（材料加工工程专业论文）摩擦条件对制动闸片摩擦磨损性能的影响.pdf

摘要 摘要 列车速度的提高，制动系统承受着巨大的负荷。在实际运行过程中，由于闸片与制 动盘的制造误差、装配误差、使用中的不均匀磨损及外界环境的多变，会造成局部接触 压力及温度高于标准值的情况，在这些恶劣摩擦条件下，材料所表现出的性能往往是决 定产品性能的关键。因此，研究合适的高速列车用铜基粉末冶金闸片材料，并对其恶劣 条件下摩擦磨损性能进行分析具有重大的意义。 采用粉末冶金技术制备铜基粉末冶金闸片材料，在定速摩擦实验机上进行性能测 试，摩擦速度为2 0 0 3 0 0 0 r m i n ，摩擦压力变化范围为o 5 1 2 m p a ，湿环境为淋水量 5 3 m l m i n ( 相当于2 0 0 c m 2 条件下2 5 l h ，u i c 标准) 。实验研究在这些条件下材料的摩擦 磨损性能变化规律，结果表明： 干摩擦条件下，在摩擦速度小于1 5 0 0 r m i n 条件下，随摩擦速度增加，摩擦系数降 低，在更高的摩擦速度条件下，摩擦系数维持在一个稳定的数值。原因在于随转速增加， 试样表面第三体致密性增加，起到稳定摩擦系数的作用。低速情况下磨损率随速度的增 加显著提高，高速摩擦情况下，磨损率波动不明显；摩擦速度不同，制动压力对摩擦性 能的影响程度不同，低速条件下，随制动压力变化，摩擦系数的波动程度大，高摩擦速 度条件下，随制动压力增加，摩擦系数有所增加。过高的压力加速了硬质粒子破损，降 低了对基体的支撑作用，增加了真实接触面积，从而增加了摩擦系数，并使材料表现出 较高的磨损率。 湿摩擦条件下，水分对低速与低制动压力情况下的摩擦性能影响较大，水分的润滑 和冲刷作用，降低了摩擦系数，增加了磨损量。在高摩擦速度与高制动压力情况下，由 于高温蒸发和离心力作用减少了水分对表面的影响程度，相比于干摩擦条件，摩擦系数 变化不明显。 摩擦顺序对摩擦摩磨损性能有影响，当摩擦顺序为低速到高速进行时，摩擦系数的 波动程度及磨损率较之从高速到低速摩擦情况要大。原因在与高速条件下形成的致密第 三体层具有稳定摩擦磨损性能的作用。 关键词：铜基摩擦材料；第三体；制动条件；摩擦磨损 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e m e n to ft r a i ns p e e d ，t h eb r a k es y s t e ms u p p o r t sg r e a tb u r d e n i nt h ea c t u a l m o v i n g ，d u et ot h ep r o d u c i n ge r r o r , a s s e m b l ee r r o r , n o n u n i f o r i i lw e a l i nt h eu s ea n dt h e c h a n g e a b l es u r r o u n d i n g s ，i tw i l ll e tt 1 1 ep a r t i a lc o n t a c tp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eh i g h e rt h a n m a ta su s u a l h o w e v e r ，a tt h e s ea d v e r s ef r i c t i o nc o n d i t i o n s t h ep r o p e r t i e st h a tt h em a t e r i a l s h o w sa r ea l w a y st h ek e yf a c t o ro nt h ep r o d u c t i o np r o p e r t i e s t h e r e f o r e ，i tm a k e sg r e a ts e n s e t h a tw er e s e a r c ht h es u i t a b l ec u b a s e dp o w d e rm e t a l l u r g yb r a k i n gm a t e r i a lf o rh i g h s p e e d t r a i na n da n a l y z et h ef r i c t i o na n d w e a l p r o p e r t i e so ft h a tm a t e r i a la tt h ea d v e r s ec o n d i t i o n s t h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fc u b a s e dp o w d e rm e t a l l u r g yb r a k i n gm a t e r i a l ， f a b r i c a t e db yp o w d e rm e t a l l u r g y ，a r em e a s u r e db yt h ec o n s t a n t s p e e dt e s t e r ，a tt