CR 200J用樹脂基摩擦材料的正交試驗及多指標加權優(yōu)選

孫輝，王秀飛，陳少華，尹彩流，蒙潔麗

(1.廣西民族大學材料與環(huán)境學院，廣西先進結構材料與碳中和重點實驗室，廣西南寧 530105；2.廣西民族大學材料與環(huán)境學院，廣西高校環(huán)境友好材料及碳中和新技術重點實驗室，廣西南寧 530105；3.北京優(yōu)材百慕航空器材有限公司，北京 100095)

隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展，在原160 km/h速度等級的25 T型客車基礎上，自主研發(fā)的復興CR 200J動力集中電車已投入運營，未來還會將速度等級提升至 200 km/h[1-2]。動車的制動效能是動車提速的基礎更是車輛上人員安全的保障，而原25 T型客車用樹脂基摩擦材料已無法滿足CR 200J動力集中電動車的制動需求。目前CR 200J使用的粉末冶金閘片雖能滿足制動需求，但存在價格昂貴、使用壽命短及對制動盤損傷性大等缺點。

在國外，250 km/h以下的準高速列車盤形制動裝置使用的閘片主要是樹脂基摩擦材料，如：法國在最高280 km/h的TGV-PSE列車上使用的合成閘片是樹脂基摩擦材料；德國Knorr公司研制的樹脂基摩擦材料匹配鋁基制動盤，可用于制動初速度為280 km/h[2-4]。近幾年，國內研究人員對200 km/h速度等級動車用樹脂基摩擦材料進行了深入研究。孫振亞等[2]采用無機納米粒子改性酚醛樹脂對樹脂基摩擦材料進行改性，改善了在390 ℃工況下樹脂基摩擦材料的耐熱性能，增強了其耐沖擊性及韌性。王海慶等[5-6]采用乳膠顆粒改性酚醛樹脂，將樹脂的起始分解溫度提高到了410 ℃，且其分解產物與混雜纖維的協同作用可使樹脂基摩擦材料在高速工況下不會出現明顯熱衰退。張靜等人[7]研究了硫化銻、硫鐵礦、硫銅礦和硫化亞錫4種金屬硫化物對樹脂基摩擦材料性能的影響，結果表明，硫化銻有利于提高材料的力學性能及減少材料的熱衰退性。摩擦性能調節(jié)劑包括減摩組分及增摩組分兩類，是影響樹脂基摩擦材料摩擦磨損性能的重要部分。樹脂基摩擦材料的摩擦磨損性能不是依靠各組分性能之間的簡單加成，而是材料組分間協同效應在摩擦過程中包括形成第三體在內的表面相互作用的綜合性能體現[8]。然而國內學者對摩擦性能調節(jié)劑對樹脂基摩擦材料性能的影響研究較少。

為研究摩擦性能調節(jié)劑對樹脂基摩擦材料的影響，本文作者選用鱗片石墨、石油焦作為減摩組分，NFJ高溫黏結劑、腰果殼油摩擦粉作為增摩組分，通過正交試驗法設計不同的配方，探究各試樣在不同轉速下的摩擦磨損性能，并通過多指標權重進行量化分析，對樹脂基摩擦材料配方的優(yōu)化設計有一定的指導意義。

1 試驗部分

1.1 原料選用及配比

試驗選用鱗片石墨、石油焦、NFJ高溫黏結劑、腰果殼油摩擦粉為摩擦性能調節(jié)劑，性能參數及生產廠家見表1。摩擦性能調節(jié)劑在樹脂基摩擦材料配方中質量占比約為20%，文中結合前期試驗篩選出各組分的取值范圍。設計的摩擦性能調節(jié)劑4因素3水平正交試驗表如表2所示。

表1 摩擦性能調節(jié)劑產品參數

表2 正交試驗因素水平

樹脂基摩擦材料是以腰果殼油改性酚醛樹脂為黏結劑，鋼纖維、銅纖維、芳綸漿粕為增強纖維，并加入重晶石、氧化鎂、螢石、硫化銻等填料制備而成。其制備采用熱壓成型法：首先將原料放入三維高速混料機中混合5 min得到均勻粉料，然后將粉料倒入磨具中，經過熱壓、放氣、保壓得到預制體，壓制工藝參數為溫度165 ℃、壓力20 MPa、放氣40 s、保壓時間15 min；最后將所得預制體放入鼓風干燥箱中進行熱處理，最高溫度260 ℃，保溫6 h，得到樹脂基摩擦材料試樣。

