制動條件下石墨對銅基摩擦材料瞬時摩擦性能的影響*

韓曉明 王長峰 楊俊英 高 飛

(大連交通大學連續擠壓教育部工程研究中心 遼寧大連 116028)

銅基粉末冶金摩擦材料的耐熱性和耐磨性好，同時具有高的摩擦因數，成為目前高速列車制動閘片的主要材料。銅基粉末冶金摩擦材料由基體組元、摩擦組元和潤滑組元3部分組成，石墨幾乎是粉末冶金摩擦材料中必不可少的潤滑組元[1]，認識其在摩擦材料中的作用對改善摩擦材料的摩擦性能具有重要的意義。實驗研究表明，石墨促進了摩擦過程平穩，但在摩擦速度等條件發生變化時，石墨對摩擦因數和磨損的影響是不同的[2-9]。

列車制動時，摩擦速度是一個逐漸降低的過程，因此需掌握各個階段的摩擦性能變化及其影響因素。模擬制動過程的慣性摩擦實驗也表明，形成含有石墨組元的連續固體潤滑膜(第三體)，可以降低摩擦因數和磨損量，但是只研究了平均摩擦因數和平均磨損量，而對瞬時摩擦性能缺少詳細分析。

針對上述問題，本文作者采用慣性摩擦試驗，制定不同速度區間，測試材料的瞬時摩擦因數、瞬時磨損率，并觀察摩擦表面形貌的變化，探究石墨對銅基摩擦材料瞬時摩擦性能的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料：電解銅粉，粒度為300目，純度w≥99.7%；SiO2，粒度為300～400 μm，純度w≥95%；石墨，粒度為300～400 μm，純度w≥95%。

1.2 銅基摩擦材料的制備

銅基摩擦材料各組分的配比(質量分數)如表1所示。將原材料混合后，在400～600 MPa的壓力下壓制成型；在鐘罩燒結爐中加壓燒結，燒結壓力為1.61 MPa，燒結溫度為800～850 ℃，保溫1 h，制成尺寸為φ17 mm×15 mm的試樣。

表1 材料組成及質量分數

1.3 摩擦試驗

摩擦磨損試驗在銷盤式摩擦試驗機上進行，對偶盤材質為H13，摩擦半徑為150 mm，摩擦壓力為0.51 MPa。試驗在6個始末速度不同的制動區間進行，分別為3 000～2 500 r/min，2 500～2 000 r/min，2 000～1 500 r/min，1 500～1 000 r/min，1 000～500 r/min和500～200 r/min。每次摩擦的起始溫度為室溫，對偶盤清盤。采用精度為萬分之一的電子天平稱量磨損前后銅基摩擦材料試樣的質量，并計算磨損量。

1.4 表面形貌分析

采用OLMPUS光學顯微鏡和SEM對銅基摩擦材料試樣表面形貌進行觀察分析。利用激光共聚焦顯微鏡計算試樣摩擦表面粗糙度，每個試樣表面采集8個點，重復6次以上取平均值。

2 試驗結果及討論

2.1 摩擦磨損性能

圖1所示為不同制動區間下瞬時摩擦因數的變化情況，可以看出，在制動區間3 000～2 500 r/min和2 500～2 000 r/min，銅-石墨-SiO2試樣的摩擦因數值高于銅-SiO2試樣；隨著制動初速度降低，二者的摩擦因數差別不大。從整體趨勢上看，銅-石墨-SiO2試樣的摩擦因數變化幅度小，表明添加石墨后試樣瞬時摩擦因數穩定性明顯提高，這與SU、MAHDAVI等[5,10]的研究結論一致，且在低速制動區間穩定性更好。

圖1 不同制動區間下的瞬時摩擦因數Fig 1 Instantaneous friction coefficient of different braking range

圖2所示為銅-SiO2和銅-石墨-SiO2試樣不同制動區間下磨損率的變化情況。可以看出，當制動速度大于2 000 r/min時，銅-石墨-SiO2試樣的磨損率小于銅-SiO2試樣的磨損率；當制動速度小于2 500 r/min時，銅-石墨-SiO2試樣的磨損率大于銅-SiO2試樣的磨損率。這表明高速制動條件下，石墨降低磨損率的效果更明顯;當制動速度較低時，石墨的存在反而提高了磨損率。

圖2 不同制動區間的磨損率Fig 2 The wear rate on different braking range

2.2 摩擦表面形貌

圖3所示為銅-石墨-SiO2試樣摩擦表面形貌，在3 000～2 500 r/min區間，摩擦表面存在細小犁溝和少量剝落坑；隨著制動速度降低，摩擦表面上出現了嚴重的剝落現象，犁溝被剝落坑打斷。

