（材料学专业论文）铁在铜基粉末冶金摩擦材料中的作用.pdf

摘要 摘要 铜基粉末冶金材料被用于制造列车制动闸片，由多种成分构成，材料的性能可以通 过调节和控制材料中各组元的含量及存在形式来调整。因此，研究铁在铜基粉末冶金中 的作用机理以及对材料摩擦磨损性能的影响，对研制高性能的制动闸片材料是有意义 的。此外，我国的地域辽阔、气候多变，铁路运行环境复杂，在这些恶劣条件下，材料 所表现出的性能往往是决定产品性能的关键。因此，分析各种条件对粉术冶金材料摩擦 磨损性能的影响对改善闸片的性能具有指导意义。 采用粉末冶金技术制备铜铁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 1 m p a ，湿环境条件为淋水 量4 7 m l m i n 。实验研究结果表明： 随着铁含量升高，磨损率增大，摩擦系数在低速时增大，高速时减小。这是因为随 着铁含量的升高，铁对基体的分割作用增强，磨损率增大。低速时高铁含量的使表面有 更多的硬质粒子与摩擦盘接触，增大了摩擦系数；高速摩擦时，致密第三体对表面的良 好覆盖和润滑作用降低了摩擦系数。铁含量为5 左右时，摩擦材料具有较低的磨损率 和较高的摩擦系数，且摩擦系数稳定性好。 干湿摩擦相比，湿摩擦的磨损率大于干摩擦。这是因为，湿摩擦时，水对材料的冲 刷作用，加速了第三体的流失，使得摩擦面上微凸体间的直接啮合作用增加，磨损率增 大。低速时，干摩擦的摩擦系数大于湿摩擦；高速时，干湿摩擦的摩擦系数相差不大， 原因在于低速时干摩擦摩擦表面的颗粒状第三体增大了微凸体间的啮合程度，摩擦系数 较大。湿摩擦时，水膜的润滑作用降低了摩擦系数，而高速摩擦的温升和离心作用降低 了水对摩擦表面的影响，导致干湿摩擦的摩擦系数相差不大。 随着制动压力的增大，低速时的摩擦系数增大，高速时的摩擦系数变化不明显。这 归因于在摩擦速度较低时，随着制动压力的增加，磨损表面和亚表层受到正压力增加， 亚表层塑性变形加大，磨面上的凸凹峰相互作用增大，s i o 。和f e 与摩擦盘实际接触面 积增加，切削程度增加，剥落坑增多，摩擦系数变大。在高摩擦速度条件下，高制动压 力加剧了表面温度的作用，高温使表面第三体的流动润滑作用增加，导致摩擦系数变化 不明显。 关键词：铜基摩擦材料；干摩擦；湿摩擦；第三体；摩擦磨损 人连交通人学l ：学硕十学位论文 a b s t r a c t c o p p e r - b a s e dp o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a l s ，w h i c h a r eu s e di nt h em a n u f a c t u r eo f b r a k i n gp a d ，a r ec o n s t i t u t e db yav a r i e t yo fi n g r e d i e n t s ，t h ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l sa r e i m p r o v e dt h r o u g ht h er e g u l a t i o na n dc o n t r o l l i n gt h ec o n t e n t sa n df o r m so ft h em a t e r i a l e l e m e n t s t h e r e f o r e ，s t u d i e so ft h ef ep o w d e ri nt h er o l eo fc o p p e r - b a s e dm e c h a n i s m ，a n d c l e a rf ep o w d e r sf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e sf o rc o p p e r b a s e df r i c t i o nm a t e r i a l sa r e m e a n i n g f u lf o rd e v e l o p i n gh i g h - p e r f o r m a n c eb r a k em a t e r i a l s i na d d i t i o n ，c h i n a st e r r i t o r y v a s t ，c l i m a t ev a r i a b i l i t y ，t h ec o m p l e x i t yo ft h er a i l w a y o p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，t h ef r i c t i o ni n t h e s eh a r s hc o n d i t i o n s ，t h em a t e r i a l sp r o p e r t i e ss h o w nb yt h ed e c i s i o ni so f t e nt h ek e yt o p