h ef r i c t i o n s p e e do f2 0 0 - 3 0 0 0 r m i n , t h ef r i c t i o np r e s s u r eo f0 5 1 2 m p aa n dt h ea d d i t i v ew a t e rr a t eo f 5 3 m l m i n ( e q u a lt o2 5 ma tt h ea r e ao f2 0 0 m 2 ，u i cc o d e ) 珊sp a p e rm a i n l ys t u d yt h e f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l a c c o r d i n g l y ，t h er e s u l ts h o w st h a t ： n 坨f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s ew h e nt h e s p e e di sb e l o w15 0 0 r m i nu n d e rt h ed r y f r i c t i o n a st h es p e e db e c o m e sh i g h e r , t h ec o e f f i c i e n tm a i n t a i n sa ne v e nv a l u e 硼1 e c o n t i n u o u sa n dc o m p a c tt h i r db o d yw h i c hi sf o r m e du n d e rt h eh i g hs p e e df r i c t i o nc a nm a k e t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ts t a b l e t h ei n c r e a s eo ft h ew e a rr a t eu n d e rt h el o w e rs p e e df r i c t i o ni s m o r ei n t e n s i v e l yt h a nt h a ti nt h eh i g h e rs p e e df r i c t i o n ；u n d e rt h eh i g h e rf r i c t i o ns p e e d ，t h e f l u c t u a t i o no ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sn o ta sm u c h 嬲t h el o w e rs p e e dc o n d i t i o nw h e n f r i c t i o np r e s s u r ei n c r e a s e w h e np r e s s u r ei sh i g h e re n o u g ht ob r e a kt h et o u g hp a r t i c l e so ft h e m a t e r i a l ，t h er e a lc o n t a c ta r e ai n c r e a s e d a sar e s u l to ft h a t ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a r r a t ei n c r e a s ea sw e l l b e c a u s eo ft h el u b r i c a t i o na n dw a s h i n gb yt h ew a t e r ，t h ec o e m c i e n ta n dw e a rl o s so ft h e f r i c t i o nc h a n g eal o tw h e nf r i c t i o ns p e e da n dp r e s s u r ea r el o w e r t h ew a t e ri se v a p o r a t e da n d t h r o w na w a yf r o mt h es y s t e mw h e nf r i c t i o ns p e e da n dp r e s s u r ea r eh i g h e r a sar e s u l t , t h e f l u c t u a t i o no ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti ss l i g h t l yc o m p a r e dw i t ht h ed r yf r i c t i o n t h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft h eb r a k ep a da r ea l s oi n f l u e n c e db yt h ef r i c t i o no r d e r