劉伯威，楊 陽，張逸帆

(1. 中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083；2. 湖南博云汽車制動(dòng)材料有限公司，長沙 410205)

銅錫合金粉含量對(duì)汽車摩擦材料性能的影響

劉伯威1,2，楊 陽2，張逸帆2

(1. 中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083；2. 湖南博云汽車制動(dòng)材料有限公司，長沙 410205)

采用干法混料、一次成型模具制備不同含量Cu-Sn合金粉的摩擦材料，對(duì)樣品進(jìn)行理化性能、力學(xué)性能、摩擦性能及制動(dòng)噪音的檢測(cè)，借助SEM、XRD對(duì)試樣摩擦表面進(jìn)行表征，研究分析不同Cu-Sn合金粉含量對(duì)摩擦材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著銅錫合金粉含量的增加，摩擦材料的密度逐漸增加、氣孔率略微升高、pH值基本保持不變；硬度先增后減，壓縮量先減后增，剪切強(qiáng)度變化不大。低能載條件下，Cu-Sn合金粉對(duì)材料的摩擦因數(shù)影響不大，高能載條件下，適量Cu-Sn合金粉的加入能提高材料摩擦因數(shù)，降低磨損量，改善制動(dòng)噪音。當(dāng)銅錫合金粉含量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，摩擦材料的綜合性能最佳。

銅錫合金粉；摩擦材料；摩擦性能; 制動(dòng)噪音

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)今汽車的設(shè)計(jì)時(shí)速越來越高，這就對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)尤其是對(duì)制動(dòng)摩擦材料的要求越來越高，其要具備制動(dòng)距離適中、磨損低、低噪音等優(yōu)異特性[1-7]。應(yīng)對(duì)這種變化趨勢(shì)，具有低摩擦因數(shù)、低磨損的軟金屬合金如銅合金[8-9]、鋁合金[10-11]開始被引入到摩擦材料配方當(dāng)中。

銅錫合金具有良好的減摩、導(dǎo)熱、抗氧化、耐腐蝕等性能[12-13]，工業(yè)上已將其作為生產(chǎn)渦輪、切割砂輪、粉末冶金剎車片等的重要基體材料。陳鋒等[14-16]通過對(duì)比試驗(yàn)證明：銅錫合金粉的銅錫含量和粒度對(duì)樹脂結(jié)合劑超硬制品的力學(xué)性能有較顯著的影響，銅錫合金粉體積分?jǐn)?shù)為15%，粒度為40 μm左右時(shí)，砂輪的耐用度最好。上述工作僅做了超硬制品方面添加銅錫合金粉與銅粉的對(duì)比驗(yàn)證。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，汽車摩擦材料配方里添加銅錫合金粉的研究不多，特別是關(guān)于銅錫粉含量對(duì)汽車摩擦材料性能影響的研究暫未見相關(guān)報(bào)導(dǎo)。基于以上因素，本文作者以公司現(xiàn)有低金屬配方為基礎(chǔ)，研究了不同含量銅錫合金粉對(duì)摩擦材料理化性能、力學(xué)性能、摩擦磨損性能及制動(dòng)噪音的影響，得到了最優(yōu)的銅錫合金粉添加量，以期為研制高性能摩擦材料提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 配方設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)?zāi)Σ敛牧吓浞浇M分主要包含有機(jī)粘接劑，增強(qiáng)纖維及摩擦性能調(diào)節(jié)劑。銅錫合金粉的研究采用變量對(duì)比分析，5個(gè)配方逐漸增加銅錫粉的含量，其余的量以沉淀硫酸鋇來補(bǔ)充以保持總組分不變，剩余組分主要為摩擦性能調(diào)節(jié)劑，如硫化銻、鈦酸鉀、黃銅礦、硫鐵礦等填料，其中J為基準(zhǔn)配方。實(shí)驗(yàn)配方如表1所列。

配方中使用的Cu-Sn合金粉由長沙博眾粉末冶金材料有限公司生產(chǎn)，制備方法為氣體霧化法，具體規(guī)格如表2所列，銅錫合金粉、沉淀硫酸鋇微觀形貌及X射線衍射譜如圖1所示。