r o d u c tp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h ea n a l y s i so ft h eh a r s hc o n d i t i o n sf o rp o w d e rm e t a l l u r g y m a t e r i a l sf r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c ei sg u i d i n gs i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fb r a k e p a d t h ec o p p e r - b a s e dp o w d e r m e t a l l u r g yb r a k i n g m a t e r i a lw a sf a b r i c a t e d b yp o w d e r m e t a l l u r g y ，m 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 ，u n d e rt h es p e e do f2 0 0 - 3 0 0 0r m i n ，t h e p r e s s u r eo f0 5 - 1 1 m p aa n dt h ea d d i t i v ew a t e rr a t eo f4 7m l m i n t h er e s u l t ss h o w t h a t ： w i t ht h ei n c r e a s e dc o n t e n to ff e ，t h ew e a rr a t ei n c r e a s e s ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t i n c r e a s e si nt h el o ws p e e d ，r e d u c e di nt h eh i g hs p e e d i tw a sb e c a u s ew i t ht h ei n c r e m e n to f i r o nc o n t e n t ，t h ed i v i s i o no fi r o ni nt h em a t r i xi n c r e a s e ，t h ew e a l r a t ei n c r e a s e s a tl o ws p e e d ， m a t e r i a l sw i t hh i g hi r o nc o n t e n th a v em o r eh a r dp a r t i c l e sc o n t a c tt h ed i s k ，i n c r e a s i n gt h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，a n da th i i g hs p e e d ，t h et h i r db o d yo nt h ef r i c t i o ns u r f a c eo fm a t e r i a l sw i t h h i g hi r o nc o n t e n ti sd e n s e r ，r e d u c i n gt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t w i t hi r o nc o n t e n to fa b o u t5 ， t h ef r i c t i o nm a t e r i a l sh a v et h eb e s tp e r f o r m a n c e ，s u c ha sl o w e rw e a rr a t e s ，h i g h e rf r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，a n ds t e a d yf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a r sr a t e c o m p a r e do fw a t e ra n dd r yf r i c t i o n ，w h e nt h eb r a k i n gp r e s s u r ew a ss m a l l ，w e a l r a t e u n d e rw a t e rf r i c t i o nw a sl a r g e rt h a nt h a to fd r yf r i c t i o n i tw a sb e c a u s ew h e nu n d e rw a t e r f r i c t i o n ，t h ee f f e c t so fw a t e re r o s i o no nt h em a t e r i a