制動速度對高性能銅基制動閘片性能的影響

魏東彬，章 林，張 鵬，吳佩芳，曹靜武，釋加才讓，丁向瑩，趙尚節，曲選輝

1)北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 100094

2)北京科技大學新材料技術研究院，北京 100083

目前在最高運行速度達350 km/h的高速鐵路列車上使用的閘片材料均為銅基粉末冶金制動閘片，其優異的摩擦性、良好的耐磨性和較高的導熱性主要來源于銅基體、摩擦組元和固體潤滑組元之間的協同作用[1-3]。隨著鐵路列車運行速度的進一步提高，銅基制動閘片的性能也需要得到進一步提升。目前已有眾多的研究工作從不同的方面來提升銅基制動閘片的性能，比如優化閘片材料中的組元[4]，調整配方[5]以及制備工藝[6]等。然而，在改善閘片性能本身的同時，對閘片制動性能的測試也需要進行深入的研究。因為在實驗室中評判閘片材料中某一組元或者某一制備工藝是否有效，直接來源于制動性能的反饋。同時，由于銅基制動閘片的組分復雜，在不同制動條件下，閘片材料組元可能體現出不同的性質，這就會對閘片材料的性能調控帶來困難。在眾多的制動條件中，摩擦界面的滑動速度是最為重要的影響因素之一。Su等[7]發現在低滑動速度下，摩擦界面的銅能夠使摩擦系數上升，而在高速下的作用則相反。這主要是由于在低速下銅能夠增加摩擦表面的接觸面積，產生更大的黏著剪切阻力，而在高速下則會體現出潤滑特性。姚萍屏等[8-9]發現Fe和SiO2在低速下都能增大摩擦系數，但是SiO2卻會加劇低速下閘片材料的磨損；在高速下，Fe和SiO2增加摩擦擦系數的作用減弱。這主要是由于Fe在高速下會氧化形成氧化膜，而SiO2則被新形成的摩擦膜所隔絕，導致不能發揮出增摩作用。這些研究表明，在研究銅基制動閘片性能的時候，非常有必要在不同制動速度下分別得出相應的規律。韓曉明等[10]在7.8～47.1 m/s的速度范圍內研究了銅-石墨-SiO2的摩擦磨損性能，但是這種閘片材料的成分以及試驗速度都與實際閘片成分和應用速度有一定差距。

因此，本文先設計制備了一種高性能的銅基粉末冶金制動閘片，隨后在較高的速度范圍內 （180～350 km/h）研究制動速度對制動性能的影響。整個測試過程利用商用銅基制動閘片做對比，這能夠使研究更具有代表性，并且對銅基制動閘片在不同制動速度下的性能有更加清晰的了解。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本文使用兩種銅基制動閘片材料，一種為采用傳統粉末冶金方法自制的高性能銅基制動閘片，另一種為用作對比的商用350 km/h速度等級銅基閘片材料。自制銅基制動閘片材料的成分如表1所示。原材料包括電解銅粉（99.5%純度，48～75 μm）、還原鐵粉（99%純度，<74 μm）、碳化硅（99%純度，15～38 μm）、鉻鐵合金粉末（95%純度，100～250 μm）、片狀石墨（95%純度，150～500 μm）和粒狀石墨（95%純度，150～500 μm）。首先將這些粉末在V形混料機中混合8 h；然后將混合粉末在模具中冷壓2 min成形，壓力為400 MPa；最后，在950 ℃+純氫氣氛中，熱壓燒結2 h，熱壓壓力為3 MPa；燒結完成后，待溫度降至100 ℃下取出。自制銅基制動閘片（1#）與商用制動閘片（2#）的背散射電子（backscattered electron，BSE）顯微組織形貌如圖1所示，其中一些典型的組元可由能譜確定，如圖1中標注所示。1#樣品和2#樣品的密度分別為4.5 g/cm3和4.8 g/cm3。

圖1 1#自制樣品（a）和2#商用樣品（b）的背散射電子顯微形貌Fig.1 BSE images of the self-designed 1# sample (a)and the commerical 2# sample (b)

表1 自制銅基制動閘片材料化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the self-designed copperbased brake pads %