c o m p a r et w od i f f e r e n to r d e r so ff r i c t i o n ，t h ef l u c t u a t i o no ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sm u c h g r e a t e rw h e nt h ef r i c t i o no r d e ri sf r o ml o ws p e e dt oh i 曲t h es t a b i l i t yo ft h ec o m p a c tt h i r d b o d yt h a tf o r m e di n t h eh i 【g hs p e e df r i c t i o ni st h er e a s o nm a k et h a th a p p e n k 呵w o r d s ：c u b a s e df r i c t i o nm a t e r i a l ；t h i r db o d y ；b r a k ec o n d i t i o n ；f r i c t i o na n d w e a r i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者鲐肄恶 日期：加d 莎年 6 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话：”，7 ，d 7 7 爿 通讯地址： 邮编：i l b 0 2 - 8 电子信箱：i y l 汹i 沈一，删d d pj 6 删f 肌 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：年恶 日期： 如哆g 年易月7 日 绪论 绪论 按照国际通用的划分标准，时速达到2 0 0 - 3 0 0 k i n 的列车称为高速列车，时速超过 4 0 0 k i n 的列车称为超高速列车。 随着科学技术的不断进步，高速列车的时速也在不断创造新的纪录。1 9 9 9 年研制成 功的德国i c e 3 型高速列车最高速度为3 3 0 k m h 。2 0 0 0 年- - 2 0 0 4 年西班牙的t a l 9 0 3 5 0 型 和i c e 2 3 5 0 e 型高速列车、韩国自行研制的g 7 型高速试验列车，最高运行速度均为 3 5 0 k m h 。2 0 0 5 年，日本研制的f a s t e c h3 6 0 s ( e 9 5 4 ) 型高速试验列车试制成功，最高 速度为3 6 0 k m h 。而法国v 1 5 0 号子弹头列车2 0 0 7 年创下轨道列车行驶速度世界纪录， 瞬间速度达到5 7 4 8 k m h t 。 紧随世界高速列车的发展趋势，我国高速列车的研制同样取得了喜人的成果。于 2 0 0 7 年正式投入运行的和谐号高速列车最高时速可达2 5 0 k m ，实际运行中速度达 2 0 0 k m h 。处于试验阶段的中华之星号、长白山号等高速列车的试验速度可达 3 2 1 5 k m h 1 2 1 。 列车速度的提高，制动系统承受着巨大的负荷，对制动技术提出了越来越高的要求， 当速度为3 0 0 k m h 的高速列车在实施紧急制动时，摩擦速度相当于4 5 m s ，摩擦系数大 于0 3 5 ，每个制动盘所消耗的最高制动能达2 3 m j ，制动盘体的温度可达6 0 0 ，盘面最 高温度超过8 0 0 。c t 3 - 4 1 。在这种苛刻的使用条件下，制动产品的性能成为关系到列车运行 安全的关键问题。因此，这个领域一直是发达国家坚持研究的项目。 列车的制动方式有很多，如摩擦制动，电阻制动，磁轨涡流制动等，其中以摩擦制 动应用较广。摩擦制动又分为踏面制动与盘面制动两种。踏面制动是闸瓦与轮面构成摩 擦副；盘面制动则为制动盘与闸片组成摩擦副。出于安全性和稳定性的考虑，如今的高 速列车制动系统通常选择盘式制动1 5 j 。 在盘式制动中，闸片决定了摩擦性能而控制了列车的制动距离。显然，闸片的性能 成为影响列车制动性能的关键因素之一。因此，研究具有高性能的制动闸片成为目前的 重要任务。 为使我国高速列车制动摩擦材料的生产技术能够尽快达到国际先进水平，国家已两 次把高速列车制动闸片材料的研究列入8 6 3 计划，本项研究正是在国家8 6 3 计划的支持 下开展的对高速列车用粉末冶金摩擦材料的研究。 第一章高速列车的盘式制动及材料 高速列乍在制动时必须月= j j 较大的碱进度和较高的粘着利用率。综合安全性和乘坐 舒适性等多方而的闻素考虑，高速列车制动系统必须具备以下条件： 尽可能的缩短制动距离以保证行车安全。这一点可以通过采用大功率的盘形制 动器作为高速列车制动系统的1 体放采川复合制动，j 式来实现： f 2 ) 保证高速制动时不滑动。这一点町以通过采用高| 生能的防滑装置、根捌列车速 度拧制制动力的大小及采用非粘着制动方式求实现； f 3 ) 列车；削动系统操纵灵活可靠，能满足列4 r 自动控制的耍求： f 4 1 尽量减轻制动装簧的重量。 1 1 盘式制动 摩擦制动的实质就足一个能量转换器，它是利用摩擦将运动的机器或机构的动能全 部或部分转化成热能，并通过制动器与外界的热交换来敞热。