l sa c c e l e r a t e dt h el o s so ft h et h i r db o d y ， r e s u l t si ne n h a n c e m e n to ft h ed i r e c tj o g g l ee f f e c tb e t w e e nt h em i c r o c o n v e xb o d i e so nt h e f r i c t i o ns u r f a c ea n di n c r e a s eo fw e a r sr a t e w h e ns p e e dw a sl o w ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f d r yf r i c t i o nw a sg r e a t e rt h a nt h a to fw a t e rf r i c t i o n ；w h e ns p e e dw a sh i g h ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n to fw a t e ra n dd r yf r i c t i o nw a sa l m o s tt h es a m e i tw a sb e c a u s et h a tw h e nt h es p e e d w a sl o w ，f o rt h ed r yf r i c t i o n ，t h eg r a n u l a rt h i r db o d yi n c r e a s e st h ej o g g l el e v e lo ft h e m i c r o c o n v e xb o d i e s ，a n df r i c t i o nc o e f f i c i e n tw a sg r e a t f o rt h ew a t e rf r i c t i o n ，t h ee f f e c to f w a t e re r o s i o no nt h em a t e r i a ls u r f a c et o o ka w a yal o to fg r a n u l a rt h i r db o d y ，r e d u c e dt h e j o g g l el e v e la n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；w h e ns p e e dw a sh i 【g h ，w a t e rh a d l i t t l ei n f l u e n c eo n t h ef r i c t i o ns u r f a c e ，s ot h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fw e ta n dd r yf r i c t i o na l lm o s tt h es a m e i i a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fb r a k ep r e s s u r e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e da tl o ws p e e da n dd i d n o tc h a n g es i g n i f i c a n t l ya th i g hs p e e d i tw e r ea t t r i b u t e dt h a ta tl o wf r i c t i o ns p e e d ，w h e nt h e b r a k ep r e s s u r ei n c r e a s e d ，p o s i t i v ep r e s s u r eo nt h ew e a rs u r f a c ea n ds u b s u r f a c ei n c r e a s e d ， p l a s t i cd e f o r m a t i o no fs u b s u r f a c ei n c r e a s e d i n t e r a c t i o no ft h ec o n v e x c o n c a v ep e a ko n g r i n d i n gs u r f a c ei n c r e a s e d ，t h ea c t u a lc o n t a c ta r e ab e t w e e nt h ef r i c t i o nd i s ca n ds i 0 2a n df e i n c r e a s e d ，t h ec u t t i n gl e v e lo fi n c r e a s e d ，t h en u m b e ro fh o l ef o r mb yf l a k i