石墨含量對風電機組用銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

劉利萍， 魏敬丹， 陳 華*

(1.長春職業技術學院， 吉林 長春 130033;2.長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

石墨含量對風電機組用銅基摩擦材料摩擦磨損性能的影響

劉利萍1， 魏敬丹2， 陳 華2*

(1.長春職業技術學院， 吉林 長春 130033;2.長春工業大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

采用粉末冶金技術制備風電機組用的銅基摩擦材料。研究在不同的摩擦速度下，石墨的含量對材料的摩擦磨損性能的影響。結果表明：材料的磨損率隨著摩擦速度的增加而增加。隨著石墨含量的增加，材料的磨損率增加,由于石墨破壞基體的連續性使得材料的強度降低，從而使材料的磨損率增加。材料的摩擦系數隨著石墨含量的增加而降低，這是因為材料摩擦過程中摩擦表面形成具有潤滑作用的摩擦膜。石墨含量為10%的材料具有較好的摩擦磨損性能。

銅基摩擦材料； 石墨； 摩擦； 磨損

0 引 言

能源、環境問題是當今人類生存和發展所需解決的緊迫問題。常規能源不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。因此，對可再生能源的開發利用，特別是對風能的開發利用，已受到世界各國的高度重視。隨著國家新能源發展戰略的提出和實施，我國風電產業進入跨越式發展的階段[1]。對于風力發電，風電機組的安全可靠性一直是人們關注的焦點。在風機葉片朝向改變、風機出現故障、電網故障或維護檢修要求停機時，可以通過風力發電機的制動系統使風機停止轉動或改變葉片的迎風面。為了降低風電機組的維修費用，研究具有穩定的摩擦系數和高的耐磨性的摩擦材料是非常必要的。

風電機組用的摩擦材料多采用粉末冶金摩擦材料。銅基粉末冶金摩擦材料具有良好的導熱性、耐磨性和摩擦系數穩定等特點，在風電機組用的摩擦材料中得到廣泛的應用[2-4]。為獲得具有良好綜合性能的銅基摩擦材料，材料中添加了多種組分，在這些組分中石墨是最基本的組元。石墨作為潤滑組元，主要起潤滑作用，提高摩擦材料的工作穩定性、抗擦傷性和耐磨性等，特別有利于降低對偶材料的磨損，并使得摩擦副工作平穩。石墨的含量對摩擦材料的摩擦磨損性能有很大的影響，這方面的研究已引起人們的關注[5-7]。摩擦材料中摩擦組元提高材料的耐磨性能，但大量的摩擦組元使得材料具有高的摩擦系數，加劇了對偶材料的磨損，而石墨可以改善材料的整體性能[8-10]。因此，研究不同摩擦速度條件下石墨的含量對于材料摩擦磨損性能的影響,以及對制備高性能風電機組用銅基摩擦材料具有重要意義。

文中采用粉末冶金技術制備風電機組用銅基摩擦材料，研究在不同的摩擦速度下石墨的含量對銅基摩擦材料的摩擦磨損性能的影響，為風電機組用的銅基摩擦材料的應用提供理論基礎。

1 實 驗

1.1試樣制備

試樣的化學成分見表 1。

試驗材料由電解銅粉、還原鐵粉、錫粉、鉻粉、氧化鋁、鋯英石和石墨構成。按表 1 所示比例稱取粉末，以200 r/min 的轉速混料30 min。粉末經均勻混合，在壓制壓力600 MPa條件下壓制成型，在鐘罩式燒結爐內進行燒結，以氫氣為保護氣氛。燒結溫度為 830 ℃，保溫時間3 h。

表1 材料的化學成分(質量分數) wt%

1.2性能測試

摩擦磨損試驗在快速磨損試驗機上進行，摩擦對偶材料為硬質合金，磨輪直徑為30 mm，磨輪厚度為2.5 mm，載荷100 N，摩擦速度分別為1 000,2 000,3 000,4 000 r/min。

