任育博，彭金方，曹 超，唐 攀，申長(zhǎng)慧，方婧婷，朱旻昊

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

0 引 言

中低速磁懸浮列車的運(yùn)行速度一般為100～200 km·h-1，其運(yùn)行噪聲小，爬坡能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)彎半徑小，便捷舒適，現(xiàn)主要應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)，是解決城市交通擁堵問(wèn)題的優(yōu)選方案之一[1-2]。在列車制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)閘片因摩擦磨損嚴(yán)重會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，一般采用按期檢修更換的方式來(lái)保證制動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3]。國(guó)內(nèi)某磁懸浮線路制動(dòng)閘片中檢測(cè)到有500 A電流通過(guò)，閘片的實(shí)際使用壽命僅為理論壽命的3%，這說(shuō)明載流狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響制動(dòng)閘片的使用壽命，進(jìn)而威脅列車的運(yùn)行安全。同時(shí)，暴露于自然環(huán)境下的軌道系統(tǒng)將不可避免地服役于雨雪等環(huán)境，這會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)閘片摩擦環(huán)境發(fā)生干濕變化，從而影響機(jī)械制動(dòng)的穩(wěn)定性[4]。

目前應(yīng)用于列車制動(dòng)閘片的材料主要包括有機(jī)合成材料、鐵銅基粉末冶金材料、鑄鐵摩擦材料以及碳陶(C/C-SiC)復(fù)合材料[5]，其中碳陶復(fù)合材料耐高溫且密度低，摩擦磨損性能穩(wěn)定，在高速剎車領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)被應(yīng)用于制造列車閘片[6-8]。有關(guān)碳陶復(fù)合材料制動(dòng)性能的研究可以分為兩個(gè)方面。一方面是針對(duì)制動(dòng)參數(shù)的研究：隨著制動(dòng)速度的增大，碳陶復(fù)合材料的摩擦因數(shù)變化幅度很小，磨損率增大，磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損[9-12]；不同制動(dòng)壓力下，碳陶復(fù)合材料的摩擦因數(shù)差異明顯，在近工況條件下摩擦因數(shù)曲線呈馬鞍形[13-15]；CHEN等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在列車制動(dòng)過(guò)程中，碳陶復(fù)合材料的摩擦因數(shù)穩(wěn)定，因摩擦而產(chǎn)生的最高溫度約為463 ℃。另一方面是針對(duì)制動(dòng)環(huán)境的研究，例如在濕環(huán)境下碳陶復(fù)合材料的摩擦因數(shù)曲線平穩(wěn)，磨損率維持在較低的水平，制動(dòng)性能較為穩(wěn)定[17-18]。另有研究[19-20]表明，載流狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響制動(dòng)閘片所用銅基粉末冶金復(fù)合材料的摩擦磨損性能，電流介入導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生的電弧損傷嚴(yán)重，摩擦因數(shù)減小，磨損率增大，摩擦磨損性能變差。但是目前，未見(jiàn)有關(guān)雨水環(huán)境對(duì)應(yīng)用于磁懸浮線路中的碳陶復(fù)合材料閘片載流摩擦磨損性能影響的研究?；诖?，作者將碳陶復(fù)合材料與F型軌道材料Q235-B鋼組成銷-盤摩擦副，研究了碳陶復(fù)合材料在雨水環(huán)境下的載流摩擦磨損特性，以期為延長(zhǎng)閘片壽命，提升磁懸浮列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性提供試驗(yàn)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料包括國(guó)內(nèi)某磁懸浮列車現(xiàn)役制動(dòng)閘片用碳陶復(fù)合材料以及軌道用Q235-B鋼，其中：碳陶復(fù)合材料主要由碳/碳多孔體形式的碳(質(zhì)量分?jǐn)?shù)54%～56%)、化合態(tài)SiC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)39%～41%)和游離態(tài)硅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%)組成，其密度為2.2 g·cm-3，硬度為53.1 HBW，橫向斷裂強(qiáng)度為92 MPa，黏結(jié)面剪切強(qiáng)度為27 MPa；Q235-B鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.22%，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.35%，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于1.4%，其密度為7.85 g·cm-3，硬度為135～145 HBW，屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為375～460 MPa。模擬鋼軌材料的Q235-B鋼盤試樣的外徑為400 mm，內(nèi)徑為300 mm，厚度為15 mm。通過(guò)線切割的方法將碳陶復(fù)合材料閘片切割成尺寸為9 mm×12 mm×11 mm的小立方體銷試樣，其中9 mm×12 mm平面為摩擦面。碳陶復(fù)合材料銷試樣摩擦面及其橫截面的微觀形貌如圖1所示，可知碳陶復(fù)合材料主要由層鋪的碳纖維和SiC組成，其中碳纖維層呈橫向與縱向交替分布，摩擦面的碳纖維層為橫向碳纖維層，圖中A～F區(qū)域?yàn)槟茏V分析區(qū)域。