1.2 性能檢測

試樣摩擦磨損性能測試在西安順通MM-1000 III型摩擦試驗機上進行，試樣尺寸為25 mm×25 mm×12 mm。測試條件為：轉動慣量0.6 kg·m2，制動壓力0.8 MPa，摩擦半徑5 cm。試驗先在轉速3 300 r/min下磨合20次，使試樣與制動盤接觸至貼合面積超過85%，然后在轉速3 300、4 200和5 400 r/min下分別進行試驗測試，每個轉速下測試10次，平均摩擦因數取各轉速下10次測試的平均值。稱量測試前后的試樣質量及制動盤質量，計算試樣的體積磨損率與對偶的磨損質量，對試樣與制動盤的磨損性能進行量化分析。使用德國蔡司EVO18型含有EDS光譜的掃描電子顯微鏡(SEM)分析試樣摩擦表面第三體的組織形成、結構形貌和演變機制。

2 結果與分析

2.1 極差值與綜合評分

樹脂基摩擦材料性能的研究包括2個方面：(1)通過正交試驗及極差值分析，探討各組分對摩擦性能的影響程度，根據影響指數大小得出組分影響排序；(2)量化試樣的平均摩擦因數、抗熱衰退性、體積磨損率和對偶質量磨損，對試樣的各個量化結果加權匯總，優(yōu)選綜合評分最大的樹脂基摩擦材料配方。綜合評分包含4個指標：(1)第一指標是根據我國鐵路總局制定的行業(yè)標準(見圖1)，設置試樣平均摩擦因數的評價分數(見式(1))，試樣在3個制動轉速下測定的平均摩擦因數對應式(1)中區(qū)間得到評價分數，評價分數為 0時，則淘汰該試樣；(2)第二指標是試樣在不同制動轉速下的平均摩擦因數變化率K1、K2、K3(見式(2)(3))，并進行均一化處理；(3)第三指標分數是材料的體積磨損率(見式 (4))；(4)第四指標是對偶質量磨損(見式(5))。

圖1 CR 200J用樹脂基摩擦材料的平均摩擦因數行業(yè)標準

(1)

式中：N1為制動轉速3 300 r/min下平均摩擦因數的評價分數；N2為制動轉速4 200 r/min下平均摩擦因數的評價分數；N3為制動轉速5 400 r/min下平均摩擦因數的評價分數。

(2)

式中：K1表示材料在制動轉速3 300 r/min與4 200 r/min下平均摩擦因數之間的比值；K2表示材料在制動轉速4 200 r/min與5 400 r/min下平均摩擦因數之間的比值；K3表示材料在制動轉速3 300 r/min與5 400 r/min下平均摩擦因數之間的比值。

均一化處理存在以下2種情況：

(1)同一試樣不同轉速下的平均摩擦因數變化率，反映的是材料的熱衰退性能，這是因為隨著轉速的提高，樹脂基摩擦材料表面溫度隨之上升，平均摩擦因數隨溫度的變化發(fā)生了變化。它的理想變化率為 1，表示材料耐熱性好，不出現熱衰退現象。所以在相同條件下平均摩擦因數變化率越高越好，在均一化處理時套用公式：

(3)

(2)關于磨損的參數則是數值越小得分越高，因此需套用另一個公式：

(4)

為了保證評價分數在0～1之間，對以上所得數據進行以下處理。第一指標分數為材料的平均摩擦因數評價分數，N=(N1+N2+N3)/3；第二指標分數為材料的熱衰退性評價分數，K=(K1+K2+K3)/3。第一指標分數與第二指標分數是反映了材料平均摩擦因數的可靠性。按照標準要求，以耐磨性為主給4個指標加權，分別為0.2、0.2、0.3、0.3。摩擦磨損性能的綜合評分=0.2N+0.2K+0.3μ*+0.3W*(其中N為第一指標分數，K為第二指標分數，μ*為第三指標分數，W*為第四指標分數)。通過以上有目的性的設計打分標準及權數大小，可得到最趨向于標準要求的材料配方，這也是多指標權重優(yōu)選的主觀性及偏向性的體現。

