孫洪雨，馬元明，陳輝，劉艷，吳影，岑升波，吳啟超

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高速列車制動(dòng)材料高溫摩擦磨損行為研究

孫洪雨1，馬元明2，陳輝2*，劉艷2，吳影2，岑升波2，吳啟超2

（1.中車株州電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001； 2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

高速列車制動(dòng)盤制動(dòng)時(shí)的高溫摩擦磨損是導(dǎo)致制動(dòng)盤失效的原因之一，針對(duì)高速列車制動(dòng)材料，設(shè)計(jì)了4種不同溫度梯度（25℃、200℃、400℃、600℃）的摩擦磨損試驗(yàn)。以制動(dòng)閘片材料作為銷試樣、制動(dòng)盤材料做為盤試樣，進(jìn)行銷－盤式摩擦磨損試驗(yàn)。結(jié)果表明：25℃和400℃條件下都具有較高的摩擦系數(shù)，但是兩種溫度下的磨損類型不同；25℃條件下盤試樣的磨損量和表面粗糙度均最大，以磨粒磨損為主，盤表面有明顯犁溝現(xiàn)象；200℃條件盤試樣表面平整，摩擦系數(shù)和失重量均最小，摩擦面有部分片狀石墨起到潤(rùn)滑作用；600℃盤試樣出現(xiàn)負(fù)磨損，氧化磨損和黏著磨損同時(shí)存在。

制動(dòng)盤；制動(dòng)閘片；摩擦磨損

列車制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤是保證車輛運(yùn)行安全的重要制動(dòng)部件[1]。目前動(dòng)車采用的兩種主要制動(dòng)方式是摩擦制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)，其中動(dòng)力制動(dòng)只在動(dòng)車車軸使用，而摩擦制動(dòng)則在動(dòng)車和拖車車軸上都有應(yīng)用。制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤材料之間的摩擦性能對(duì)列車制動(dòng)起著關(guān)鍵性的作用[2-3]。在時(shí)速200 km/h或更高速的制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤發(fā)生摩擦，制動(dòng)盤瞬間吸收的熱可將制動(dòng)盤摩擦面溫度升高到600℃甚至更高[4-5]。列車制動(dòng)盤在制動(dòng)過(guò)程中的受熱是一個(gè)非常值得考慮的問(wèn)題[6-8]。

Saeed Abbasi[9]在進(jìn)行銷盤式摩擦磨損時(shí)發(fā)現(xiàn)磨損量的減小與摩擦接觸面形成的一層穩(wěn)定的氧化膜有關(guān)，通過(guò)數(shù)值模擬建立了銷盤式摩擦試驗(yàn)在連續(xù)多場(chǎng)耦合的熱彈性分析中熱量分配系數(shù)的預(yù)測(cè)模型。朱旭光等[10]在對(duì)銅基制動(dòng)閘片的摩擦磨損研究中發(fā)現(xiàn)，一定的制動(dòng)速度條件下，增大制動(dòng)壓力，摩擦系數(shù)先增大后減小，磨損率逐步增加并趨于穩(wěn)定。韓曉明等[11]進(jìn)行了摩擦速度對(duì)銅基摩擦材料摩擦磨損性能的研究，結(jié)果表明，摩擦表面會(huì)由致密的第三體覆蓋，隨速度的增加第三體的易流動(dòng)性具有潤(rùn)滑和平滑作用，降低了摩擦系數(shù)。