圖1 碳陶復(fù)合材料銷試樣摩擦面和橫截面的微觀形貌及能譜分析結(jié)果

多功能銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為臥式機(jī)構(gòu)，主要包括主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元、力加載單元、摩擦力和正壓力采集單元、恒定電流源以及雨水環(huán)境模擬單元。伺服電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)為試驗(yàn)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力;銷試樣夾具安裝在滑塊上，與定滑輪連接并通過(guò)定值砝碼提供銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)所需正壓力。試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)力傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集力傳感器數(shù)據(jù)并在電腦上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與采集保存，采用微型水泵和輸水管將配制的雨水恒流施加于銷-盤接觸位置來(lái)模擬雨水環(huán)境，恒定電流源輸出恒定大小的電流模擬載流工況。試驗(yàn)開(kāi)始前，用砂紙對(duì)銷試樣和盤試樣的接觸面進(jìn)行打磨，然后加載25 N使銷-盤試樣在10 km·h-1速度下跑合3 min，提高兩試樣表面貼合度；將銷試樣置于無(wú)水乙醇溶液中用超聲波清洗3次，每次15 min，以去除跑合階段產(chǎn)生的磨屑，待其干燥后采用電子天平稱取試驗(yàn)前銷試樣的質(zhì)量。根據(jù)國(guó)內(nèi)某磁懸浮列車的制動(dòng)速度與制動(dòng)載荷，設(shè)定銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)的相對(duì)滑動(dòng)速度為40 km·h-1，接觸應(yīng)力為1.0 MPa。銷-盤接觸點(diǎn)距離旋轉(zhuǎn)中心的距離為390 mm，由此計(jì)算出試驗(yàn)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速為580 r·min-1，接觸載荷為108 N。單次試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為12 min，摩擦行程為8 km，試驗(yàn)溫度為15 ℃±10 ℃，相對(duì)濕度為60%±5%。模擬雨水的pH為6.7，其組成如表1所示，參考我國(guó)對(duì)降雨強(qiáng)度的定義，試驗(yàn)設(shè)定的雨水流量Q分別為0，0.25，0.5，1 mL·min-1，同時(shí)設(shè)定一定跨度范圍的電流強(qiáng)度I，分別為0，50，100 A。

表1 試驗(yàn)用雨水的組成

試驗(yàn)結(jié)束后，采用DSX100型體視光學(xué)顯微鏡觀察碳陶復(fù)合材料試樣宏觀磨損形貌，采用Jeol-6610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察損傷區(qū)域的微觀形貌，采用Oxford INCA型能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。對(duì)碳陶復(fù)合材料試樣進(jìn)行3次超聲波清洗后，采用電子天平再次稱取試樣的質(zhì)量，計(jì)算磨損率。采用Contour-GT型白光干涉儀測(cè)試表面粗糙度，繪制三維形貌和二維輪廓。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀磨損形貌

由圖2可知:在無(wú)載流和無(wú)雨水(I=0,Q=0)條件下，碳陶復(fù)合材料試樣表面破壞區(qū)域占比較小，裸露在外的碳纖維層面積較大，可以觀察到由磨損導(dǎo)致的部分碳纖維斷裂和表層局部破壞現(xiàn)象；在無(wú)載流和1 mL·min-1雨水流量條件下，表面破壞區(qū)域增大，可以觀察到由磨損導(dǎo)致的表層破壞和水流沖刷的痕跡；在100 A電流強(qiáng)度、無(wú)雨水的條件下，表面破壞最嚴(yán)重，可以觀察到沿摩擦方向分布的連續(xù)密集的深劃痕，已無(wú)法觀察到連續(xù)的橫向碳纖維，說(shuō)明磨損已導(dǎo)致第二層碳纖維裸露，同時(shí)還觀察到明顯的電弧燒蝕區(qū)域；在100 A電流強(qiáng)度、1 mL·min-1雨水流量條件下，試樣邊緣表層和第一層碳纖維組織已經(jīng)被破壞，但在電流、雨水和接觸應(yīng)力的共同作用下，試樣表面中心區(qū)域較為光滑，未出現(xiàn)明顯劃痕。