2.2 摩擦磨損性能分析

如表3所示，試驗結果包含原始數據及評價分數。正交試驗的極差值表示組分對該指標的影響程度，數值越大表示對該測試性能的影響越大。

表3 正交分析及多指標優(yōu)選

從表3中可以看出：

(1)對于鱗片石墨，其在轉速3 300和4 200 r/min下對材料平均摩擦因數影響最小，極差值均為0.028，影響指數處于第四位，而在轉速5 400 r/min下，對材料平均摩擦因數影響最大，極差值為0.041 7，影響指數處于第一位；其對材料體積磨損率影響較小，極差值為0.183 7，影響指數處于第三位；對對偶質量磨損的影響最小，極差值為0.227，影響指數處于第四位；對材料熱衰退性能的影響最大，極差值為0.404，影響指數處于第一位。由此可以看出，鱗片石墨對材料高速下的平均摩擦因數及熱衰退性起作用。在高轉速時，制動過程需要將更多的動能轉化為摩擦熱能，其中第三體的組成結構以樹脂基摩擦材料高溫分解所剝離的產物及其化學反應產物為主，伴隨著外力的擠壓剪切作用，將這些產物壓緊在材料表面形成片狀結構。第三體的形成有利于提高摩擦性能的穩(wěn)定性，它本身是以片狀形式存在，并且其包含的組分結構以片狀金屬組元為主[9]。在高速時，在溫度與摩擦力作用下金屬纖維會粘附礦物組分形成金屬片狀組元。當鱗片石墨質量分數為1%時，材料中金屬類組分的質量分數占40%，由金屬片狀組元和材料內部的金屬纖維傳遞摩擦表面熱量；但當鱗片石墨質量分數增加到3%時，則會阻礙這一類型的熱傳遞過程，導致摩擦材料的熱衰退性能下降。如圖2(a)所示，與試樣MCS 4和MCS 5相比，試樣MCS 1和MCS 2的平均摩擦因數曲線要明顯平滑很多，其熱衰退評分也很高(見表3)。鱗片石墨比表面積大，具有優(yōu)異的導熱性能，與樹脂產生“固體溶劑效應”會使得相容性很好[10]，當其質量分數增加至6% 時，它以片狀結構嵌入樹脂基體并與第三體形成界面(見2.3節(jié)分析)，由于界面效應使得有利于提高在摩擦過程中材料表面集聚的高溫向不同方向傳播的速度，使摩擦材料的熱衰退性能有所提升。鱗片石墨參與形成的第三體在一定的范圍內具有良好的完整性，隨著磷片石墨含量的增加摩擦因數呈現出先降低后增加的趨勢。

圖2 平均摩擦因數隨轉速的變化(a)和試樣及其對偶磨損量(b)

(2)對于石油焦，其在轉速3 300 r/min下對材料的平均摩擦因數影響最大，極差值為0.054，影響指數處于第一位；而在4 200和5 400 r/min 下石油焦對材料的平均摩擦因數影響較小，極差值為0.034和0.037 7，影響指數處于第三位；對材料的體積磨損率影響較大，極差值為0.287，影響指數處于第二位；對對偶質量磨損的影響較小，極差值為1.53，影響指數處于第三位；對材料熱衰退性能的影響較大，極差值為0.286，影響指數處于第二位。石油焦在低速制動過程中可以穩(wěn)定材料的平均摩擦因數，且隨著石油焦含量的增加材料的平均摩擦因數在不斷上升。當石油焦質量分數為4%時，試樣平均摩擦因數曲線陡峭，見圖2(a)中試樣MCS3、MCS5和MCS9；制動過程中摩擦因數曲線降幅較大(見圖3)。這是因為石油焦含量的增加會阻礙金屬類組分的熱傳遞，降低材料的熱衰退性。石油焦的內部疏松多孔，彈性較好，具有較好的自潤滑性，使得其與游離在摩擦副之間的磨屑形成的第三體具有較好的穩(wěn)定性，當硬質微凸體劃過第三體時會減緩對第三體的破壞，增大材料在低轉速下與對偶盤的接觸面積，提高材料的平均摩擦因數。