圖1為制動(dòng)盤在使用過(guò)程中盤表面的磨損情況，這種磨損與制動(dòng)過(guò)程中的溫度有著必然聯(lián)系。

圖1 裝車使用后制動(dòng)盤的磨損情況

針對(duì)制動(dòng)盤/片的常溫摩擦磨損性能，國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在制動(dòng)壓力、摩擦速度對(duì)摩擦磨損性能的影響，對(duì)高溫摩擦磨損性能研究較少，而且主要集中在制動(dòng)盤材料或者制動(dòng)閘片材料單方面的考慮，沒(méi)有將制動(dòng)盤/片做為一對(duì)摩擦副來(lái)同時(shí)研究分析，因此本文工作主要目的在于通過(guò)研究在不同溫度條件下的制動(dòng)盤材料和制動(dòng)閘片之間的摩擦磨損性能，深入了解制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片在制動(dòng)受熱時(shí)的摩擦行為，尤其是針對(duì)現(xiàn)有的制動(dòng)盤材料和制動(dòng)閘片組成的摩擦副在不同溫度下的摩擦磨損行為，以期為深入研究制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片摩擦磨損行為提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中的銷試樣取自制動(dòng)閘片，為銅基粉末冶金材料燒結(jié)而成，其中Cu為基體材料，Cr、Fe為耐磨組元，石墨為潤(rùn)滑組元，化學(xué)成分如表1所示。盤試樣取自制動(dòng)盤材料，為GS24CrNiMo445V鑄鋼材料，金相組織如圖2所示，組織為保持板條馬氏體位向的回火索氏體。制動(dòng)盤材料的力學(xué)性能如表2所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)w%）

注：＂－＂表示不含該元素。

1.2 試驗(yàn)方法

高溫摩擦磨損試驗(yàn)在MMU-5G屏顯式高溫端面磨損試驗(yàn)機(jī)上完成，采用銷－盤式滑動(dòng)干摩擦，由兩根圓柱狀銷試樣和一個(gè)盤試樣組成一對(duì)摩擦副，如圖3所示。盤試樣取自列車制動(dòng)盤，尺寸為43×3 mm；銷釘試樣取自制動(dòng)閘片，尺寸為4×14 mm。試驗(yàn)環(huán)境為大氣、干摩擦，壓強(qiáng)為1.07 MPa，轉(zhuǎn)速為1096 r/min，摩擦?xí)r間為10 min，試驗(yàn)溫度分別為25℃、200℃、400℃、600℃，每個(gè)溫度條件下做三組平行試驗(yàn)。

采用VK-9710激光共聚焦顯微鏡（Laser Scanning Confocal Microscopy，LSCM）觀察磨損表面的形貌，圖像采用VK Analyzer軟件進(jìn)行處理，并統(tǒng)計(jì)出盤試樣摩擦面的粗糙度。磨痕微觀形貌采用日本電子JSM-6390LV掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察，盤試樣摩擦面的元素成分采用美國(guó)EDAX公司GENESIS 2000 XMS型X－射線能譜儀（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）測(cè)試。硬度測(cè)試采用HVS-30數(shù)顯維氏硬度計(jì)，載荷為10 kg，保荷時(shí)間為15 s，硬度點(diǎn)布局沿盤試樣半徑每0.5 mm一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，摩擦區(qū)域不做測(cè)量。磨損失重量用Sartorius CPA225D分析天平測(cè)量，精度為0.01 mg。

圖2 摩擦材料的金相組織

表2 盤試樣的力學(xué)性能

圖3 銷－盤式摩擦磨損示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖4給出了4種不同溫度條件下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線和磨損失重量。摩擦系數(shù)反映摩擦副之間接觸應(yīng)力的大小，摩擦系數(shù)大說(shuō)明摩擦副之間存在著較大的接觸應(yīng)力，從而摩擦系數(shù)也間接反映了摩擦副接觸區(qū)的潤(rùn)滑或者形成穩(wěn)定的摩擦保護(hù)膜等情況[12-13]。

