張興旺，王明智，陳澍軍

（1 中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山 063035；2 燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004）

隨著我國(guó)高速鐵路的不斷發(fā)展，列車的提速對(duì)制動(dòng)材料提出了更高的要求。目前，高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置通常采用盤形制動(dòng)，利用制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)減速或停車。在制動(dòng)過程中，制動(dòng)閘片不僅要承受高溫、高壓、沖擊載荷和交變應(yīng)力等綜合作用，同樣需要有足夠的機(jī)械性能和穩(wěn)定的摩擦系數(shù)；并且隨著列車速度的提升，制動(dòng)負(fù)荷也越來越大，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱能及熱沖擊也大大增加［1］。這對(duì)制動(dòng)閘片摩擦材料帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)：傳統(tǒng)材料逐漸無法滿足當(dāng)前軌道交通發(fā)展帶來的需求，軌道交通新材料的應(yīng)用已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。開展新材料的研究，突破復(fù)興號(hào)動(dòng)車組的核心技術(shù)和關(guān)鍵部件、加快關(guān)鍵部件的創(chuàng)新深化研究成為當(dāng)務(wù)之急。

圖1 高速列車制動(dòng)閘片外形

1 傳統(tǒng)粉末冶金制動(dòng)閘片

1.1 材料組成

高速列車制動(dòng)閘片為銅基粉末冶金摩擦材料。粉末冶金摩擦材料由基體組元、潤(rùn)滑組元和摩擦組元3 部分組成［2］。

基體組元對(duì)于材料的力學(xué)性能和摩擦性能至關(guān)重要；粉末冶金摩擦材料中，基體組元保證了材料的承載能力、熱穩(wěn)定性及耐磨性，其作用機(jī)理是以機(jī)械結(jié)合方式將摩擦顆粒和潤(rùn)滑劑保持于其中，形成具有一定力學(xué)性能的整體。另外，基體作為承受載荷和傳導(dǎo)熱量主體，還為摩擦熱的逸散提供了主要通道。由于單一的銅基體力學(xué)強(qiáng)度不高，摩擦性能不穩(wěn)定，因此在實(shí)際運(yùn)用中通常使用合金基體，在基體組元中添加強(qiáng)化元素，如Ni、Fe、Sn、Ti 等形成金屬固溶強(qiáng)化，能夠增強(qiáng)基體，穩(wěn)定摩擦因數(shù)，改善熱傳導(dǎo)性能［3］。

潤(rùn)滑組元主要用來起固體潤(rùn)滑的作用，它可以提高粉末冶金材料的工作穩(wěn)定性、減小材料的磨損。雖然它們使摩擦力減弱，但是可降低摩擦表面的摩擦熱，以避免產(chǎn)生高溫。通常選用具有層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)作為固體潤(rùn)滑劑，首選的有石墨、MoS2，其次還有六方氮化硼。摩擦材料中的潤(rùn)滑組元一般占摩擦材料質(zhì)量的5%～25%，含量越多，材料的耐磨性能越好，摩擦系數(shù)也越小，但過量的潤(rùn)滑組元?jiǎng)t會(huì)使得材料的摩擦系數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度降低［4］。

摩擦組元的主要作用是補(bǔ)償固體潤(rùn)滑劑的影響及在不損害摩擦表面的前提下增加滑動(dòng)阻力，提高摩擦系數(shù)。摩擦組元能切削轉(zhuǎn)移到對(duì)偶面上的堆積物和氧化物，保持對(duì)偶表面的清潔，穩(wěn)定摩擦系數(shù)。摩擦組元應(yīng)具有硬度高、熱穩(wěn)定性好以及對(duì)摩擦表面的擦傷小等特點(diǎn)，常用的摩擦組元有高熔點(diǎn)金屬（如Cr 及Mo）粉末、金屬氧化物（如Al2O3、TiO2及ZrO2）、氮化物（TiN）、碳化物（TiC）、SiO2以 及SiC 等。