體積磨損率的計算公式為

式中：W----體積磨損率，mm3/(N·m)；

V----試樣的磨損體積，mm3；

F----加載壓力，N；

S----滑動距離，m。

用JSM-5500LV型掃描電子顯微鏡觀察燒結組織和磨損表面形貌。

2 結果與分析

2.1石墨含量對材料顯微形貌的影響

燒結試樣的 SEM顯微形貌如圖1所示。

圖中黑色長條狀組織為石墨，灰色底為銅錫合金基體，深灰黑色小斑點為 Fe顆粒，基體上均勻分布的顆粒為Cr,Al2O3和ZrSiO4。石墨垂直于壓力方向呈層狀均勻分布，壓制時壓力在材料內部較均勻分布，使得石墨基本上垂直于壓力方向呈層狀分布。銅錫合金形成的α固溶體是以Cu為基體，Sn原子取代部分Cu原子形成的置換固溶體。在較高的燒結溫度下，銅錫原子擴散充分，因此形成均勻的α固溶體[11]。Fe顆粒以游離狀態分布于銅錫基體中，Fe與基體銅具有良好的潤濕性，同時較高的燒結溫度提高Fe原子活性，使得Fe原子在基體中的擴散加快，因此Fe在基體中均勻分布，同時Fe顆粒與基體的良好結合起到顆粒強化作用。Al2O3和ZrSiO4顆粒均勻分布在銅錫合金基體中，在摩擦材料中作為摩擦組元，提高材料的摩擦系數，彌補潤滑組元造成的材料摩擦系數的降低，使摩擦副工作表面具有最佳嚙合狀態[12]。

(a) 8%石墨

(b) 10%石墨

(c) 12%石墨

(d) 15%石墨

圖1 燒結試樣的顯微形貌

2.2石墨含量對材料磨損率的影響

摩擦速度對材料磨損率的影響如圖2 所示。

圖2 摩擦速度對材料磨損率的影響

由圖中可見，隨著摩擦速度的增加，材料的磨損率增加。隨著摩擦速度的增加，摩擦過程產生的摩擦熱增加，大量的摩擦熱導致摩擦表面溫度升高，高溫軟化導致基體強度降低，從而加劇材料的磨損。低摩擦速度條件下，摩擦過程中產生的摩擦熱有利于摩擦表面形成摩擦膜，摩擦膜阻礙了對偶材料間的直接接觸，使材料具有較低的磨損率。隨著摩擦速度的增加，材料強度的降低導致摩擦過程中摩擦表面的潤滑膜出現破損，甚至剝落的現象，加劇材料的磨損。

隨著石墨含量的增加，材料的磨損率增加。含10%石墨的材料具有較低的磨損率。石墨的含量為15%時，在各摩擦速度下材料都具有高的磨損率。隨著石墨含量的增加，石墨對材料基體起到分割作用，破壞基體的連續性，同時石墨與基體之間的結合強度較低，因此材料強度的降低加劇材料的磨損。由此可見，對于銅基粉末冶金摩擦材料，石墨含量的變化對材料的摩擦磨損性能產生明顯的影響。

2.3石墨含量對材料摩擦表面的影響

摩擦速度為1 000 r/min時，不同石墨含量材料的摩擦表面形貌如圖3所示。

(a) 8%石墨

(b) 10%石墨

(c) 12%石墨

(d) 15%石墨

圖3 摩擦速度為1 000 r/min時,不同石墨含量材料的摩擦表面形貌

由圖中可知，摩擦速度為1 000 r/min條件下，微凸體的犁削作用使得摩擦表面出現較淺的犁溝，同時摩擦表面形成具有潤滑作用的摩擦膜，摩擦表面的潤滑膜局部出現破損的現象。石墨受摩擦擠壓及摩擦熱的作用向表面提供潤滑介質，在摩擦表面形成較為穩定的潤滑膜，并靠本身的“自耗”來不斷補充和提供固體潤滑劑、修復被撕裂或劃傷的潤滑膜，從而起到潤滑作用[13]。隨著石墨含量的增加，石墨對材料基體的連續性不利，而且石墨與基體的結合強度較低，在摩擦時易于剝落。因此，材料摩擦表面形貌說明材料摩擦過程中發生了磨粒磨損和剝層磨損。