n g - o f fi n c r e a s e d ， a n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e c o m eg r e a t e r u n d e rt h ec o n d i t i o n so fh i g h - s p e e df r i c t i o n ，h i g h b r a k ep r e s s u r ei n t e n s i f i e dt h ee f f e c to fs u r f a c et e m p e r a t u r e w j t hh i g l lt e m p e r a t u r e ，t h ef l o w l u b r i c a t i o ne f f e c to ft h et h i r db o d yo nt h es u r f a c ei n c r e a s e d ，l e a dt of r i c t i o nc o e f f i c i e n t c h a n g es m o o t h l y k e yw o r d s ：c o p p e r - b a s e df r i c t i o nm a t e r i a l s ；d r yf r i c t i o n ；w a t e rf r i c t i o n ；t h et h i r d b o d y ；f r i c t i o na n dw e a r i i i 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銮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：沱泼戏 日期：守椤。? 年名月o 日 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态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 知识产权单位属太蓬窒通太堂，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董塞通太堂。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。 本人授权太蓬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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：减设嫡 日期：州年多月护日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：丧春劲彗霹盼份奄湖 通讯地址：去祷省畏春移蔷南路钏乡 电子隹箱：q r f 习6 ( 爹c c c a r 刚、( 几 导师签名：犄曝 日期： 扣j 年多月7o 日 电话：峭f 一9 7 伤劲。 邮编： 伤口护矽 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着科学技术的不断进步，世界高速铁路发展迅猛。列车的高速化对制动技术提 出了更高的要求，摩擦制动是高速列车最终实现停车所必不可少的基本制动方式。由 于盘形制动在制动功率、减少车轮踏面热损害等方面具有踏面制动所无法比拟的优越 性，因此成为高速列车的摩擦制动的主导方式【。研制高性能盘形制动用摩擦材料尤 其是摩擦副之一的闸片材料是该技术领域中的一个重要课题。发达国家对闸片材料进 行了大量的研究，其中技术最成熟、应用最广泛的是粉末冶金制动闸片，在我国，高 速列车制动闸片材料的研究起步较晚，对高速列车用粉末冶金摩擦材料的研究仍是很 不充分。为了我国的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， 有必要进行大量的基础理论研列引。 粉末冶金摩擦材料可分为铜基和铁基两大类。其中，铜基摩擦材料的摩擦系数稳 定，抗粘结、抗卡滞性能好，特别是在湿式条件下工作很高的耐磨性【3 1 。因此，主要 用于飞机、汽车、船舶及冲压机床等作为制动、传递扭矩和过载保险装置等摩擦材料， 能够满足现代设备的速度、负荷、功率、及机械动作的准确性要求。 为了强化铜，使其具有良好的耐热性和摩擦性能，通常往铜粉中加入其他的金属， 以便烧结过程中合金化。用的最广泛的是锡。而从物理一力学和某些特殊性能来看， 铜一铝合金在多数情况下超过锡青铜。例如：在提高铜的强度上铝比锡有效，特别是 铝含量在7 - - 1 0 的范围内。铝是有效提高铜与钢粘结力的合金元素。这是摩擦合 金的主要性能之一。铝青铜的耐热性比锡青铜高。例如，某些铝青铜5 0 0 时的力学 强度高于锡青铜的温室强度。铝青铜温室和高温的耐腐蚀能力大大超过其他的铜合 金，可以与不锈钢媲美。因此铝作为合金元素有很大的开发潜力f 4 1 。 铁也是被经常加入的金属，铁在铜基摩擦材料中起到了摩擦组分的作用，对材料 的机械性能和摩擦磨损性能起到了重要的作用1 5 j 。 