石墨在動車組制動閘片中的應用研究

楊粱崇， 楊 川, 亢磊

(1 中國鐵路蘭州局集團有限公司 車輛處， 蘭州 730000; 2 中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心， 長春 130062)

石墨是動車組制動閘片中常用的潤滑組元材料，石墨為六邊形層狀結構，層與層之間相對位移時，需要的切向應力不大，易于滑動，因此具有摩擦系數小，潤滑性好的特點[1]。但在燒結過程中，石墨與Cu、 Fe間不互溶，它基本均勻分布于金屬基體之間，燒結過程中石墨對金屬原子間的擴散起阻礙作用，阻礙燒結頸的形成，增大材料的孔隙度，孔隙常出現在石墨與金屬的界面處，且呈狹長的扁孔，易引起應力集中。石墨加入量的增加會導致摩擦材料壓制成型困難，強度低，易出現掉邊掉角的問題。

在試驗中，對具有不同形貌的石墨進行了試驗研究，探討了人造石墨和鱗片石墨的添加對制動閘片摩擦材料性能的影響，嘗試通過人造石墨和鱗片石墨的混合添加來強化摩擦體，提高閘片的綜合性能。

1 試驗材料與制備

1.1 試驗材料

制備閘片摩擦材料的原材料粉末有：鐵粉 、銅粉、鎳粉和錫粉 ，粒度均為-200目，純度≥99.2%。在試驗中選用的人造石墨含碳量99%以上，粒度150～800 μm；鱗片石墨產地山東青島，純度99%，粒度300～850 μm。石墨顆粒形貌如圖1、圖2所示。

1.2 摩擦材料制備

在閘片摩擦材料中依次提高鱗片石墨的加入量，考察鱗片石墨加入量的增加對摩擦材料的密度、強度和摩擦性能的影響。閘片摩擦材料配比如表1。

表1 閘片摩擦材料配比表 %

圖1 人造石墨形貌

圖2 鱗片石墨形貌

采用氣氛式鐘罩燒結爐燒結制備摩擦材料，制備工藝為燒結溫度930℃，壓力為10 MPa，保溫時間為2 h。

1.3 性能測試

制備15 mm×15 mm的摩擦體試樣，在LDW-100萬能電子試驗機上進行剪切強度試驗。剪切強度為剪切力與受力面積的比值。

τ=F/A

(1)

式中：τ為摩擦體剪切強度；F為剪切力；A為受力面積。

摩擦材料的密度應用阿基米德浮力法進行試驗，計算公式如式(2)所示。

(2)

采用MM1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗機來測定摩擦材料的摩擦系數，摩擦材料尺寸為25 mm×25 mm×15 mm，對偶盤材料為30CrSiMoVA。

2 試驗結果與討論

2.1 不同石墨比例對摩擦材料壓制性的影響

采用顆粒石墨與鱗片石墨相配合制備試驗摩擦材料，各樣品中兩種石墨的比例如表2所示。

表2 各摩擦材料樣品中的兩種石墨比例

將不同比例的顆粒石墨與鱗片石墨混合的粉料進行冷壓壓制，壓制高度均為15 mm。壓制過程中的成型壓力如圖3所示。

圖3 各摩擦材料的成型壓力

從圖中可以看出，隨著顆粒石墨的比例逐漸降低，摩擦材料所需的成型壓力呈現下降的趨勢，全部為顆粒石墨所需的壓制壓力710 kN為全部為鱗片石墨的壓制壓力350 kN的一倍。這是由于顆粒石墨在摩擦體中較鱗片石墨屬于硬質相，在材料受到壓力作用下，阻礙材料發生變形。鱗片石墨較柔軟屬于軟質相，在受壓力作用下更容易發生位移和變形。因此在鱗片石墨多的情況下，壓制壓力更低。

2.2 不同石墨比例對閘片摩擦材料性能的影響

不同比例的石墨加入會對材料的性能產生影響，如表3所示，隨著鱗片石墨的增加，樣品的密度逐漸增大，剪切強度逐漸升高。

表3 各樣品的密度與剪切強度

顆粒石墨內部存在空洞且表面粗糙，在壓制過程中與金屬粉料之間會產生大量間隙，造成孔隙率增加。孔隙率的增加會造成密度下降，所以全部使用顆粒石墨的樣品的密度最低，剪切強度最差。人造顆粒石墨的形狀不規則，顆粒和顆粒之間容易產生搭橋現象，在單個顆粒與金屬接觸面處存在應力集中[2]，誘發裂紋的產生和擴展，故剪切強度會降低。圖4為加入人造石墨后摩擦材料斷口形貌照片，從圖中可以看出石墨顆粒周圍有大量孔洞和裂紋存在。

圖4 加入人造石墨的摩擦 材料斷口形貌

鱗片石墨在受到壓力時會發生旋轉，趨向垂直于壓力方向排列，長度和厚度方向有較大差異性，呈現為帶狀[3]，因此易于壓制成型，燒結致密性高[4]，而且鱗片石墨表面光滑，所以石墨與金屬界面處孔隙率較低。因而加入鱗片石墨后，摩擦體密度增大，剪切強度也隨著孔隙的降低而增大。隨著鱗片石墨加入量的增加，石墨在摩擦體中的分布狀態多數為平行于摩擦面，由于石墨與金屬的潤濕性很差，因此石墨與金屬基體的結合處存在著大量的缺陷，因此平行于摩擦面對摩擦體進行剪切試驗時，當鱗片石墨的加入量達到一定數量后剪切強度會有所降低。通過數據可以看出，在人造石墨與鱗片石墨加入比例4∶6時摩擦體的剪切強度最高。

2.3 不同石墨比例對摩擦材料摩擦性能的影響

從表4中可以發現在相同試驗工況下完全使用顆粒石墨時摩擦系數最高為0.388，全部為鱗片石墨時摩擦系數下降為0.305，因此隨著鱗片石墨的增加，平均摩擦系數呈下降的趨勢，這是因為摩擦性能與平行于摩擦面的截面形貌有關。從圖5摩擦材料平行摩擦面的組織形貌中可以發現，隨著鱗片石墨的增加，石墨在摩擦體中的分布狀態多數為平行于摩擦面，這使得在摩擦過程中，有大面積的石墨暴露在摩擦面上，從而使材料具有更好的潤滑作用，平均摩擦系數降低。而當顆粒石墨較多時，石墨顆粒釘扎在金屬中，不容易發生滑移，而且會阻礙鱗片石墨旋轉至平行于摩擦面，單位面積上的石墨數量較少，因此潤滑性能變差，平均摩擦系數較高。

表4 不同石墨比例摩擦材料的摩擦系數

圖5 不同比例石墨制備摩擦材料樣品的組織形貌

3 結束語

(1)鱗片石墨的加入提高了摩擦材料的壓制成型性。隨著顆粒石墨的比例逐漸降低，摩擦材料所需的成型壓力呈現下降的趨勢，全部為顆粒石墨所需的壓制壓力710 kN為全部為鱗片石墨的壓制壓力350 kN的一倍。

(2)不同比例的石墨加入會對材料的性能產生影響。鱗片石墨加入后，摩擦體的密度和剪切強度逐漸提高，當人造石墨與鱗片石墨加入比例4∶6時摩擦體的剪切強度為32 MPa、密度4.42 g·cm-3達到最高。

(3)隨著鱗片石墨數量增加，摩擦材料的平均摩擦系數逐漸降低。