Ti3 SiC2替代石墨對銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響*

劉英凱 郝文龍 劉建剛 周 洋

（博深股份有限公司， 河北省軌道交通車輛摩擦制動重點實驗室 河北石家莊 050035）

銅基粉末冶金摩擦材料具有穩定的摩擦因數， 優良的綜合機械性能、 導熱性能等特點， 在高速列車制動閘片上得到了廣泛的應用［1-4］。 近年來隨著高速列車運行速度的不斷提高， 列車制動動能越來越大， 這對材料的力學性能、 耐磨損性能和摩擦因數穩定性提出了更高的要求。 傳統的粉末冶金摩擦材料中常應用石墨作為潤滑相， 石墨具有層狀結構， 是優良的固體潤滑材料［5-6］。 但石墨在高溫下易氧化， 潤滑效果減弱， 導致閘片在高速制動時的摩擦因數穩定性下降； 同時石墨與金屬基體間的潤濕性差［7］， 結合強度低， 大量應用會降低摩擦材料的力學性能。

Ti3SiC2具有類似石墨的層狀六方結構［8］， 晶體為平面層間隔堆垛結構， 由TiC 層與Si 原子層所構成，兼具陶瓷和金屬的性能［9-10］， 高溫穩定性高于石墨，具有良好的抗熱沖擊性［11］； 且由于Ti3SiC2與金屬基體間的潤濕性優于石墨， 使其更容易與金屬基體發生冶金結合。 近年來， 研究人員對于Ti3SiC2作為摩擦材料中潤滑相的研究日益增多。 盧棋等人［12］用冷壓燒結粉末冶金法制備銅鈦硅碳石墨合金材料， 研究其摩擦磨損性能， 結果表明鈦硅碳和石墨零星分布在磨損表面極大地提高了銅基材料的耐磨性能。 張興旺等［13］研究了以Ti3SiC2作為潤滑組元的新型粉末冶金閘片摩擦磨損性能， 提出了以新材料Ti3SiC2作為我國高速鐵路制動閘片新型潤滑劑的可能性及研究方向。 劉可心等［14］以Ti3SiC2陶瓷粉和Cu 粉作為原料，采用放電等離子燒結（SPS） 工藝制備塊體復合材料， 研究不同Ti3SiC2添加量及燒結溫度對Ti3SiC2／Cu復合材料的組織、 致密度和顯微硬度的影響， 且研究了Ti3SiC2／Cu 復合材料的摩擦磨損性能。

基于Ti3SiC2其兼具陶瓷和金屬的特性， 本文作者將其應用于銅基粉末冶金摩擦材料中， 替代潤滑組元中的石墨， 研究不同含量的Ti3SiC2替代石墨時對摩擦材料的力學性能和摩擦磨損性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

制備粉末冶金閘片摩擦材料的原材料有： 電解銅粉， 粒度為200 目， 純度w≥99.7%； 羰基鐵粉， 粒度小于20 μm， 純度w≥99.5%； 二氧化硅， 粒度60～100 μm， 純度w≥99.0%； Ni 粉， 粒度為20 ～80 μm， 純度w≥99.0%； Cr 粉， 粒度為20～80 μm， 純度w≥98.0%； 人造石墨， 粒度為100 ～500 μm， 純度w≥99.0%； Ti3SiC2， 粒度為100 ～250 μm， 純度w≥98.0%。 Ti3SiC2粉外觀形貌如圖1 所示。

圖1 Ti3SiC2粉外觀形貌Fig.1 Morphology of Ti3SiC2 powder

1.2 試驗設備

試驗中用到的設備有： TMS-0610G 慣性摩擦磨損性能試驗機、 熱壓氣氛燒結爐、 WDW-100G 微機控制電子萬能試驗機、 Sartorius BS124S 型電子分析天平、 VEGA3 LMH 型掃描電鏡。 TMS-0610G 慣性摩擦磨損性能試驗機原理如圖2 所示。

圖2 慣性摩擦磨損性能試驗機原理Fig.2 Principle of inertia friction and wear performance testing machine

