司麗娜 陳林林 閻紅娟 楊 曄 張淑婷 陳強華

(北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院 北京 100144)

為保證列車運行制動過程安全平穩(wěn)，高速列車制動裝置至少應(yīng)具有動力制動和摩擦制動2種方式，在動力制動失效情況下，摩擦制動需及時發(fā)揮制動作用[1]?，F(xiàn)有摩擦制動裝置多采用盤形制動,制動盤材料的性能直接決定了制動裝置的制動性能。近年來，我國高速列車不斷提速,而列車運行速度每提高1倍，其制動功率將增加到原來的8倍[2]。當(dāng)列車運行速度達(dá)到380 km/h時，制動盤的溫度可達(dá)到500 ℃以上，這就要求制動盤材料應(yīng)具有較高的疲勞強度和耐磨性，較好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的摩擦因數(shù)等優(yōu)良性能。而銅基復(fù)合材料由于具有強度高、耐熱性好和摩擦因數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點，是理想的制動盤材料[3]。

本文作者綜述了高速列車制動盤材料的發(fā)展，銅基復(fù)合制動盤材料的組成、制備及發(fā)展，以及銅基復(fù)合制動盤材料摩擦磨損特性的研究現(xiàn)狀，最后展望了銅基復(fù)合制動盤材料的發(fā)展趨勢。

1 高速列車制動材料的發(fā)展

用于盤形制動裝置的材料可分為2類：一種是鑄鐵和鑄鋼之類的傳統(tǒng)黑色金屬材料；另一種是新型復(fù)合型材料，包括碳/碳纖維復(fù)合材料、陶瓷復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料等。

1.1 鑄鐵、鑄鋼材料

自從1935年來法國采用鑄鐵制動盤制動取代踏面制動以來，各國鐵路列車紛紛采用盤形制動系統(tǒng)[4]。鑄鐵制動盤材料的發(fā)展可分為普通灰鑄鐵、鎳-鉻-鉬低合金鑄鐵和蠕墨鑄鐵3個階段[5]。灰鑄鐵制動盤生產(chǎn)加工廉價，整體性能穩(wěn)定，在時速200 km/h以內(nèi)的列車上使用較為普遍，我國CRH1動車組車型最初采用的便是鑄鐵制動盤[6]。但由于其瞬時摩擦因數(shù)隨壓力、速度、溫度變化較大[7]，且導(dǎo)熱性和耐磨性較差，在列車提速后會導(dǎo)致灰鑄鐵制動盤溫升加劇，熱負(fù)荷增大，磨損程度會大大增加，無法達(dá)到預(yù)期使用壽命。低合金鑄鐵制動盤是在普通灰鑄鐵加工時加入鎳、鉻、鉬等元素制成的，制動盤的耐熱性和耐磨性有很大程度改善，現(xiàn)已在高速列車上得到廣泛應(yīng)用，但其整體的強度和疲勞性能也沒有明顯改善[4]。在鑄鐵加工時改變碳、石墨含量與形態(tài)研制出的蠕墨鑄鐵制動盤，提升了鑄鐵材料的抗沖擊強度以及耐磨性，但其摩擦磨損性能與鋼質(zhì)材料相比仍有很多不足之處[8]。

鑄鋼制動盤的盤體帶散熱筋，凝固組織為等軸晶，整體散熱性、抗熱裂性能和耐磨性能好。鑄鋼制動盤的性能依賴于鑄造技術(shù)工藝，若鑄造缺陷過多，會導(dǎo)致制動盤散熱性能下降，加劇盤體磨損，大大減少使用壽命[4]。我國CRH3動車組車型采用的是鑄鋼制動盤[6]。為提升鑄鋼制動盤的強度和耐磨性能，通常可以采用在低合金鑄鋼中加入銅、鉻、鉬、鎳、釩等合金元素，配合合適的熱處理方法，提升鑄鋼制動盤的強度與韌性，提升其耐磨性和抗沖擊性能[5,9-10]。鍛鋼制動盤具有良好抗熱龜裂性、耐磨性和穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，我國CRH2動車組車型采用的是鍛鋼制動盤[6]。鎳-鉻-鉬低合金鍛鋼剎車盤能夠滿足日本新干線列車速度為260 km/h的制動要求。雖然鍛鋼制動盤具有優(yōu)秀的摩擦磨損性能，但由于其生產(chǎn)方式為鍛造加工，故其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為單一，而且制動盤的摩擦因數(shù)與閘片有關(guān)。

