终得到的表面粗糙度为1.6μm，其初始表面的三维形貌如图2所示，可以看到，在氧化锆磨削加工后表面上有明显的加工磨痕。

采用销-盘摩擦的形式在立式摩擦磨损试验机上进行摩擦实验，所选择摩擦副实验条件为：接触压力1.66MPa，摩擦速度0.5m/s，摩擦时间3600s，摩擦温度环境温度，润滑条件干摩擦。销为碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，盘为氧化锆，所得摩擦系数为0.11(图3为摩擦过程中摩擦系数随时间的变化曲线)，小于绝大多数金属、陶瓷、复合材料自配副，只大于部分PTFE复合材料与钢的互配副，但是该配副不能用于高温工况条件；销、盘各自的磨损率分别为0.74×10^-9g/N·m和6.17×10^-9g/N·m，磨损形式为磨粒磨损(如图4a摩擦后盘和4b销的表面电镜图)，同时伴随着摩擦副间元素的相互转移(如图5所示)，但没有因为摩擦副间温度变化的影响出现材料的软化变形，从而变成传统金属材料摩擦副的粘着和氧化磨损。摩擦过程稳定，摩擦系数和磨损率均较小，极大的改善了传统摩擦副的摩擦性能，提高了材料的使用率，延长了摩擦副的使用寿命。

可见，本发明提出的一种新型的高温摩擦副，不仅可以满足高温干摩擦的工况条件，同时还弥补了传统摩擦副的不足，使得摩擦副的使用范围、使用条件更加广泛，使用寿命更加长。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种新型的高温摩擦副，其特征在于，包括碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面和氧化锆陶瓷表面，所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面包含纤维束端面，将包含纤维束端面的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面作为摩擦对偶面，所述氧化锆陶瓷表面设置有加工磨痕。

2.根据权利要求1所述的新型的高温摩擦副，其特征在于，所述碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面首先经过磨削加工，磨削参数选择范围为：砂轮粒度120#-200#，砂轮转速15m/s-25m/s，磨削深度60μm-150μm，进给速度1m/min-4m/min；经过磨削加工后碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料表面用1000#-2000#砂纸打磨，打磨正压力3N-8N，打磨速度0.1m/s-0.5m/s，打磨时间60s-150s，最终得到摩擦副初始表面。

3.根据权利要求1所述的新型的高温摩擦副，其特征在于，所述氧化锆陶瓷表面经过磨削加工，磨削参数选择范围为：砂轮粒度180#-280#，砂轮转速15m/s-25m/s，磨削深度10μm-50μm，进给速度1m/min-4m/min，最终保证氧化锆陶瓷表面粗糙度为1.5±0.3μm。