從圖4（a）可看出，25℃條件下的摩擦系數(shù)最高，在0.61～0.69之間；400℃下的摩擦系數(shù)為0.47～0.53，僅次于25℃條件下的；600℃條件下的摩擦系數(shù)在試驗(yàn)初始階段最小，在55 s至410 s的試驗(yàn)過(guò)程中600℃的摩擦系數(shù)是逐漸升高，410 s至試驗(yàn)結(jié)束，摩擦系數(shù)平穩(wěn)在0.51左右，這是因?yàn)樵谀p的初始階段，兩個(gè)試樣表面在高溫作用下，表面生成了一層氧化膜，對(duì)摩擦過(guò)程起到潤(rùn)滑作用，摩擦系數(shù)小，隨著磨損的進(jìn)行，氧化膜破裂，新鮮的金屬表面裸露出來(lái)，在高溫和重復(fù)摩擦的過(guò)程中，盤試樣和銷試樣兩個(gè)表面發(fā)生黏合，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不斷增加。劉佐民[14]研究發(fā)現(xiàn)金屬材料在高于400℃的條件下由于摩擦熱和環(huán)境溫度的共同作用，摩擦接觸界面呈半熔融狀態(tài)，隨著滑動(dòng)摩擦而形成一層“金屬膜”致使摩擦系數(shù)降低，摩擦過(guò)程平穩(wěn)。200℃時(shí)的摩擦系數(shù)在4個(gè)溫度梯度試驗(yàn)中相對(duì)最低，且摩擦系數(shù)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先降低后升高，最后穩(wěn)定在0.38左右。

圖4 不同溫度下的摩擦系數(shù)和磨損失重

從圖4（b）可看出，在25℃時(shí)盤試樣的失重量最大，約為其他溫度條件下的三倍以上，隨著試驗(yàn)溫度的升高，盤試樣的失重量明顯減小，在600℃條件下盤的失重表現(xiàn)出了“負(fù)磨損”。一般對(duì)于“負(fù)磨損”的解釋一種是摩擦過(guò)程中對(duì)偶材料（制動(dòng)閘片）黏附于盤試樣，第二種是高溫加之大氣介質(zhì)使得盤試樣表面被氧化使得盤試樣質(zhì)量增加，再者即是兩種效果的疊加[15]。

由圖5可知，經(jīng)過(guò)不同溫度條件下的磨損之后，盤試樣硬度隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低。這是因?yàn)樵诟邷貤l件下，材料會(huì)發(fā)生回火軟化、回復(fù)再結(jié)晶等過(guò)程，從而導(dǎo)致材料硬度下降。在R. S. Lee的研究[16]中做了SKD61模具鋼在100～500℃的硬度試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)SKD61鋼硬度與溫度關(guān)系式為：

式中：H為硬度，HV，是溫度的減函數(shù)，結(jié)果顯示硬度隨著溫度的升高而減??；T為開(kāi)爾溫度，K。

2.2 磨損形貌

圖6為盤試樣摩擦面激光共聚焦圖片，結(jié)合盤試樣摩擦面粗糙度的統(tǒng)計(jì)（圖7）進(jìn)一步分析4種溫度條件下摩擦磨損情況。

由圖6可知，25℃條件下的摩擦過(guò)程中盤試樣的基體被切削而產(chǎn)生明顯的犁溝；在200℃和400℃條件下盤試樣的摩擦表面平整；600℃試驗(yàn)的盤試樣表面粗糙，有明顯的黏著磨損跡象。由圖7可知，25℃條件下盤試樣表面最粗糙，200℃的粗糙度最小，400℃和600℃的粗糙度值比25℃的小、比200℃的大，其中600℃的粗糙度高于400℃的。將此粗糙度與摩擦系數(shù)（圖4（a））的大小關(guān)系對(duì)比發(fā)現(xiàn)，粗糙度越大，摩擦系數(shù)越高（如25℃）；粗糙度越小，摩擦系數(shù)越小（如200℃）。而在600℃由于在高溫作用下氧化膜的形成與破裂導(dǎo)致摩擦系數(shù)在磨損過(guò)程中不斷升高，且在600℃條件下發(fā)生了嚴(yán)重的黏著磨損造成的盤試樣粗糙度高于400℃的粗糙度。從制動(dòng)盤材料的磨損情況來(lái)考慮，在200℃和400℃條件下的盤試樣磨損量和摩擦面粗糙度都很小，盤試樣表面平整，無(wú)嚴(yán)重犁溝、黏著或剝層開(kāi)裂現(xiàn)象；因此，在制動(dòng)盤材料與制動(dòng)閘片材料形成的摩擦副，摩擦表面粗糙度與摩擦系數(shù)有一定的關(guān)系。200℃和400℃條件下盤試樣和銷試樣的摩擦磨損性能匹配較好。