摩擦制动是刺h 摩擦副相 对运动时接触表面所产生的摩擦阻力达到制动的目的m j 。 盘彤制动具有较高的制动率，功能转移能力大，这是蹈面制动所无法比拟的：另一 方面，盘形制动缓和了车轮的热负荷，从m 大大提岛丁列车的运行品质和安全性。凼此 盘而制动比踏而制动具有明显的优越性”l ，成为一种重要而有效的制动方式而被世界吾 固广泛采用。 ( 曲 幽1 1 列车制动系统 f i g i1b r a k es y s t e mo f t h e i r a i n ( b ) 第一章高速列车的盘式制动及材料 高速列车采用的轴装盘式制动器如图1 1 ( a ) 所示，为一轴四盘结构：一对制动闸片 与制动盘组成摩擦副。闸片分布在制动盘的两侧，列车运行时，制动盘与车辆的轮轴连 成一体随着轮轴高速旋转，制动闸片相对静止，当列车需要制动时，由液压油缸将压力 传到闸片，从而压紧制动盘产生制动力以进行制动。闸片的结构如图1 1 ( b ) 所示，闸片 由烧结体与钢背组成，钢背的背面有燕尾。 1 2 粉末冶金摩擦材料 粉末冶金摩擦材料是一种含有金属和非金属多种组元的复合材料，这些组元大致可 分成基体组元、润滑组元和摩擦组元【8 】三大类。 ( 1 ) 基体组元：基体的组织结构、物理和化学性质决定了粉末冶金摩擦材料的强度、 耐磨性、耐热性。而在研究摩擦材料基体时，除基体本身的组织结构及性能外还要注意 下述一些问题：首先，基体是否能形成连续而牢固的金属连接。这是评价粉末冶金摩擦 材料组织结构优劣的首要因素。因为粉末冶金摩擦材料中含有大量的非金属颗粒，它们 与金属的相互作用很小，润湿性很差，结合强度不高，它们的存在分隔开了基体金属之 间的连接，只有与基体之间形成连续而牢固的金属连接时，基体乃至整个材料才是完整 的有机统一体，才能保证足够的强度而使其发挥应有的功能。因此在成分设计时要考虑 好主体金属的用量和工艺的准确性以保证基体形成整体金属连接；其次为基体与陶瓷粒 子的润湿性及结合强度如何。金属与陶瓷粒子的结合强度直接影响着摩擦材料的使用性 能。在摩擦过程中，如果硬质的陶瓷颗粒和金属基体结合力不足，颗粒会从表面脱落， 从而加剧材料磨粒磨损【9 - 1 1 j 。 ( 2 ) 润滑组元：润滑组元又称作减摩剂，主要起固体润滑作用，它能提高摩擦材料 的工作稳定性、抗擦伤性、抗咬合性、抗粘接性和耐磨性，特别有利于降低对偶材料的 磨损，并使摩擦副工作平稳。润滑组元的含量对材料的摩擦磨损性能影响较大，其含量 越多，材料的耐磨性能越好，摩擦因数也越小，但过量的润滑组元会使材料的摩擦因数 和机械强度降低。 粉末冶金闸片材料中通常使用的润滑组元有低熔点金属( 如p b ，s n ，b i 等) 、固体润 滑剂( 如石墨，m o s 2 ，云母，s b s ，w s 2 和c u s ) 、以及金属( f e ，n i 及c o ) 的磷化物、氮 化硼、某些氧化物，铁基材料中还有硫酸钡、硫酸亚铁等等。在所有的润滑组元中，以 层片状石墨和m o s 2 的应用最广，二者都是由许多层或片组成，层内原子间结合力都很 强，而层与层之间的结合则很弱【l2 。，因此抗压能力很强，抗剪切能力较弱，适宜用作固 体润滑剂。尽管二者结构相似，但它们的摩擦机理不同，一般认为石墨能减小摩擦是因 为石墨晶体各层之间结合较弱，层与层之间很容易相互滑动，从而减小了摩擦。但也有 3 大连交通大学工学硕士学位论文 研究表明，摩擦之所以小，一部分原因是片晶棱边上吸附有很薄的氧气和水蒸气层，如 果去掉这些吸附膜，摩擦因数就会提高。因此在这些吸附膜易去除的工况下，需考虑掺 入其它润滑材料。m o s 2 也是一种具有层片状结构的材料，它与石墨相比，优点是在摩 擦因数低时与有无吸附膜无关。m o s 2 在高温下易被还原成m o 粉而变成磨粒，从而加 剧磨损。易熔金属一般以游离态存在于材料中，在干摩擦条件下，当摩擦表面温度超过 易熔金属的熔点时，易熔金属将发生熔化，在干摩擦表面生成润滑膜。润滑膜降低了摩 擦因数，同时也降低了表面温度。而摩擦表面温度的降低，熔融的金属又会凝固，从而 使摩擦因数又恢复到原来水平。表面液体润滑膜的形成促使摩擦平稳，这一点可用于减 轻高温下金属基体的粘结和卡滞倾向。材料中加入硫酸亚铁，在高温时被分解成为氧化 铁和二氧化硫，二氧化硫与材料中的铁和铜发生反应生成相应的硫化物。硫酸钡则在烧 结过程中被碳全部还原成硫化钡【4 1 3 】，从而起到减小摩擦的作用。 ( 3 ) 摩擦组元：调解相互力学作用大小的组元，通常称为摩擦剂。摩擦组元能切削 转移到对偶面上的堆积物和氧化物，保持对偶表面的清洁，提高摩擦系数。基体中适当 分布一定的摩擦硬介质组元，尤其是在高温时，可防止基体流失，起到基石的作用，增 加耐磨损性【1 4 1 。对摩擦组元的要求如下： 熔点和离解热高； 从室温到烧结温度或使用温度的范围内无多晶转变； 与其他组分或烧结气氛不发生化学反应； 具有足够高的硬度和强度，保证在摩擦过程中破坏它需消耗大量的能量，但是 强度和硬度又不能太高，否则会使对偶过度磨损； 基体合金对摩擦组元的润湿性能要好。 摩擦组元主要有s i 0 2 、灿2 0 3 、s i c ，某些金属和非金属的氧化物或碳化物。