1.2 存在的問題

隨著列車速度的提升，進(jìn)行有效制動(dòng)時(shí)帶來的制動(dòng)熱量很高。這部分熱量作用到制動(dòng)閘片上，閘片表面瞬態(tài)溫度有時(shí)可達(dá)1 000 ℃。傳統(tǒng)的銅基粉末冶金摩擦材料，以石墨作為潤(rùn)滑組元，在高速時(shí)能夠起到穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用；但是石墨的高溫抗氧化能力較差，在450 ℃左右開始氧化，并且隨著溫度的升高氧化加劇。

另外，制動(dòng)熱負(fù)荷及能量負(fù)荷對(duì)基體的高溫強(qiáng)度提出更高的要求。由于粉末冶金摩擦材料中通常含有大量的非金屬顆粒，這些非金屬顆粒與金屬基體的相互作用較小，結(jié)合強(qiáng)度不高，潤(rùn)濕性較差，使得基體金屬之間的連接不完整，基體強(qiáng)度無法得到有效保證。在超高熱負(fù)荷的沖擊下，摩擦材料金屬基體和硬質(zhì)的陶瓷顆粒結(jié)合力降低，在摩擦過程中顆粒就會(huì)從材料表面脫落，脫落下來的顆粒夾在摩擦面上產(chǎn)生磨粒磨損，造成摩擦材料磨損加劇。

無論是潤(rùn)滑組元石墨的氧化還是金屬基體強(qiáng)度的降低，都會(huì)削弱粉末冶金閘片的摩擦性能，增加閘片的磨耗，影響列車行駛安全。

2 新材料的研究

2.1 Ti3SiC2 新材料

分析我國(guó)以往的粉末冶金閘片研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)的銅基摩擦材料來說，基體組元含量控制著摩擦材料的機(jī)械性能，基體金屬含量高，有利于增加材料的韌性，但是由于高速列車緊急制動(dòng)造成的摩擦表面溫度常常高于600 ℃，使得基體金屬發(fā)生高溫軟化，容易在摩擦表面形成黏著，造成磨損加劇、摩擦系數(shù)波動(dòng)程度大；通過高硬度的粒子在摩擦表面阻磨作用，可以產(chǎn)生高的摩擦系數(shù)，但是對(duì)于高阻摩材料，摩擦組元含量的提高會(huì)使材料孔洞、微裂紋、非焊合顆粒界面等缺陷增加，降低了材料的韌性；對(duì)于潤(rùn)滑組元來說，高的含量能夠使得高速列車制動(dòng)閘片的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在一個(gè)很大的速度范圍內(nèi)，但是G、MoS2等潤(rùn)滑劑一方面自身強(qiáng)度很低，另一方面不利于材料間的焊合，降低了材料的力學(xué)性能。因此，如何調(diào)整基體金屬的比例，改善基體金屬合金化，使基體具有抗高溫軟化能力；如何調(diào)整摩擦劑和潤(rùn)滑劑的比例，以獲得高而穩(wěn)定并且較低磨損率的摩擦材料，成為當(dāng)今高速列車制動(dòng)閘片的研究重點(diǎn)。

三元層狀化合物Ti3SiC2是新型可加工陶瓷材料MAX 相的典型代表，具有與石墨類似的層狀結(jié)構(gòu)和自潤(rùn)滑性，其導(dǎo)熱性能優(yōu)異；更重要的是，它具有很好的抗熱震性和優(yōu)于片狀石墨的高溫抗氧化能力［5］。Ti3SiC2材料的斷口形貌如圖2 所示，從圖2 中可以看出明顯的片層狀Ti3SiC2晶粒。圖2（a）中能夠看到結(jié)晶良好的Ti3SiC2晶體，晶體為板狀結(jié)構(gòu)。基于Ti3SiC2化合物的優(yōu)異性能，結(jié)合當(dāng)前銅基粉末冶金摩擦材料的研究方向，設(shè)想如果將MAX 相化合物顆粒添加到銅基粉末冶金閘片材料中，一方面可以起顆粒增強(qiáng)作用，另一方面還可以起到固體潤(rùn)滑劑的作用。因此，以Ti3SiC2替代石墨在高溫摩擦工況下具有很好的應(yīng)用前景。