1.2 實驗方法

采用MM-1000Ⅱ型摩擦磨損實驗機進行緊急制動實驗。制動實驗前，先在控制臺上設置好實驗參數，隨后電機給與制動盤一個初速度，在壓力作用下，閘片將與制動盤接觸從而使得制動盤停止，以此模擬列車緊急制動時的情況。每次制動時，將兩塊閘片對稱的安裝在夾具上，摩擦面為16 mm×25 mm的長方形面，慣量為0.4 kg·m2，平均摩擦半徑為70 mm，制動壓力為0.48 MPa。慣量的選擇是為了在模擬制動過程中使得閘片材料的能量吸收密度達到在1:1臺架上制動時的能量輸入密度，制動壓力對應于1:1臺架制動時的中等制動壓力（28 kN）。對偶盤為與高鐵原裝制動盤相同材質的鑄鋼制動盤。

自制閘片和商用閘片分別在4000、5300、6300、7400 r/mim條件下進行制動實驗，對應的制動速度分別為180、250、300、350 km/h，每個速度重復進行5次實驗，取其平均值為平均摩擦系數算術平均值（μm_A）。在這一系列實驗完成之后，測量實驗前后閘片的重量以確定磨損量。最后，為了在極端條件下檢測自制閘片與商用閘片的性能變化，在350 km/h（7400 r/mim）的制動速度下連續重復進行20次制動實驗，并且測量實驗前后閘片的重量以確定磨損量。利用排水法測試材料密度。使用JSM-6510A型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察閘片材料的顯微組織形貌和摩擦后摩擦表面的形貌，并對相應微區進行能譜分析。

2 結果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖2所示為1#自制閘片和2#商用閘片隨著制動速度升高平均摩擦系數算術平均值（μm_A）的變化趨勢。由圖可知，對于1#自制閘片，當制動速度從180 km/h升高到250 km/h時，μm_A從0.39下降到約0.37；然后μm_A隨制動速度的上升而上升；當制動速度為350 km/h時，μm_A達到約0.41。對于2#商用閘片，隨著制動速度從180 km/h升高到250 km/h，μm_A從0.37下降到0.36；然后隨著制動速度的繼續上升，μm_A沒有出現顯著變化，維持在0.36左右。在整個過程中，1#樣品的μm_A始終大于2#樣品，并且在高制動速度下，1#樣品的μm_A變化更為顯著。

圖2 1#樣品和2#樣品的平均摩擦系數算術平均值隨制動速度的變化Fig.2 Average friction coefficient of 1# and 2# samples with the increase of braking speed

圖3顯示了在350 km/h制動時，1#樣品和2#樣品的瞬時摩擦系數和轉速隨制動時間的變化。對于不同試樣，隨著制動的進行，制動盤轉速隨時間呈線性下降，表明在模擬制動過程中，減速度是一定的，對于不同樣品只是減速度不同，二者的主要區別體現在瞬時摩擦系數隨制動時間的變化上。當制動開始時，瞬時摩擦系數上升到一個很高的值，然后維持一段很短的時間。由于施加的壓力以及閘片和制動盤之間的突然接觸，旋轉運動的制動盤收到的摩擦阻力也會突然增加。當制動開始時，轉速較高的制動盤給粗糙接觸面帶來較大的剪切力，加劇摩擦表面上微凸體的破壞。隨著摩擦膜的形成和摩擦表面粗糙度的減小，摩擦力達到穩定值。在最初制動的4 s后，瞬時摩擦系數開始繼續上升。對于1#樣品（圖3（a）），瞬時摩擦系數在約12 s時達到頂峰（約0.5），隨后開始下降直至制動結束；對于2#樣品（圖3（b）），瞬時摩擦系數達到頂峰（約0.43）后保持一段時間后開始下降。

圖3 1#樣品（a）和2#樣品（b）在350 km/h制動速度下的瞬時摩擦系數和轉速隨制動時間的變化Fig.3 Instantaneous friction coefficient and the rotational speed of 1# and 2# samples with the increase of braking time at 350 km/h

進一步檢驗1#樣品和2#樣品在高速（350 km/h）下連續制動時的平均摩擦系數（μm）隨制動次數的變化，結果如圖4所示。可以看出在整個制動過程中，1#樣品的μm始終大于2#樣品，并且隨著制動時間延長，這種差異越明顯。在最初制動時，μm差異不明顯，這是因為閘片剛開始用于實驗，摩擦表面還處于原始狀態，沒有經過摩擦膜充分的修飾。在摩擦表面發生了劇烈變化后，產生的摩擦膜決定μm，μm的差異也開始越來越明顯。1#自制樣品μm的波動較大，而2#商用樣品的平均μm隨制動次數的變化較為平穩。μm的變化主要與摩擦表面的物質變化及磨損機理有關。