摩擦剂 的基本任务是保证摩擦表面最佳啮合，提高摩擦系数，所以在选择时，必须注意它与基 体相比较的硬度及颗粒形状和大小。 1 3 制动盘材料 摩擦材料是各种机械设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中不可缺少的材料之 一，是利用摩擦使运动物体的动能转化为热能，从而使物体减速或停止运动的一种多元 复合材料【1 5 4 6 】。它的主要特点是吸收动能，并转换为热能由材料吸收或传导出去【8 】，其 质量的好坏直接影响机器的可靠性和操作人员的生命安全。 4 第一章高速列车的盘式制动及材料 为了满足高速列车制动这种高功率消耗、高摩擦系数、低磨损要求，在制动器设计 上，对制动盘和闸片的性能要求重点有所不同。从消耗制动能的角度考虑，制动盘主要 满足储存由制动能转化的热量要求【1 7 j 。 制动盘材料需要有很高的热容量和良好的导热性。目前制动盘的材料有铸铁、铸钢 和锻钢等多种形式。 ( 1 ) 铸铁材料i l8 j ：铸铁制动盘具有摩擦性好、耐磨、耐热、抗裂纹、抗变形等优点。 但在速度为1 3 0 k m h 以上的车辆上使用时，磨损较快。 ( 2 ) 锻钢材料【l 列：合金锻钢材料制动盘具有良好的强度和韧性等机械性能，同时具 有较高的抗热龟裂性。这种低合金锻钢盘的特点是：机械性能好、高温工况下有良好的 不变形特性、良好的延展性、良好的耐磨性( 硬度高) 、良好的耐热疲劳性。到目前为止， 日、德、法高速列车的盘式制动器仍采用这种材料。 ( 3 ) c c 纤维复合材料：c c 纤维复合材料具有比热高、热膨胀系数低、弹性模量 小等适合高能量摩擦盘的优点，同时，低密度的材料可以很大程度减轻制动系统的重量。 但这种材料摩擦系数的稳定性较差，在雨雪天气条件下，由于c 纤维在水气环境下容易 氧化分解，磨损量急剧增加。采用飞机制动器的封闭结构形式可以很好的解决这一问题， 但这种制动器结构复杂，价格昂贵，仍局限应用在赛车和大型飞机上。 ( 4 ) 陶瓷材料：陶瓷材料具有耐高温、低磨损率、高摩擦系数等优点。然而，这种 材料的脆性较大，至今尚未见到使用这种材料做为制动盘的装车运行报导。 ( 5 ) 材料表面强化技术：利用热喷涂技术，将制动盘表面制造一层可提高摩擦磨损 性能的强化材料【1 9 , 2 0 ，改善制动盘表面性能。所实验的涂层材料主要为两类，一类为陶 瓷材料，如n i c r - c r 3 c 2 陶瓷涂层，另一种为钻基和镍基高温合金。选用a 1 2 t i 0 5 陶瓷材 料【2 l 】作为与陶瓷类涂层材料相配的闸片。研究结果表明，陶瓷表面强化钢盘与陶瓷闸片 间的摩擦系数相当稳定，尤其是在淋水的条件下，摩擦系数几乎没有变化。然而，由于 涂层厚度有限以及涂层与盘体结合的可靠性等问题的限制，这种研究仍停留在实验室阶 段。 ( 6 ) 铝合金陶瓷强化材料 铝合金陶瓷强化材料具有重量轻、导热性好、摩擦系数高等优点。这种材料可使制 动盘重量降低5 8 。由于铝基体的耐热温度在4 0 0 左右，为解决降温问题，要求制动 盘具有中空的通风冷却通道。然而，当列车速度达3 0 0 k m h 时，制动盘的通风冷却通道 产生的风阻达列车驱动功率的四分之一。同时，匹配的制动闸片仍限于有机合成材料， 这些问题使这种材料难于保证满足局部高温高载荷的需要，因此，还没有达到推广应用 的程度。 5 大连交通大学工学硕士学位论文 1 4 制动闸片材料 从满足制动力的角度考虑，制动闸片主要满足具有高而稳定的摩擦系数要求【捌。 目前，国内外所采用的制动材料主要有铸铁材料、有机合成材料和粉末冶金材料等 ( 表1 1 ) 。铸铁摩擦材料在铁路车辆上的使用时间最长，应用范围也最广。其价格低廉， 摩擦系数稳定，导热性好，对于车轮的损害也小。但是，普通的铸铁摩擦材料的摩擦系 数较低，不能满足高速列车制动的要求。如果在铸铁中加入其它合金来增加摩擦系数的 话，会造成材料的脆性增大，使用中容易产生裂纹。 表1 1 各种制动闸片的特性比较 t a b l e1 1f u n c t i o no fv a r i e sb r a k ep a d s 有机合成材料是将金属粉末，酚醛树脂和摩擦调节剂等经充分混合后加热压制而 成，改变配方工艺便可以获得不同的摩擦系数。这种摩擦材料在高速制动下摩擦系数稳 定，不随车速改变而变化，寿命比铸铁材料要好得多。但其导热性差，容易导致车轮热 裂，并且在湿润状态下摩擦系数大大降低。 粉末冶金闸片采用的摩擦材料是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和润滑组 元，用粉末冶金技术制成1 2 3 1 。为了提高摩擦材料的摩擦因数和热稳定性，其摩擦添加剂 在一些材料中己达到相当多的比例，材料几乎变成了金属陶瓷，因此这些摩擦材料有时 也称作金属陶瓷摩擦材料。粉末冶金摩擦材料具有摩擦因数稳定、耐磨性好、耐高温、 无噪声、啮合平稳、污染小、机械强度高等优点。尤其是在高负荷、高冲击载荷状态下， 粉末冶金闸片的优势是其它闸片难以替代的。瑞典、加拿大、日本等国的高速列车均是 使用粉末冶金材料作为制动闸片，并在实际运用中取得了优异的制动效果。 图1 2 为不同材料的摩擦系数和速度的关系曲线【2 4 】。