粉末冶金摩擦材料在高速列車上的應用

王夢潔

摘 要：高速列車制動用剎車片是關系到車輛制動安全性的關鍵部件。高鐵剎車片的質(zhì)量如何，直接關系到高速運行的列車能否及時減速和停下來?；诖?，本文主要對列車制動用剎車片的材料進行研究，首先闡述摩擦材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后分析摩擦材料的類型及優(yōu)缺點，最后探討粉末冶金摩擦材料及其主要組成，以期研制出具有社會效益和經(jīng)濟效益的摩擦材料。

關鍵詞：剎車片；粉末冶金；摩擦；磨損；高速列車

中圖分類號：TF125.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0109-02

Application of Powder Metallurgy Friction Material on High Speed Train

WANG Mengjie

（Zhengzhou No. 1 Middle School，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Brake block for high-speed train braking is a key component related to vehicle braking safety. The quality of high-speed rail brake is directly related to whether the high-speed running train can slow down or stop in time. Based on this， this paper mainly studied with brake materials of train braking， first described the research status of friction materials at home and abroad， and then analyzed the types of friction materials and the advantages and disadvantages， finally discussed the powder metallurgy friction material and its main components， in order to develop friction materials with economic and social benefits.

Keywords： brake pad；powder metallurgy；friction；wear；high speed train

隨著我國中長期鐵路建設發(fā)展規(guī)劃的發(fā)布，我國高速鐵路進入一個快速發(fā)展的時代。2017年，我國高速鐵路總里程已經(jīng)超過了2.2萬km，占全球高速鐵路總里程的65%，并計劃在2025年建設完成“八橫八縱”計劃，總里程將超過3.8萬km。高速重載成為當前鐵路發(fā)展的主旋律。高速列車制動用剎車片是關系到車輛制動安全性的關鍵部件，高鐵剎車片的質(zhì)量如何，直接關系到高速運行的列車能否及時減速和停下來。因此，加強列車制動剎車片研究尤為重要。

目前，時速為200km/h的列車在緊急制動下的剎車距離為2km，時速為300km/h的列車緊急制動距離為37km。既要剎車距離短，又要剎車平穩(wěn)，這就對制動系統(tǒng)和剎車片提出了較高的要求：剎車材料需要具有穩(wěn)定的摩擦性能，不受壓力、速度、溫度的影響，又要有較高的耐磨損性能、耐疲勞性能及抗熱裂紋擴展性能等。

1 摩擦材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀90年代初，發(fā)達國家鐵路運輸?shù)淖罡哞F路時速就已達到300km/h以上，對剎車片材料的研制也經(jīng)歷了鑄鐵閘片、合成閘片、鐵基和銅基粉末冶金閘片等研究過程，其中運用最廣泛且技術最為成熟的是銅基粉末冶金閘片。日本高速列車所采用的銅基粉末冶金閘片以銅、鐵、鎳為基體，通過添加陶瓷和石墨提高了材料的耐磨性、耐熱性和潤滑性，可用于時速300km/h以上列車，摩擦系數(shù)穩(wěn)定。日本新干線采用的銅基粉末冶金摩擦材料是以銅、錫為基體，通過添加適量的摩擦穩(wěn)定劑燒結而成，硬度為45±10HB，密度為5 600～5 800kg/m3。法國TGV-A列車采用的閘片材料是以鐵、銅為基體，通過添加碳化物等來調(diào)節(jié)石墨、硅酸鹽、Sn等的含量。

國內(nèi)近幾年也開始系統(tǒng)研究鐵基、銅基、鐵銅基粉末冶金摩擦材料。周海濱[1]等研究了SiC含量對銅基粉末冶金摩擦材料摩擦磨損性能的影響；盛洪超[2]等對銅基航空摩擦材料的制備進行了系統(tǒng)研究；姚萍屏[3，4]等研究分析了不同組元、制備工藝、組元含量及粒度對材料的組織和摩擦磨損性能的影響規(guī)律，為制備新型摩擦材料提供了理論基礎。

2 摩擦材料的類型及優(yōu)缺點

常用制動閘片材料有樹脂基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料和陶瓷復合材料。早期被廣泛使用的是石棉摩擦材料，不僅成本低，而且摩擦性能非常穩(wěn)定，但由于石棉具有致癌性，便逐漸被樹脂基摩擦材料取代。樹脂基摩擦材料具有性能調(diào)節(jié)容易、使用面廣、生產(chǎn)工藝簡單和成本低廉等優(yōu)點，其應用溫度不能超過275℃，若溫度過高，會使耐熱性低的樹脂和橡膠發(fā)生碳化，降低摩擦性能的穩(wěn)定性，難以滿足時速為300km/h以上列車的盤形制動需求。陶瓷復合材料具有重量輕、熱膨脹系數(shù)小和良好的耐高溫性能，但其生產(chǎn)成本高、性能不穩(wěn)定，所以難以應用于高速列車上。粉末冶金摩擦材料在高速列車制動中單位體積溫度達500℃以上，閃點溫度達1 000℃時，仍能保持良好的剎車性能，在耐熱和導熱性方面具有顯著優(yōu)勢，因而被廣泛應用于各國高速列車上。