隨著高速列車不斷提速，制動盤的工況環(huán)境更加復(fù)雜惡劣。例如：350 km/h的高速列車在制動時閘片表面瞬時溫度可以達(dá)到900 ℃以上，這對制動盤的性能提出了嚴(yán)峻的考驗[11]。因此，為滿足列車高速化重載的發(fā)展需求，急需研發(fā)新型高速列車制動盤材料。

1.2 新型復(fù)合型材料

為提升制動盤材料的摩擦性能、熱傳導(dǎo)性能、力學(xué)性能，常常采用復(fù)合化增強材料，例如，纖維增強復(fù)合材料、陶瓷復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料等。

纖維增強復(fù)合材料主要以碳纖維復(fù)合材料為主，它充分利用了碳纖維優(yōu)異的物理性能，如強度大、模量高、密度低、導(dǎo)熱好、耐熱、耐摩擦等，可以在一定程度上減輕摩擦盤的質(zhì)量[12]。在碳纖維增強復(fù)合材料組分中，往往會加入石墨及碳的化合物等，且需要對組分中的有機黏結(jié)劑進(jìn)行碳化處理[13]。我國某研究院研制出一款碳纖維增強復(fù)合材料閘片，并在120及200 km/h 速度下研究了其摩擦磨損性能，結(jié)果表明，與鑄鐵材料相比，碳纖維增強復(fù)合材料閘片耐磨性能穩(wěn)定，溫度隨摩擦過程變化不大[14]。殷艷飛等[15]采用熱壓成型工藝制備了碳纖維增強樹脂基制動材料，研究了其摩擦磨損性能并分析了磨損后表面形貌，發(fā)現(xiàn)在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，其摩擦磨損穩(wěn)定性較高，抗熱衰退性能較好，磨損機制主要為疲勞磨損。碳纖維增強復(fù)合材料制備成本高，是限制碳纖維增強復(fù)合制動材料發(fā)展的一大瓶頸。目前該材料國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)不夠成熟，無法做到大規(guī)模批量生產(chǎn)；另外列車運行工況復(fù)雜，碳纖維復(fù)合材料在惡劣天氣下會加劇磨損，且較難通過傳統(tǒng)工藝進(jìn)行修復(fù)[16]。目前碳纖維復(fù)合材料制動副主要用在高端跑車、賽車和飛機上[17]。

陶瓷復(fù)合材料具有高強度、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點。SAB Wabco公司開發(fā)的碳纖維增韌陶瓷基制動盤，其質(zhì)量僅為普通制動盤的1/2[18]，實際應(yīng)用也證實其具有較強的磨損穩(wěn)定性。陶瓷制動盤的缺點在于其脆性大，不耐沖擊，易開裂。西北工業(yè)大學(xué)通過結(jié)合化學(xué)氣相沉積和液體滲硅2種方法，研制出了三明治結(jié)構(gòu)的陶瓷制動材料，但整體的結(jié)合強度較低[19]。目前解決陶瓷制動盤碎裂的方法主要是與碳纖維進(jìn)行復(fù)合，如碳化硅復(fù)合陶瓷制動盤材料。陳飛雄等[20]對碳纖維增強碳基、碳化硅基的陶瓷復(fù)合制動材料進(jìn)行摩擦磨損試驗，測得的閘片在干燥工況下120 km/h制動速度時，最大閘片壓力為0.53 MPa，平均摩擦因數(shù)為0.45，符合規(guī)定要求，磨損比為0.024 cm3/MJ，約為規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的10%。

