銅基粉末冶金/Q235B摩擦副載流摩擦磨損性能*

劉中華 劉 政 杜慧杰

(中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心 河北唐山 064000)

城市軌道交通由于其速度快、運量大、安全準點等特點，是解決道路擁擠問題的首選方案[1]。其中，磁懸浮列車作為當今新型現代化的城市軌道交通工具，不僅具有噪聲小、爬坡能力強、占地面積小、能耗低、污染小、轉彎半徑小等優點[2]，還可以依靠磁力懸浮于軌道上，使得列車與軌道之間無機械接觸，從而從根本上解決了傳統列車輪軌黏著的制約，降低了輪軌傳動機構的高額維護費[3]。因此，磁懸浮列車已經成為國內大中型城市改善交通狀況的首要方案。

由于車輛接地以及線路接地等問題，磁浮列車中部分制動閘片在服役時一直處于受流狀態，加劇了材料的損失，嚴重降低了閘片的服役壽命。雖然已有眾多學者對銅基粉末冶金或其他材料進行了載流摩擦磨損試驗研究[4-8]，但大多都是以線面接觸的方式模擬弓網受流的實際工況，鮮有對制動閘片受流的特殊工況進行研究。

本文作者將磁浮列車閘片材料——銅基粉末冶金以面面接觸的方式，開展干摩擦下的載流摩擦磨損試驗，研究其在不同滑動速度下的摩擦磨損性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用的銷試樣材料為銅基粉末冶金材料(型號：YFC255B)，取自正在服役的制動閘片，其力學性能如表1所示。為了方便研究，將該閘片切割成13 mm×9 mm×10 mm的塊狀試樣。摩擦對偶試樣材料為Q235B，其力學性能如表2所示。為了便于研究，將該材料加工成φ400 mm剎車盤。

1.2 試驗設備及方法

載流摩擦試驗在自制的銷盤試驗機上進行，主體的結構示意圖如圖1所示。

圖1 載流摩擦試驗裝置主體結構示意

由于列車在制動過程中屬于慣性制動，如果采用與列車實際制動相似的慣性試驗來研究閘片材料摩擦磨損性能的影響因素，雖然能夠模擬實際制動工況，但是這種試驗方法存在一定的局限性，不能獨立研究滑動速度的影響規律。因此文中試驗都是在恒速恒壓以及恒流條件下進行，通過單一變量法來研究滑動速度對閘片材料摩擦磨損性能的影響規律。詳細試驗參數如表3所示。為了防止由于滑動時間過長使得材料在試驗過程中表面溫升過高而不貼合于實際，試驗采用每種工況下單次試驗時間3 min，共累計20次的試驗方案。其中每次試驗間隔3～5 min，待試樣冷卻至室溫后再進行下一次試驗。

表3 大氣下載流摩擦磨損試驗參數

2 結果與分析

2.1 滑動速度對摩擦因數的影響

如圖2所示為銅基粉末冶金/Q235B摩擦副在不同接觸載荷條件下，摩擦因數隨滑動速度的變化趨勢圖。可以發現：無論是在有無電流條件下，摩擦因數會隨著速度的增大整體呈現下降的趨勢;載流條件下的摩擦因數普遍比非載流時小，在接觸載荷0.4 MPa、滑動速度30 km/h時甚至急劇下降到0.3以下。這是由于在摩擦磨損過程中接觸表面會產生大量熱量，其中滑動速度的升高會直接導致單位時間內機械摩擦產生的熱量更多，繼而造成接觸表面溫度的升高，引起材料表面局部軟化，使得材料抗塑性變形能力以及黏著點的強度降低，導致摩擦阻力變小，摩擦因數下降[9]。載流條件下，電阻熱和電弧熱的加入將直接引起接觸表面的溫度相比于無電流時大幅提高，從而導致摩擦因數降低[10]。在試驗過程中，發現在電流100 A、接觸載荷0.4 MPa、滑動速度30 km/h參數下，銅基粉末冶金與盤試樣接觸表面頻繁地出現電火花和電弧。KUBO和KATO[11]研究發現電弧放電時產生的超高溫可達3 500～4 000 K，這種溫度足以使得接觸面表面部分材料發生熔化甚至蒸發，大大降低了微凸體間的嚙合作用。因此，在該參數下摩擦因數出現了急劇降低的現象。

