雨水環境下碳陶復合材料的載流摩擦磨損性能

任育博，彭金方，曹 超，唐 攀，申長慧，方婧婷，朱旻昊

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，摩擦學研究所，成都 610031)

0 引 言

中低速磁懸浮列車的運行速度一般為100～200 km·h-1，其運行噪聲小，爬坡能力強，轉彎半徑小，便捷舒適，現主要應用于城市軌道交通系統，是解決城市交通擁堵問題的優選方案之一[1-2]。在列車制動過程中制動閘片因摩擦磨損嚴重會產生一定的損耗，一般采用按期檢修更換的方式來保證制動系統的正常運行[3]。國內某磁懸浮線路制動閘片中檢測到有500 A電流通過，閘片的實際使用壽命僅為理論壽命的3%，這說明載流狀態會嚴重影響制動閘片的使用壽命，進而威脅列車的運行安全。同時，暴露于自然環境下的軌道系統將不可避免地服役于雨雪等環境，這會導致制動閘片摩擦環境發生干濕變化，從而影響機械制動的穩定性[4]。

目前應用于列車制動閘片的材料主要包括有機合成材料、鐵銅基粉末冶金材料、鑄鐵摩擦材料以及碳陶(C/C-SiC)復合材料[5]，其中碳陶復合材料耐高溫且密度低，摩擦磨損性能穩定，在高速剎車領域具有廣闊的應用前景，目前已經被應用于制造列車閘片[6-8]。有關碳陶復合材料制動性能的研究可以分為兩個方面。一方面是針對制動參數的研究：隨著制動速度的增大，碳陶復合材料的摩擦因數變化幅度很小，磨損率增大，磨損機理主要為磨粒磨損和黏著磨損[9-12]；不同制動壓力下，碳陶復合材料的摩擦因數差異明顯，在近工況條件下摩擦因數曲線呈馬鞍形[13-15]；CHEN等[16]研究發現，在列車制動過程中，碳陶復合材料的摩擦因數穩定，因摩擦而產生的最高溫度約為463 ℃。另一方面是針對制動環境的研究，例如在濕環境下碳陶復合材料的摩擦因數曲線平穩，磨損率維持在較低的水平，制動性能較為穩定[17-18]。另有研究[19-20]表明，載流狀態會嚴重影響制動閘片所用銅基粉末冶金復合材料的摩擦磨損性能，電流介入導致材料表面產生的電弧損傷嚴重，摩擦因數減小，磨損率增大，摩擦磨損性能變差。但是目前，未見有關雨水環境對應用于磁懸浮線路中的碳陶復合材料閘片載流摩擦磨損性能影響的研究。基于此，作者將碳陶復合材料與F型軌道材料Q235-B鋼組成銷-盤摩擦副，研究了碳陶復合材料在雨水環境下的載流摩擦磨損特性，以期為延長閘片壽命，提升磁懸浮列車運行的安全性和穩定性提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料包括國內某磁懸浮列車現役制動閘片用碳陶復合材料以及軌道用Q235-B鋼，其中：碳陶復合材料主要由碳/碳多孔體形式的碳(質量分數54%～56%)、化合態SiC(質量分數39%～41%)和游離態硅(質量分數低于5%)組成，其密度為2.2 g·cm-3，硬度為53.1 HBW，橫向斷裂強度為92 MPa，黏結面剪切強度為27 MPa；Q235-B鋼中碳質量分數不大于0.22%，硅質量分數不大于0.35%，錳質量分數不大于1.4%，其密度為7.85 g·cm-3，硬度為135～145 HBW，屈服強度為235 MPa，抗拉強度為375～460 MPa。模擬鋼軌材料的Q235-B鋼盤試樣的外徑為400 mm，內徑為300 mm，厚度為15 mm。通過線切割的方法將碳陶復合材料閘片切割成尺寸為9 mm×12 mm×11 mm的小立方體銷試樣，其中9 mm×12 mm平面為摩擦面。碳陶復合材料銷試樣摩擦面及其橫截面的微觀形貌如圖1所示，可知碳陶復合材料主要由層鋪的碳纖維和SiC組成，其中碳纖維層呈橫向與縱向交替分布，摩擦面的碳纖維層為橫向碳纖維層，圖中A～F區域為能譜分析區域。