圖2 Ti3SiC2 斷口形貌

2.2 Ti3SiC2 制作粉末冶金閘片研究

2.2.1 Ti3SiC2 與Cu 的 結(jié) 合

銅基粉末冶金摩擦材料作為一種復(fù)雜的多元復(fù)合材料，探究其中某一組元對(duì)其整體性能的影響比較困難，其中涉及到多組分的物理及化學(xué)反應(yīng)。作為傳統(tǒng)潤(rùn)滑組元的石墨和銅基體沒有反應(yīng)，石墨與基體的連接很差，另外，石墨和銅粉的密度相差很大。因此，為了排除復(fù)合材料中其他組元的干擾，以潤(rùn)滑組元為研究重點(diǎn)，研究將Ti3SiC2作為潤(rùn)滑組元對(duì)銅整體性能的影響，從而為進(jìn)一步研究添加Ti3SiC2的銅基摩擦材料性能提供必要依據(jù)。

選取Ti3SiC2顆粒（200～400 μm）按照體積分?jǐn)?shù)25%和Cu 粉進(jìn)行混合，放入熱壓燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900 ℃，制得Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料。

對(duì)Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料進(jìn)行金相顯微鏡觀察可以了解Ti3SiC2和Cu 的結(jié)合情況以及分布狀態(tài)，如圖3 所示。Ti3SiC2呈不規(guī)則顆粒狀均勻分布在純銅基體中，隨著溫度升高到900 ℃，Ti3SiC2顆粒周圍與銅基界面清晰，Ti3SiC2和Cu 界面結(jié)合良好，通過其放大照片能夠看出無明顯的裂紋。

在Ti3SiC2和Cu 復(fù)合材料界面處進(jìn)行EDS 能譜分析，如圖4 所示，Ti3SiC2和Cu 在高溫下發(fā)生了界面反應(yīng)，通過能譜分析可以看出，在反應(yīng)層中靠近Ti3SiC2的一側(cè)，富含大量的Ti、Si、C 元素，同時(shí)也有一定量的Cu，可見Cu 向Ti3SiC2中發(fā)生了擴(kuò)散，而在反應(yīng)層靠近Cu 的一側(cè)除了含有大量的Cu元素外，同時(shí)還聚集了部分的Si 和C 元素，原Ti3SiC2中的Si 元素從Ti3SiC2中抽離出來，不斷的向Cu 中轉(zhuǎn)移，進(jìn)入到了Cu 晶格 中，形成了Cu（Si）固溶體。這種雙向擴(kuò)散會(huì)增強(qiáng)Cu 和Ti3SiC2的界面結(jié)合強(qiáng)度。改善了Ti3SiC2和Cu 的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)了基體強(qiáng)度。

圖4 Ti3SiC2 和Cu 的 界 面EDS 圖

2.2.2 Ti3SiC2 粉末冶金閘片的研究

為了進(jìn)一步研究Ti3SiC2材料應(yīng)用于高速列車粉末冶金閘片的可行性，本試驗(yàn)以Ti3SiC2作為潤(rùn)滑組元添加到銅基復(fù)合材料中制作成一種新型的粉末冶金制動(dòng)閘片。該粉末冶金閘片采用Ni、Fe、Al 等，通過合金化來增強(qiáng)銅基體，Ni 和Cu 能形成連續(xù)固溶體，Al、Fe 與Cu 作用形成鋁鐵青銅，具有很高的強(qiáng)度，能夠承受極高的熱負(fù)荷和能量負(fù)荷。增摩劑采用SiO2等，具體配比見表1。將上述原料混合均勻后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度900 ℃，壓力30 MPa，保溫15 min。

表1 銅基摩擦材料配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

將制得的Ti3SiC2粉末冶金閘片在高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為500 ℃，1 000 r/min，壓力為2.8 MPa。經(jīng)過高溫高壓以及高轉(zhuǎn)速的摩擦后，制動(dòng)閘片的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，表現(xiàn)出了良好的摩擦性能。 整個(gè)過程閘片的平均摩擦系數(shù)為0.31。