圖3 銅-石墨-SiO2試樣的摩擦表面形貌Fig 3 Friction surface morphology of Cu-graphite-SiO2samples (a)from 3 000 to 2 500 r/min;(b) from 1 000 to 500 r/min

銅-SiO2試樣摩擦表面形貌如圖4所示，在3 000～2 500 r/min區間，摩擦表面的第三體光滑連續，覆蓋良好，SiO2顆粒呈完全破碎狀，破碎后的顆粒再次嵌入第三體中(見圖4(b))；隨著制動速度降低，摩擦表面上犁溝現象加劇。

瞬時摩擦因數的變化歸因于制動力的改變。比較圖3(a)和圖4(a)，在3 000～2 500 r/min速度區間時，由于在制動的過程中，2種材料中的顆粒受到很大的切應力，明顯破碎，石墨形成剝落坑，硬質SiO2破裂。此時，由于摩擦表面溫度較高，表層材料延展性較好，可以包裹和覆蓋破碎顆粒。銅-SiO2試樣表面形成了致密的摩擦膜，起到覆蓋的作用，從而使此速度區間下摩擦因數較低，但在破碎的過程中，較強的沖擊載荷使摩擦表面的嚙合作用不斷波動，因此，相應的瞬時摩擦因數穩定性較差(見圖1)。對于銅-石墨-SiO2試樣，剝落的石墨顆粒一方面作為非金屬元素，降低摩擦膜結合性，形成的摩擦層對顆粒的包裹度低，硬質微凸體較多；另一方面，石墨降低基體強度[11-12]，破損嚴重，從而導致高摩擦因數和高磨損率，同時剝落石墨顆粒參與形成摩擦膜，起到分隔、緩沖和保護作用[13]，沖擊波動減弱，瞬時摩擦因數基本不變。

圖4 銅-SiO2試樣的摩擦表面形貌Fig 4 Friction surface morphology of Cu-SiO2 samples(a) from 3 000 to 2 500 r/min;(b)broken particles; (c)from 1 000 to 500 r/min

在1 000～500 r/min速度區間時，摩擦表面溫度低，摩擦表面的硬度增加[10]，失去對顆粒的包裹和覆蓋能力。銅-SiO2試樣表面剝落的SiO2銳度高，對摩擦表面進行犁削，形成了大量犁溝，摩擦阻力增大，從而摩擦因數保持較高數值(見圖1)。銅-石墨-SiO2材料表面有大量的石墨裸露在摩擦表面，緩解了SiO2的犁削，穩定了制動力，使瞬時摩擦因數處于定值。隨著制動區間速度降低，穩定制動力的效果越好則歸因于剝落的石墨越多，摩擦膜中相應的石墨含量增加[14-16]。

銅-SiO2和銅-石墨-SiO2試樣不同制動區間下摩擦表面粗糙度統計結果如圖5所示。2種試樣隨著制動速度的降低，摩擦表面粗糙度升高。比較而言，銅-石墨-SiO2材料粗糙度升高趨勢更為明顯。在3 000～2 500 r/min區間，二者數值相差不大；隨著制動速度降低，銅-石墨-SiO2材料粗糙度數值顯著高于銅-SiO2材料。較高的粗糙度源于大量剝落坑，這說明，石墨組元在摩擦過程中，易于發生破碎而剝落，并且這種機制在低速制動時嚴重。因此，石墨的存在引起低制動速度時較高的磨損率(見圖2)。

圖5 摩擦表面第三體粗糙度Fig 5 Friction surface third body roughness

3 結論

(1)高速制動條件下，銅-石墨-SiO2試樣的摩擦因數值高于銅-SiO2試樣；隨著制動初速度降低，二者的摩擦因數差別不大。不同制動區間下銅-石墨-SiO2試樣的摩擦因數變化幅度小，表明添加石墨后，試樣瞬時摩擦因數的穩定性明顯提高，且在低速制動區間穩定性更好。

(2)高速制動條件下，銅-石墨-SiO2試樣的磨損率小于銅-SiO2試樣，而低速制動條件下相反，表明高速制動條件下，石墨降低磨損率的效果更明顯，而低速制動條件下石墨的存在反而提高了磨損率。高速制動條件下，銅-SiO2材料中的硬質顆粒(SiO2)受力破碎，嵌入致密表面層，較強的沖擊載荷引起摩擦表面的嚙合作用不斷波動，瞬時摩擦因數低且穩定性差。

(3)3 000～2 500 r/min速度區間時，銅-石墨-SiO2中剝落的石墨顆粒降低摩擦層對顆粒的包裹和基體強度，導致高摩擦因數和高磨損率。同時剝落石墨顆粒緩解沖擊波動，瞬時摩擦因數不變。隨著制動區間速度降低，剝落的石墨越多，參與摩擦膜中的石墨含量增加，導致銅-石墨-SiO2材料磨損率增加，瞬時摩擦因數穩定性提高。