由圖1可看出，銅錫合金粉末微觀形貌呈球狀彌散分布，粒度為小于74 μm，其X射線衍射譜如圖1(c)所示，存在α、η′、δ相。其中α為銅單質(zhì)，η′、δ為兩種不同成分的銅錫合金，η′相中的Sn占比約為45%(摩爾分?jǐn)?shù))，δ相中的Sn占比約為20.5%(摩爾分?jǐn)?shù))。沉淀硫酸鋇粉末為不規(guī)則顆粒(見圖1(d))，產(chǎn)品粒度小于47 μm，顆粒尺寸較銅錫粉更細(xì)。

表1 摩擦材料的基本配方Table 1 Basic components of friction material

表2 Cu-Sn合金粉物理性能Table 2 Physical properties of copper-tin alloy

圖1 銅錫合金粉形貌和XRD譜Fig. 1 Morphologies ((a), (b)) and XRD pattern (c) of copper-tin alloy

1.2 試樣制備

摩擦材料樣品制備的工藝流程如圖2所示，根據(jù)表1的5個(gè)基本配方配料，用犁耙式混料機(jī)混料，混料時(shí)間為3 min，混料機(jī)轉(zhuǎn)速為2500 r/min。選擇03款本田雅閣前(D465)剎車片作為樣品型號(hào)，稱量170 g混合料，在旺達(dá)JFY60型小型氣壓機(jī)上采用一次成型方式模壓成型，壓制溫度為(160±5) ℃，壓力為11.5 MPa，壓制工藝分為模壓排氣階段及保壓硬化階段，具體壓制工藝見表3。熱壓成型后的樣品還需經(jīng)過熱處理及后續(xù)機(jī)加工制得最終樣品，熱處理溫度-時(shí)間曲線見圖3。固化爐溫度由室溫開始升溫120 min至150 ℃，在爐溫為150 ℃情況下恒溫60 min；由150 ℃升溫30 min至180 ℃，在爐溫為180 ℃情況下恒溫90 min后；由180 ℃升溫30 min至200 ℃，在爐溫為200 ℃情況下恒溫120 min后，按步驟1、2、3執(zhí)行。步驟：1) 爐溫顯示低于100 ℃才可以打開爐門；2) 打開爐門后,禁止用電風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻摩擦塊；3) 溫度公差：±15 ℃；時(shí)間公差：±10 min；4) 風(fēng)機(jī)設(shè)定：排風(fēng)時(shí)間30 s，排風(fēng)間隔時(shí)間20 s。