圖1 碳陶復合材料銷試樣摩擦面和橫截面的微觀形貌及能譜分析結果

多功能銷-盤摩擦磨損試驗機為臥式機構，主要包括主軸旋轉驅動單元、力加載單元、摩擦力和正壓力采集單元、恒定電流源以及雨水環境模擬單元。伺服電機主軸旋轉為試驗機提供驅動力;銷試樣夾具安裝在滑塊上，與定滑輪連接并通過定值砝碼提供銷-盤摩擦磨損試驗所需正壓力。試驗機內部設有兩個力傳感器，通過數據采集卡采集力傳感器數據并在電腦上實現數據的實時顯示與采集保存，采用微型水泵和輸水管將配制的雨水恒流施加于銷-盤接觸位置來模擬雨水環境，恒定電流源輸出恒定大小的電流模擬載流工況。試驗開始前，用砂紙對銷試樣和盤試樣的接觸面進行打磨，然后加載25 N使銷-盤試樣在10 km·h-1速度下跑合3 min，提高兩試樣表面貼合度；將銷試樣置于無水乙醇溶液中用超聲波清洗3次，每次15 min，以去除跑合階段產生的磨屑，待其干燥后采用電子天平稱取試驗前銷試樣的質量。根據國內某磁懸浮列車的制動速度與制動載荷，設定銷-盤摩擦磨損試驗的相對滑動速度為40 km·h-1，接觸應力為1.0 MPa。銷-盤接觸點距離旋轉中心的距離為390 mm，由此計算出試驗機的主軸轉速為580 r·min-1，接觸載荷為108 N。單次試驗時間設定為12 min，摩擦行程為8 km，試驗溫度為15 ℃±10 ℃，相對濕度為60%±5%。模擬雨水的pH為6.7，其組成如表1所示，參考我國對降雨強度的定義，試驗設定的雨水流量Q分別為0，0.25，0.5，1 mL·min-1，同時設定一定跨度范圍的電流強度I，分別為0，50，100 A。

表1 試驗用雨水的組成

試驗結束后，采用DSX100型體視光學顯微鏡觀察碳陶復合材料試樣宏觀磨損形貌，采用Jeol-6610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察損傷區域的微觀形貌，采用Oxford INCA型能譜儀(EDS)分析微區成分。對碳陶復合材料試樣進行3次超聲波清洗后，采用電子天平再次稱取試樣的質量，計算磨損率。采用Contour-GT型白光干涉儀測試表面粗糙度，繪制三維形貌和二維輪廓。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀磨損形貌

由圖2可知:在無載流和無雨水(I=0,Q=0)條件下，碳陶復合材料試樣表面破壞區域占比較小，裸露在外的碳纖維層面積較大，可以觀察到由磨損導致的部分碳纖維斷裂和表層局部破壞現象；在無載流和1 mL·min-1雨水流量條件下，表面破壞區域增大，可以觀察到由磨損導致的表層破壞和水流沖刷的痕跡；在100 A電流強度、無雨水的條件下，表面破壞最嚴重，可以觀察到沿摩擦方向分布的連續密集的深劃痕，已無法觀察到連續的橫向碳纖維，說明磨損已導致第二層碳纖維裸露，同時還觀察到明顯的電弧燒蝕區域；在100 A電流強度、1 mL·min-1雨水流量條件下，試樣邊緣表層和第一層碳纖維組織已經被破壞，但在電流、雨水和接觸應力的共同作用下，試樣表面中心區域較為光滑，未出現明顯劃痕。