另外，我国的地域辽阔、气候多变，铁路运行环境复杂，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，在恶劣条件下对所研究的粉 末冶金材料进行摩擦磨损性能的分析具有重大的意义。 本文即是明确铁粉( 外加和内加两种方式) 对铜基粉末冶金摩擦材料的影响，并 对所研究的材料在各种摩擦环境下进行实验，分析材料的摩擦磨损性能，研究材料的 磨损机理。 人连交通人学f ：学硕十学位论文 1 2 国内外的研究概况 1 2 1 摩擦材料概述 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 6 7 】。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1 8 l 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。近2 0 年来，随着汽车 和航空工业的蓬勃发展，出现了许多新型摩擦材料，并广泛应用于各类工程机械和交 通运输工具上。 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。 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，并 且摩擦系数稳定，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。 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。这种摩擦材料的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的复合材料，是摩擦式离合器与制动器的关键组件1 9 l 。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已达到相当多的比 例，材料几乎变成了金属陶型1 0 l ，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。在瑞典、加拿大、闩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。 如图1 1 所示为不同材料的摩擦系数和速度的关系曲线f 1 1 1 。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l o o k m m 时，摩擦系数有所降低，而粉末冶金材料却不会降低。 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。 2 第+ 章绪论 遥度t ( k mh 。) 图1 1 摩擦系数和速度的关系曲线 f i g 1 1t h ee f f e c to fs p e e do nf r i c t i o nc o e f f i c i e n t 粉末冶金摩擦材料是一种含有金属和非金属多组元的复合材料。在一定程度上可 以分为3 类，基体组元、润滑组元和摩擦组元。 基体组元 这类组元是形成金属基体并促进形成一定的物理一力学性能的组元。一般具有金 属属性，通常为金属( 铜、铁、镍、铝、钨) 的合金。 粉末冶金摩擦材料的强度、耐磨性在很大程度上取决于基体的组织结构、物理和 化学性质。金属基体应能固定摩擦组元和润滑组元的颗粒1 1 2 l ，防止摩擦滑动中纵向压 弯或凹陷，保持形状，参与摩擦，具有适度的磨损，并把摩擦热传到出去。 在摩擦过程中，摩擦热引起的金属基体材料物理力学性能的变化，表面氧化，摩 擦性能随着变化很大，甚至会发生与对偶粘结胶合的形象。为了强化和提高基体的耐 磨性、耐热强度，改善摩擦表面的导热性，稳定摩擦性能，必须应用合金化基体改善 性能。 润滑组元 为了提高摩擦材料的摩擦系数的稳定性，抗咬合性和耐磨性，在粉末冶金摩擦材 料中应添加不同的固体润滑组元、并要求润滑组元对基体附着力强，本身剪切力小， 且具有连续形成表面膜的能力、化学活性小，高温稳定性好，润滑面能自动更新等【1 3 】。 这类调节粘结程度的组元又称为固体润滑剂。虽然它们使摩擦力减弱，降低摩擦 系数，降低摩擦表面的摩擦热，以避免产生高温，降低磨损【1 4 l ，促使摩擦副工作稳定。 另外，润滑剂使粘一滑现象降至最低。所谓粘一滑现象：粘一两摩擦面问的相对速度 为零，即粘停的意思；滑一两摩擦表面的相对速度急剧上升。若两摩擦表面产生粘一 滑现象，转动或制动就不平稳，产生抖动。润滑组元能减小或完全消除摩擦副的粘结 和卡滞，故通常称它们为抗卡剂或摩擦稳定剂。属于这类组元的有：石墨和钼、铜、 3 人连交通人学i ：学硕十学位论文 锌、钡、铁等地硫化物，氮化硼及低熔点的纯金属铅、锡、铋、锑等，一些金属氧化 物如氧化铅、氧化镍、氧化钴等地添加也可造成摩擦表面的润滑。上述润滑剂中得到 广泛应用的是层片状结晶构造的润滑剂，各层之l 、b j 的结合都很弱，首先是石墨、二硫 化钼，其次是氮化硼。 摩擦组元 调节相互力学作用大小的组元，通常称它们为摩擦剂。