王毅，劉鐵軍，朱軍，馬強(qiáng)

制動(dòng)速度對(duì)銅基粉末冶金閘片材料摩擦學(xué)性能的影響

王毅1，劉鐵軍1，朱軍2，馬強(qiáng)2

(1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州 450046；2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710129)

以Sn+SiO2+Al2O3+CaF2作為摩擦組元，石墨+Pb作為潤滑組元，制備銅基粉末冶金列車閘片材料，在MM?1000Ⅱ型摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，測(cè)定制動(dòng)速度在120~200 km/h范圍內(nèi)材料的摩擦因數(shù)、磨損量與表面溫度，并觀察摩擦表面形貌，研究制動(dòng)速度對(duì)該材料摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在制動(dòng)速度＜180 km/h時(shí)，隨制動(dòng)速度增加，閘片材料的摩擦因數(shù)在0.41~0.46之間波動(dòng)，但制動(dòng)速度達(dá)到200 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)顯著減小至0.32，摩擦因數(shù)穩(wěn)定性總體較好。材料的磨損量隨制動(dòng)速度增大而增加，但在制動(dòng)速度達(dá)到180 km/h時(shí)磨損量趨于穩(wěn)定，為119 mg。低速制動(dòng)下材料的磨損機(jī)理主要為疲勞磨損，高速制動(dòng)時(shí)主要為磨粒磨損和氧化磨損。

銅基閘片材料；粉末冶金；制動(dòng)速度；摩擦；磨損；顯微組織

鐵路車輛的制動(dòng)器由制動(dòng)盤和閘片構(gòu)成，制動(dòng)效果與閘片材料的性能密切相關(guān)。我國高速列車常用的制動(dòng)閘片主要有粉末冶金閘片和合成閘片[1?3]。合成閘片稱為三元復(fù)合物，是將樹脂或橡膠粘結(jié)基體、各種增強(qiáng)纖維和摩擦性能調(diào)節(jié)劑等混合后加壓加熱固化而制得的材料。合成閘片材料在制動(dòng)時(shí)，由于溫度升高和熱負(fù)荷增大，制動(dòng)功率低，造成制動(dòng)性能穩(wěn)定性差，難以滿足列車高速運(yùn)行的要求。隨著列車的不斷提速，對(duì)制動(dòng)器性能的要求更加苛刻。粉末冶金閘片性能穩(wěn)定，具有良好的耐磨性、導(dǎo)熱性、抗粘性和多孔性等優(yōu)點(diǎn)[4?5]。多年來，世界各國致力于探索和開發(fā)高性能高速列車閘片材料，目前已形成鐵基、銅基和鐵–銅基等體系的粉末冶金列車閘片材料及C/C復(fù)合閘片材料[6]。我國列車用粉末冶金閘片材料處于研究開發(fā)階段，主要有鐵基和鐵銅基摩擦材料，對(duì)銅基材料及C/ C復(fù)合材料的研究較少。鐵基和鐵銅基材料的導(dǎo)熱性較差，且對(duì)對(duì)偶材料(20CrMnTiVA鋼輪)磨損較

大[7?10]，基于列車制動(dòng)安全性和乘坐舒適性等多方面考慮，高速列車制動(dòng)系統(tǒng)必須盡可能縮短制動(dòng)距離且制動(dòng)時(shí)穩(wěn)定可靠，因此，研究出一種綜合性能優(yōu)良并適于高速列車制動(dòng)的銅基粉末冶金閘片材料具有重要意義。符蓉等[11]用表面覆銅的鐵粉制備閘片材料，在燒結(jié)過程中，可阻礙鐵與石墨、Cr、MoS2分解的S之間的反應(yīng)，避免了馬氏體相、奧氏體相和FeS相的生成，提高銅基體的連續(xù)性和強(qiáng)度。高鳴等[12]研究氟化鈣含量為4%~8%的銅基粉末冶金材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨制動(dòng)壓力增加，材料的摩擦因數(shù)和磨損增大，這是因?yàn)镃aF2形成了均勻的潤滑膜，產(chǎn)生抗摩減磨的作用。關(guān)于低熔點(diǎn)銅基粉末冶金摩擦材料的性能隨制動(dòng)速度變化規(guī)律的研究較少，本文以Sn+SiO2+Al2O3+CaF2作為摩擦組元，石墨+Pb作為潤滑組元，制備銅基粉末冶金列車閘片材料，研究制動(dòng)速度對(duì)材料摩擦學(xué)性能的影響，為銅基粉末冶金列車閘片材料的研究與應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)選用的原材料為成都?xì)W博斯特有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Cu粉(粒度為15 μm，純度≥99%)、W粉(15 μm，純度≥99%)、鱗片狀天然石墨粉(25 μm)、Al2O3(15 μm，純度≥99%)和SiO2(15 μm，純度≥99%)，北京怡天惠金屬材料有限公司生產(chǎn)的Sn粉(15 μm)和Cr粉(20 μm)，以及溫州市利是化工有限公司生產(chǎn)的CaF2(15 μm，純度≥99%)。