圖2 載流條件下摩擦因數隨滑動速度的變化

2.2 滑動速度對磨損率的影響

圖3(a)所示為未載流時滑動速度對銅基粉末冶金閘片材料磨損率的影響。可以看出：磨損率隨著滑動速度的增大整體呈現下降的趨勢，在30～40 km/h速度時有明顯反向增長的趨勢。圖3(b)所示為100 A電流條件下滑動速度對銅基粉末冶金閘片磨損率的影響。可以看出：磨損率隨著滑動速度的增大整體呈現上升的趨勢，特別是在0.4 MPa低載荷的條件下，電流的介入大大加劇了滑動速度帶來的影響，磨損率會隨著速度的增加急劇上升，甚至在40 km/h速度時高達40.115 mg/km。對比圖3(a)和(b)可以發現：在有無電流條件下，銅基粉末冶金閘片的磨損率隨著速度的增大整體呈現出不一樣的趨勢，并且電流的介入使得閘片材料的磨損率整體高于未載流時。相關研究表明[12]，當滑動速度較低時，摩擦表面會生成一層顆粒狀的第三體，該層第三體與基體的黏結性能較差且易于脫落基體，從而導致材料在滑動速度較低時磨損率較大。隨著速度的提升，溫度的升高使得接觸表面材料軟化，在較大切向力的作用下磨屑會出現堆積、壓實等現象，形成一層連續、致密的第三體層，該層第三體不僅與基體材料具有較強的黏結性，還可以起到降磨作用，磨損率也因此下降。但當速度持續增大到一定值時，此時連續致密狀第三體的生成速度會逐漸小于其破壞速度，磨損率因此開始上升。電流的介入會一定程度上使材料表面產生電氣磨損，電氣磨損造成的損傷使得載流下的磨損率要略大于未載流時，并且隨著滑動速度的增大，電氣磨損的現象會更加嚴重[13]，特別是在0.4 MPa低載荷的條件下，電弧侵蝕的現象非常頻繁，從而導致該載荷下的磨損率非常大。

圖3 載流條件下磨損率隨滑動速度的變化

2.3 滑動速度對銅基粉末冶金材料磨損形貌的影響

2.3.1 未載流條件下速度對銅基粉末冶金材料磨損形貌的影響

圖4所示為無電流時銅基粉末冶金材料在不同滑動速度下磨損形貌圖，滑動方向均為由上至下，選定法向載荷為1.0 MPa，滑動速度分別為10、20、30、40 km/h。可以發現：磨損后的銅基粉末冶金材料表面會覆蓋一層藍黑色的第三體層，這可能是由于材料表面的微凸體在剪切力的作用下發生破碎，產生的磨屑覆蓋在接觸表面導致的。研究表明[14]，第三體層的存在可以起到降磨的作用。當滑動速度較低處于10 km/h時，磨損表面顏色較深，劃痕不明顯；當滑動速度增加到20、30 km/h時，磨損表面顏色逐漸變淺并開始出現沿著滑動方向的亮金色劃痕；當滑動速度達到40 km/h時，磨損表面變成了淡藍色，并出現了小面積的灰褐色基體。

圖4 不同滑動速度下磨損表面形貌(p=1.0 MPa，I=0)