3 粉末冶金摩擦材料及其主要組成

一般情況下，粉末冶金摩擦材料是由金屬基體、摩擦組元和潤滑組元等組成的多元復合材料。其中，金屬基體的組織結構、物理性能和化學性能等決定了摩擦材料的摩擦磨損性能、熱穩(wěn)定性、力學性能和導熱性能等。金屬基體通過機械結合的方式將摩擦組元和潤滑組元顆粒固定起來，形成具有一定強度的整體。粉末冶金摩擦材料根據(jù)基體金屬不同分為鐵基和銅基材料，還有鐵-銅基、鎳基、陶瓷基、鋁基和鎢基等。

鐵基粉末冶金在家用器具、農(nóng)業(yè)機械、電動工具和文體休閑器材等領域被廣泛使用。鐵基粉末冶金摩擦材料具有優(yōu)良的摩擦性能，適用于400℃到1 000℃的溫度。但是，與對偶（如鑄鐵或鋼）具有親和性，摩擦系數(shù)波動較大，容易產(chǎn)生黏著膠合問題和噪聲。其被廣泛應用于汽車行業(yè)和普通列車的摩擦制動中。

銅基粉末冶金材料具有較好的耐蝕性、表面光潔和無磁性等優(yōu)點，被廣泛應用于摩擦材料、過濾器、電刷、機械結構零件、電工零件、鐵粉添加劑、催化劑及油漆和顏料等領域。銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦系數(shù)在低速時高，高速時低，磨損量在高速條件下不受影響，而且具有制動性能穩(wěn)定、對制動盤的熱影響小、磨合性好等優(yōu)點。在日本的新干線、法國隊TGV和德國的ICE等高速列車中，都采用的是銅基粉末冶金摩擦材料。

粉末冶金摩擦材料是利用粉末冶金技術，以金屬粉末為基體，通過添加摩擦組元和潤滑組元來改善材料的摩擦性能，在均勻混合后通過壓制、燒結而成的。其通過改變材料組分和制造工藝，提高材料的力學性能和摩擦磨損性能。

摩擦組元的主要作用是提高材料的摩擦系數(shù)，增強基體的強度。

潤滑組元的作用是提高材料的耐磨性和抗擦傷性，降低材料的磨損量，保證摩擦副之間能穩(wěn)定工作。在粉末冶金摩擦材料中常用的潤滑組元有：固體潤滑劑（如石墨、云母、CuS、MoS2、SbS和WS2）、低熔點的金屬（如Bi、Sn、Pb等）、某些氧化物、金屬的磷化物和氮化物等。石墨和MoS2是銅基粉末冶金摩擦材料中最常用的潤滑組元。

石墨對減少材料的磨損量、提高材料的耐磨性能具有重要作用。石墨在銅基材料中主要以游離態(tài)形式存在，一部分石墨與鐵粉形成碳化物或者金屬間化合物，一部分石墨與其他合金元素形成化合物。片狀游離態(tài)石墨具有層狀六方晶體結構，層間原子間的結合鍵能低，因此各層間的抗壓能力很強，但容易產(chǎn)生滑動偏移，所以石墨能在金屬表面形成牢固的轉(zhuǎn)移膜，具有良好的潤滑性。

黏結劑作為摩擦材料中的重要組成部分，其性能直接影響摩擦材料的熱衰退性能、磨損性能和力學等性能，但目前采用的黏結劑普遍存在耐熱性差的問題，不能滿足苛刻的制動工況條件，所以研制出具有較高耐熱性能的黏結劑是一個比較重要的發(fā)展方向。

上述是粉末冶金摩擦材料的基本組成，根據(jù)目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀，我們有能力使剎車片取代進口產(chǎn)品，實現(xiàn)國產(chǎn)化。

4 結語

我國粉末冶金摩擦材料的研究水平不斷提升，研發(fā)生產(chǎn)的銅基粉末冶金摩擦材料已經(jīng)基本滿足時速300km/h以下速度的緊急制動要求，但當速度超過300km/h時，就會出現(xiàn)粘連、過量磨損、疲勞及環(huán)境因素導致的剎車片開裂等問題，使剎車片的使用壽命降低。因此，研制出高性能的摩擦材料，實現(xiàn)我國剎車片的國產(chǎn)化具有重要意義。

參考文獻：

[1]周海濱，姚萍屏，肖葉龍，等.SiC顆粒強化銅基粉末冶金摩擦材料的表面形貌特征及磨損機理[J].中國有色金屬學報，2014（9）：2272-2279.

[2]熊翔，盛洪超，姚萍屏.銅基航空剎車材料的燒結溫度與燒結壓力[J].中南大學學報（自然科學版），2007（2）：206-212.

[3]袁國洲，姚萍屏，樊毅.SiO2和B4C組合對鐵銅基摩擦材料性能的影響[J].非金屬礦，1999（4）：47-49.

[4]陳潔，熊翔，姚萍屏，等.摩擦面溫度對鐵基摩擦材料摩擦磨損性能影響機理的研究[J].粉末冶金技術，2004（4）：223-227.