粉末冶金摩擦材料經(jīng)過500 ℃高溫摩擦后的摩擦表面SEM 圖如圖5 所示。從圖中可以看出摩擦表面較平整，沒有較大的凹坑，摩擦表面能形成一層完整的潤(rùn)滑膜。由于Ti3SiC2和Cu 在高溫下界面處原子間的相互擴(kuò)散反應(yīng)增強(qiáng)了兩者的界面結(jié)合，在摩擦過程中Ti3SiC2顆粒被牢固的釘扎，不容易從基體中脫落，這是優(yōu)于Cu 和石墨的地方。

圖5 摩擦材料高溫摩擦后的摩擦表面SEM

在摩擦過程中，破碎的顆粒分布在摩擦表面參與摩擦，在壓力的作用下被擠壓，磨屑層致密化，降低了試樣的摩擦系數(shù)。隨著溫度的提高，磨碎的顆粒在摩擦表面形成了很好的覆蓋，同時(shí)具有一定的流動(dòng)性，起到了一定的潤(rùn)滑作用，最終在試樣的摩擦表面形成了一層完整的潤(rùn)滑膜，表面膜的存在可以防止或減少黏著膠合現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而降低了材料的磨損，并促進(jìn)摩擦系數(shù)和摩擦力矩的穩(wěn)定。希望表面膜比較軟，有一定的變形能力，表面膜與金屬有較強(qiáng)的連接力。

干摩擦副的摩擦過程就是表面膜生成和脫落的過程，假如表面膜塑性和機(jī)械強(qiáng)度比金屬材料差，摩擦過程中，膜先破壞，表面不發(fā)生黏結(jié)，摩擦系數(shù)降低，磨損小。

如圖6 所示，高溫摩擦磨損下試樣潤(rùn)滑膜的SEM 圖。圖中“I”代表了潤(rùn)滑膜的厚度情況。可以看到材料摩擦后潤(rùn)滑膜厚度基本在30～35 μm左右，潤(rùn)滑膜的連續(xù)性好，沒有間斷。這層膜能夠很好的穩(wěn)定摩擦，降低摩擦系數(shù)，同時(shí)減少了對(duì)偶件的磨損。整個(gè)摩擦過程，材料的摩擦磨損性能表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。

圖6 摩擦材料高溫摩擦后的潤(rùn)滑膜SEM

粉末冶金摩擦材料高溫摩擦后表面的EDS 能譜圖如圖7 所示，由圖中可以看出，摩擦材料經(jīng)過高溫摩擦后，表面除了Fe、Cu、O 元素外，還出現(xiàn)了Ti 和Si 元素，并且其含量較高，見表2。因此推斷，摩擦材料表面的潤(rùn)滑膜除了含有Cu 和Fe 的氧化物，還含有Ti 和Si 的氧化物。這些氧化物的出現(xiàn)說明了Ti3SiC2在高溫摩擦環(huán)境下表面發(fā)生分解，Ti 和Si 的氧化物能夠覆蓋在Ti3SiC2表面，阻礙了Ti3SiC2和空氣的進(jìn)一步接觸，避免Ti3SiC2進(jìn)一步被氧化［6］，表現(xiàn)出了很好的高溫抗氧化能力。

圖7 粉末冶金摩擦材料高溫摩擦后表面的EDS

表2 摩擦表面各元素百分比含量

3 總 結(jié)

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，以Ti3SiC2作為潤(rùn)滑組元制得的新型粉末冶金閘片，基體強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)的粉末冶金制動(dòng)閘片材料。更重要的是，Ti3SiC2良好的高溫抗氧化能力能夠保證摩擦材料在高溫下穩(wěn)定摩擦。由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，該摩擦材料并沒有在1∶1 試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，但是通過基礎(chǔ)的測(cè)試已經(jīng)表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的摩擦性能。因此，在我國(guó)高速鐵路不斷發(fā)展的今天，Ti3SiC2有能力成為新的潤(rùn)滑組元應(yīng)用到高速鐵路制動(dòng)閘片材料中。