圖3 摩擦因數和制動次數的關系

(3)對于NFJ高溫黏結劑，其在轉速3 300 r/min下對材料的平均摩擦因數影響較大，極差值為0.048，影響指數處于第二位；隨著轉速的提高，其影響指數從第二位降低到第四位；對材料體積磨損率的影響較小，極差值為0.138 7，影響指數處于第三位；對對偶質量磨損的影響較小，極差值為1.253，影響指數處于第三位；對材料熱衰退性能的影響較小，極差值為0.201，影響指數處于第三位。NFJ高溫黏結劑是經過二次改性過后的高鋁礬土，它的主要成分是 Al2O3，為硬質金屬氧化物，屬于增摩組分，并且其疏松多孔、表面粗糙，有助于“粘結”增強組分等。在低速摩擦過程中，摩擦副之間的接觸點在外加載荷作用下發(fā)生塑性變形，在切向力作用下接觸點被剪切，部分游離在摩擦副之間，其余部分為硬質微凸體對材料表面產生犁溝效應[11](見2.3節(jié)分析)。NFJ高溫黏結劑作為磨料是提供摩擦力的主要組分，當其質量分數為3%時，對摩擦材料的增摩效果顯著。NFJ高溫黏結劑力學性能穩(wěn)定且耐磨，當接觸面積不夠充足時硬質微凸體間的摩擦會產生高達1 000 ℃以上的瞬時高溫，而且隨著轉速的增大瞬時溫度也在不斷上升[12]。NFJ高溫黏結劑在瞬時高溫時，脫離樹脂基體“粘結”摩擦副之間的磨屑促進第三體的初始形成階段，避免材料出現表面掉渣、淺坑等情況，穩(wěn)定第三體的形成。根據試驗數據分析，NFJ高溫黏結劑的實際使用效果僅在轉速3 300 r/min時起到較好的增摩效果，伴隨著轉速的升高其對第三體的黏結力下降，對瞬時高溫的抵抗能力也超過極限，導致其對材料各項性能的影響并不顯著。

(4)對于腰果殼油摩擦粉，其在轉速3 300 r/min下對材料的平均摩擦因數影響較小，影響指數和鱗片石墨相似，極差值為0.029，處于第三位；在4 200 r/min下對材料的平均摩擦因數影響最大，極差值為0.04，影響指數處于第一位；在5 400 r/min下對材料的平均摩擦因數影響較大，極差值為0.038，影響指數處于第二位；對材料的體積磨損率影響最大，極差值為0.447 7，影響指數處于第一位；對對偶質量磨損的影響最大，極差值為2.183，影響指數處于第一位；對材料熱衰退性能的影響最小，極差值為0.115，影響指數處于第四位。在該摩擦磨損試驗測試體系中，中高轉速的制動能量占總制動能量的80%以上，是決定材料摩擦磨損性能的最重要階段。腰果殼油摩擦粉是通過穩(wěn)定第三體的狀態(tài)來提高材料的摩擦性能，其對材料中高轉速的平均摩擦因數、材料的體積磨損率及對偶質量磨損都起到很大作用。結合表3和圖2(b)可以發(fā)現，當腰果殼油摩擦粉質量分數為1%時，MCS1、MCS5和MCS9試樣的體積磨損率較大，分別為0.893、0.869、0.476 cm3/MJ，對偶質量磨損也較大，分別為2.92、4.94、1.93 g。其中MCS9試樣由于石油焦及磷片石墨含量較高，導致其磨耗量稍小一些。根據第三體速度協調理論和流量循環(huán)理論[13]，磨屑被反復碾壓、堆積、壓實，其中較大的磨屑如金屬纖維在外力作用下會被釘扎在材料表面與其他細小的磨屑先形成疏松的顆粒狀膜。這些疏松的顆粒狀膜因為表面溫度的升高被再次碾壓、剪切、甚至焊接在一起形成致密的片狀薄膜。腰果殼油摩擦粉的主要成分是腰果殼油的分解產物，根據試驗數據，腰果殼油摩擦粉會在4 200 r/min時開始產生優(yōu)異的黏彈性，有利于形成致密的片狀薄膜，并且在5 400 r/min時不會出現劇烈分解[14]。致密的片狀薄膜會在中高轉速下避免金屬纖維與對偶材料的直接接觸，使平均摩擦因數穩(wěn)定在合適的范圍內，部分潤滑組元會轉移到對偶盤，降低對偶的質量磨損和材料的體積磨損率[15]，如試樣MCS3和MCS8。