圖4 1#樣品和2#樣品在350 km/h制動時平均摩擦系數隨制動次數的變化Fig.4 Average friction coefficient of 1# and 2# samples with the increase of braking cycles at 350 km/h

圖5為2種樣品分別在兩種制動條件下的磨損量，其中2#樣品的磨損量均高于1#樣品的磨損量。此外最為顯著的一個特征便是在350 km/h連續緊急制動時的磨損量是180～350 km/h制動時磨損量的2～3倍。這表明更高的速度會使得磨損量快速升高，這與前人的研究一致，即在高速高壓情況下，磨損量隨著制動速度升高呈現出指數上升[11-12]。

圖5 在兩種制動條件下1#樣品和2#樣品的磨損量Fig.5 Wear loss of 1# and 2# samples at two different braking conditions

2.2 摩擦表面

摩擦磨損性能的差異主要由摩擦表面特征決定。圖6所示為180～350 km/h制動后閘片摩擦表面的二次電子相。圖6（a）中1#樣品的摩擦表面主要由被摩擦膜覆蓋的區域以及剝落坑組成，其中摩擦膜覆蓋的區域較為平坦，并且出現了一些細小的劃痕，這是由基體中硬質顆粒或者是摩擦過程中產生的硬質磨屑引起的磨粒磨損造成的。此外，在未被摩擦膜覆蓋的區域，出現了一些小粒徑的剝落坑，并且可以看到石墨突出于表面，這能夠為摩擦過程提供較好的潤滑作用。摩擦膜覆蓋區域的放大顯微形貌如圖6（b）所示，可以看到，除了未形成致密的摩擦膜以外，還有一些小裂紋存在于摩擦膜中，這表明摩擦膜在摩擦過程中會破裂。如圖6（c）所示，2#樣品的摩擦表面沒有大量出現類似圖6（a）中的剝落坑，幾乎整個摩擦表面都被摩擦膜覆蓋，但摩擦膜的平整度不高，出現明顯的變形與劃痕。圖6（d）進一步的表明，2#樣品摩擦表面平整度較1#樣品低，并且出現了摩擦膜因黏著而撕裂的特征。

圖6 經過180～350 km/h制動后的閘片摩擦表面顯微形貌：（a）、（b）1#樣品；（c）、（d）2#樣品Fig.6 SEM images of the friction surfaces for the brake pads after braking tests at 180~350 km/h: (a),(b)1# sample;(c),(d)2#sample

圖7所示為閘片摩擦表面的背散射電子顯微形貌（BSE）以及能譜分析（energy dispersive X-ray spectroscopy，EDS）。根據顏色深淺，圖7（a）主要可分為黑色區域、深灰色區域和淺灰色區域，其中黑色區域可能是碳化硅、石墨或者剝落坑，淺灰色區域（A）以及深灰色區域（B）的能譜分析如圖7（c）和圖7（d）所示。據此可以判斷，淺灰色區域是富銅相，其中可能夾雜著鐵的氧化物、碳等磨屑，深灰色區域是以鐵的氧化物為主的摩擦氧化膜。對比圖7（a）和圖7（b）可以發現，2#樣品摩擦表面幾乎全被淺灰色富銅相所覆蓋，這意味著富銅相在摩擦表面經歷了劇烈的轉移，1#樣品表面則保留了相當部分的深灰色摩擦氧化膜。

圖7 180～350 km/h制動后的閘片摩擦表面顯微形貌和能譜分析：（a）1#樣品顯微形貌；（b）2#樣品顯微形貌；（c）1#樣品摩擦表面A區域能譜分析；（d）1#樣品摩擦表面B區域能譜分析Fig.7 BSE images and EDS analysis of the friction surface for 1# and 2# samples after braking tests at 180~350 km/h: (a)1# sample BSE image;(b)2# sample BSE image;(c)EDS analysis of 1# sample in zone A;(d)EDS analysis of 1# sample in zone B

圖8為整個實驗后制動盤表面的光學顯微形貌。如圖8（a）所示，與1#樣品對磨后制動盤表面的特征以細密的劃痕為主，這是磨粒磨損的產物。在圖8（b）中，摩擦表面劃痕特征不明顯，表面較為平坦。摩擦表面還出現了大面積的物質轉移特征，轉移的物質覆蓋在摩擦表面。

圖8 全部制動實驗后的盤摩擦表面：（a）1#樣品；（b）2#樣品Fig.8 Friction surface of the brake disc for 1# and 2# samples after the whole braking tests: (a)1# sample;(b)2# sample