圖2 摩擦材料制備工藝流程圖Fig. 2 Process flow diagram of friction material preparation

表3 剎車片樣品壓制工藝Table 3 Press process for brake pads

圖3 樣品的熱處理溫度-時(shí)間曲線Fig. 3 Heat treatment temperature-time curves of samples

1.3 檢測(cè)方法

根據(jù)QCT583-1999汽車制動(dòng)器襯片顯氣孔率試驗(yàn)方法，采用浸油法測(cè)量樣品開孔氣孔率。試樣的硬度在HR-150A洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行測(cè)量，壓頭為直徑12.7 mm的鋼球，載荷為10 MPa。根據(jù)ISO 6310道路車輛制動(dòng)襯片壓縮應(yīng)變?cè)囼?yàn)方法，在美國Link公司生產(chǎn)的Model 1620型壓縮性能試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)試室溫時(shí)剎車片樣品在7 MPa和16 MPa壓縮載荷下的變形量，以此評(píng)價(jià)摩擦材料的可壓縮性。根據(jù)GB/T 26739—2011道路車輛制動(dòng)襯片材料內(nèi)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法在RP300型剪切強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試摩擦材料的內(nèi)剪切強(qiáng)度。根據(jù)JC/T685—1998摩擦材料密度試驗(yàn)方法，采用阿基米德原理排水稱量法測(cè)量剎車片樣品的密度。根據(jù)JASO C458—1986 pH值對(duì)制動(dòng)器襯片，墊片和汽車的離合器摩擦片的測(cè)試程序，應(yīng)用pH計(jì)測(cè)量摩擦材料的pH值。摩擦磨損性能測(cè)試按照SAE J2522在美國LINK 3000型慣性臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，剎車片樣品安裝在1/4制動(dòng)器總成上，采用液壓制動(dòng)方式，測(cè)試摩擦材料樣品在不同制動(dòng)速度、不同制動(dòng)壓力、不同制動(dòng)溫度下摩擦性能的變化情況，該標(biāo)準(zhǔn)包含衰退試驗(yàn)，具體程序?yàn)橐?.4 g的減速度進(jìn)行100 km/h至5 km/h的急剎15次，制動(dòng)盤初始溫度設(shè)計(jì)為不斷增加，衰退試驗(yàn)由溫度進(jìn)行控制。采用日本JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡，對(duì)試驗(yàn)后的摩擦塊樣品表面形貌進(jìn)行分析，并采用Phoenix EDAX 2000能譜分析儀(EDX)對(duì)摩擦塊樣品表面進(jìn)行成分分析。摩擦材料制動(dòng)噪音測(cè)試按照SAE J2521，在美國LINK 3900型NVH慣量實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，測(cè)試制動(dòng)速度、制動(dòng)壓力、制動(dòng)溫度及制動(dòng)方向等試驗(yàn)條件對(duì)制動(dòng)噪音發(fā)生的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅錫粉對(duì)摩擦材料理化性能的影響

不同銅錫合金粉含量試樣的理化性能測(cè)試結(jié)果如表4所列。由表4可以看出，隨著銅錫合金粉含量的增加(3%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))，密度呈增加趨勢(shì)，這是由于銅錫合金粉的密度大于沉淀硫酸鋇的密度(沉淀硫酸鋇為4.5 g/cm3，銅錫合金粉為8.2～8.7 g/cm3)，該次試驗(yàn)為保證摩擦材料總質(zhì)量組分不變，使用等量沉淀硫酸鋇作為填料來彌補(bǔ)銅錫合金粉組分變化帶來的差異。因此，隨著銅錫合金粉含量的增加，產(chǎn)品密度相應(yīng)增加。銅錫合金粉為氣體霧法制造，顆粒形貌為近球形(見圖1(a)和(b))，產(chǎn)品粒度小于74 μm。圖4所示為沉淀硫酸鋇的微觀形貌。由圖4可看出，沉淀硫酸鋇粉末為不規(guī)則顆粒，產(chǎn)品粒度小于47 μm，較銅錫粉更細(xì)。而較粗顆粒在產(chǎn)品壓制過程中更易產(chǎn)生“搭橋”現(xiàn)象。因此，隨著銅錫粉含量增加，材料氣孔率略微增加，但總體變化不大。由于銅錫合金為金屬粉末、pH值呈中性，沉淀硫酸鋇為一種中性鹽，不溶于水，這兩種組分的變化不會(huì)引起復(fù)合材料酸堿性的變化，故樣品的pH值基本保持不變。

表4 不同銅錫粉含量試樣的物理化學(xué)性能Table 4 Physical and chemical properties of samples with different copper-tin alloy powder contents

圖4 沉淀硫酸鋇的微觀形貌Fig. 4 Micromorphology of precipitated barium sulphate

2.2 銅錫粉對(duì)摩擦材料力學(xué)性能的影響

不同銅錫合金粉含量試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 不同銅錫粉含量試樣的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of samples with different copper-tin alloy powder contents