从图中可以看出，合成材料和 铜基粉末冶金材料的摩擦系数在0 2 2 - - 0 3 2 之间，且随速度的提高变化不大。合成材料 在速度达到1 0 0 k m m 时，摩擦系数有所降低，而粉末冶金材料却没有降低。这就是在 速度达到2 5 0 - - 3 0 0 k m m 下的高速列车要采用粉末冶金摩擦材料来制动的本质原因。 6 第章高速列车的盘式制动及材料 遥度，( k m “h j 图1 2 不同材料的摩擦系数和速度的关系 f i g 1 2t h ee f f e c to fs p e e do nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so fd i f f e r e n tm a t e r i a l s 1 4 1 铁基粉末冶金闸片材料 铁基粉末冶金闸片材料是以铁粉为主要成分，添加铜、镍、石墨、二氧化硅等成分 制成。铁的熔点较高，成本低，所以铁基摩擦材料有较好的高温强度、耐热性、热稳定 性和经济性，其强度、硬度、塑性、耐热强度和抗氧化性等性能也可通过添加合金元素 加以调整。铁基摩擦材料在高温高负荷下显示出优良的摩擦性能，机械强度高，可在 4 0 0 - - 1 1 0 0 范围内使用。铁基烧结金属闸片在低速时磨损量相当大，摩擦系数的变化较 大。但是，铁基的导热性相对较差，使接触面的温升较快，致使摩擦系数下降。 1 4 2 铜基粉末冶金闸片材料 铜基粉末冶金闸片材料是以铜粉为主要成分，通常会添加润滑组元石墨和摩擦组元 陶瓷颗粒以及强化铜基体的合金元素等多种成分。 纯铜基材料的硬度较小，但基体经过s n ，z n ，n i 元素合金强化后，基体材料的硬 度显著增n t 2 5 1 。这是由于在烧结过程中，s n ，z n ，n i 和c u 原子之间相互扩散，融入铜 晶格后形成了q 一固溶体，合金元素进入c u 晶格后产生点阵畸变，增加了弹性能，阻碍 位错运动，从而提高合金的强度和硬度【2 6 - 2 7 。固溶程度越大，材料的强度就越高。 基体中加入f e 、s i 0 ：会增加材料的硬度。其原因是f e 、s i0 2 颗粒虽不溶于铜合金固 溶体，且与基体不发生反应，但会以颗粒形式均匀分布于铜内，成为独立的镶嵌物，减 小材料内部应变区的扩展，使塑性变形趋势减小，提高基体材料的抗塑性流变能力，从 而提高材料的强度和硬度【2 引。f o 和s i0 2 的加入会使材料的密度减小，孔隙度增加。但 7 大连交通大学r t 学硕士学位论文 是f e 含量的变化对密度的影响不大。这是由于f e 和s i0 2 粉末的理论密度比铜粉要小。 此外，f e 和s i 0 。的加入改变了混合料的压制和烧结性能。 铜基粒子强化材料主要以铜或铜合金为基体，以硬质粒子如s i c 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 、高 合金粒子等作为增摩剂，控制摩擦系数和磨损量。以石墨、m o s 2 、铅等作为润滑剂，解 决摩擦系数的稳定性问题。它具有导热性能好、工艺性能好、摩擦系数稳定、磨损小、 抗粘结性能好等特点。特别在湿摩擦条件下工作具有很高的耐磨性。虽然铜基产品较贵， 但其摩擦磨损性能及对制动盘的热影响都优于铁基材料的【2 9 1 。日本、德国和法国的高速 列车闸片现在一般均使用铜基粉末冶金材料。 高速列车制动闸片成份的设计除考虑列车的结构外，还必须考虑到不同的气候环境 和使用条件。因此，制动闸片的材料在不同的运行环境条件下而有所区别。国外高速列 车上通常使用三种金属基粒子强化制动材料：铜基铁铬合金强化材料，铜合金基陶瓷强 化材料，铁铜合金基陶瓷强化材料。 ( 1 ) 铜基铁铬合金强化材料：这种材料以铜为基体，以铁铬合金为主要硬质相，在 摩擦表面形成的第三体厚度大，对制动盘有良好的保护作用，尤其在雨季条件下，摩擦 系数有所提高。这种材料适用于多雨地区； ( 2 ) 铜合金基陶瓷强化材料：主要成份为铜合金、陶瓷粒子、石墨。以铜合金为基 体，材料的耐磨性提高，摩擦表面的水分降低摩擦系数。这种材料适用于少雨干旱地区； ( 3 ) 铜铁合金基陶瓷强化材料：主要成份为铜铁合金、石墨、陶瓷粒子，以铜铁合 金为基体，材料的耐磨性得到进一步的提高，但对制动盘材料提出了更高的要求。当制 动盘常因热裂而失效时，推荐采用这种材料，其摩擦系数遇水而降低。 综上，人们对多种制动材料进行了研究，但目前在时速2 0 0 公里以上的高速列车上， 还没有找到比锻钢制动盘与铜基粒子强化闸片更好的方法。 1 4 3 粉末冶金材料的制备工艺 粉末冶金摩擦材料的制备工艺如下：粉料制备一成形前预处理一压制成形一加压烧 结一样品。 ( 1 ) 粉料制备 制取方法可分为机械法和物理化学法。机械法是将原料机械的粉碎，而化学成分基 本上不发生变化的工艺过程；物理化学法是借助物理的或化学的作用，改变原材料的化 学成分或聚集状态而获得粉末的工艺过程。 ( 2 ) 成形前的预处理 成形前的预处理包括粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。 第一章高速列车的盘式制动及材料 退火可使氧化物还原、降低碳和其他杂质的含量、提高粉末的纯度，还可消除粉末 的加工硬化，改善粉末的晶体结构。 