圖6 不同試驗(yàn)溫度下盤試樣摩擦面的激光共聚焦照片（200×）

從列車制動(dòng)角度、出于行車安全的考慮，對(duì)列車緊急制動(dòng)距離有嚴(yán)格的限定范圍，并且國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）針對(duì)高速列車盤式制動(dòng)的摩擦系數(shù)波動(dòng)范圍提出了明確的上下限規(guī)定[17]。如圖8所示，由各溫度條件下的摩擦系數(shù)可知，200℃的摩擦系數(shù)太小并且波動(dòng)較大，而400℃時(shí)的摩擦系數(shù)在此波動(dòng)范圍之內(nèi)，且該溫度下盤試樣的磨損量很小，為此在制動(dòng)盤/片的材料研究過(guò)程中可將制動(dòng)盤的制動(dòng)最高溫度作為一個(gè)控制指標(biāo)，將其控制在400℃左右，可獲得穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和良好的磨損性能。

圖7 盤試樣摩擦面的粗糙度

圖8 國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）對(duì)300 km/h高速列車瞬時(shí)摩擦系數(shù)波動(dòng)范圍的規(guī)定（制動(dòng)能量17.8 MJ）

結(jié)合激光共聚焦照片和粗糙度統(tǒng)計(jì)不難發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤材料在25℃和600℃條件試驗(yàn)之后盤試樣的摩擦面都相對(duì)粗糙，但是由激光共聚焦的照片來(lái)看，形成盤試樣摩擦面粗糙的方式各有不同。在25℃摩擦盤試樣的較大粗糙度主要是因?yàn)楸P試樣表面被切削而形成犁溝；在600℃摩擦盤試樣較大粗糙度則是因?yàn)樽鳛殇N試樣的制動(dòng)閘片在摩擦盤表面形成嚴(yán)重黏著。

圖9為盤試樣在不同溫度下試驗(yàn)后摩擦面的SEM形貌，25℃條件下沿著磨損方向有明顯的犁溝形貌，由EDS分析可知，磨損表面有很少量的Cu元素存在，制動(dòng)閘片為銅基粉末冶金材料，其中耐磨組元為Cu－Cr－Fe合金顆粒，磨損表面上的Cu元素可能是磨損過(guò)程中閘片上的Cu－Cr－Fe顆粒作為第三體磨粒對(duì)盤試樣進(jìn)行切削殘留在摩擦表面上的。由此推斷在25℃時(shí)的材料去除機(jī)理主要為磨粒磨損。200℃條件下的摩擦表面平整，未出現(xiàn)犁溝或黏銅現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)EDS分析表面有許多零碎的石墨片，由制動(dòng)閘片的化學(xué)成分（表1）可知，閘片中含有52.40%的C元素。其實(shí)閘片中的C以石墨的形式均勻分布于銅基燒結(jié)材料中，充當(dāng)潤(rùn)滑組元的成分。片狀游離態(tài)的石墨具有六方晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在摩擦磨損過(guò)程中能夠在金屬表層形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，對(duì)制動(dòng)閘片的耐磨性和平穩(wěn)性起到重要作用[18]，同時(shí)結(jié)合200℃時(shí)的摩擦系數(shù)整體為最?。▓D4（a））、盤試樣磨損失重量（圖4（b））也很小，所以在200℃條件下制動(dòng)盤試樣和閘片試樣之間的摩擦磨損過(guò)程既不損傷制動(dòng)盤也不損耗閘片材料。400℃和600℃條件下（圖9（c）和（d））的盤試樣表面有明顯磨痕，并且有大量Cu元素存在，說(shuō)明在400℃甚至更高溫度下銷試樣的Cu原子運(yùn)動(dòng)變得非常活潑，在環(huán)境溫度和摩擦熱條件下，加之摩擦過(guò)程中應(yīng)力的存在，Cu原子向盤試樣發(fā)生了遷移。其實(shí)，溫度高于300℃時(shí)銅基材料的強(qiáng)度會(huì)明顯下降[19]，抵抗塑性變形的能力顯著下降，而作為盤試樣的制動(dòng)盤材料強(qiáng)度高于銅基閘片材料，導(dǎo)致在摩擦過(guò)程中閘片材料向制動(dòng)盤材料轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。由此可推斷在400℃和600℃時(shí)都發(fā)生了黏著磨損。