金屬基復(fù)合材料是近些年迅速發(fā)展的一種新型制動材料，它具有整體力學(xué)性能較好，熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良以及摩擦因數(shù)穩(wěn)定等特點[21-23]。金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，加入其他不同的增強體材料進(jìn)行復(fù)合加工而成的新型材料，其加工方式主要是以粉末冶金法為主。金屬基體保證了加工后材料的基本物理特征和宏觀形態(tài)，如導(dǎo)電導(dǎo)熱性；增強體與基體結(jié)合之后可以實現(xiàn)材料的特殊性能。通過不同基體、不同形態(tài)和種類的增強體組合，可以獲得某種甚至多種新型復(fù)合材料，因而其具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳敖饘倩w多采用鋁基、鈦基、鎂基、鐵基、銅基等；增強體包括碳材料、金屬或非金屬氧化物、碳化物等；同時增強體的形態(tài)有纖維型、顆粒型和管型等[24]。在金屬復(fù)合制動材料中，銅基復(fù)合制動盤材料具有良好導(dǎo)熱性、耐高溫性，較好的耐磨性，較高的機械強度，摩擦因數(shù)穩(wěn)定和成本低等優(yōu)點，在制動材料領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)越性。

2 銅基復(fù)合制動材料

2.1 銅基復(fù)合制動材料的組成、制備及發(fā)展

銅基復(fù)合制動盤材料是在銅或銅合金基體中加入摩擦組元和潤滑組元進(jìn)行復(fù)合加工而成[25-26]摩擦組元多為金屬或非金屬的氧化物或碳化物等，如Al2O3和SiC等[27-28]，摩擦組元的加入不僅可以調(diào)節(jié)材料的摩擦磨損性能，也可以提升材料整體力學(xué)性能，滿足生產(chǎn)應(yīng)用需求。潤滑組元目前比較常用的是石墨和二硫化鉬，它的加入可以消弱摩擦組元加入而顯現(xiàn)出的較高摩擦因數(shù)，同時保持制動盤材料摩擦因數(shù)的穩(wěn)定[29]。

銅基復(fù)合制動材料的制備方法有機械合金法、復(fù)合鑄造法和粉末冶金法等[30]。機械合金法是利用高能球磨機對金屬粉末和各種摩擦相和潤滑相粒子反復(fù)研磨，使各種原料之間達(dá)到原子級水平緊密結(jié)合，從而形成合金材料的方法[31]。機械合金法工藝相對簡單，成本較低，在研磨過程中還可以產(chǎn)生增強相以強化材料強度；但球磨過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)會摻雜在復(fù)合材料中，連續(xù)撞擊的高溫還會導(dǎo)致磨料不理想的晶型轉(zhuǎn)變[32]。復(fù)合鑄造法是將金屬基體粉末與增強相熔化后混合或在熔化基體內(nèi)加入增強相混合制備的方法。復(fù)合鑄造法工藝十分簡單、經(jīng)濟(jì)、有效，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中有一定的生產(chǎn)優(yōu)勢[33]，但在制備過程中，氣泡的產(chǎn)生和溫度分布不均往往會導(dǎo)致材料性能不理想。在真空條件下鑄造可以避免鑄造過程中產(chǎn)生的氣泡，但是會大大提高生產(chǎn)成本和難度[34]。粉末冶金法是以金屬粉末為基礎(chǔ)原料，對基體和增強相組元進(jìn)行配比混合、模壓加工成型，最后進(jìn)行高壓燒結(jié)[35]。粉末冶金法制備的銅基復(fù)合制動盤材料具有耐磨性好、摩擦因數(shù)穩(wěn)定、比強度和比剛度高的優(yōu)點，目前銅基復(fù)合制動盤材料大多采用粉末冶金法制備。

