高速列車用銅基粉末冶金摩擦材料研究進(jìn)展

于 奇，馬 佳，鐘素娟，龍偉民，丁天然，潘建軍，于新泉

（鄭州機(jī)械研究所有限公司新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450001）

0 前言

近年來我國高速列車技術(shù)快速發(fā)展，2017年6月由中國鐵路總公司研制的“復(fù)興號(hào)”在京滬高鐵雙向通車，時(shí)速300 km提高至350 km，我國也由此成為世界上高鐵商業(yè)運(yùn)營速度最快的國家。為確保高速列車的正常安全運(yùn)行，剎車制動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦材料起關(guān)鍵性作用，摩擦制動(dòng)系統(tǒng)利用摩擦材料與摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸面產(chǎn)生摩擦力來調(diào)節(jié)列車運(yùn)行速度[1]。為滿足高速列車發(fā)展的技術(shù)需求，要求摩擦材料具有較高的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性、抗粘結(jié)性、耐熱性、熱物理穩(wěn)定性、耐磨性、環(huán)境友好性以及足夠的機(jī)械強(qiáng)度[2]。通過傳統(tǒng)鑄造方法研制的鑄鐵、鑄鋼制動(dòng)盤僅能滿足時(shí)速250 km以下的高鐵制動(dòng)要求[3]，而利用粉末冶金技術(shù)制作摩擦材料避免了鑄造過程中偏析、縮孔等缺陷，可通過成分調(diào)整、非金屬成分添加調(diào)節(jié)合適穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，具有工作穩(wěn)定、摩擦系數(shù)高、耐磨性好、抗蝕性好、導(dǎo)熱性高以及使用負(fù)載高等性能，廣泛應(yīng)用于高速列車制動(dòng)上[4]。

目前國內(nèi)外高速列車?yán)梅勰┮苯鸺夹g(shù)研制的制動(dòng)摩擦材料主要分為三類：第一類是利用酚醛樹脂、金屬粉末和潤滑劑混合熱壓制備的合成摩擦材料，使用溫度不超過250℃，不能滿足時(shí)速超過200km的高速列車制動(dòng)[5]；第二類是利用浸漬法、CVD方法研制的C/C復(fù)合材料或C/C-SiC復(fù)合材料，作為一種新型剎車材料，具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫以及熱物理性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，是超高速列車制動(dòng)首選材料，但其研制周期長(zhǎng)、成本高，制約了該類材料的大規(guī)模應(yīng)用[6-7]；第三類是金屬粉末中添加耐磨的陶瓷、碳化物作為摩擦劑，石墨、MoS2等作為潤滑劑組元，通過壓制、燒結(jié)制備的粉末冶金摩擦材料。該類粉末冶金摩擦材料通常分為鐵基和銅基兩大類，其中銅基摩擦材料傳熱性能好，對(duì)摩擦副損傷小，相對(duì)鐵基摩擦材料性能優(yōu)越，導(dǎo)熱率占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，成本合理，可應(yīng)用于時(shí)速350 km的制動(dòng)系統(tǒng)[8-9]。

銅基粉末冶金摩擦材料在制備過程中需要合理配比基體組元、摩擦組元及潤滑組元，通過恰當(dāng)?shù)膲褐茻Y(jié)工藝才能制備穩(wěn)定可靠的高速列車用摩擦材料。基體組元以銅為基體，添加錫、鋁、鎳、硅、鐵、鉻、鈦等輔助組元，成分配比及粉末配比直接影響材料的綜合性能。摩擦組元以SiO2、Al2O3、TiC、SiC等氧化物或碳化物為主，不同摩擦組元的選擇和添加濃度直接影響基體的摩擦系數(shù)。潤滑組元以石墨和MoS2應(yīng)用最廣，起到固體潤滑作用，提高摩擦材料的工作穩(wěn)定性[10]。在此通過分析國內(nèi)銅基粉末冶金摩擦材料成分配比及制備工藝，探討研究進(jìn)展和發(fā)展方向。

1 成分配比對(duì)銅基摩擦材料性能影響

1.1 基體組元成分配比及性能

銅基粉末冶金摩擦材料成分以青銅基為主，通過添加輔助組元達(dá)到固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、有序強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和纖維強(qiáng)化的作用，國外廣泛使用的干摩擦條件下的統(tǒng)計(jì)摩擦材料成分配比見表1[11]。