摩擦组元能切削转移到对 偶面上的堆积物和氧化物。切削对偶时，增加了摩擦滑动的阻力。基体中适当分布一 定的摩擦硬介质组元，尤其是在高温时，可防止基体流动，起到基石的作用，增强耐 磨损性i l 引。此外，这类组元能减小表面粘结和卡滞。 摩擦剂的基本任务是提高摩擦系数，达到要求的水平，保证摩擦表面最佳啮合。 所以在选取摩擦组元时，必须首先注意它与基体相比较的硬度及颗粒形状和大小【1 6 1 。 表1 1 各种材料特性比较f 1 9 1 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 特性普通铸铁闸瓦 特种铸铁闸瓦 合成闸瓦 铜基粉末冶金闸瓦 摩擦系数 1 1 2 2 3 3 - 4 湿润稳定性稳定稳定不稳定 稍不稳定 磨耗量10 2 o 50 10 1 对车轮的损耗无无有稍有 产生火花情况有少无无 质营1l1 31 2 价格l1 5 2 556 使用车种客车、蒸汽全车种高速车特抉电动车 制造周期周期短周期短周期长周期长 使用寿命 1 1 534 导热率 1lo 1 8 o 2 32 2 5 注：表1 1 是无量纲值，即以普通铸铁闸瓦的值为1 ，其它材料与其比较。 1 2 2 铜基粉末冶金摩擦材料研究现状 在开发高性能粉末冶金摩擦材料方面，我国中南大学粉末冶金研究所、西安交通 大学粉末冶金研究所等单位己做了一些工作，研究了铁基、铁一铜基粉末冶金摩擦材 料，并正在开发其在航空方面的应用，但对铜基粉末冶金材料研究较少。目前我国对 铜基粉末冶会材料在列车上的应用研究也较少。国外的高速列车也在用粉末冶金摩擦 4 第+ 章绪论 材料，世界上三大高速列车国，r 本、法国、德国形成了铁基、铁一铜基、铜基为主 的粉末冶金摩擦材料体系。f l 本的三部隆宏1 1 8 】等专家经研究得出：铜基粉末冶金摩擦 材料比铁基的具有更好的综合性能，且具有优异的制动效果。 表1 1 列出了目前使用的摩擦材料的性能指标及各种材料的优缺点。 从上表可以看出，合成材料和铜基粉末冶金材料有较好的性价比，但合成材料在 高速时会把轮面磨的很光，大大降低摩擦系数。而铜基粉末冶金有较好的综合性能l2 0 】， 符合高速列车轻量化的国际趋势，且导热率占绝对优势，磨耗产物不会污染环境，也 不会危害人类的健康。 目前能够检索到的与本论文有关的对粉末冶金摩擦材料的研究( 含专利) 有下列 一些： 在国外，日本新干线、法国t g v 一4 高速列车和德国i c e 高速列车均采用铜基粉木 冶金制动闸片1 2 1 琊】。其中商业运行的列车上使用的制动材料主要有三种：1 铜基铁铬 合金强化材料；2 铜合金基陶瓷强化材料；3 铁一铜合金基陶瓷强化材料。法国t g v 高速列车的粉末冶金材料成份配比表如表1 2 表1 2 法国t g v 高速列车的摩擦制动闸片成份 t a b l e1 2c o m p o n e n to f f r a n c et g v h i g h - s p e e dt r a i nb r a k ep a d 成分c us nz nm n 莫米石 f en ip b石墨 含量( )4 0 8 03 2 03 l o0 - - 一33 3 02 80 - - 25 1 55 1 5 表1 3 日本新干线高速列车的摩擦制动闸片成份 t a b l e1 3c o m p o n e n to fj a p a n e s eh i g h - s p e e dt r a i nb r a k ep a d 成分 c u f e + n is n石墨m o陶瓷其它 含量( ) 4 0 6 02 2 0 2 71 0 - 1 53 88 1 5剩余 日本开发了一种新型材料。列车的速度限界可达3 5 0 k m h ，成份如表1 3 。 这两个配比的特点是：两个配比均为铜基，且里面均含有f e 、n i 、s n 等金属元 素，铜基体经多元合金化后就有较高的强度、良好的导热性和抗高温氧化性，且与制 动盘黏着系数小。两种配比均具有较大的摩擦系数和较小的磨损率。 关于铁基摩擦材料的研究，杜心康1 2 4 j 研制出了f e n i c 系合金为基体，添加石墨 和m o s 2 等润滑组分以及s i 0 2 、a 1 2 0 3 和s i c 等陶瓷摩擦组分，摩擦系数可达到0 3 1 的f e 基摩擦材料。石宗利研究的铁基金属陶瓷摩擦材料认为该材料是具有高摩擦系 数、低磨损率、摩擦系数稳定性好。 5 大连交通人学f ：学硕 j 学位论文 石家庄铁道学院赵田臣1 2 5 l 等在2 0 0 1 年提出拟采用镍、铁、铝和锡合会化来增强 铜基体。认为镍能与铜形成无限固溶体，对铜起强化作用，锡能溶入铜并形成复杂化 合物以强化基体，铝、铁与铜作用形成铝铁青铜，具有很高的强度。同时，由于低熔 点的锡和铝在烧结升温过程中熔化，使烧结过程为液相烧结，能促进烧结的合金化和 致密化过程。并且在2 0 0 4 年发表文章1 2 6 j 指出，他已经成功研究出能够满足于时速3 0 0 公罩的高速列车制动需求的摩擦闸片，其摩擦磨损性能已经相当于法国t g v 使用的 闸片，并且在平稳性方面已经超过了法国t g v 闸片，这说明以铜为主体的金属基体 与非金属颗粒的粘结能力对材料的摩擦磨损性能起了决定性的作用。