1.2 銅基閘片材料的制備

表1所列為銅基粉末冶金閘片材料的原料配比。Cu為基體，W為合金元素，SnSiO2+Al2O3+CaF2為耐摩擦組元，石墨+Pb為潤滑組元，其它為添加劑。

按照表1所列配比稱量Cu粉、W粉以及摩擦組元和潤滑組元，在V型混料機(jī)中混料16 h，然后加入適量硬質(zhì)樹脂和橡膠，充分混合均勻后裝入模具，采用MY-505四柱萬能液壓機(jī)，在 800 MPa壓力下壓制成形。壓坯在氨分解鐘罩爐中進(jìn)行燒結(jié)，獲得銅基粉末冶金閘片材料樣品。燒結(jié)溫度為865 ℃，保溫1 h，燒結(jié)壓力3 MPa，樣品尺寸(直徑×長度)為150 mm× 100 mm。

表1 銅基閘片材料的原料配比Table 1 The proportion of raw materials of copper based brake material (mass fraction, %)

在20 ℃恒溫環(huán)境下，采用島津AG-I250kN精密萬能試驗(yàn)機(jī)、HB?3000B型布氏硬度計(jì)測(cè)定銅基閘片材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量以及材料表面硬度與基體硬度。采用排水法測(cè)定材料的密度，并進(jìn)行熱導(dǎo)率與熱漲系數(shù)等性能測(cè)試。

1.3 摩擦試驗(yàn)

將閘片材料制成坯塊，與鋼背通過釬焊連接，制成磨擦試驗(yàn)用的試件，試件的直徑為150 mm，厚度為50 mm。在MM?1000Ⅱ試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)偶材料為20CrMnTiVA鋼。測(cè)定銅基閘片材料在不同制動(dòng)速度下(制動(dòng)壓力P=0.96 MPa，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=0.192 N/(m·s2))的摩擦因數(shù)μ和質(zhì)量磨損量以及穩(wěn)定系數(shù)。摩擦因數(shù)計(jì)算公式為：μ=I·ω·2P·RG·t(式中：ω為開始制動(dòng)時(shí)實(shí)驗(yàn)機(jī)主軸的角速度；RG為試件摩擦力合力作用點(diǎn)的半徑，可通過摩擦力矩計(jì)算；t為制動(dòng)時(shí)間)。磨損量為相同制動(dòng)條件下3次制動(dòng)試驗(yàn)的磨損質(zhì)量平均值。根據(jù)材料的平均摩擦因數(shù)μ和最大摩擦因數(shù)μmax，利用公式α= μ/μmax計(jì)算摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)。磨損試驗(yàn)過程中用熱電偶測(cè)試試樣的表面溫度。試驗(yàn)結(jié)束后用JSM-6600LV掃描電鏡(SEM)觀察摩擦表面的顯微組織。

2 結(jié)果與分析

2.1 組織形貌

圖1所示為銅基閘片材料的SEM形貌。閘片材料的性能列于表2。圖1中深色相為Cu基體相，細(xì)小的淺色相為SiO2、Al2O3和CaF2等硬質(zhì)顆粒，均勻彌散分布在基體中。

2.2 摩擦因數(shù)與表面溫度

圖1 銅基閘片材料的顯微組織Fig.1 Metallograph of Cu-based brake materials

表2 銅基閘片材料的性能Table 2 Properties of the Cu-based brake materials

圖2 摩擦因數(shù)和摩擦表面溫度隨制動(dòng)速度的變化關(guān)系Fig.2 Variation of friction coefficient and temperature with braking speed