表1 干摩擦條件下使用的銅基摩擦材料成分[11]%

銅基粉末冶金摩擦材料制備過程中以銅粉、銅合金粉為主要原材料，銅粉制備方法主要有電解法和霧化法，銅合金粉制備方法主要有霧化法和化學(xué)濕法。電解銅粉主要呈樹枝狀，松裝密度較小，有利于壓制成型，霧化銅粉通常利用水霧化制備，球形度較高，流動(dòng)性較好，松裝密度較高，有利于均勻混料。彌散銅粉因具有較高的導(dǎo)熱率、高強(qiáng)度和硬度，可作為銅基粉末冶金摩擦材料的原材料粉末，且彌散分布的氧化鋁陶瓷粒子具有穩(wěn)定摩擦過程、增大摩擦系數(shù)的作用，使材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性更好。霧化制備銅合金粉一般為銅錫、銅鐵、銅鎳等成分，合金粉在壓制燒結(jié)過程中合金化充分，避免單質(zhì)混粉導(dǎo)致的成分偏析，且合金粉性能穩(wěn)定，有利于簡(jiǎn)化燒結(jié)工藝。化學(xué)濕法制備的銅合金粉表面積較大，粒度小，燒結(jié)溫度低，化學(xué)活性高，燒結(jié)基體組織致密，綜合性能優(yōu)良。鐵銅鈷合金粉燒結(jié)基體相對(duì)單質(zhì)銅粉抗磨損性能好，樣品表面沒有產(chǎn)生機(jī)械復(fù)合形變層，摩擦過程中在對(duì)偶件與基體表面形成穩(wěn)定氧化膜，材料磨耗量低且穩(wěn)定[12]。鐵在銅基材料中作為第二相，使材料摩擦磨損性能更優(yōu)，通過添加對(duì)比研究還原鐵粉、泡沫狀纖維鐵粉、鐵鎳合金粉、鐵鉻合金粉，4種鐵粉形貌如圖1所示。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，結(jié)果表明：還原鐵粉制備的樣品摩擦因數(shù)隨速度升高出現(xiàn)嚴(yán)重衰退；泡沫纖維鐵粉摩擦因數(shù)穩(wěn)定，磨損嚴(yán)重；鐵鎳合金粉有效減緩了高速階段摩擦因數(shù)的衰退；鐵鉻合金粉抗磨損能力最佳[13]。作為輔助組元成分添加鋁有利于穩(wěn)定摩擦系數(shù)，且在低速進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)的工藝條件下，干磨時(shí)摩擦因數(shù)隨鋁含量的增加而降低，濕磨時(shí)摩擦因數(shù)隨鋁含量的增加而略有增加[14]。鎢作為難熔金屬添加，可與石墨反應(yīng)，添加3%以內(nèi)可使銅基摩擦材料硬度小幅提高并改善摩擦磨損性能[15]。添加鎳可有效提高銅基摩擦材料的強(qiáng)度和硬度，隨著鎳含量的增加，材料磨損率減小，穩(wěn)定性增加[16]。

圖1 4種鐵粉的微觀形貌

圖2 4種樣品摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律[13]

1.2 摩擦組元成分配比及性能

摩擦組元不溶于銅合金基體，作為非金屬材料在燒結(jié)過程中不發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng)，且性能穩(wěn)定，添加摩擦組元通常可提高摩擦材料的強(qiáng)度和硬度，增加摩擦材料的摩擦因數(shù)。Al2O3是一種具有較高硬度的摩擦組元，隨著含量的增加，摩擦材料密度降低，硬度增加，磨損量呈先減小后增加趨勢(shì)，添加Al2O3對(duì)材料摩擦形貌產(chǎn)生影響，當(dāng)含量增加，材料表面凹坑減少，犁溝深入增加[17]，表面形貌如圖3所示。大部分文獻(xiàn)中對(duì)單一摩擦組元進(jìn)行了深入研究，而多種摩擦組元組合添加摩擦耦合作用及機(jī)理研究較少，銅基摩擦材料中 Al2O3和 SiO2以 2∶6、4∶4、6∶2 和 8∶0的比例添加，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，摩擦材料孔隙率減小，硬度增加。摩擦磨損試驗(yàn)表明在低制動(dòng)速度下，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，摩擦因數(shù)減小，耐磨性提高；在高制動(dòng)速度下，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，摩擦因數(shù)減小，耐磨性先升高后降低[18]。