圖2 不同雨水流量和電流強(qiáng)度下碳陶復(fù)合材料試樣的宏觀磨損形貌

由圖3可知，在無(wú)載流和無(wú)雨水條件下，試樣表面存在明顯的破壞以及沿摩擦方向貫穿的劃痕，其磨痕二維輪廓最深處距表面57 μm，表面粗糙度Ra為9.365 μm。在無(wú)載流和1 mL·min-1雨水流量條件下，試樣表面磨損程度較均衡，沿摩擦方向分布的劃痕密集，磨痕最深處距表面44 μm，表面粗糙度Ra降低為3.530 μm。這是由于雨水一方面起到?jīng)_刷磨屑的作用，使得試樣表面出現(xiàn)了淺劃痕，另一方面起到潤(rùn)滑作用，使試樣表面磨損程度減弱，表面粗糙度下降[21]。在100 A電流強(qiáng)度、無(wú)雨水的條件下，試樣表面沿摩擦方向分布的劃痕較其他條件下深得多，表面破壞異常嚴(yán)重，劃痕最深處距表面94 μm，表面粗糙度Ra為4.901 μm。在載流條件下，試樣承受摩擦熱、電阻熱和電弧燒蝕的共同作用[22]，而高溫會(huì)導(dǎo)致試樣表面材料變軟；在摩擦磨損過(guò)程中，試樣表面材料容易脫落，磨粒磨損嚴(yán)重加劇，從而在表面形成大量較深的犁溝，但是同時(shí)在擠壓作用下表面粗糙度降低。在100 A電流強(qiáng)度、1 mL·min-1雨水流量條件下，試樣表面沿摩擦方向分布的劃痕整體較淺，劃痕最深處距表面65 μm，但其他區(qū)域較平整，表面粗糙度Ra為2.819 μm。這是因?yàn)楦邷厥乖嚇颖砻孳浕耐瑫r(shí)，雨水起到了冷卻潤(rùn)滑的作用，導(dǎo)致表面材料脫落程度減輕，經(jīng)過(guò)摩擦磨損后試樣表面變得較平滑。

圖3 不同雨水流量和電流強(qiáng)度下碳陶復(fù)合材料試樣磨損表面的三維形貌及二維輪廓

2.2 微觀磨損形貌及磨損機(jī)理

由圖4可知，在無(wú)雨水和無(wú)載流條件下，試樣表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，碳纖維裸露，由磨損產(chǎn)生的細(xì)小磨屑堆積在剝落坑內(nèi)。在無(wú)載流和1 mL·min-1雨水流量條件下，更多的磨屑散落于試樣表面，這是由于在雨水沖刷作用下磨屑無(wú)法堆積所致。在100 A電流強(qiáng)度、無(wú)雨水的條件下，試樣表面存在熔融態(tài)物質(zhì)，在熔融態(tài)物質(zhì)覆蓋區(qū)域可觀察到裂紋，這是材料基體結(jié)合強(qiáng)度下降的表現(xiàn)之一，同時(shí)試樣表面還存在電弧燒蝕現(xiàn)象，碳纖維的邊界模糊。在100 A電流強(qiáng)度、1 mL·min-1雨水流量條件下，由于雨水的降溫潤(rùn)滑作用，試樣表面未觀察到明顯的熔融態(tài)物質(zhì)，電弧燒蝕作用明顯減弱，但碳纖維邊界仍然模糊，同時(shí)可觀察到分層形成的剝落坑與大量片狀磨屑。

圖4 不同雨水流量和電流強(qiáng)度下碳陶復(fù)合材料試樣磨損表面不同區(qū)域的微觀形貌

由圖5可知，在不同摩擦條件下，試樣表面不同區(qū)域均出現(xiàn)了由Q235-B鋼盤試樣轉(zhuǎn)移來(lái)的鐵元素，而較高的氧含量則表明磨損區(qū)域有摩擦氧化發(fā)生。其中，位置1處的鐵元素含量較低，位置2處氧和鐵元素的原子比約為2.3…1，位置4處的氧和鐵元素的原子比約為3.7…1，這說(shuō)明試樣表面磨屑中的氧化物成分不一致，可能包括Fe3O4、Fe2O3及其他氧化物。位置3位于碳纖維表面附著熔融態(tài)物質(zhì)的區(qū)域，此處也檢測(cè)到了鐵和氧元素，考慮到施加電流形成的高溫環(huán)境易使材料表面發(fā)生黏著磨損，因此推測(cè)熔融態(tài)物質(zhì)是高溫導(dǎo)致Q235-B鋼盤試樣表面材料熔融并黏附于碳陶復(fù)合材料試樣表面，冷卻后形成的金屬氧化物。

圖5 圖4中不同位置的EDS譜

綜上可知：在無(wú)載流和無(wú)雨水條件下，碳陶復(fù)合材料的主要磨損機(jī)理是剝落和輕微的氧化磨損；在無(wú)載流和有雨水條件下，碳陶復(fù)合材料表面難以形成緊密的第三體層，主要磨損機(jī)理是剝落和氧化磨損；在載流和無(wú)雨水條件下，電弧對(duì)碳陶復(fù)合材料表面的影響十分嚴(yán)重，主要磨損機(jī)理為剝落、黏著磨損、磨粒磨損和電弧燒蝕；在載流和雨水條件下，碳陶復(fù)合材料表面同時(shí)出現(xiàn)載流和雨水環(huán)境下的磨損特征，磨損機(jī)理主要包括剝落、氧化磨損、磨粒磨損和黏著磨損，但雨水緩解了磨粒磨損和黏著磨損的程度。