國內(nèi)外科研工作者對銅基粉末冶金復(fù)合制動材料的制備和綜合性能做了大量研究。CUI等[36]利用粉末冶金方法制備了碳化硅作為增強相的銅鐵基復(fù)合制動材料，如圖1所示，研究了碳化硅粒徑和含量對制動材料性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，復(fù)合制動材料的摩擦因數(shù)和磨損量最為適中。

圖1 銅基復(fù)合制動材料SEM圖像[36]

董樹榮等[37]以納米碳管為增強體，采用粉末冶金法制備了銅基復(fù)合材料，并探討了制備工藝參數(shù)對復(fù)合材料性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)納米碳管體積分?jǐn)?shù)為12%左右時，復(fù)合材料最大硬度為120HV。SI等[38]采用放電等離子燒結(jié)法，將SiO2、SiC和Al2O3顆粒作為摩擦組元，制備了3種銅基制動盤材料，其SEM形貌圖2所示，結(jié)果表明摩擦組元對復(fù)合材料的密度和硬度影響不大。

圖2 3種復(fù)合材料的SEM圖像[38]

趙田臣等[39]通過對原料組分和工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，制備的一種新型銅基復(fù)合制動盤材料可以滿足300 km/h運行速度的高速列車的制動需求。高飛等人[40]通過改進(jìn)銅基復(fù)合材料組分，研制出一種可用于高速列車制動盤剎車片的銅基復(fù)合材料，該銅基復(fù)合材料剎車片符合國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)。

盡管許多學(xué)者[37,41-42]嘗試通過改變制備工藝參數(shù)和增強相種類，實現(xiàn)較好的復(fù)合效應(yīng)，從而得到性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料,但目前關(guān)于制備工藝參數(shù)、增強相種類、尺寸及含量等與銅基復(fù)合制動材料的綜合性能對應(yīng)關(guān)系仍然缺乏細(xì)致的研究和總結(jié)，尚需開展進(jìn)一步研究。

2.2 銅基復(fù)合制動材料摩擦磨損特性研究

隨著高速列車的不斷提速，其制動系統(tǒng)的安全性和可靠性變得尤為重要，因而也對制動系統(tǒng)中制動材料的性能提出了更高的要求。制動材料不僅要求材料強度高、硬度高和磨損率低，還要求具有較高的摩擦因數(shù)同時摩擦因數(shù)應(yīng)不隨外界載荷和溫度影響而發(fā)生較大的變化。因此，制動材料的摩擦磨損性能測試，一直是制動材料研究領(lǐng)域的重點。

銅基復(fù)合制動材料中，基體組元的性能是決定材料摩擦磨損性能的關(guān)鍵[43]。適量的鐵、鉻、錫等金屬粉末或金屬化合物的添加，可在一定程度上增強材料整體強度，改變制動盤磨損方式。范寶中和何美鳳[44]采用粒徑為 200 目的鎢粉，制備了不同鎢含量的銅基制動材料，由于鎢提高了材料的強度和磨損表面微凸體接觸的結(jié)點強度，適當(dāng)?shù)逆u含量可以有效增大材料摩擦因數(shù)和降低磨損質(zhì)量(見圖3)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的鎢粉使材料整體摩擦因數(shù)波動最小。ZHANG等[45]采用氬氣霧化Cu-Fe預(yù)合金粉末制備Cu基復(fù)合材料，在制動速度低于200 km/h時，材料的摩擦因數(shù)較高，摩擦穩(wěn)定性增強，磨損量降低。銅基體強化的原因是由于Fe基體合金化誘導(dǎo)晶粒內(nèi)部均勻分布的富鐵相析出，在石墨基體界面附近形成珠光體，改善了材料內(nèi)部界面結(jié)合，保護(hù)第三體。

圖3 不同鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅基制動材料升溫階段的摩擦因數(shù)和磨損質(zhì)量[44]