圖3 不同Al2O3含量的材料摩擦表面形貌的SEM照片[17]

1.3 潤滑組元成分配比及性能

石墨作為銅基摩擦材料潤滑組元，實(shí)際應(yīng)用最廣，其中不同種類和粒度的碳對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料的密度、孔隙度存在影響，在相同壓制工藝條件下，天然鱗片石墨體現(xiàn)出較好的壓制性能，人造石墨以游離態(tài)存在于材料中，磨損過程易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致磨損量增大，綜合研究發(fā)現(xiàn)50#天然鱗片石墨的綜合磨損性能較好[19]。在銅基摩擦材料中增加石墨含量，孔隙率增加，摩擦系數(shù)和磨損率均降低，石墨含量與磨損率關(guān)系如圖4所示。當(dāng)石墨含量小于10%時(shí)，磨損率隨摩擦速度的提高迅速提高；當(dāng)石墨含量大于20%時(shí)，提高石墨含量，摩擦系數(shù)穩(wěn)定性提高，而磨損率不再隨摩擦速度的提高而提高[20]。

2 工藝條件對(duì)銅基摩擦材料制備及性能的影響

銅基粉末冶金摩擦材料的最終性能不僅取決于成分配比，還與制備工藝密切相關(guān)，合適的壓制燒結(jié)工藝可保證制品密度及成分分布均勻，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，是制造高性能產(chǎn)品的必要途徑。

圖4 石墨含量與磨損率的關(guān)系[20]

2.1 壓制工藝對(duì)銅基摩擦材料制備及性能的影響

粉末壓制是粉末冶金的關(guān)鍵步驟，提高壓坯密度有利于提高制品的綜合性能。粉末在壓制過程中，采用單向壓制易產(chǎn)生密度梯度，雙向壓制可改善坯體密度不均勻問題，采用等靜壓壓制工藝可保證坯體優(yōu)良的致密度。隨著壓制壓力的提高，壓坯密度增速先快后緩，提高壓制次數(shù)也能提高壓坯致密度，但是次數(shù)越多效果越不明顯[21]。復(fù)壓工藝是將燒結(jié)零件置于模具中再壓縮一次，可提高燒結(jié)零件密度及其物理性能，銅基摩擦材料磨損量與孔隙率呈線性關(guān)系，復(fù)壓工藝可提高燒結(jié)致密度，改進(jìn)產(chǎn)品性能。同時(shí)，采用一定溫度下的熱復(fù)壓工藝對(duì)致密度的改善效果顯著[22]。

2.2 燒結(jié)工藝對(duì)銅基摩擦材料制備及性能

燒結(jié)作為粉末冶金工藝重要環(huán)節(jié)，對(duì)摩擦材料性能影響非常明顯，尤其是燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、保溫時(shí)間和成形壓力等工藝參數(shù)。燒結(jié)溫度升高，摩擦材料密度、強(qiáng)度和硬度均降低，孔隙度增加；燒結(jié)壓力對(duì)硬度有一定影響，隨著燒結(jié)壓力的增加，硬度先增大后減小；成形壓力對(duì)抗彎強(qiáng)度影響較大，隨著成形壓力的增大抗彎強(qiáng)度呈先增后減趨勢(shì)[23]。在燒結(jié)過程中，金屬粉末出現(xiàn)塑性流變及合金化，燒結(jié)過程中氣氛對(duì)最終制品質(zhì)量有重要影響，研究發(fā)現(xiàn)氮?dú)鈿夥諢Y(jié)材料擠壓強(qiáng)度最大，氫氣氣氛燒結(jié)材料擠壓強(qiáng)度最小，氮?dú)夂蜌錃饣旌蠚夥諢Y(jié)材料在摩擦過程中穩(wěn)定性高，摩擦系數(shù)變化較小。不同氣氛下磨損量示意如圖5所示[24]。

圖5 氣氛燒結(jié)磨損量隨制動(dòng)壓力變化曲線（2 500 r/min）[24]