筛分的目的在于把不同颗粒大小的原始粉末进行分级，使粉末能按照粒度不同分成 大小范围更窄的若干等级。 混合是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程，粉末混合的目的是使 性能不同的粉末组元形成均匀的混合物，以利于压制和烧结，保证制品的材料均匀，性 能稳定。 制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。 在压制成型前，粉末混合料中常常要添加润滑剂和成形剂来改善压制过程，要选择 石蜡、樟脑、塑料及硬脂酸盐等能在烧结中挥发的物质，它们能降低压制压力，改善压 坯密度分布，增强压坯强度。 ( 3 ) 压制 压制成形是将松装粉末压制成所需形状及强度( 密度) 的压坯，也是粉末冶金零件生 产的关键工序之一。压坯的生产质量，不仅直接影响以后各道工序的生产质量，而且与 粉末冶金零件的最终质量及使用质量密切相关。 常温下，将成形前处理好的粉末送入模腔中，通过模冲用压力把粉末压实成具有预 定形状和尺寸的压坯，并用压力将压坯脱出模具的工艺过程，称为模压成形。如图1 3 所示，通常由装粉、压制、脱模3 个工步组成。 装粉时，金属粉末间存在大量孔隙，并在空气阻力下，产生“拱桥效应 。特别是 对于窄长，异型的深模腔，拱桥效应尤为严重。 压制时，金属粉末装填在模腔内，受压力作用后粉末孔隙之间空气逐步向外流出， 粉末颗粒间相互啮合，在颗粒相互接触处产生弹性变形，随之发生塑性变形以及脆性断 裂，颗粒间从点接触变为面接触。同时，与模腔壁接触的粉末在压力作用下与模壁产生 摩擦，这种动摩擦力随压制压力增大而增加，并对模壁横向产生一定的压力，称之为侧 压力。由于外摩擦力的影响，侧压力在压坯的不同高度上是不一致的，即随着高度的降 低而逐渐下降。压力分布的不均匀导致压坯密度分布的不均匀。与模冲相接触的压坯上 层，密度和硬度都是从中心向边缘逐渐增大的，顶部的边缘部分密度和硬度最大；纵向 层中，密度和硬度沿压坯高度从上而下降低。为了改善压坯密度分布的不均匀，可以采 用双向压制或采用模壁光洁度很高的压模并在模壁上涂润滑油。 在压制过程中，粉末由于受力而发生弹性变形，压坯内存在很大的内应力，当压制 压力停止作用后，压坯出现的膨胀现象，称为弹性后效。 9 大连交通大学t 学硕士学位论文 压制效果根据压坯的孔隙度及机械强度判定。压坯孔隙度越小、颗粒形状越复杂、 颗粒表面越纯净、非金属组元越少，压坯强度越高。对于铜基材料，材料磨损量与材料 的孔隙度呈线性关系，随孔隙度的增大而相应增大。随压力增高，孔隙度减小，摩擦系 数略有降低。 3 p f l 2 4 、 一 1 i 薹 r ：叶! 惦 5 、厂 删除漆浏 ，气 l l u 、， 、 一 2 - 弋 厂要 鎏 嗡 t ，1，f 压制脱模 图1 3 粉末在压模内压制示意图 1 一下模冲，2 模腔，3 上模冲，4 粉末，5 垫块 f i g 1 3t h es k e t c hm a po fp o w d e rc o m p a c t i o ni nt h ec o m p r e s s i o nm o u l d 1 - b o t t o md i e ，2 - c h a m b e r , 3 - t o pd i e ，4 - p o w d e r , 5 - s p a c e rb l o c k ( 4 ) 烧结 烧结是将粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下进行的热处理。目的是使粉末颗 粒间产生冶金结合，使粉末颗粒之间由机械啮合转变成原子之间的晶界结合，借颗粒的 联结以提高强度。如果烧结条件控制得当，烧结体的密度和其它物理、机械性能可以接 近或达到相同成分的致密材料。 烧结是粉末冶金生产过程的最后一道工序，对最终产品的性能起着决定性的作用， 因为由烧结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的；相反，烧结前的工序中的某些缺 陷，在一定范围内可以通过烧结工艺进行调整。 决定烧结工艺的主要参数有烧结温度、烧结时间、烧结压力等。 1 0 第一章高速列车的盘式制动及材料 烧结温度：烧结温度是影响烧结最关键的因素，通常说的烧结温度是指最高烧 结温度，即保温时的温度，一般是在绝对熔点温度的2 3 - - 4 5 。对于多种粉末的混合体， 其烧结温度由基体的熔点来决定。 烧结时间：在相同的温度下，烧结时间越长，扩散越充分，合金化程度就越高。 在烧结保温的初期，密度随时间变化较快。达到一定的程度后，密度的变化不太明显。 烧结压力：为了提高烧结体的密度，在烧结的过程中，需要施加一定的压力， 施加压力的大小，对促进烧结体的致密化和密度的提高有很大的作用。原始组元中若含 有大量的非金属成分，将会大大降低粉料的压缩性，容易使压缩件产生分层和裂纹，若 要得到孔隙度小于5 1 0 的粉末体，必须施加较高的烧结压力。此外，在烧结过程中 可能出现压件的扩散长大，导致最终孔隙度的增大。 升温速度：升温速度是指温度升高的快慢。同样的烧结温度，升温速度的快慢 对材料的最终性能也有一定的影响：升温速度太快，内外温差较大会使材料中气体扩散 的速度不同。