制動條件對Cu基閘片材料摩擦磨損性能的影響

朱旭光，孫樂民，陳 躍，張永振

(河南科技大學 河南省摩擦學重點實驗室，河南 洛陽 471023)

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制動條件對Cu基閘片材料摩擦磨損性能的影響

朱旭光，孫樂民，陳 躍，張永振

(河南科技大學 河南省摩擦學重點實驗室，河南 洛陽 471023)

采用粉末冶金工藝制得Cu基摩擦材料。利用MM1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗機對材料進行性能測試，用掃描電鏡觀察磨痕并分析磨損機理。分析結果表明：一定制動壓力條件下，隨著制動速度的增加，摩擦因數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。制動速度為250～300 km/h時，材料的制動性能最好。在不同的制動速度條件下，材料摩擦因數(shù)的穩(wěn)定因數(shù)均保持在較大值，材料表面狀態(tài)較為穩(wěn)定。一定制動速度條件下，隨著制動壓力的增加，摩擦因數(shù)先增大后減小，磨損率逐步增大并趨于穩(wěn)定；0.4 MPa時摩擦因數(shù)達到最大值0.35，此時材料的制動性能最好。

粉末冶金；制動閘片；制動速度；制動壓力；摩擦磨損

0 引言

高速鐵路是世界鐵路高新技術取得的一項重大成就，鐵路的高速化程度也已經(jīng)成為評判一個國家經(jīng)濟發(fā)達與否的一個重要依據(jù)。由于中國建設初期經(jīng)濟發(fā)展相對落后，高速列車的發(fā)展起步較晚，在很長的時間內(nèi)，列車一直在較低速度狀態(tài)下運營。改革開放之后，隨著經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，列車速度不斷提高，對閘片材料制動性能的要求也越來越高。當速度為300 km/h的高速列車在實施緊急制動時，閘片與制動盤的摩擦速度達到45 m/s，摩擦因數(shù)大于0.35，每個制動盤所消耗的最高制動能達到23 MJ，制動盤體的溫度可達600 ℃，盤面最高溫度超過800 ℃[1-3]。在這樣惡劣的條件下，銅基粉末冶金摩擦材料由于其使用溫度高、制動性能穩(wěn)定、對制動盤的有害影響小等優(yōu)越性能，而被廣泛應用于國內(nèi)外的高速列車制動閘片上[4-6]。中國對銅基粉末冶金摩擦材料的研究還不夠充分，高速列車閘片材料的國產(chǎn)化程度還很低，大部分依賴于進口，受到進口產(chǎn)品價格因素的制約，一定程度上影響了中國高速列車的發(fā)展。所以，深入研究銅基粉末冶金閘片材料的摩擦磨損性能，開發(fā)性能更加優(yōu)越的制動閘片材料越來越受到重視，主要研究有：材料成分對銅基粉末冶金閘片材料摩擦磨損性能的影響[7-8],制備工藝對材料制動性能的影響[9]等。

本文根據(jù)高速列車制動閘片材料的性能要求，采用粉末冶金工藝制得銅基摩擦材料，并利用MM1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗機進行性能測試，模擬列車制動的實際工況條件，探討制動速度與制動壓力和銅基粉末冶金材料摩擦學行為之間的關系。

1 試驗材料與方法

1.1 材料的制備

采用配料―混料―壓制―燒結的工藝流程制備銅基粉末冶金摩擦材料。首先，按照表1稱取試樣組分，將金屬組元和非金屬組元分別混粉2 h后，一起混粉5 h，混粉時須在每個混料瓶中放入同等質(zhì)量的紫銅球進行球磨。把混合均勻的粉末放入模具，利用MY-315四柱液壓機進行壓制，壓制壓力為480 MPa。壓好的壓坯放入石墨模具，在鐘罩爐中進行燒結，以氫氣和氮氣的混合氣體作為還原保護氣體，燒結壓力為3 MPa，燒結溫度為940 ℃，保溫1 h，之后隨爐冷卻。得到的燒結塊尺寸為φ15 mm×10 mm，硬度為72HB，密度為6.02 g/cm3。燒結完成后通過釬焊連接鑄鐵基片，制成試驗用樣。對磨盤材料選擇25Cr2Mo1VA鍛鋼。