石墨相由于較軟，摩擦過程中易受到周圍基體的擠壓而聚集于摩擦表面，在對摩面間形成一層固體潤滑薄膜，有效阻隔制動材料與對摩表面的直接接觸，防止黏著磨損的發(fā)生，使材料獲得低而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)[46]。碳纖維具有高強度、高模量、高耐磨性，并且具有與石墨類似的性質(zhì)，在摩擦過程中形成碳顆粒，能起到良好的自潤滑作用。王曄等人[47]采用天然石墨和人造石墨制備銅基制動閘片材料，研究結(jié)果表明石墨粒度增大會增強銅基體連續(xù)性，從而增加材料整體抗拉強度，天然石墨和人造石墨配比為1∶9時，閘片的抗壓強度達(dá)到最大值。張鑫等人[48]分別采用銅包覆石墨和普通石墨作為潤滑組元，燒結(jié)制備了兩種銅基復(fù)合制動材料。前者相對于后者硬度、相對密度和導(dǎo)熱系數(shù)均有明顯提高，平均磨損率也低于后者，如表1所示；并且前者由于氧化膜的形成，黏著磨損明顯減輕。

表1 有無Cu包覆石墨制備銅基制動材料的硬度、致密度和導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果[48]

石永亮等[49]采用粉末冶金法制備了不同T300型短碳纖維含量的銅基-碳纖維制動盤材料，在短碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～0.7%之間時，材料整體磨損量和碳纖維脫落量最少，硬度和抗拉強度達(dá)到最大。LI等[50]對納米碳增強的Cu/Ti3SiC2/C納米復(fù)合材料進(jìn)行測試，結(jié)果表明，石墨烯納米片和多壁碳納米管的加入有助于提高納米復(fù)合材料的耐磨性，當(dāng)兩者總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以下時，對納米復(fù)合材料的摩擦磨損性能影響很小。

氧化物增強體一般具有高強度、耐腐蝕、高熔點等性能，銅或銅合金基體中氧化物增強體的添加可不同程度地改善材料的磨損性能。氧化物顆粒增強體是目前實際生產(chǎn)應(yīng)用最為廣泛的一種增強體，且制備方法簡單，技術(shù)成熟。AVETTAND-FNOЁL 等[51]將氧化釔顆粒利用摩擦攪拌處理(FSP)加入銅中，在多道次的攪拌之后，氧化釔在銅基體中分散形成200 nm大小的團(tuán)聚體和10 nm左右的顆粒，復(fù)合材料的應(yīng)變硬化能力和屈服強度都有顯著提高。稀土氧化物如Y2O3、Gd2O3等也常作為增強相與銅基體復(fù)合，研究表明在氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時效果最好，此時材料強化相顆粒尺寸100～200 nm，抗拉強度在300 MPa左右[52]。

陶瓷顆粒增強銅基復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于銅基體、顆粒的性能以及顆粒與基體之間界面的特性，常見的陶瓷顆粒有SiO2和SiC等[46]。SI等[38]采用粉末冶金法制備了SiO2和SiC作為摩擦組元的銅基復(fù)合制動材料，并利用高溫摩擦磨損試驗機研究了上述材料在不同溫度下的磨損情況，如圖4所示，試驗后材料表面的SEM圖片如圖5所示。結(jié)果表明：硬質(zhì)顆粒的加入提升了材料在高溫下的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性和耐磨性。

圖4 不同溫度下3種材料的平均摩擦因數(shù)(CuFM-4：摩擦組元為SiO2,CuFM-5：摩擦組元為SiC,CuFM-6：摩擦組元為Al2O3)[38]