圖2 不同雨水流量和電流強度下碳陶復合材料試樣的宏觀磨損形貌

由圖3可知，在無載流和無雨水條件下，試樣表面存在明顯的破壞以及沿摩擦方向貫穿的劃痕，其磨痕二維輪廓最深處距表面57 μm，表面粗糙度Ra為9.365 μm。在無載流和1 mL·min-1雨水流量條件下，試樣表面磨損程度較均衡，沿摩擦方向分布的劃痕密集，磨痕最深處距表面44 μm，表面粗糙度Ra降低為3.530 μm。這是由于雨水一方面起到沖刷磨屑的作用，使得試樣表面出現了淺劃痕，另一方面起到潤滑作用，使試樣表面磨損程度減弱，表面粗糙度下降[21]。在100 A電流強度、無雨水的條件下，試樣表面沿摩擦方向分布的劃痕較其他條件下深得多，表面破壞異常嚴重，劃痕最深處距表面94 μm，表面粗糙度Ra為4.901 μm。在載流條件下，試樣承受摩擦熱、電阻熱和電弧燒蝕的共同作用[22]，而高溫會導致試樣表面材料變軟；在摩擦磨損過程中，試樣表面材料容易脫落，磨粒磨損嚴重加劇，從而在表面形成大量較深的犁溝，但是同時在擠壓作用下表面粗糙度降低。在100 A電流強度、1 mL·min-1雨水流量條件下，試樣表面沿摩擦方向分布的劃痕整體較淺，劃痕最深處距表面65 μm，但其他區域較平整，表面粗糙度Ra為2.819 μm。這是因為高溫使試樣表面軟化的同時，雨水起到了冷卻潤滑的作用，導致表面材料脫落程度減輕，經過摩擦磨損后試樣表面變得較平滑。

圖3 不同雨水流量和電流強度下碳陶復合材料試樣磨損表面的三維形貌及二維輪廓

2.2 微觀磨損形貌及磨損機理

由圖4可知，在無雨水和無載流條件下，試樣表面出現剝落現象，碳纖維裸露，由磨損產生的細小磨屑堆積在剝落坑內。在無載流和1 mL·min-1雨水流量條件下，更多的磨屑散落于試樣表面，這是由于在雨水沖刷作用下磨屑無法堆積所致。在100 A電流強度、無雨水的條件下，試樣表面存在熔融態物質，在熔融態物質覆蓋區域可觀察到裂紋，這是材料基體結合強度下降的表現之一，同時試樣表面還存在電弧燒蝕現象，碳纖維的邊界模糊。在100 A電流強度、1 mL·min-1雨水流量條件下，由于雨水的降溫潤滑作用，試樣表面未觀察到明顯的熔融態物質，電弧燒蝕作用明顯減弱，但碳纖維邊界仍然模糊，同時可觀察到分層形成的剝落坑與大量片狀磨屑。

圖4 不同雨水流量和電流強度下碳陶復合材料試樣磨損表面不同區域的微觀形貌

由圖5可知，在不同摩擦條件下，試樣表面不同區域均出現了由Q235-B鋼盤試樣轉移來的鐵元素，而較高的氧含量則表明磨損區域有摩擦氧化發生。其中，位置1處的鐵元素含量較低，位置2處氧和鐵元素的原子比約為2.3…1，位置4處的氧和鐵元素的原子比約為3.7…1，這說明試樣表面磨屑中的氧化物成分不一致，可能包括Fe3O4、Fe2O3及其他氧化物。位置3位于碳纖維表面附著熔融態物質的區域，此處也檢測到了鐵和氧元素，考慮到施加電流形成的高溫環境易使材料表面發生黏著磨損，因此推測熔融態物質是高溫導致Q235-B鋼盤試樣表面材料熔融并黏附于碳陶復合材料試樣表面，冷卻后形成的金屬氧化物。

圖5 圖4中不同位置的EDS譜

綜上可知：在無載流和無雨水條件下，碳陶復合材料的主要磨損機理是剝落和輕微的氧化磨損；在無載流和有雨水條件下，碳陶復合材料表面難以形成緊密的第三體層，主要磨損機理是剝落和氧化磨損；在載流和無雨水條件下，電弧對碳陶復合材料表面的影響十分嚴重，主要磨損機理為剝落、黏著磨損、磨粒磨損和電弧燒蝕；在載流和雨水條件下，碳陶復合材料表面同時出現載流和雨水環境下的磨損特征，磨損機理主要包括剝落、氧化磨損、磨粒磨損和黏著磨損，但雨水緩解了磨粒磨損和黏著磨損的程度。