表1 閘片材料成分配方(質(zhì)量分數(shù)) %

1.2 試驗方法

利用MM1000-Ⅱ型摩擦磨損性能試驗機，通過小樣縮比的試驗原理模擬列車制動的實際過程。試驗模擬實際列車參數(shù)為：軸質(zhì)量16 t，車輪直徑890 mm，摩擦半徑251 mm，摩擦面積400 cm2；試驗機對應參數(shù)為：摩擦半徑65 mm，摩擦面積3.53 cm2，轉(zhuǎn)動慣量0.25 N·m/s2。試驗主要測試制動速度和制動壓力的變化對材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響，每組參數(shù)在起始溫度低于50 ℃的條件下重復制動20次，求取平均摩擦因數(shù)和磨損率，每次試驗之前須用1 000目金相砂紙將試樣表面和對磨盤表面磨平，試驗后用酒精將磨損表面擦拭干凈，用掃描電鏡對磨損形貌進行觀察和分析。用精度為0.000 1 g的電子天平稱量試樣摩擦前后的質(zhì)量，計算其差值，即為磨損量。磨損率α由式(1)計算得出。

(1)

式中：△m為摩擦試驗前后試樣質(zhì)量的變化；M為摩擦功，其計算公式為：

(2)

式中：I為轉(zhuǎn)動慣量，N·m/s2；ω為試驗機主軸角速度，r/min。材料的質(zhì)量磨損率單位通常用g/J來表示，但由于試驗中閘片材料的磨損量較小，一般都在10-6數(shù)量級，為了方便，其單位用mg/MJ來表示。

2 試驗結果與分析

2.1 制動速度對材料摩擦磨損性能的影響

2.1.1 制動速度對材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響

圖1 不同制動速度條件下材料的摩擦磨損曲線

通過模擬列車實際制動工況條件，計算出制動壓力為0.6 MPa，試驗機轉(zhuǎn)速設置為2 303 r/min、3 454 r/min、4 606 r/min、5 757 r/min和6 908 r/min，分別相當于列車實際運行速度為100 km/h、150 km/h、200 km/h、250 km/h和300 km/h，測得材料的摩擦因數(shù)和磨損率如圖1所示。

由圖1可知：隨著制動速度的增加，摩擦因數(shù)急劇增大，200 km/h時達到最大值0.33，之后逐漸減小，250～300 km/h時穩(wěn)定在0.31左右；磨損率只是略有增加，150 km/h時達到最大值320 mg/MJ，之后逐漸減小。這是因為在摩擦過程中，摩擦面的真實接觸只是發(fā)生在摩擦表面的微凸峰，摩擦因數(shù)是表征兩摩擦表面間相互黏著和嚙合程度及其性質(zhì)的函數(shù)[10]。速度較低時，摩擦表面的磨損程度較小(見圖2a)，摩擦面接觸不均勻，嚙合程度較小，導致摩擦因數(shù)較低。摩擦速度由100 km/h增加到200 km/h，摩擦因數(shù)迅速增大，這是因為隨著制動速度的增加，加劇了摩擦表面的磨損，使部分突出部位被磨平，實際接觸面積有所增加，但基體組織基本不發(fā)生變化，摩擦表面的硬度隨溫度的升高變化不明顯；SiO2、Al2O3等硬質(zhì)顆粒依然能夠牢牢地鑲嵌在基體中，這些硬質(zhì)顆粒的存在使得摩擦過程中克服嚙合作用所需的力矩增大，摩擦因數(shù)增大，同時由于磨粒磨損的加劇(見圖2b)，磨損率有所增加。在摩擦過程中，由于摩擦表面微凸體間的相互黏結、剪切、斷裂而形成的變形能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃縖11]，摩擦能量與摩擦速度的平方成正比，因此，當摩擦速度增加到250～300 km/h時，摩擦表面的溫度急劇增加，造成表面部分基體熔化，熔化的基體在摩擦作用下覆蓋在摩擦表面，形成第三體(見圖2c)，摩擦表面空隙減少，實際接觸面積進一步增大[12]。另外，由于第三體具有變形和流動性，能夠填充到因SiO2、Al2O3等硬質(zhì)顆粒破碎、脫落而造成的剝落坑里，增加基體對破碎顆粒的挾持能力，減小材料的磨損量。第三體的存在，有效地避免了對偶材料間的直接接觸，它的變形和流動也起到了潤滑作用，這都有利于摩擦因數(shù)和磨損率的降低。