3 結(jié)論及展望

我國高速列車用銅基粉末冶金摩擦材料起步較晚，與高速列車技術(shù)相比相對(duì)滯后。根據(jù)相關(guān)研究，可通過調(diào)整粉末配比，關(guān)注粉末粒度、形貌、制備工藝，添加一定比例合金粉來提升銅基摩擦材料燒結(jié)體的綜合性能。通過配比不同的陶瓷氧化物和碳化物摩擦組元，研究不同潤滑劑粒度、形貌、配比，對(duì)比研究多組元耦合關(guān)系，選擇最佳原材料，研制出最佳成分配比。同時(shí)，穩(wěn)定粉末冶金生產(chǎn)工藝，掌控細(xì)節(jié)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。隨著國家科研投入及科研人員的深入研究，實(shí)現(xiàn)高速列車用銅基粉末冶金摩擦材料的全面超越指日可待。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛頓.粉末冶金銅基摩擦材料制備及摩擦學(xué)性能研究[D].安徽：安徽工程大學(xué)，2010.

[2]王廣達(dá)，方玉誠，羅錫裕.高速列車摩擦制動(dòng)材料的研究進(jìn)展[J].中國冶金，2007，17（7）：12-15.

[3]李銣寅，宋崇智.基于冒口的250 km/h高鐵制動(dòng)盤鑄造工藝研究[J].機(jī)械工程師，2017（2）：44-45.

[4]任志俊.粉末冶金摩擦材料的研究發(fā)展概況[J].機(jī)車車輛工藝，2001（6）：1-5.

[5]石宗利，杜心康，丁旺才，等.高速列車制動(dòng)閘片材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（4）：48-52.

[6]張軍戰(zhàn)，徐永東，張立同，等.剎車速度對(duì)C/C-SiC復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響[A].硅酸鹽學(xué)報(bào)創(chuàng)刊50周年暨中國硅酸鹽學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（一）[C].2007.

[7]熊翔，黃伯云，徐惠娟，等.針刺氈C/C復(fù)合材料摩擦制動(dòng)壓力和速度特性[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2003，20（3）：41-46.

[8]姚萍屏，李世鵬，熊翔.Fe和SiO2對(duì)銅基摩擦材料摩擦學(xué)行為的對(duì)比研究[J].湖南有色金屬，2003，19（5）：31-35.

[9]陳文革，羅啟文，張劍，等.汽車剎車片用鐵銅基摩擦材料的研究[J].粉末冶金技術(shù)，2012，30（3）：192-199.

[10]王曄.高鐵制動(dòng)用粉末冶金摩擦材料的制備及性能研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2015.

[11]許成法，韓建國.銅基干式摩擦材料配方優(yōu)化[C].摩擦、減摩、耐磨材料和技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)，2013.

[12]王曄，燕青芝，張肖路，等.銅粉對(duì)銅基摩擦材料性能的影響[J].材料研究學(xué)報(bào)，2013（1）：37-42.

[13]王曄，燕青芝，張肖路，等.鐵粉類型對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（4）：467-472.

[14]高飛，朗劍通，符蓉，等.鋁對(duì)銅基粉末冶金材料摩擦磨損性能的影響[J].潤滑與密封，2008，33（1）：23-26，31.

[15]陳百明，張振宇，劉曉斌，等.鎢對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（1）：69-75.

[16]姚冠新，牛華偉.鎳對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J].熱加工工藝，2016（8）：121-124.

[17]王天國，梁?jiǎn)⒊?Al2O3含量對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J].粉末冶金工業(yè)，2016（26）：46-50.

[18]張學(xué)良，陳躍，杜三明，等.Al2O3和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)銅基粉末冶金制動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，38（4）：1-5.

[19]陳軍，姚萍屏，盛洪超，等.碳對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響[J].熱加工工藝，2006，35（7）：13-16.

[20]高飛，杜素強(qiáng)，符蓉，等.不同速度下石墨含量對(duì)銅基摩擦材料性能的影響[J].礦冶工程，2005，25（4）：80-82.

[21]張光勝，牛頓，馮思慶.壓制次數(shù)對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料物理性能的影響[J].機(jī)械工程師，2010（1）：109-111.

[22]李萬全.鋁青銅基粉末冶金摩擦材料壓制工藝研究[J].熱加工工藝，2009，38（19）：7-9.

[23]王建強(qiáng)，李國民，趙洪波.燒結(jié)工藝對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料的影響[J].潤滑與密封，2013（10）：76-79.

[24]毛凱，燕青芝，葛昌純，等.燒結(jié)氣氛對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響[J].粉末冶金工業(yè)，2011，21（2）：25-29.