圖2 所示為銅基閘片材料的摩擦因數(shù)與摩擦表面溫度隨制動(dòng)速度的變化。隨制動(dòng)速度從120 km/h提高到180 km/h，材料的摩擦因數(shù)變化不大，在0.41~0.46之間波動(dòng)。摩擦表面溫度隨制動(dòng)速度增大而升高，制動(dòng)速度不超過180 km/h時(shí)，摩擦表面溫度不高，材料的組織幾乎不受影響，銅基體的硬度略有下降，表面微凸的SiO2和Al2O3等硬質(zhì)顆粒，使克服摩擦表面嚙合作用所需的力矩增大，故摩擦因數(shù)較高[13]。當(dāng)制動(dòng)速度為160 km/h時(shí)，雖然摩擦表面溫度為296 ℃，超過材料中Sn的熔點(diǎn)(230 ℃)，熔化的Sn通過孔隙滲出到材料表面，形成潤滑膜，導(dǎo)致摩擦因數(shù)下降，但潤滑導(dǎo)致的摩擦因數(shù)下降效果遠(yuǎn)小于SiO2和Al2O3等硬質(zhì)顆粒造成力矩增大的效果，因此，材料的摩擦因數(shù)較高。當(dāng)制動(dòng)速度為200 km/h時(shí)，摩擦表面溫度達(dá)到398 ℃，在摩擦表面形成Sn和Pb(熔點(diǎn)325 ℃)的潤滑膜，使摩擦因數(shù)顯著下降到0.32；此外由于制動(dòng)速度高，摩擦材料表面產(chǎn)生的塑性變形及顆粒壓入，使得材料表面孔隙減少，摩擦副的接觸面積增大，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低[14]。

圖3所示為不同制動(dòng)速度下銅基閘片材料的摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)。由圖可見，該材料的摩擦穩(wěn)定系數(shù)較高，在0.9以上，而且隨制動(dòng)速度增大，穩(wěn)定系數(shù)變化不大。這主要是因?yàn)椴牧媳砻婀饣矣捕雀?、耐磨性好，致使材料的表面狀態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)制動(dòng)速度超過180 km/h時(shí)，因摩擦表面溫度升高，形成較多的液體潤滑相和氧化物薄膜，導(dǎo)致摩擦因數(shù)穩(wěn)定性下降。

圖3 制動(dòng)速度對(duì)摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)的影響Fig.3 Influence of braking speed on stability coefficient of friction coefficient

2.3 磨損量

圖4所示為制動(dòng)速度對(duì)材料質(zhì)量磨損量的影響。由圖可見，制動(dòng)速度為120 km/h時(shí)，由于材料表面粗糙，摩擦面的實(shí)際接觸面積較小，摩擦不明顯，所以磨損量較??；制動(dòng)速度從120增大到140 km/h時(shí)，磨損量顯著增加，這是由于制動(dòng)速度增加導(dǎo)致摩擦表面溫度升高，基體硬度下降，因而材料的耐磨性能下降；隨制動(dòng)速度進(jìn)一步增大，由于摩擦表面溫度進(jìn)一步升高，形成石墨潤滑膜和其它潤滑物膜，材料磨損量減少，但這些潤滑膜減輕磨損的作用小于高溫氧化增加磨損的作用，從而使材料磨損量持續(xù)增加，制動(dòng)速度達(dá)到180 km/h時(shí)，磨損量增加到119 mg；當(dāng)制動(dòng)速度從180增加到200 km/h時(shí)，磨損量基本不變，這是因?yàn)槟Σ帘砻鏈囟雀邥r(shí)，表面摩擦產(chǎn)生的潤滑層第三體流動(dòng)性增加，同時(shí)在摩擦表面形成的塑性變形層相當(dāng)于表面膜，阻止磨損的進(jìn)一步加劇，所以磨損量趨于穩(wěn)定。

圖5所示為不同制動(dòng)速度下閘片材料的摩擦表面形貌。制動(dòng)速度較小時(shí)，一方面，由于材料表面粗糙，摩擦面的實(shí)際接觸面積較小，摩擦不明顯。另一方面，由于摩擦表面溫度低，基體硬度高，表面SiO2和Al2O3等硬質(zhì)顆粒牢固地鑲嵌在銅基體上，起到高硬度和耐磨的作用，此時(shí)的磨損機(jī)理主要為疲勞磨損[15]，材料表面在摩擦力作用下，銅基體與第二相硬質(zhì)點(diǎn)的界面產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著摩擦的進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展，使材料表面局部脫落形成凹坑(如圖5(a)和(b)所示)。隨制動(dòng)速度增大，由于摩擦表面的微凸起被摩平，摩擦表面以黏著磨損為主；同時(shí)由于摩擦表面溫度上升造成基體軟化，基體對(duì)SiO2和Al2O3等硬質(zhì)顆粒的挾持能力減小，硬質(zhì)顆粒易脫落，作為摩擦面上的磨料對(duì)銅基摩擦材料的基體產(chǎn)生磨粒磨損，形成犁溝(如圖5(c)和(d)所示)。制動(dòng)速度繼續(xù)增加至200 km/h時(shí)，一方面，高速制動(dòng)時(shí)摩擦面溫度升高使摩擦表面氧化嚴(yán)重，造成氧化磨損；另一方面，高速制動(dòng)后的磨損表面有大量氧化物，在摩擦力作用下，氧化物顆粒脫落，又加速磨粒磨損。因此高速制動(dòng)的磨損量大大高于低速制動(dòng)(如圖5(e)所示)。