圖2 不同制動速度條件下材料的摩擦形貌

2.1.2 不同速度條件下材料的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性測試

2.2 制動壓力對材料摩擦磨損性能的影響

表2 不同制動速度條件下材料的摩擦因數(shù)和穩(wěn)定因數(shù)

圖3是材料在制動速度為200 km/h時，制動壓力分別為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa這5種不同制動工況條件下摩擦因數(shù)、磨損率的變化曲線。由圖3可知：當制動壓力由0.2 MPa增加到0.4 MPa時，摩擦因數(shù)迅速增大，之后隨著壓力的增加而減小，當壓力增加到0.8 MPa時，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.31左右；磨損率則隨著制動壓力的增加而增大，最后穩(wěn)定在340 mg/MJ左右。

這是因為在一定制動速度下，摩擦因數(shù)可由式(3)表示[14]：

(3)

式中：p為接觸點的實際壓力；σ0為極限剪切力；α為滯后損失系數(shù)；k為接觸幾何形狀常數(shù)；h為單位粗糙度沉陷于對偶體表面的深度；R為單位粗糙度的圓角半徑。

由式(3)可知：壓力p較小時，摩擦因數(shù)μ隨著壓力的增大而減小。當壓力p增大到一定程度時，h迅速增加，μ趨于定值，即摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。從摩擦機理分析，其原因和制動速度影響材料摩擦因數(shù)的結果分析相似，都是由于材料自身的性質(zhì)和制動過程中產(chǎn)生的摩擦熱的綜合作用。制動壓力的增加會使材料表面摩擦熱增加，造成Cu基體軟化，增加了摩擦表面的塑性變形，使摩擦因數(shù)減小。而開始時摩擦因數(shù)隨制動壓力的增加而增大，這是因為開始時材料表面粗糙，實際接觸面積小，摩擦不明顯，摩擦因數(shù)小，隨著制動壓力的增加，材料表面粗糙度和實際接觸面積慢慢達到最佳值，這時摩擦因數(shù)最大。磨損率隨著制動壓力的增加而增大并逐漸趨于穩(wěn)定，這是因為制動壓力對材料磨損性能的影響主要受到兩方面因素的控制：一是摩擦表面的真實接觸面積；二是微凸體間的接觸應力[15]。在制動速度一定的情況下，隨著制動壓力的增加，摩擦表面的真實接觸面積和微凸體間的接觸應力增加，表面破碎程度增加，磨損率隨著制動壓力的增加而增大。制動壓力增加到0.8 MPa時，劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫使材料表面軟化，顯著降低了材料基體的強度，使表面微凸體間形成充分的接觸和變形流動，在這種情況下，繼續(xù)增加制動壓力，摩擦表面的真實接觸面積變化不大，因此，磨損率逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 不同制動壓力條件下材料的摩擦磨損曲線

3 結論

(1)一定制動壓力下，隨著制動速度的增加，材料的摩擦因數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，150 km/h時均達到最大值，分別為0.33和328 mg/MJ，250～300 km/h時制動性能最好。

(2)一定制動壓力、不同制動速度條件下，材料的摩擦因數(shù)均表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，表面狀態(tài)相對穩(wěn)定。

(3)一定制動速度下，材料的摩擦因數(shù)隨著制動壓力的增加，先增大后減小，磨損率逐漸增大最后趨于穩(wěn)定，制動壓力為0.4 MPa時制動性能最好。

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河南省重大攻關基金項目(122101210100)；河南省科技廳省院科技合作基金項目(112106000034)

朱旭光(1988-),男,河南安陽人,碩士生;孫樂民(1965-),男,河南社旗人,教授,博士,碩士生導師,主要從事材料干摩擦學方面的研究.

2015-01-30

1672-6871(2015)04-0001-04

TG148

A