1.3 試樣制備與試驗方法

將Cu、 Fe、 Ni 等金屬粉末與石墨、 Ti3SiC2粉末按照表1 的配方混合， 壓制成型， 采用氣氛熱壓燒結爐制備摩擦材料試樣， 燒結溫度為910 ℃， 燒結壓力為3.0 MPa， 保溫時間為30 min， 燒結氣氛為氫氣。

表1 摩擦材料組成（質量分數）單位：%Table 1 Friction material composition （mass fraction） Unit：%

利用洛氏硬度計測試摩擦材料的硬度， 在萬能試驗機上進行剪切強度試驗， 試樣尺寸為15 mm×15 mm。 摩擦試樣外觀如圖3 所示。 試樣在慣性摩擦磨損試驗機上進行摩擦試驗， 摩擦對偶材質為5CrMnMo， 摩擦半徑為256 mm， 制動初速度為350 km／h， 制動壓力為555 N， 初始溫度為50～70 ℃。 應用掃描電鏡分析摩擦后摩擦面形貌。

圖3 摩擦塊示意（mm）Fig.3 Schematic of friction block （mm）

2 試驗結果及分析

2.1 Ti3SiC2添加量對力學性能的影響

對Ti3SiC2質量分數分別為0、 3%、 6%、 9%、12%、 15%和18%的試樣進行硬度與密度測試， 試驗結果見表2。

表2 不同Ti3SiC2質量分數下摩擦材料的密度與硬度Table 2 Density and hardness of friction materials with different mass fraction of Ti3SiC2

石墨顆粒為近似海綿狀顆粒， 外表粗糙， 成型阻力較大， 同時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， 影響試樣的燒結致密度。 Ti3SiC2具有金屬性能， 與金屬基具有良好的潤濕性， 結合強度高， 易于燒結。 因此隨著Ti3SiC2替代石墨含量的增加， 摩擦材料更易于燒結致密化， 孔隙率降低， 摩擦材料的密度和硬度明顯提高。

圖4 所示為不同Ti3SiC2含量試樣塊的剪切強度變化曲線， 隨著Ti3SiC2替代石墨含量的增大， 試樣塊的剪切強度也逐漸提高。

圖4 Ti3SiC2質量分數對摩擦材料剪切強度的影響Fig.4 Effect of Ti3SiC2 mass fraction on shear strength of friction material

圖5 （a） 所示為石墨與金屬基體結合處的SEM圖， 由于石墨與金屬的潤濕性差， 界面結合強度低，結合處可以看到有明顯的縫隙， 在受到外界剪切力時， 石墨與金屬基體的結合處有大量裂縫及孔洞， 易產生應力集中， 導致裂紋擴展。 圖5 （b） 所示為Ti3SiC2與金屬基體結合處的SEM 圖， 因Ti3SiC2具有金屬特性， 與金屬的潤濕角較小， 與金屬基體可組成致密的材料， 保證了摩擦材料具有良好的抗剪切性能。 因此隨著Ti3SiC2代替石墨含量的增加， 摩擦材料中非金屬與金屬結合薄弱點減少， 使得摩擦材料的剪切強度顯著提高。

圖5 石墨和Ti3SiC2與金屬基結合處的SEM 圖像Fig.5 SEM images of graphite （a） and Ti3SiC2（b） bonded with metal matrix

2.2 Ti3SiC2添加量對摩擦磨損性能的影響

應用慣性摩擦磨損性能試驗機對不同Ti3SiC2含量的摩擦試樣塊進行了制動初速度為350 km／h 的慣性摩擦試驗。 圖6 所示為摩擦試樣塊平均摩擦因數及磨損量隨Ti3SiC2質量分數變化曲線。 當Ti3SiC2替代石墨量較少時， 試樣的摩擦因數與磨損量基本相同，當Ti3SiC2的質量分數大于9%后， 試樣的摩擦因數與磨損量開始明顯下降。

圖6 Ti3SiC2質量分數對摩擦因數和磨損量的影響Fig.6 Effect of Ti3SiC2 mass fraction on friction coefficient and wear mass loss