2.3 摩擦學行為分析

在制動結束后，使用帶EDS光譜的掃描電子顯微鏡觀察摩擦表面及第三體的組織及成分，圖4示出了6種符合摩擦性能標準要求的試樣的磨損表面SEM照片。由圖4(a)(b)可以觀察到，MCS1和MCS2試樣摩擦表面的淺坑較少，有清晰的犁溝痕跡，第三體完整但內部存在呈塊狀的裂紋，這表明材料出現了疲勞磨損。如圖5(a)(b)所示，在EDS光譜中可以發(fā)現白色部分為金屬纖維與硫化銻所形成的金屬片狀組元，黑色部分為鱗片石墨及石油焦，金屬片狀組元和金屬纖維直接接觸對偶材質會使材料的抗熱衰退性能較好，但體積磨損率較大。相比于其余4種配方試樣，試樣MCS1和MCS2的片狀金屬纖維只粘附了少量硫化銻，摩擦材料的體積磨損率大也意味著其余摩擦組分則是以磨屑的形式帶著大量的熱能排入空氣中。從圖4(a)(b)中還可以看到第三體裂紋和線狀紋路，第三體整體完整并且可以循環(huán)再生，使得MCS1和MCS2試樣在平均摩擦因數的表現上優(yōu)良。而MCS2試樣第三體中銅元素的含量要低于MCS1試樣，這表明有一部分銅纖維轉移到對偶表面起到潤滑作用，避免對偶材料被過分刮傷。從圖4(c)可以看出，MCS3試樣表面犁溝痕跡較淺，第三體完整存在較短的線狀紋路，這是第三體動態(tài)平衡過程中，舊的第三體在衰退，新的第三體重生的過程。從圖5(c)所示的EDS光譜中可以看到金屬纖維與硫化銻、氫氧化鈣、重晶石等礦物組分形成的金屬片狀組元，礦物組分覆蓋在片狀金屬纖維上可以保護對偶盤，避免片狀金屬對對偶盤的刮傷。MCS3試樣的磨損機制以黏著磨損為主，因此其綜合摩擦磨損性能最優(yōu)異。

圖4 正交試驗配方摩擦表面的顯微形貌

圖5 正交試驗配方磨損表面背散射形貌及EDS

從圖4(d)中可以看出，MCS7試樣的第三體形貌不夠完整，表面坑洞較多，沒有明顯的犁溝痕跡，其磨損形式以疲勞磨損為主。從圖5(d)所示的背散射照片中可以看到金屬片狀組元所占比例較大但不夠平整，不利于第三體形成的連續(xù)性。因此MCS7的摩擦因數不夠穩(wěn)定，熱衰退性及耐磨性也不理想。從圖4(e)中可以看到，MCS8試樣的表面存在犁溝痕跡，第三體內部無裂紋出現，但是卻有一些孔洞出現，導致材料的耐磨性能并不理想，其磨損機制以疲勞磨損為主。從圖5(e)所示的背散射照片中觀察到平整的金屬片狀組元，這使得MCS8試樣相比MCS7試樣其抗熱衰退性能較好，但材料的體積磨損率及對偶質量磨損較高。從圖4(f)中可以發(fā)現，MCS9試樣存在大塊的坑洞，表明材料掉渣嚴重。從圖5(f)所示的背散射照片中發(fā)現金屬片狀組元粘附的礦物組分較少，第三體形貌并不完整。使得MCS9試樣的摩擦因數較低，耐磨性較差，摩擦磨損性能較差。

3 結論

采用正交試驗設計鱗片石墨、石油焦、NFJ高溫黏結劑、腰果殼油摩擦粉4種組分含量不同的9組配方，通過綜合評價和極差值量化分析各組元在材料摩擦性能中起到的作用。結論如下：

(1)鱗片石墨、石油焦、NFJ高溫黏結劑、腰果殼油摩擦粉4種摩擦調節(jié)劑中，鱗片石墨具有優(yōu)異的導熱性能，對材料高速下的平均摩擦因數及熱衰退性起穩(wěn)定作用；石油焦具有良好的自潤滑性能，在低速制動過程中可防止材料的平均摩擦因數過高；NFJ高溫黏結劑的黏結性能在該工況下對材料各項性能的影響并不顯著；腰果殼油摩擦粉有利于提高材料中高轉速下的平均摩擦因數，降低材料的體積磨損率及對偶質量磨損。

(2)鱗片石墨、石油焦、NFJ高溫黏結劑、腰果殼油摩擦粉的質量分數分別為1%、4%、3%、6%時，試樣的評分最高，其制動試驗后表面形貌較好，犁溝痕跡較淺，金屬片狀組元粘附較多的礦物組分且第三體完整，綜合摩擦磨損性能最優(yōu)異。