特别当外层金属排气完成，气道封闭后，将会把一部分气体封存在烧结体 内，造成密度降低和性能下降。 保温时间：保温时间是指达到烧结温度后保持这个温度的时间，由于这一段时 间的温度较高，分子运动剧烈，有利于扩散及合金化的进程。但是保温时间太长，导致 晶粒的粗大，性能下降，还严重浪费能源。对于不同的材料和所选工艺的差异，保温时 间应根据实际情况来确定。 烧结气氛：烧结是在低于粉末体中主要组分熔点的温度下进行加热，使接触的 颗粒相互间形成冶金结合。通常，几乎所有的金属粉末都因表面的活性高，会有一层氧 化膜，它们在烧结时有碍于颗粒间的粘结。因此，除在高温下不易氧化的金属( 如，铂) 外，所有金属的烧结都是在真空或还原性气氛中进行的。但对于镍、钽、铌、银、钛合 金等，用氢气或一氧化碳对它们都有不良影响，故不宜在还原气氛气体中进行烧结。对 于不大可能氧化，以及不可能还原的场合，使用惰性气氛即可，例如黄铜、银、铝及铝 合金等。 本章小结 本章介绍了盘式制动方式的工作原理、盘片材料和闸片材料的选取要求及粉末冶金 材料的制备工艺。盘式制动具有制动率高、功能转移能力大、运行品质和安全性优异等 特点而被广泛的应用于高速列车的制动系统。综合人们对多种制动材料的研究，时速2 0 0 公里以上的高速列车上，锻钢制动盘与铜基粒子强化闸片是比较优异的选择。 大连交通大学工学硕十学位论文 第二章材料的摩擦与磨损 2 1 摩擦理论概述 摩擦是物体两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量的消耗。摩擦现象涉及的 因素很多，因而提出了各种不同的摩擦理论。 2 1 1 机械啮合理论 早期的摩擦理论认为摩擦起源于表面的粗糙度，滑动摩擦中能量消耗于粗糙峰的相 互啮合、碰撞以及弹塑性变形，特别是硬粗糙峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。 1 7 8 5 年阿蒙顿和库仑提出，摩擦力f f 和f n 成正比，把摩擦力与法向载荷之比称为 摩擦系数，即 = 毋e( 2 1 ) 式( 2 1 ) 称为阿蒙顿、库仑古典摩擦定律，表明： ( 1 ) 摩擦力与法向载荷成正比； ( 2 ) 摩擦系数的大小与几何接触面积无关，摩擦表面是凹凸不平的，而摩擦起因于 接触表面上微凸体的互嵌作用； ( 3 ) 静摩擦系数大于动摩擦系数； ( 4 ) 摩擦系数与滑动速度无关。 研究发现大多数经典摩擦定律并不完全正确，但在一定程度上反映了滑动摩擦的机 理，因此在许多工程实际问题中依然近似地引用。 2 1 2 分子作用理论 1 9 世纪2 0 年代科学家提出摩擦的“粘附理论 。认为摩擦力来自接触表面之间的 分子粘附力，摩擦力的大小与接触面积成正比，即表面越粗糙，实际接触面积越小，因 而摩擦系数应越小，而与法向载荷无关。可是这一点与许多摩擦实验结果不符合，而实 验表明摩擦力与接触面积无关。 2 1 3 分子机械理论 在摩擦分析发展中认识到，摩擦的物理起因非常复杂，不能用简单的理论进行解释， 而需要作精确的实验和详细的物理分析。1 9 4 0 年前后科学家才弄清楚上述分歧。因此， 当前广泛流传的摩擦理论是分子机械理论。这种理论认为摩擦力是由机械阻力和分子引 力构成的。物体表面越光滑以分子吸引为主，表面越粗糙则以机械阻力为主【3 1 1 。既来自 1 2 第二章材料的摩擦与磨损 于摩擦副表面凹凸微区的机械互嵌作用，又来自于摩擦时变形过程的粘附作用。这种摩 擦二重性的分子机械理论已被大家公认为是一种综合的摩擦理论。 这种理论可以很好的表示互相啮合一定深度的两微凸体之间形成的微观触点，在结 合和分离时发生的4 个过程，包括： ( 1 ) 微凸体弹性变形； ( 2 ) 微凸体塑性变形； ( 3 ) 犁沟； ( 4 ) 剪切粘结点。 根据分子机械理论，摩擦力为摩擦副表面接触点上机械啮合作用和分子吸引作用所 产生的剪切阻力的总和，即 f = a a , + 缈( 2 2 ) 或f = ，p + p ) ( 2 3 ) f 摩擦力； 么，真实接触面积； p 负荷； a 与p 系数。 上式叫做摩擦二项式定律，其中q 与1 3 分别为由摩擦表面的物理和力学性能所决定 的系数。由此，可得到摩擦系数： = + a a , p( 2 4 ) 式中，1 3 为一个定值，是根据机械啮合理论确定的摩擦系数，q 是分子引力引起的 一个变量，它是对纯机械啮合理论的修正。 实验指出，对于塑性材料，由于真实接触面积与负荷成正比，摩擦系数与负荷无关， 为一定值。对于弹性材料，由于真实接触面积因负荷增高而缓慢地增大，因此，摩擦系 数因负荷增大而减小。 摩擦二项式定律不仅能解释干摩擦摩擦力的由来，也能解释边界摩擦摩擦力的来 源。通常，摩擦系数是在一定条件下，通过仪器测定并经过计算获得，而不能通过上式 获得。摩擦系数受各种因素影响而变化。 2 2 磨损理论概述 材料的磨损是指两个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动及有关介 质、温度环境的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。磨损表现