汽車摩擦材料的硬度雖無嚴(yán)格的指標(biāo)要求，不過有一個(gè)合理的范圍，適中的硬度及壓縮應(yīng)變對(duì)摩擦材料產(chǎn)品的綜合性能至關(guān)重要。摩擦材料的硬度大小與材料的配方組成、材料的孔隙度等因素有關(guān)。銅錫粉屬低熔點(diǎn)的軟金屬合金，莫氏硬度為4～4.5；硫酸鋇是一種被廣泛使用的低價(jià)填充料，莫氏硬度為3～3.5。銅錫合金莫氏硬度要高于硫酸鋇，當(dāng)銅錫粉含量從0增加到9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，材料的硬度逐漸增加(HRS：65～74)，但當(dāng)銅錫粉含量繼續(xù)增加時(shí)，材料的洛氏硬度又有所下降(HRS：74～70)。這主要是由于當(dāng)銅錫粉含量較低時(shí)(小于10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))，原材料的硬度主導(dǎo)了其組成復(fù)合材料的宏觀硬度，高硬度原材料含量越多，產(chǎn)品硬度越高；但當(dāng)銅錫粉含量超過10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，材料的孔隙度主導(dǎo)了復(fù)合材料的宏觀硬度。當(dāng)銅錫粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，盡管相對(duì)較高硬度填料更多，但同時(shí)產(chǎn)品的孔隙度也增加，兩相抵消，導(dǎo)致整體硬度不升反降。材料的壓縮變形量與硬度呈反比例關(guān)系，硬度越高，材料抵抗彈、塑性變形能力越強(qiáng)，在外載荷作用下變形量越小。因此，隨銅錫粉含量的增加，摩擦材料壓縮變形量先減后增，其中C3試樣的硬度最大(HRS：74)，壓縮量最小(85 μm)。材料的剪切強(qiáng)度主要取決于有機(jī)粘接劑、骨架纖維及各類填料與酚醛樹脂的相容性。銅錫粉與硫酸鋇均屬粉末狀填料，比表面積接近，與樹脂相容性較好，常溫下不會(huì)與別的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。因此，隨著銅錫粉含量的增加，產(chǎn)品的剪切強(qiáng)度基本處于同一水平(試驗(yàn)誤差范圍內(nèi))。

2.3 銅錫粉對(duì)摩擦材料摩擦磨損性能的影響

SAE J2522標(biāo)準(zhǔn)考察了摩擦材料在不同制動(dòng)速度、不同制動(dòng)壓力、不同制動(dòng)溫度下摩擦性能的變化情況。本文作者主要從摩擦性能、磨損量、噪音發(fā)生程度3個(gè)方面進(jìn)行研究分析。

2.3.1 銅錫粉對(duì)摩擦材料摩擦性能的影響

本文作者從SAE J2522試驗(yàn)報(bào)告中選取了速度為40、120和200 km/h的速度/壓力相關(guān)性數(shù)據(jù)，第一、二次高溫衰退及衰退后恢復(fù)時(shí)的摩擦因數(shù)隨銅錫合金粉含量變化情況進(jìn)行討論，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)制動(dòng)初速度為40 km/h時(shí)，隨著制動(dòng)壓力的增加(2～8 MPa)，所有樣品的摩擦因數(shù)呈降低趨勢(shì)，添加了銅錫合金粉樣品的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)要比未添加銅錫合金粉的樣品平穩(wěn)，其中未添加Cu-Sn合金粉的J樣從0.47下降到0.37，下降幅度最大；其次是添加3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))銅錫合金粉的C1試樣從0.46降到0.38；而添加12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))銅錫合金粉的C4樣品其摩擦因數(shù)僅從0.39下降到0.37，降低幅度最小。當(dāng)制動(dòng)初速度為120 km/h時(shí)，隨著制動(dòng)壓力的增加，添加銅錫粉的樣品摩擦因因數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定，基本保持在0.35～0.4范圍內(nèi)，未添加銅錫粉的樣品摩擦因數(shù)降低明顯(摩擦因數(shù)從0.35下降到0.29，降低幅度為0.06)，且最低摩擦因數(shù)(0.29)也低于制動(dòng)初速度40 km/h時(shí)摩擦因數(shù)(0.37)。當(dāng)制動(dòng)初速度為200km/h時(shí)，隨著制動(dòng)壓力的增加，添加銅錫粉的樣品摩擦因數(shù)逐步增加，其中添加9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))銅錫合金粉的C3樣品摩擦因數(shù)最高(平均摩擦因數(shù)0.37)，當(dāng)銅錫粉繼續(xù)增加到12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，摩擦因數(shù)又稍微下降(平均摩擦因數(shù)0.33)，而未添加銅錫粉的樣品摩擦因數(shù)逐步降低，平均摩擦因數(shù)最小(0.29)。