摩擦速度為3 000 r/min時，不同石墨含量材料的摩擦表面形貌如圖4所示。

(a) 8%石墨

(b) 10%石墨

(c) 12%石墨

(d) 15%石墨

由圖可見，隨著石墨含量的增加，材料的摩擦表面出現明顯的剝層現象。根據剝層磨損理論[14]，摩擦過程中不斷的剪切變形，使得表面下一定深度處出現位錯堆積，進而形成裂紋。當裂紋在一定深度形成后，根據應力場分析，平行于表面的正應力阻止裂紋向深度方向擴展，裂紋在一定深度沿平行于表面的方向延伸。當裂紋發展到一定程度后，裂紋與表面間的材料最后以片狀形式剝落。石墨對基體的分割作用使得材料的強度降低，同時石墨與基體的結合強度較弱，石墨及其邊界材料易萌生裂紋，因此，隨著石墨含量的增加，導致材料磨損加劇。同時，在高的摩擦速度的條件下，摩擦過程產生的摩擦熱導致摩擦表面溫度升高，高溫軟化使得基體強度降低，材料的強度降低加劇材料的磨損。

2.4石墨含量對材料摩擦系數的影響

石墨含量對材料摩擦系數的影響如圖5所示。

圖5 石墨含量對材料摩擦系數的影響

由圖中可見，隨著石墨含量的增加，材料的摩擦系數降低。摩擦系數是兩摩擦表面間相互粘著和嚙合程度及其性質的函數。摩擦中，接觸點間產生相對運動，發生剪切現象，剪切力成為摩擦阻力。摩擦過程中產生的大量摩擦熱加劇材料的摩擦表面溫度的升高，基體的高溫軟化降低了微凸體間的嚙合程度，同時摩擦表面形成的潤滑膜減小了對偶材料間的直接接觸，這都使得材料的摩擦系數降低。

3 結 語

1)采用粉末冶金技術制備的風電機組用的銅基摩擦材料的顯微組織為黑色條狀石墨垂直于壓制壓力方向均勻分布在銅錫合金基體上，提高耐磨性的顆粒如Cr,Al2O3和ZrSiO4等的均勻分布，使得摩擦副的工作表面具有最佳嚙合狀態。

2)材料的磨損率隨著摩擦速度的增加而增加。隨著摩擦速度的增加，摩擦過程產生的摩擦熱導致摩擦表面溫度升高，高溫軟化導致基體強度降低，從而使材料的磨損率增加。隨著石墨含量的增加，材料的磨損率增加。這是由于石墨破壞基體的連續性使得材料的強度降低，從而使材料的磨損率增加。材料的摩擦系數隨著石墨含量的增加而降低，這是因為材料在摩擦過程中表面形成具有潤滑作用的摩擦膜。研究表明，石墨含量為10%的材料具有較好的摩擦磨損性能。

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Effect of the graphite content on the friction and wear properties of Cu-based friction materials used in wind turbine generator system

LIU Li-ping1, WEI Jing-dan2, CHEN Hua2*

(1.Changchun Vocational Institute of Technology, Changchun 130033, China;2.School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Cu-based friction materials used in wind turbine generator system are prepared with powder metallurgy technology. The influences of the graphite content on friction and wear properties of materials at the different speed are studied, and the results show that the wear rate increases with speed. When graphite content is increased, the wear rate of the materials increases due to the fact that graphite has negative effect on the continuity of matrix to reduce the strength of the materials, so the wear rate increases. While the friction coefficient decreases with the increase of graphite because friction film is formed during the process, and Cu-based friction material can get a better friction coefficient and wear properties when the content of graphite is 10%.

Cu-based friction material; graphite; friction; wear.

2014-08-19

吉林省自然科學基金資助項目(201115143)

劉利萍(1979-)，女，漢族，吉林東豐人，長春職業技術學院講師，碩士，主要從事有色金屬材料制備、微細結構及性能研究,E-mail:look_see@163.com. *通訊作者：陳 華(1963-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業大學教授，博士，主要從事摩擦材料方向研究,E-mail:chenhua@mail.ccut.edu.cn.

TF 125

A

1674-1374(2014)06-0696-05