2.3 摩擦因數(shù)和磨損率

由圖6可以看出：在無(wú)載流條件下，隨著雨水流量由0增加到1 mL·min-1，碳陶復(fù)合材料試樣的摩擦因數(shù)降低幅度很小，僅為0.050，說(shuō)明單純的雨水環(huán)境對(duì)碳陶復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響較小；在無(wú)雨水條件下，電流增大會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)加速降低，隨著電流強(qiáng)度由0增加到100 A，摩擦因數(shù)降低幅度較大，為0.123。結(jié)合磨損形貌可以推斷，施加電流形成的高溫導(dǎo)致材料表面軟化甚至局部熔融，此時(shí)表面材料起到潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，且電流增強(qiáng)后，電阻熱以電流的平方增大，因此摩擦因數(shù)隨著電流增強(qiáng)而加速降低。與無(wú)載流和無(wú)雨水的條件相比，100 A電流強(qiáng)度、1 mL·min-1雨水流量條件下的摩擦因數(shù)降低了0.224，可知在雨水和載流雙因素的共同作用下，摩擦因數(shù)的降低程度大于單因素作用，這是由于高溫導(dǎo)致材料軟化的同時(shí)，雨水起到了冷卻潤(rùn)滑的作用所致。

圖6 不同電流強(qiáng)度下碳陶復(fù)合材料試樣的摩擦因數(shù)與雨水流量的關(guān)系

由圖7可以看出：在無(wú)載流條件下，隨著雨水流量由0增加到1 mL·min-1，碳陶復(fù)合材料試樣的磨損率降低了0.775×10-2mg·km-1·N-1，表明單雨水環(huán)境下試樣的磨損率會(huì)小幅降低，這是由于雨水起到了隔離和潤(rùn)滑對(duì)磨表面作用；在無(wú)雨水條件下，隨著電流強(qiáng)度由0增加到100 A，試樣磨損率增加了37.714×10-2mg·km-1·N-1，說(shuō)明電流強(qiáng)度的增大導(dǎo)致試樣磨損率急劇增加，這是由于急劇上升的電阻熱導(dǎo)致試樣表面材料變軟而脫落，使得磨粒磨損加劇所致。在載流和雨水的共同作用下，隨著雨水流量或電流強(qiáng)度的增加，磨損率的變化無(wú)規(guī)律性。這可能是因?yàn)樵谳d流條件下，試樣表面同時(shí)產(chǎn)生了高溫、電弧燒蝕和機(jī)械磨損3種現(xiàn)象。試樣表面溫度急劇升高，導(dǎo)致表面材料變軟而脫落，磨粒磨損加劇并產(chǎn)生大量磨屑；雨水一方面起到顯著的冷卻作用，抑制載流導(dǎo)致的電弧燒蝕和高溫現(xiàn)象，大幅減少表面材料脫落，導(dǎo)致試樣磨損率降低，另一方面，隨著雨水流量的增加，其沖刷磨屑破壞第三體層的作用更加明顯，導(dǎo)致試樣磨損率增大[23]。因此，不同電流強(qiáng)度和雨水流量的共同作用對(duì)試樣磨損率的影響程度存在差異。

圖7 不同電流強(qiáng)度下碳陶復(fù)合材料試樣的磨損率與雨水流量的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)在無(wú)載流的雨水環(huán)境中，隨著雨水流量的增大，碳陶復(fù)合材料的表面粗糙度顯著下降，摩擦因數(shù)和磨損率小幅度降低，摩擦磨損性能較穩(wěn)定，此時(shí)主要的磨損機(jī)理為剝落和輕微的氧化磨損。

(2)在無(wú)雨水的載流條件下，隨著電流強(qiáng)度的增加，碳陶復(fù)合材料表面粗糙度和摩擦因數(shù)均顯著下降，磨損率明顯升高，主要磨損機(jī)理為剝落、磨粒磨損、黏著磨損和電弧燒蝕，載流作用引起的電弧燒蝕和高溫現(xiàn)象導(dǎo)致試樣表面破壞加劇。

(3)相對(duì)于單因素作用，在載流和雨水的共同作用下，碳陶復(fù)合材料的表面粗糙度和摩擦因數(shù)明顯降低，但磨損率隨雨水流量和電流強(qiáng)度增加的規(guī)律不明顯，這與載流環(huán)境下，雨水同時(shí)起到冷卻潤(rùn)滑和沖刷磨屑破壞第三體層2方面的作用有關(guān)，此時(shí)的磨損機(jī)理為剝落、氧化磨損、磨粒磨損和黏著磨損。