2.3 摩擦系數影響因素和磨損機制分析

如上所述，制動速度對1#樣品和2#樣品的摩擦系數均有顯著影響。制動速度升高主要受兩個因素影響：（i）制動過程中動能的升高使得摩擦表面的溫度升高[13]；（ii）制動速度升高使得制動盤對于閘片表面的剪切力增強，加劇摩擦表面結構的破壞[11]。在低速制動下，由于摩擦表面沒有形成連續致密光滑的摩擦膜，表面的摩擦系數主要由摩擦表面的微凸體決定，此時主要產生的磨損機理為磨粒磨損，摩擦系數較高。隨著制動速度升高，摩擦表面溫度升高，摩擦表面氧化程度加重。光滑的摩擦膜逐漸在摩擦表面形成，并逐漸將突出于摩擦表面的硬質陶瓷顆粒等物質隔離開來，原本存在于摩擦表面的微凸體在高速下破壞加劇。這些都使得摩擦表面的平整度增加，使得摩擦阻力下降[14]。

1#樣品的摩擦系數隨著制動速度的進一步增加出現上升，2#樣品的摩擦系數保持不變，這意味著仍有其他因素影響摩擦系數。一方面，摩擦系數上升與摩擦膜的破碎有關。摩擦表面形成的摩擦膜由多種物質混合而成，相較于基體具有較高的脆性和硬度[15]。在循環應力作用下，摩擦膜中會出現裂紋并且破裂（圖6（b）），在摩擦表面產生剝落坑，從而降低摩擦膜的平整度（圖6（a））[16]。同時，破碎的摩擦膜顆粒也會在摩擦界面起硬質相的作用，加劇摩擦表面的磨粒磨損（圖8（a））[17]。這種硬質磨屑的堆積會導致瞬時摩擦系數在某一個時間點增大（圖3（a））。另一方面，摩擦表面的銅也會在高速下逐漸軟化[18]。當摩擦表面抵抗塑性變形的能力不強時，摩擦表面的物質遷移速率會增大，這會在摩擦界面生成一層富銅的摩擦膜，起潤滑作用，使摩擦系數下降。對于1#樣品，摩擦表面出現了富銅相的轉移，但是轉移并不劇烈，這一點從圖7（a）中摩擦表面仍然有相當部分的摩擦氧化膜可以看出。對于2#樣品，在高速制動下，這種摩擦膜的運動機理占據主導地位，使得富銅的物質幾乎完全覆蓋摩擦表面（圖6（c）和圖7（b）），因此使得摩擦系數不能如1#那樣上升（圖2和圖3（b））[19]。此外，這種摩擦界面劇烈的物質運動也促進了物質從閘片往制動盤轉移（圖8（b）），在閘片摩擦表面留下黏著撕裂的特征（圖6（d））。Zhang等[20]在研究中觀察到了同樣的物質轉移現象，證實這種轉移與摩擦界面的溫度密切相關，并且在高溫銅軟化之后這種轉移更加劇烈。因此，在350 km/h連續制動時，由于摩擦表面存在易轉移的富銅摩擦膜的潤滑作用，2#樣品的摩擦系數較低，并出現比1#樣品更加明顯的衰退特征（圖4）。1#樣品雖然摩擦系數較高，但是摩擦系數波動較大，這主要是摩擦表面的磨損機理以磨粒磨損為主，而磨粒處于不斷的生成與消耗中。2#樣品表面大面積劇烈的物質運動使得黏著-剝層磨損成為摩擦界面間的主要磨損機理，這也加劇了閘片的磨損量 （圖5）。

3 結論

（1）自制銅基制動閘片比商用閘片具有更高的摩擦系數和耐磨性，在高速下連續緊急制動時也具有較大的波動性。

（2）隨著制動速度的升高，自制和商用銅基制動閘片的摩擦系數都降低。這主要與摩擦表面摩擦膜的生成有關。隨著摩擦系數進一步升高，自制樣品的摩擦系數上升，而商用樣品保持不變，這主要受兩方面因素影響：（i）摩擦膜在持續應力作用下破裂，導致摩擦系數升高；（ii）摩擦表面的銅在高溫下軟化，加劇摩擦膜的流動，使得摩擦系數降低。對于自制樣品，作用（i）占主導地位，而對于商用閘片，作用（ii）較強，使得摩擦系數不能上升。

（3）自制閘片在制動時磨損機制以磨粒磨損為主，而商用閘片則以黏著-剝層磨損為主。