臺(tái)架試驗(yàn)中，摩擦因數(shù)計(jì)算公式為

圖5 不同制動(dòng)初速度時(shí)樣品的摩擦因數(shù)與壓力的關(guān)系Fig. 5 Relationship between friction coefficient and pressure of samples at original braking speeds: (a) 40 km/h; (b) 120 km/h; (c) 200 km/h

式中：m為平均制動(dòng)力矩；p為平均管路壓力；kmu為制動(dòng)器常數(shù)。從式(1)中可以看出，摩擦因數(shù)與制動(dòng)力矩成正比，與制動(dòng)壓力成反比，所有試驗(yàn)都以本田雅閣前制動(dòng)器為研究對(duì)象，故kmu為一常數(shù)。隨著制動(dòng)壓力增加，如果制動(dòng)力矩成正比例增加，則摩擦因數(shù)基本會(huì)穩(wěn)定在同一水平。如果制動(dòng)力矩不隨制動(dòng)壓力成正比例增長，則摩擦因數(shù)會(huì)逐步降低。而制動(dòng)力矩的大小與摩擦材料表面接觸狀態(tài)息息相關(guān)，真實(shí)接觸面積大，制動(dòng)力矩會(huì)相應(yīng)提高，反之則小。在低速低制動(dòng)能載下(40 km/h)，摩擦產(chǎn)生的熱量少，銅錫粉的高溫延展性及成膜性沒發(fā)揮作用，因此，此時(shí)材料的摩擦因數(shù)主要受真實(shí)接觸面積的影響較大。隨著制動(dòng)壓力增大，摩擦副真實(shí)接觸面積逐步增加，但由于樹脂基復(fù)合材料具有一定黏彈性，其真實(shí)接觸面積并不隨制動(dòng)壓力增加而成線性增長。因此，所有樣品整體摩擦因數(shù)都隨制動(dòng)壓力增大而逐步下降。另外，隨著銅錫合金粉含量的增加，樣品摩擦因數(shù)也逐步降低，這主要是由于隨著其含量增加，摩擦材料氣孔率增加，有效接觸面積減小，因而摩擦因數(shù)降低。在中高速制動(dòng)能載下(120 km/h)，此時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量大幅提高，銅錫合金粉的成膜能力發(fā)揮作用，其良好的延展性與摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑能較好的填充材料表面的孔隙，提高真實(shí)接觸面積。因此，此工況下材料的摩擦因數(shù)隨制動(dòng)壓力變化較小，基本保持穩(wěn)定，不同銅錫合金粉含量的試樣摩擦因數(shù)差別不大。而未添加銅錫粉試樣由于成膜能力差，其摩擦因數(shù)與低能載制動(dòng)條件下一樣，降低明顯。在高速制動(dòng)能載下(200 km/h)，此時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量進(jìn)步一提升，已能達(dá)到銅錫合金粉的燒結(jié)溫度(銅錫合金熔點(diǎn)約800 ℃)，其熔融、成膜能力進(jìn)一步發(fā)揮，摩擦材料表面膜更完整，真實(shí)接觸面積進(jìn)一步增大，因此，此時(shí)摩擦因數(shù)隨制動(dòng)壓力的增加反而略有上升。當(dāng)銅錫粉含量從3%增加到9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，摩擦因數(shù)逐步升高，繼續(xù)增加到12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，摩擦因數(shù)又有所下降，這是由于9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的銅錫粉在高能載下已能充分填充材料表面孔隙，摩擦膜比較完整，繼續(xù)增加含量時(shí)，由于其有一定的潤滑效果，又會(huì)略微降低材料摩擦因數(shù)。

衰退試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)隨樣品銅錫合金粉含量的變化如圖6所示。由圖6可以看出，第一次高溫衰退過程中，所有樣品摩擦因數(shù)在衰退初期先升高，第二次制動(dòng)后摩擦因數(shù)持續(xù)降低。第二次衰退試驗(yàn)中，所有樣品摩擦因數(shù)均隨制動(dòng)次數(shù)增加緩慢下降。整個(gè)衰退試驗(yàn)中，添加銅錫合金粉的樣品整體摩擦因數(shù)均要高于未添加的樣品。其中添加9%的C3樣衰退率最小(15%)，未添加銅錫粉的J試樣最低摩擦因數(shù)最小(0.29)衰退率最大(36%)。