圖5 不同制動(dòng)速度下銅基閘片材料摩擦表面的SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of friction surface of Cu-based brake materials at different braking speeds (a) 120 km/h; (b) 140 km/h; (c) 160 km/h; (d) 180 km/h; (e) 200 km/h

圖6 不同制動(dòng)速度下銅基閘片縱截面的SEM形貌Fig.6 SEM morphologies of the longitudinal cross-section of Cu-based brake materials at different braking speeds (a) 120 km/h; (b) 140 km/h; (c) 160 km/h; (d) 180 km/h; (e) 200 km/h

圖6 所示為不同制動(dòng)速度下閘片截面的SEM形貌。在低速制動(dòng)時(shí)(如圖6(a)和(b)所示)，材料表面受到摩擦的作用，表層和內(nèi)層都略有變化。深色相為銅相，含有大量顆粒狀物質(zhì)，未見明顯的塑性變形和裂紋。隨制動(dòng)速度增加(如圖6(c)和(d)所示)，摩擦表層溫度升高，嚴(yán)重變形區(qū)和流變區(qū)逐漸加寬。在摩擦相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，切向力與法向力通過表面凸起的剪切與粘著作用相互傳遞。同時(shí)，由于表面溫度升高，表面凸起吸取更多熱能，塑性變形能在基體表面不斷積累[16]，制動(dòng)速度越大，溫度越高，這種作用越明顯。隨著塑性變形能的積累，裂紋在表層產(chǎn)生、擴(kuò)展，形成磨屑剝落。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至200 km/h時(shí)，溫度升至398 ℃，表層顆粒完全破碎，變形層厚度由23 μm增至43 μm。變形區(qū)變形程度更嚴(yán)重，流變區(qū)加寬，顆粒拉長，形成編織結(jié)構(gòu)，多處可見較大較寬的微孔和疲勞裂紋。

3 結(jié)論

1) 銅基粉末冶金閘片材料在制動(dòng)速度不超過180 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)在0.41~0.46之間波動(dòng)，穩(wěn)定系數(shù)為0.908~0.973。制動(dòng)速度高于180 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)顯著下降，制動(dòng)速度為200 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)降至0.32，穩(wěn)定系數(shù)也降至0.908以下。隨制動(dòng)速度從120 km/h增大到180 km/h，材料的磨損量持續(xù)增加，進(jìn)一步提高制動(dòng)速度時(shí)，磨損量趨于穩(wěn)定。

2) 在摩擦力作用下，制動(dòng)速度為120 km/h時(shí)材料表面為疲勞磨損；制動(dòng)速度為160 km/h時(shí)以黏著磨損為主，同時(shí)還有磨粒磨損；制動(dòng)速度為200 km/h時(shí)摩擦面溫度升高使摩擦表面氧化嚴(yán)重，造成氧化磨損。

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(編輯 湯金芝)

Effect of braking speed on friction property of copper-based powder metallurgy brake materials

WANG Yi1, LIU Tiejun1, ZHU Jun2, MA Qiang2
(1. Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450046, China; 2. School of Mechanics, Civil Engineering and Architecture, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China)

The copper-based powder metallurgy train brake material was fabricated using Sn+SiO2+Al2O3+CaF2as the friction component and the graphite+Pb as the lubrication component. The friction test was carried out on a MM-1000Ⅱfriction tester. The friction coefficient, wear mass and surface temperature of the material with the speed braking in the range of 120?200 km/h were measured. The friction surface morphology was observed. The effect of braking speed on the friction property of the copper-based powder metallurgy material was also studied. The results show that the friction coefficient of the pad material fluctuates between 0.41?0.46 with the braking speed increasing from 120 to 180 km/h. But when the braking speed exceeds 180 km/h, the friction coefficient decreases to 0.32 and the friction coefficient is stable and overall good. The wear amount of the material increases with increasing braking speed, and the wear amount reaches 119 mg when the braking speed reaches 180 km/h and tends to be stable. The wear mechanisms of the materials are mainly fatigue wear under low speed braking and abrasive wear and oxidation wear under high speed braking.

copper-based brake materials; powder metallurgy; braking speed; friction; wear; microstructure

TG46.2

A

1673-0224(2017)03-366-06

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010ZF56016)；河南省基礎(chǔ)與前沿基金資助項(xiàng)目(072300440080，11230041003，152300410125)；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(082102210016，152102210348，162102210089)

2016?07?10；

2016?10?10

王毅，副教授，博士。電話：13838028757；E-mail: wyxxhn@126.com