體式顯微鏡拍攝下的形貌圖較為宏觀，并不能較好地解釋材料的磨損機制，因此需通過SEM對銅基粉末冶金磨損表面形貌進行更加深入的觀察。韓曉明等[15]研究發現，材料表面在磨損過程中所形成的第三體層狀態會隨著時間或滑動距離的增長而達到動態平衡，之后不會隨時間或滑動距離的增長出現明顯變化。因此，文中在研究磨損表面第三體時，不考慮滑動距離對其形貌的影響。圖5所示為不同滑動速度下銅基粉末冶金材料表面形貌局部放大圖。從圖5(a)可以發現在10 km/h速度時，摩擦表面第三體層存在顆粒區與壓實區2個區域。研究表明[16]，低速下壓實區的產生是由于第三體顆粒在擠壓過程中，摩擦表面中的一些硬質顆粒、犁溝以及剝落坑會阻礙顆粒的運動使得顆粒堆積在一起，從而造成局部接觸應力和溫度的升高，使得顆粒軟化易于擠壓密實。隨著速度的增大，受到摩擦表面溫升的影響，第三體顆粒逐漸軟化并在法向載荷和切向力的作用下開始出現大面積的壓實現象，從圖5(b)可以看到在20 km/h速度時摩擦表面的第三體顆粒出現了不同程度的壓實區域。當速度增大到30 km/h時，材料表面壓實區域十分明顯，并且出現了少量剝落坑和微裂紋，以及磨粒磨損造成的犁溝現象(見圖5(c))。隨著速度的進一步增大，黏著磨損和疲勞磨損開始加劇，可以看到40 km/h速度時的磨損表面出現了大量的裂紋，裂紋的聚集與擴展使得第三體表層材料發生較大面積的局部脫落(見圖5(d))。

圖5 不同滑動速度下磨損表面局部放大圖(p=1.0 MPa，I=0)

對圖5(a)中的顆粒區及壓實區分別進行能譜面掃描分析，如圖6所示。可以發現顆粒區與壓實區中的化學元素成分基本一致，存在大量的C、O、Fe元素。O元素的大量存在表明在摩擦過程中，脫落的磨屑在高溫作用下發生劇烈氧化，故可以判定第三體主要是由摩擦副材料的磨屑以及各自的氧化物共同混合而成。壓實區中O元素的含量相比顆粒區略高是由于壓實區的形成相比于顆粒區的形成需要更高的溫度，磨屑在較高的溫度下更容易發生氧化，因此O元素的含量增大。

圖6 第三體表面元素分析

為了更加全面直觀地了解無電流時不同滑動速度下材料的表面狀態，通過Bruker白光干涉三維輪廓儀對銅基粉末冶金材料的磨損表面進行了粗糙度測量和三維形貌分析，并在試樣中心位置處沿著滑動方向的垂直線進行二維輪廓測量。圖7所示為無電流時不同滑動速度下銅基粉末冶金的表面粗糙度。可以看到試樣表面粗糙度隨著速度的增大呈現先減小后上升的趨勢。結合上文SEM形貌分析可知，低速時磨損表面第三體主要以顆粒狀的形式出現，此時粗糙度較高；隨著速度的增大，顆粒狀第三體逐漸被壓實并形成了大面積的連續致密狀第三體，相當于在摩擦表面覆蓋了一層光滑的表面膜，使得試樣表面粗糙度降低；但隨著速度的進一步增大，第三體壓實區的破裂速度開始大于其形成速度，致使粗糙度再次增大。

圖7 表面粗糙度隨滑動速度的變化(p=1.0 MPa，I=0)

圖8所示為無電流時不同滑動速度下銅基粉末冶金的三維形貌及二維輪廓圖。可以發現：磨粒對磨損表面的切削作用非常明顯，每個試樣表面都出現了大量犁溝；當速度從10 km/h增加到30 km/h時，磨損表面變得越來越平坦，二維輪廓中波峰與波谷的最大距離也從63.37 μm降低到38.9 μm；但隨著速度進一步增加到40 km/h時，黏著磨損和磨粒磨損加劇，可以看到磨損表面出現了較深的犁溝和凹坑，波峰與波谷的最大距離也增加到了108.73 μm。