衰退試驗(yàn)中，摩擦因數(shù)降低主要是由于酚醛樹脂等有機(jī)物高溫分解釋放出低分子油狀物質(zhì)，導(dǎo)致界面摩擦方式由干摩擦轉(zhuǎn)變成固液混合摩擦，所以摩擦因數(shù)降低。未添加銅錫合金粉樣品導(dǎo)熱能力差，摩擦表面的熱量未能及時(shí)傳遞到材料內(nèi)部耗散，導(dǎo)致摩擦表面溫升快，樹脂分解嚴(yán)重，因此衰退率最大。添加銅錫合金粉樣品一方面提高了材料的散熱能力，降低了摩擦表面溫升；另一方面，銅錫合金良好的韌性和延展性增大了材料的真實(shí)接觸面積，因此摩擦因數(shù)較未添加銅錫合金粉樣品摩擦因數(shù)高。添加9%的C3樣品衰退率最小，這主要是因?yàn)镃3樣品形成的摩擦膜最完整(見圖6(b))，摩擦膜很好的起到了穩(wěn)定界面摩擦因數(shù)的作用，因此其衰退率最小。

圖6 衰退試驗(yàn)時(shí)不同樣品摩擦因數(shù)隨衰退步數(shù)的變化Fig. 6 Change of friction coefficient of different samples with fade step: (a) Fade one; (b) Fade two

不同銅錫合金粉含量摩擦材料的表面形貌如圖7所示。從圖7可以看出，添加3%銅錫合金粉C1樣品表面能形成一定的摩擦膜，但很不連續(xù)。添加9%銅錫合金粉C3樣品表面形成了連續(xù)完整的摩擦膜，材料表面致密，基本看不到明顯的孔洞及脫落物。添加12%銅錫合金粉C4樣品也形成了比較完整的摩擦膜，但摩擦膜出現(xiàn)了一定程度上的剝落，這主要是由于過量銅錫粉在高能載下，熔融撕裂所致。樣品摩擦面的表面狀態(tài)一定程度上說明了摩擦副的真實(shí)接觸面積，也較好的解釋了材料摩擦因數(shù)隨制動(dòng)壓力、銅錫合金粉含量變化的試驗(yàn)結(jié)果。

2.3.2 銅錫粉對(duì)摩擦材料磨損性能的影響

測(cè)量摩擦制品試驗(yàn)前后的摩擦材料厚度和質(zhì)量差值為試驗(yàn)過程中的磨損量。不同銅錫合金粉含量的摩擦材料的厚度磨損及質(zhì)量磨損如圖8所示。

從圖8可以看出，隨著銅錫粉含量的增加，材料厚度磨損和質(zhì)量磨損均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。其中，當(dāng)銅錫粉含量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，樣品的磨損值最小(厚度磨損0.53 mm，質(zhì)量磨損8.3 g)。

摩擦材料的磨損率與材料的強(qiáng)度、硬度及表面層的工作狀態(tài)等因素有關(guān)。根據(jù)經(jīng)典的磨損理論Evans[17]計(jì)算公式：

圖7 不同銅錫合金粉含量的摩擦材料表面形貌Fig. 7 Friction surface morphologies of copper-tin alloy with different contents: (a) Sample C1; (b) Sample C3; (c) Sample C4

圖8 不同銅錫合金粉含量的摩擦材料厚度磨損及質(zhì)量磨損Fig. 8 Thickness loss and mass loss of friction materials with different copper-tin alloy contents