2.3 摩擦因數和磨損率

由圖6可以看出：在無載流條件下，隨著雨水流量由0增加到1 mL·min-1，碳陶復合材料試樣的摩擦因數降低幅度很小，僅為0.050，說明單純的雨水環境對碳陶復合材料摩擦因數的影響較?。辉跓o雨水條件下，電流增大會導致摩擦因數加速降低，隨著電流強度由0增加到100 A，摩擦因數降低幅度較大，為0.123。結合磨損形貌可以推斷，施加電流形成的高溫導致材料表面軟化甚至局部熔融，此時表面材料起到潤滑作用，導致摩擦因數降低，且電流增強后，電阻熱以電流的平方增大，因此摩擦因數隨著電流增強而加速降低。與無載流和無雨水的條件相比，100 A電流強度、1 mL·min-1雨水流量條件下的摩擦因數降低了0.224，可知在雨水和載流雙因素的共同作用下，摩擦因數的降低程度大于單因素作用，這是由于高溫導致材料軟化的同時，雨水起到了冷卻潤滑的作用所致。

圖6 不同電流強度下碳陶復合材料試樣的摩擦因數與雨水流量的關系

由圖7可以看出：在無載流條件下，隨著雨水流量由0增加到1 mL·min-1，碳陶復合材料試樣的磨損率降低了0.775×10-2mg·km-1·N-1，表明單雨水環境下試樣的磨損率會小幅降低，這是由于雨水起到了隔離和潤滑對磨表面作用；在無雨水條件下，隨著電流強度由0增加到100 A，試樣磨損率增加了37.714×10-2mg·km-1·N-1，說明電流強度的增大導致試樣磨損率急劇增加，這是由于急劇上升的電阻熱導致試樣表面材料變軟而脫落，使得磨粒磨損加劇所致。在載流和雨水的共同作用下，隨著雨水流量或電流強度的增加，磨損率的變化無規律性。這可能是因為在載流條件下，試樣表面同時產生了高溫、電弧燒蝕和機械磨損3種現象。試樣表面溫度急劇升高，導致表面材料變軟而脫落，磨粒磨損加劇并產生大量磨屑；雨水一方面起到顯著的冷卻作用，抑制載流導致的電弧燒蝕和高溫現象，大幅減少表面材料脫落，導致試樣磨損率降低，另一方面，隨著雨水流量的增加，其沖刷磨屑破壞第三體層的作用更加明顯，導致試樣磨損率增大[23]。因此，不同電流強度和雨水流量的共同作用對試樣磨損率的影響程度存在差異。

圖7 不同電流強度下碳陶復合材料試樣的磨損率與雨水流量的關系

3 結 論

(1)在無載流的雨水環境中，隨著雨水流量的增大，碳陶復合材料的表面粗糙度顯著下降，摩擦因數和磨損率小幅度降低，摩擦磨損性能較穩定，此時主要的磨損機理為剝落和輕微的氧化磨損。

(2)在無雨水的載流條件下，隨著電流強度的增加，碳陶復合材料表面粗糙度和摩擦因數均顯著下降，磨損率明顯升高，主要磨損機理為剝落、磨粒磨損、黏著磨損和電弧燒蝕，載流作用引起的電弧燒蝕和高溫現象導致試樣表面破壞加劇。

(3)相對于單因素作用，在載流和雨水的共同作用下，碳陶復合材料的表面粗糙度和摩擦因數明顯降低，但磨損率隨雨水流量和電流強度增加的規律不明顯，這與載流環境下，雨水同時起到冷卻潤滑和沖刷磨屑破壞第三體層2方面的作用有關，此時的磨損機理為剝落、氧化磨損、磨粒磨損和黏著磨損。