對慣性摩擦試驗后Ti3SiC2質量分數為18%的摩擦試樣表面進行SEM 和X 射線能譜分析， 如圖7 所示。 可以看到， 摩擦材料表面在摩擦時形成一層物質， 該物質包含Ti、 Fe、 O、 Si、 Cr 等元素， 是由于高速制動時摩擦瞬時高溫形成的摩擦氧化膜。 而摩擦產生的熱量越大， 局部溫度越高， 氧化速率越大， 摩擦氧化膜覆蓋率越大， 摩擦因數越?。?5］。

圖7 Ti3SiC2質量分數為18%的摩擦材料摩擦表面SEM 圖像及EDS 圖譜Fig.7 SEM image and EDS spectrum of friction surface of friction material with mass fraction of 18% Ti3SiC2

對不同含量Ti3SiC2試樣慣性摩擦試驗后的摩擦表面進行形貌觀察， 如圖8 所示。

圖8 不同Ti3SiC2質量分數的摩擦材料摩擦表面SEM 圖像Fig.8 SEM images of friction surface of friction materials with different mass fraction of Ti3SiC2 after friction test：（a） without Ti3SiC2； （b） 6% Ti3SiC2； （c） 9% Ti3SiC2； （d） 12% Ti3SiC2； （e） 18% Ti3SiC2

圖8 （a） 所示為不含Ti3SiC2試樣的SEM 圖， 從摩擦表面可以看到石墨顆粒存在較多， 摩擦過程中由于石墨顆粒與金屬基體結合力差， 石墨顆粒會發生破碎剝落。 石墨顆粒剝落后會在摩擦表面形成剝落坑，使得摩擦氧化膜不連續， 呈現間斷狀態。 圖8 （b）所示為Ti3SiC2質量分數為6%試樣的SEM 圖， 可以看出摩擦表面的脫落坑減少并開始形成摩擦氧化膜。 圖8 （c） 所示為Ti3SiC2質量分數為9%試樣的SEM 圖，摩擦表面形成了條狀的摩擦氧化膜， 覆蓋區域逐漸增大。 圖8 （d） 所示為Ti3SiC2質量分數為12%試樣的SEM 圖， 隨著Ti3SiC2質量分數的增加， Ti3SiC2彌散分布在摩擦表面， 形成大面積呈片狀連續分布的摩擦氧化膜。 圖8 （e） 所示為Ti3SiC2質量分數為18%試樣的SEM 圖， 摩擦表面大部分區域被摩擦氧化膜覆蓋， 形成了連續的摩擦氧化膜。

試樣摩擦表面的變化是由于Ti3SiC2具備金屬特性， 與金屬基體結合能力強， 摩擦時不會發生大塊脫落， Ti3SiC2的潤滑性得到充分的體現。 在摩擦過程中， Ti3SiC2隨摩擦副的轉動在表面形成連續、 穩定的摩擦氧化膜， 并逐漸覆蓋摩擦表面。 當Ti3SiC2質量分數≤9%時， 摩擦表面尚未形成連續、 完整的摩擦氧化膜； 隨著Ti3SiC2加入量的持續增加， 摩擦材料的表面形成了完整光滑的摩擦氧化膜， 使摩擦因數和磨損量明顯降低。

3 結論

（1） 隨著Ti3SiC2替代石墨在摩擦材料中的加入量增大， 摩擦材料的剪切強度逐漸提高， 從無Ti3SiC2時的15.5 MPa 提高到Ti3SiC2質量分數為18%時的106.5 MPa。

（2） 在高速350 km／h 下制動時， 摩擦表面形成了摩擦氧化膜， 隨著Ti3SiC2加入量的增加， 摩擦氧化膜覆蓋面積不斷增大并呈現連續分布狀態。

（3） 當Ti3SiC2質量分數大于9%后， 在高速制動時摩擦材料的摩擦磨損量和摩擦因數明顯降低，Ti3SiC2替代全部石墨（質量分數18%） 后， 摩擦因數降低了36.8%， 摩擦磨損量降低了67.5%。