式中：V 為材料的體積磨損；P為載荷壓力；KIC為斷裂韌性；H為硬度；E為彈性模量；S為磨損行程；α為與材料無關(guān)的常數(shù)。

從式(2)可知，材料的體積磨損與其斷裂韌性、硬度成反比，與彈性模量、載荷壓力及磨損行程成正比。由于上述樣品執(zhí)行相同的試驗(yàn)程序(SAE J2522)，P、S數(shù)據(jù)一致；而由力學(xué)性能結(jié)果得知，銅錫粉對(duì)材料的剪切強(qiáng)度影響不大，可基本認(rèn)為KIC數(shù)據(jù)一致，故材料的體積磨損主要取決于材料硬度與彈性模量。從硬度數(shù)據(jù)可以看出，隨銅錫粉含量的增加，硬度呈先增加后減少的趨勢(shì)，并在銅錫粉含量達(dá)到9%時(shí)，硬度最高。這和材料的磨損率形成了很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，材料的磨損率隨硬度的增加而減少，硬度最大時(shí)，材料的磨損率最低，數(shù)據(jù)很好的吻合了Evans理論公式的準(zhǔn)確性。

由圖7可知，C1樣品表面磨粒磨損現(xiàn)象嚴(yán)重；C4樣品表面覆蓋有較厚的摩擦膜，但有粘著磨損痕跡；C3樣品摩擦膜保持比較完整且連續(xù)。完整摩擦膜的形成，能有效保護(hù)對(duì)偶盤和摩擦材料，降低產(chǎn)品的磨損量。這也是C3樣品磨損量最低的原因之一。

2.3.3 銅錫粉對(duì)摩擦材料制動(dòng)噪音的影響

本次噪音試驗(yàn)主要參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2521，該噪音試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)考察了在不同制動(dòng)速度、制動(dòng)溫度、制動(dòng)壓力、制動(dòng)方向等試驗(yàn)條件下，摩擦材料制動(dòng)噪音的發(fā)生情況。不同銅錫合金粉含量的摩擦材料制動(dòng)噪音發(fā)生情況如圖9和10所示。圖9所示為摩擦材料制動(dòng)噪音的頻率及分貝值分布情況，圖10所示為摩擦材料制動(dòng)噪音發(fā)生概率及綜合評(píng)分值。

由圖9和10可知，不同銅錫合金粉含量的摩擦材料制動(dòng)噪音發(fā)生頻率主要分布在8、12.7、15.6 kHz，分貝值最高可達(dá)110 dB，噪音主要由拖磨及減速制動(dòng)產(chǎn)生。隨銅錫合金粉含量增加，制動(dòng)噪音發(fā)生概率先降低后升高，噪音頻率分布由高頻(12.7 kHz)逐漸向低頻(8 kHz)轉(zhuǎn)移，且分貝值逐漸降低。當(dāng)銅錫合金粉含量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，制動(dòng)噪音發(fā)生概率最低(1.2%)，綜合評(píng)分最高(9.8)；當(dāng)銅錫合金粉含量增加至12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，制動(dòng)噪音發(fā)生頻次大幅增加，且高頻噪音有增加的趨勢(shì)。

物體的振動(dòng)是聲波產(chǎn)生的根源，它們兩者之間有著直接的聯(lián)系。噪聲的強(qiáng)度級(jí)基本上取決于振動(dòng)物體表面振動(dòng)速度的幅值。試驗(yàn)表明，振動(dòng)信號(hào)與噪聲具有良好的相關(guān)性，振動(dòng)和噪聲具有相同的特征參數(shù)[18]。當(dāng)振動(dòng)速度成倍數(shù)減小時(shí)，聲壓也減小同樣的倍數(shù)。振動(dòng)速度與聲壓的這種直接關(guān)系可轉(zhuǎn)化為如下的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

式中：Lp表示噪聲的聲壓級(jí)，dB；Lv表示振動(dòng)速度級(jí)，dB；Vp表示振動(dòng)速度，m/s；P表示聲壓，Pa；P0表示基準(zhǔn)聲壓，Pa。

從式(2)～(3)可知，在已知振動(dòng)速度級(jí)之后，無需測(cè)量聲壓便可求出由這些振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲級(jí)。振動(dòng)的速度級(jí)降低多少分貝，噪聲級(jí)會(huì)降低同樣多的分貝。對(duì)式(2)～(3)進(jìn)行極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