其成分主要为： 表1 4 高速列车的摩擦制动闸片成份 t a b l e1 4c o m p o n e n to fh i g h s p e e dt r a i nb r a k ep a d 成份 c un i f e a d s n s i ca 1 2 0 3z r 0 2 石墨 m o s 2 其他 含量余量 5 2 03 75 1 03 83 1 03 1 0 3 1 0 5 1 55 1 52 5 该配方的特点是：铜基体采用n i 、f e 、和s n 合会化，n i 能与c u 形成无限固 溶体，对c u 起强化作用，s n 能溶入c u 并形成复杂化合物以强化基体，a l 、f e 与c u 作用形成铝铁青铜，具有很高的强度，同时低熔点的锡和铝在烧结升温过程中熔化， 使烧结过程为液相烧结，能促使烧结的合金化和致密化过程。摩擦相采用s i c ，a 1 2 0 3 和z r 0 2 ，这几种陶瓷材料均具有很高的熔点，硬度和化稳定性，在高温下仍具有很强 的摩擦性能将这些陶瓷颗粒均匀分布在基体上能起到有效地增摩作用。 中南工业大学粉未研究所王零森等【27 j 在摩擦组元和润滑组元完全相同的条件下， 在铜粉中加入小于7 5 微米的铝粉、锡粉和6 6 3 青铜粉，材料具有不同的成分，具体成 分为：摩擦组元：f e8 ，s i 0 2 4 ，s i c2 ，b 4 c3 ；润滑组元：石墨7 ，m o s 22 5 ： 基体组元：c u2 3 5 7 3 5 ，舢0 _ - 6 ，s no 一1 0 ，6 6 30 7 3 5 。 在探讨p b 、m o s z 、c 三种固体润滑组元对铜基离合的影响的实验中，中南工业大学 张兆森等【2 8 1 试图找到各组元的最佳含量，制造出最佳摩擦磨损性能的铜基离和材料。 实验原材料为0 0 7 4 m m 的电解铜粉；0 0 7 4 m m 的还原铁粉；0 1 0 4 m m 的鳞片天然石墨； 0 1 4 5 m m 的二氧化硅；0 1 0 4 m m 的喷雾锡粉：0 1 0 4 m m 的铅粉；0 0 7 4 m m 的二硫化钼粉。 西安交通大学丁华东等f 2 9 】认为在铜石墨材料中，铜合金基体赋予材料较高的强 度、硬度、良好的传导性及耐腐蚀性等；石墨赋予金属基复合材料良好的白润滑性能， 而且在点接触过程中，石墨还可以提高材料耐电弧烧蚀和抗熔焊的性能。试验中在铜 基体中添加少量的铁、锡、镍，石墨为鳞片状天然石墨。 6 第一章绪论 太原理工大学李云堂等i 驯通过闸片制动前的体积确定的质量和密度计算出所需 粉末的质量，其中有铁粉6 8 ，石墨粉1 1 ，炭化硅粉7 。此外，还加入少量的铜粉， 二氧化钼粉和铅粉等。各种材料的粒度都有严格的要求，因为粒度的改变影响材料的 金相组织和性能。 姚萍屏等【3 l j 在研究f e 和s i o z 对铜基摩擦材料摩擦学行为的影响时，试验所用原材 料的主要性能指标如下：小于7 5l am 电解铜粉，纯度大于9 9 ；1 8 0l am 鳞片状天然石墨； 小于9 01 1m 的锡粉；小于7 41 1i l l 的还原铁粉；7 4 一- 5 9 0i im 的天然石英粉，成分组成为 c u - s n 合金：9 1 - 9 5 ，石墨：5 ，f e - 0 - 4 ，s i 0 2 ：0 - 4 。 综上所述：粉末冶金摩擦材料中经常加入铁粉，它们或作为基体组元，或作为摩 擦组元，或是与基体组元合金化，本论文即是研究加入铁粉对铜基粉末冶金摩擦材料 的影响，从内加铁粉和外加铁粉两个方面考虑，同时研究不同制动条件下高速列车制 动闸片的摩擦磨损性能。+ 1 3 摩擦和磨损理论概述 1 3 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。 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 t b e( 1 1 ) 式( 1 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j 下比； ( 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； h ) 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。 7 人适交通人学f ：学硕十学位论文 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。 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 f 3 2 1 。既来自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。 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【3 3 l 。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。 