圖5 不同銅基復(fù)合制動盤材料不同溫度下摩擦磨損試驗后SEM圖片:(a) 樣品CuFM-4,25 ℃;(b) 樣品CuFM-4,100 ℃; (c)樣品CuFM-4,300 ℃;(d) 樣品CuFM-4,500 ℃;(e)樣品CuFM-5,25 ℃;(f) 樣品CuFM-5,100 ℃;(g) 樣品CuFM-5,300 ℃;(h) 樣品CuFM-5,500 ℃;(i) 樣品CuFM-6,25 ℃;(j) 樣品CuFM-6,100 ℃;(k) 樣品CuFM-6,300 ℃;(l) 樣品CuFM-6,500 ℃[38]

張學(xué)良等[41]采用粉末冶金技術(shù)制備了Al2O3和SiO2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比時的銅基復(fù)合制動盤材料，并測試了材料的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，銅基粉末冶金制動材料的布氏硬度增加，摩擦因數(shù)減小;隨著制動初速度的升高，耐磨性能先升高后降低。

另外，某些組元的加入可在銅基材料表面形成氧化膜或潤滑涂層，對制動材料進(jìn)行保護(hù)。在制動過程中產(chǎn)生的高溫可促進(jìn)氧化膜的產(chǎn)生，從而大大降低制動盤磨損率。袁振軍等[53]在探究FeB含量對銅基粉末冶金制動材料的影響時，發(fā)現(xiàn)摩擦表面生成較暗的氧化膜，成分為金屬氧化物和FeB；氧化膜層可顯著降低微凸體的接觸面積，大大減少制動過程中的磨損率；其中的雜質(zhì)和FeB顆粒會增強氧化膜的致密性和連續(xù)性；當(dāng)FeB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時，材料摩擦因數(shù)趨于平穩(wěn)，耐磨性較好。

綜上所述，銅基復(fù)合制動材料的摩擦磨損性能受組元成分種類、尺寸和含量等影響較大。通過改變增強相種類、尺寸和含量，可以實現(xiàn)較好的復(fù)合效應(yīng)，得到性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料。然而現(xiàn)階段關(guān)于銅基復(fù)合制動材料的組分對摩擦磨損性能的影響的研究雖然較多，但很多研究還處于嘗試階段。關(guān)于增強相種類、尺寸及含量等與銅基復(fù)合制動材料摩擦磨損性能的對應(yīng)關(guān)系缺乏成體系的研究和總結(jié)。

3 總結(jié)與展望

隨著我國高速列車不斷提速，制動功率成倍增加，制動盤的溫度可達(dá)到500 ℃以上，這就使得銅基制動材料的使用工況日益復(fù)雜，對材料綜合性能提出了更高的要求，如具有良好導(dǎo)熱性、耐高溫性，較高的機械強度，較好的耐磨性和穩(wěn)定的摩擦因數(shù)等。

雖然現(xiàn)階段銅基復(fù)合制動材料組分對其摩擦磨損性能的影響研究較多，但是關(guān)于增強相種類、尺寸及含量等與其摩擦磨損性能的對應(yīng)關(guān)系研究并不系統(tǒng)，尚需不斷完善和積累更多的經(jīng)驗，從而形成成熟的摩擦制動材料設(shè)計理論。

在后續(xù)的工作中可進(jìn)一步展開以下方面的工作：

(1)進(jìn)一步探索粉末冶金制備工藝參數(shù)對銅基復(fù)合制動材料性能的影響，制定出制備制動材料優(yōu)化的工藝參數(shù)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

(2) 進(jìn)一步研究增強相種類、粒徑、各組分含量和搭配對銅基復(fù)合制動材料性能的影響，探索性能優(yōu)異的新型增強相材料，如納米材料、金屬纖維材料等，研發(fā)摩擦磨損性能更優(yōu)的銅基復(fù)合制動材料。

(3) 目前銅基制動材料的研究，是基于材料常溫條件下摩擦磨損特性的研究。由于高速列車運行速度的提高，制動時閘片表面瞬時溫度可以達(dá)到900 ℃，因此，急需開展制動材料在高溫和高的制動速度下的摩擦磨損性能的研究。