2.3.2 載流條件下速度對銅基粉末冶金材料磨損形貌的影響

圖9所示為載流時不同滑動速度下銅基粉末冶金材料的宏觀磨損形貌圖。可以看出，隨著電流的介入，磨損后的銅基粉末冶金材料表面可以分為2個部分：以機械磨損為主的區域和以電弧燒蝕為主的區域。以機械磨損為主的磨損區域受滑動速度變化的影響與無電流時基本一致，隨著滑動速度的增大，磨損表面第三體層顏色變淺，在40 km/h時出現了又寬又深的藍色劃痕；以電弧燒蝕為主的區域主要分布在磨損表面的邊緣地帶，這是由于摩擦表面的相對滑動會導致電弧向尾部運動[13]，并且隨著滑動速度的提高，區域所占面積總體上呈現不斷變大的趨勢。同時電弧燒蝕區域面積的大小也反映了電弧燒蝕的劇烈程度，因此可以認為隨著滑動速度的增大，電弧燒蝕的作用也在不斷變大。

圖10所示為不同滑動速度下電弧燒蝕區的局部放大圖。可以發現，電弧的燒蝕作用使得該區域表面無法形成藍黑色的第三體，由于電弧的產生伴隨著溫度的瞬間升高，使得試樣中的Cu基體以及其他熔點較低的材料發生熔化，在剪切力的作用下出現了大面積的金色熔融物質和許多大小、深淺不一的燒蝕坑，并且在40 km/h的速度下出現了磚紅色以及淡藍色的物質。

圖10 不同滑動速度下電弧燒蝕區局部放大圖(p=1.0 MPa，I=100 A)

通過SEM對材料表面機械磨損區的形貌進行局部放大觀察，如圖11所示。可以發現在載流條件下，摩擦表面機械磨損區的損傷會隨著速度的增大而加劇。在10 km/h速度時摩擦表面出現了大量層片式的第三體壓實區，其中一些第三體顆粒零零散散地分布在表面，因為電流的介入會使得磨損表面溫度升高，所以相比于未載流條件下，載流下的磨損表面幾乎不存在較大面積的第三體顆粒區；當速度到達20 km/h時，磨損表面第三體壓實區變得更加緊實平滑，可以看到少量磨屑和微裂紋的存在；隨著速度的進一步增大，材料表面局部大面積的軟化導致黏著磨損加重，可以看到在30 km/h速度時有明顯的剝層現象，到了40 km/h速度時第三體壓實區破裂已經非常嚴重，由于溫度的升高，接觸表面間接觸點的黏著和熔焊現象加劇，在切向力的作用下焊接點被撕開，形成大量片狀磨屑堆積在剝落坑中。

圖11 不同滑動速度下機械磨損區局部放大圖(p=1.0 MPa，I=100 A)

材料表面的電弧燒蝕區是由兩接觸面在接觸和分離瞬間產生的電弧導致的，所以電弧灼燒所表現的損傷特征在不同速度下并沒有太大區別且存在隨機性，只是速度的增大會使得電弧的燒蝕面積變大，如圖9所示。故僅選取滑動速度20 km/h下的電弧燒蝕區進行微觀損傷形貌分析，如圖12所示。從圖12(a)可以看到電弧燒蝕區表面塑性變形明顯，出現了大量熔融狀物質及孔洞，整個表面材料損失十分嚴重。對燒蝕區表面石墨層區域進行局部放大觀察，如圖12(b)所示,可以發現整個石墨層出現了非常嚴重的斷裂，并且表面鋪滿了雨滴形顆粒，對圖中雨滴形顆粒(A區域)進行EDS分析，如圖12(c)所示，可以發現該區域存在大量的C元素、Cu元素及Fe元素，并無O元素的存在，由此可以推測出該雨滴形顆粒是由于試樣表面基體材料在電弧燒蝕引起的超高溫下熔融甚至蒸發后凝固產生的。圖12(d)所示為燒蝕區表面熔融區域的局部放大圖，可以發現表面存在大量孔洞，有明顯的黏著痕跡。對圖中B區域進行EDS分析，如圖12(e)所示，可以發現：與靛色第三體層的元素含量相比，該區域C元素和Cu元素的含量明顯升高，O元素的含量大幅度降低，這也證實了在電弧燒蝕區靛色的第三體層無法生成。熔融狀態下的Cu在切向力的作用下分散在了燒蝕區表面，因此使得熔融區域的Cu元素含量較高。