從式(4)和(5)可知，當(dāng)振動(dòng)頻率ω一定時(shí)，振動(dòng)的速度幅值V=Aω與振動(dòng)的位移幅值A(chǔ)(以下簡稱振幅)成正比。因此要想降低振動(dòng)速度的幅值V，只需降低位移幅值A(chǔ)，即只要降低位移幅值A(chǔ)，振動(dòng)速度級(jí)和噪聲級(jí)就會(huì)隨之降低。根據(jù)此理論公式，如果摩擦因數(shù)波動(dòng)值越小，振動(dòng)產(chǎn)生的位移幅值A(chǔ)就越小，即振動(dòng)的速度幅值V就越小，噪音發(fā)生概率越低[19-20]，綜合評(píng)分就越高。從圖5和7可以看出，無論低速制動(dòng)、高速制動(dòng)還是高溫衰退時(shí)，樣品C3的摩擦因數(shù)波動(dòng)都是最小，且當(dāng)樣品中的銅錫合金粉的含量小于或者高于9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，摩擦因數(shù)的波動(dòng)值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。根據(jù)上述理論，當(dāng)銅錫合金粉的含量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，綜合噪音評(píng)分最高。

圖9 不同銅錫合金粉含量的摩擦材料制動(dòng)噪音發(fā)生情況Fig. 9 Brake noise occurence of friction materials with different copper-tin alloy contents: (a) Without copper-tin alloy; (b) 3% copper-tin alloy; (c) 6% copper-tin alloy; (d) 9% copper-tin alloy; (e) 12% copper-tin alloy

圖10 不同銅錫合金粉含量的試樣制動(dòng)噪音發(fā)生概率及評(píng)分值Fig. 10 Brake noise occurence probability and noise index of samples with different copper-tin alloy contents

3 結(jié)論

1) 隨著Cu-Sn合金粉含量的增加，pH值基本無變化；密度和氣孔率均隨銅錫粉含量的增加而增大。

2) 隨著Cu-Sn合金粉含量的增加，硬度先增后減；常溫壓縮量先減后增，剪切強(qiáng)度總體變化不大。

3) 低能載條件下，Cu-Sn合金粉對(duì)材料摩擦因數(shù)影響不大；高能載條件下，適量Cu-Sn合金粉的加入，能有效改善摩擦材料的成膜性，提高材料摩擦因數(shù)，降低磨損量。在含量9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣綜合摩擦性能最好。

4) 隨著Cu-Sn合金粉含量的增加，材料的噪音呈現(xiàn)先降后增的趨勢(shì)，在9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣噪音表現(xiàn)最佳。

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Effect of copper-tin alloy powder content on properties of automotive friction material

LIU Bo-wei1,2, YANG Yang2, ZHANG Yi-fan2
(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Hunan Boyun Automobile Brake Material Co., Ltd, Changsha 410205, China)

The automotive friction materials were manufactured by dry mixing and one-time mold, and the influences of Cu-Sn alloy powder content (mass fraction, %) on the physical and chemical properties, mechanical property, friction and wear properties were investigated, and the brake noise of the friction materials also was analyzed by scanning electron microscopy(SEM) and X-Ray Diffraction(XRD). The results indicate that the density increases gradually, the apparent porosity rises slightly, the Rockwell hardness value firstly increases and then decreases, the compression deformation firstly decreases and then increases, the pH value and the shear strength change little with the increase of Cu-Sn alloy powder content. The Cu-Sn alloy powder content has unconspicuous effect on the friction coefficient in the case of low energy load. But in the case of high energy load, the friction coefficient increases, the abrasion loss decreases and the occurrence of friction noise reduces with the increase of Cu-Sn alloy powder content. When the copper-tin alloy powder content is 9% (mass fraction), the friction materials has the best properties.

copper-tin alloy powder; friction materials; friction performance; brake noise

LIU Bo-wei; Tel: +86-731-88122568; E-mail: zhangliusha866@163.com

U465

A

1004-0609(2017)-01-0118-10

Foundation item： Project(2015GK1015) supported by Science and Technology Key Project of Strategic Emerging Industry and Major Technological Achievements Transformation of Hunan Province, China

(編輯 李艷紅)

湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)與重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2015GK1015)

2015-11-23；

2016-08-24

劉伯威，副教授；電話：0731-88122568；E-mail：zhangliusha866@163.com

Received date： 2015-11-23; Accepted date： 2016-08-24