400℃盤試樣表面經(jīng)EDS分析有鐵的氧化物顆粒存在，O元素含量明顯比25℃和200℃條件下的高，所以400℃黏著磨損和氧化磨損同時(shí)存在。600℃時(shí)盤試樣有熔融和塑性變形的跡象，黏著層出現(xiàn)破裂分層（圖9（d））。在600℃的環(huán)境溫度下，加之摩擦過(guò)程中的摩擦熱，銅基閘片材料的溫度急劇升高，甚至達(dá)到材料的熔點(diǎn)，所以銅基燒結(jié)閘片材料的銷試樣向制動(dòng)盤材料盤試樣嚴(yán)重黏著[20]。在摩擦過(guò)程中當(dāng)黏著層過(guò)厚，與盤試樣結(jié)合強(qiáng)度較低時(shí)發(fā)生開(kāi)裂斷層、脫落，使得摩擦面粗糙，摩擦磨損環(huán)境愈加惡劣，也說(shuō)明了600℃摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而逐漸升高的現(xiàn)象。

圖9 不同試驗(yàn)溫度下盤試樣摩擦面SEM形貌

3 結(jié)論

（1）制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片組成的摩擦副在25℃和400℃都表現(xiàn)出了較高的摩擦系數(shù)，200℃的摩擦系數(shù)最小，25℃時(shí)的磨損量最大，隨著溫度的升高，磨損量降低，600℃盤試樣出現(xiàn)負(fù)磨損。

（2）制動(dòng)盤材料摩擦面的硬度隨著磨損溫度的升高而降低。

（3）25℃時(shí)摩擦面犁溝明顯，磨粒磨損為主；400℃發(fā)生了氧化和黏著但是具有較高的摩擦系數(shù)；600℃氧化磨損和黏著磨損同時(shí)存在，制動(dòng)閘片材料向盤試樣發(fā)生轉(zhuǎn)移，盤試樣表面有熔融和塑性變形的跡象，轉(zhuǎn)移較厚的金屬膜出現(xiàn)開(kāi)裂和脫落。

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Friction and Wear Characteristics of Train Brake Materials at High Temperature

SUN Hongyu1，MA Yuanming2，CHEN Hui2，LIU Yan2，WU Ying2，CENShengbo2，WU Qichao2

( 1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China; 2.Department of Material Science & Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

High temperature friction and wear during braking is one of the reasons leading to the failure of brake disc. In order to study the friction and wear characteristics of the train braking materials at different temperatures, tests have been designed at temperatures of 25℃, 200℃, 400℃ and 600℃. The brake pad material is used as the pin specimen and the brake disc material is used as the disc specimen for pin-disc friction wear testing. The results indicate that the friction coefficient and wear rate are higher at 25℃ and 400℃. However, the wear types at the two temperatures are different. The wear and the surface roughness of the disc samples were the highest at 25℃, with abrasive wear as the dominant type and obvious furrow on the disc surface. The surface roughness, friction coefficient and the lost weight of the specimen are the smallest at 200℃, with some flake graphite on the friction surface playing the role of lubrication. Negative wear, oxidative wear and adhesive wear exist simultaneously on the disk specimen at 600℃.

brake disc；brake pad；friction and wear

U260.35；TH117.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.002

1006－0316 (2018) 10－0005－06

2018－01－17

國(guó)家自然科學(xué)基金（51474178、51505393）

孫洪雨（1985－），男，黑龍江綏化人，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)闃?gòu)架焊接。

陳輝（1970－），男，四川南充人，博士，教授，主要研究方向?yàn)楦咚勹F路焊接及表面工程、高速重載鐵路關(guān)鍵耐磨材料。