1 3 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。磨损表现为松脱 的细小颗粒( 磨屑) 的出现，以及表现为受摩擦学负荷作用，表面上材料性质和形状的 变化。 按不同的摩擦机理，通常将磨损分为四种基本类型：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳 磨损和氧化磨损等【州。下面简略列出各种磨损的特征及研究情况。 1 ) 磨粒磨损 磨粒磨损包括由对偶件表面凸峰及磨屑和外来颗粒导致的犁沟和研磨过程。摩擦 材料内部含有的硬质颗粒作为磨屑可导致磨粒磨损，并在摩擦材料和对偶件表面形成 犁沟，影响摩擦系数。当摩擦表面温度升高，材料的结合力下降，硬质颗粒脱离摩擦 副形成三体磨损，会导致摩擦材料和对偶件的磨损量增加。 2 ) 粘着磨损 粘附磨损过程是在外力作用下，摩擦接触的表面问材料原子键的形成( 显微熔接) 和分离过程。摩擦过程中，摩擦副之间真f 的接触只发生在微凸体的微观接触面上， 所有微观接触面的总和构成的真实接触面积只是名义接触面积很小的一个部分，因此 8 第一章绪论 在真实接触面积内具有很大的接触应力。这些应力由于切向的相对运动还会强化，以 致受到负荷作用的微凸体发生弹性或塑性变形。在法向和切向力的综合作用下，表面 膜将破裂挤出，摩擦表面材料转移到了较硬材料的表面上。过大的粘结面积会使摩擦 副之间咬死而不能相对滑动，导致灾难性失效。 3 ) 疲劳磨损 摩擦副表面微凸体之间的反复作用，使得材料微凸体受循环接触应力和重复变 形，导致裂纹的产生和扩展，分离出微片或颗粒的磨损称为疲劳磨损。 疲劳磨损主要发生在承受周期性的接触载荷或交变应力的机器零件表面上，是在 循环载荷作用下产生表面失效的形式，其过程同样包括裂纹的萌生，扩展以致最后断 裂。 疲劳磨损包括热疲劳与机疲劳两种：热疲劳由反复加热与冷却而产生，一般出现 在高温苛刻制动条件下：机械疲劳则是由反复作用的摩擦应力所引起。对于粉末冶金 摩擦闸片，材质的多孔性造就了许多应力源，易出现疲劳磨损。 4 ) 氧化磨损 氧化磨损包括一系列使原子问结合不断破坏的物理作用与化学反应。高温摩擦面 易与空气发生氧化作用使金属表面形成氧化膜，继而破裂而产生磨损。 1 4 材料中各组元对材料性能的作用 ( 1 ) 基材和强化基材组元：作为粉末冶金摩擦材料制品的制动闸片在使用过程中 的强度、耐磨性和耐热性很大程度上取决于基体的组织结构、物理和化学性能。而作 为工作面的金属基体，在摩擦时会发生变形及磨损；此外，由于摩擦所产生的热要经 过金属基体传导出去，金属基体还要保持住摩擦剂和润滑剂的颗粒，防止金属基体摩 擦滑动中纵向压弯或凹陷。在摩擦过程中，摩擦热引起金属基体材料物理力学性能的 变化。表面氧化，摩擦性能随之变化很大，甚至会发生与对偶粘结胶合的现象。为了 强化和提高基体的耐磨性、耐热强度，改善摩擦表面的导热性，稳定摩擦性能，防止 与对偶发生粘结，必须用另外一种金属来强化基体，添加摩擦组元改善性能。我们选 取基材为c u ，强化基材为f e ，铜具有良好的塑性，铜粉易于压制；铜与氧的亲和力 小，在空气中氧化速度缓慢，烧结时对保护气体无特殊要求，容易烧结，但很少采用 纯铜作为摩擦材料的基体。c u 经f e 强化后材料的硬度有所增加，这是因为f e 颗粒均 匀弥散地分布在材料基体中，起到了颗粒强化作用，明显提高了材料的强度、硬度。 除此之外，存在于摩擦面的f e 颗粒本身强度、硬度就比基体铜大，在摩擦过程中当 9 人迕交通人学i ：学硕十学位论文 较软的基体磨损后，f e 颗粒便突出于摩擦表面，直接与对偶表面相接触，承受摩擦阻 力，因此能够提高材料的摩擦系数，起到增磨作用。 ( 2 ) 摩擦组元：是高性能金属基烧结摩擦材料研制成功的关键。摩擦组元是调整 制动闸片摩擦因数、制动效率、磨耗及使用寿命的主要成分。它们的作用在于补偿固 体润滑剂的影响及在不损害摩擦表面的前提下增加滑动的阻力。此外，这类组元具有 非金属性质，能促进形成多相组织，减少表面粘结和卡滞。s i 0 2 ( 石英沙) 是一种廉 价而化学性质稳定的摩擦组元，与摩擦材料中的其他成分不起任何化学反应，但能被 基体金属铜和铁等润湿，s i 0 2 具有很高的熔点，硬度和化学稳定性，在高温下仍具有 很强的摩擦性能。一般认为，在铁基烧结摩擦材料中以s i c 颗粒作摩擦剂较为合适， 而在c u 基摩擦材料中加入s i 0 2 为好。材料中硬质颗粒的添加可以增强摩擦副之间的 啮合作用，但质量分数过高时，颗粒易聚集成团，降低颗粒的作用，破坏基体的夹持 硬质点的能力，使颗粒易脱落，易使材料和对偶的磨损增加，同时还会造成烧结后加 工困难。所以在基体中应加入适当质量分数的s i 0 2 ，可以提高材料的摩擦综合性能。 本文中所研究的材料中加的s i o 。的质量分数为5 。 ( 3 ) 润滑组元：制动闸片在工作中的工况比较复杂，影响摩擦与磨损的因素也很 复杂。既需要有足够的摩擦因数来保证制动力，又要达到制动盘最小磨损，同时还要 改进粉末冶金摩擦材料的抗胶合性和耐磨性能，因而材料需要添加一定量的固体润滑 剂。选取的润