圖12 電弧燒蝕區形貌及化學分析(v=20 km/h，p=1.0 MPa，I=100 A)

圖13所示為載流時不同滑動速度下銅基粉末冶金的表面粗糙度。可以看到當速度為10 km/h時材料表面粗糙度較大，而隨著速度的增大，粗糙度先有一個明顯下降的趨勢，然后持續增大。結合SM和SEM形貌可知，這是由于剛開始時速度的增加有利于連續致密狀第三體的形成，使得粗糙度降低。由于速度的提高也加重了電氣磨損的作用，同時基體局部大面積的軟化使得黏著磨損加劇，因此在20 km/h速度時材料表面連續致密狀第三體的形成速度已經逐漸跟不上其磨損速度，粗糙度隨著速度的增大持續增大。

圖13 表面粗糙度隨滑動速度的變化(p=1.0 MPa，I=100 A)

圖14所示為載流時不同滑動速度下銅基粉末冶金的三維形貌及二維輪廓圖。可以看到當速度從10 km/h增加到20 km/h時，材料表面的凹坑數量明顯增多，但二維輪廓曲線卻變得較為平坦，波峰與波谷的最大距離從46.99 μm降低到了40.64 μm，這可能是由于速度的增大使得材料表面第三體壓實區面積增大，表面整體變得較為平坦，同時速度的增大也加重了黏著磨損的作用，因此表面出現了少量較淺的黏著坑；隨著速度的進一步增大，黏著磨損加劇，可以看到30 km/h的試樣表面出現了較深的凹坑，波峰與波谷的最大距離達到了77.61 μm；當速度達到40 km/h時，由圖14(d)可知黏著磨損的作用使得材料表面出現大量片狀磨屑，這些片狀磨屑的產生加重了對材料表面基體結合較弱部位的切削作用，因此可以看到此時材料表面出現了又寬又深的犁溝。

圖14 不同滑動速度下磨損表面三維形貌及二維輪廓圖(p=1.0 MPa，I=100 A)

3 結論

(1)無電流時，銅基粉末冶金/Q235B摩擦副的摩擦因數以及銅基粉末冶金的磨損率都會隨著滑動速度的增大整體呈現下降的趨勢。

(2)無電流時磨損后的銅基粉末冶金表面會覆蓋一層藍黑色的第三體層，在低速時該第三體層主要以顆粒狀為主；隨著速度的增加，第三體層會逐漸被壓實成連續致密狀；當速度達到40 km/h時，試樣表面黏著磨損加劇使得連續致密狀第三體的生成速度逐漸小于其破環速度，導致材料的摩擦因數和磨損率呈現反向增長的趨勢。

(3)載流時，銅基粉末冶金/Q235B摩擦副的摩擦因數依然會隨著滑動速度的增大整體呈現下降的趨勢，而銅基粉末冶金的磨損率則會隨著滑動速度的增大整體呈現上升的趨勢。

(4)載流下的銅基粉末冶金表面出現了機械磨損區和電弧燒蝕區2個區域，其中機械磨損區依然是由藍黑色的第三體層組成，而電弧燒蝕區表面則覆蓋了一層金色熔融狀物質，并且隨著速度的增大，燒蝕區面積也逐漸增大。