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工程硕士学位论文粉术冶金闸瓦的研究与设计 摘要 近几年来，为了适应市场发展的需求，国内铁路列车相继提高了运行速度，高速 重载将成为铁路市场今后一个时期内的发展方向。伴随着铁路机车的大幅提速，机车 的紧急制动便成为一个十分重要而又急待解决的课题。闸瓦作为机车制动过程的重要 组成部件，它对机车制动性能起着关键作用，直接关系到铁路的运输安全。 本文简要论述了粉术冶金材料的特点，对提高和稳定粉末冶金闸瓦的摩擦系数， 增强其耐磨性、耐热性、抗腐蚀能力进行了阐述。通过材料分析、多种配方的对比及 市场调查，最终确定适应市场需求的粉末冶金闸瓦的材料配方。在此基础上，通过大 量理论计算及实际试制，制定了闸瓦生产的模具结构形式及最终生产工艺，并生产出 粉末冶金闸瓦样品。经过1 ：1 台架试验，单机制动试验及装车应用考核，最后研制 成功了适用于机车运行速度小于1 6 0 k m h 的一种新型粉术冶金闸瓦。 关键词：粉末冶金摩擦材料闸瓦 第1 页 工程硕士学位论文 粉末冶金闸瓦的研究与设计 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，o u rd o m e s t i cr a i l w a ya d m i n i s t a t i o nd e p a r t m e n t sb e g a nt oi m p r o v et h e s p e e d o f t h et r a i n si no u d e rt om e e tt h en e e d so f m a r k e t d e v e l o p m e n t t h e r e a f t e r , h i 曲s p e e d r u n n i n ga n dh e a v e i l yl o a d i n gw i l lb e c o m et h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fr a i l w a ym a r k e ti n t h en e a r l yf u t u r e w i t ht h eg r e a tr a i s i n go ft h es p e e d ，i tb e c o m e sav e r yi m p o r t a n tp r o b l e m w h i c hs h o u l db es o l v e du r g e n t l yt oa p p l yt h eb r a k e p r o m p t l y a s a ni m p o r t a n th a r d w a r eo f t h eb r a k i n gp r o c e s s ，t h eb r a k es h o ep l a y sak e yr o l et oi m p r o v et h el o c o m o t i v e sb r a k i n g c a p a b i l i t y i tc o n c e r n s t h es a f e t yo f r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nd i r e c t y l y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec h a r a c t e ro f p o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a l i td i s c u s s e sh o w t o i m p r o v ea n ds t e a d yt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t h ep o w d e rm e t a l l u r g yb r a k es h o ea n dh o w t os t r e n g t h e ni t sa b i l i t yo f w e a r a b i l i t y ，h e a tr e s i s t a n c ea n d a n t i c o r r o s i v e b ym a t e r i a la n a l y s i s ，p r e s c r i p t i o nc o n t r a s ta n dm a r k e tr e s e a r c h ，w ef i n a l l yf i n dt h e p o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a lp r e s c r i p t i o i lo f b r a k es h o e ，w h i c ha d a p tt ot h em a r k e td e m a n d b e t t e r o nt h i sb a s i s ，w em a d et h em o u l ds t r u c t u r ea n dt h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yt h r o u g ha g r e a td e a l o ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i n ga n dt r i a l - p r o d u c i n ga n dp r o d u c es o m eb r a k es h o e s a m p l e sa l r e a d y a f t e rt h e 1 ：ib e n c ht e s t ，s i n g l em a c h i n eb r e a k i n gt e s ta n dm a n u f a c t u r e p r o c e s st e s t ，w em a k e as o r to f b r a k es h o et h a ti sa d a p t e dt ol o c o m o t i v ew h o s em a x s p e e d i sl c s st h a n16 0 k m h k e yw o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y f f i c t i o nm a t e r i a lb r a k es h o e 第1 i 页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 硬究生签名： 驰挚一 五删年j ，月序日 工程硕士学位论文 粉末冶金闸瓦的研究与设计 1 绪论 1 1 摩擦材料简允 摩擦材料基本上可分为金属材料类、非金属材料类与复合材料类。复合材料品种 之多不胜枚举；非金属材料主要有石棉基、纸基与碳基等。石棉基摩擦材料摩擦系数 较高，生产成本低，曾在汽车、拖拉机、吊车中大量使用，但由于含有橡胶、甲醛和 树脂等，在高温时发生碳化，致使性能变坏，更主要的石棉是致癌物质，因而逐渐被 其它摩擦材料所代替。碳基摩擦材料吸热性能好、耐磨、寿命比金属及其合金材料高 5 6 倍，特别适用于高温工况，其造价比金属材料贵8 1 2 倍。纸基摩擦材料摩擦 系数高，具有弹性制动柔和，但耐磨性、耐热性差：因成本低，仍应用于低负荷工况， 如摩托车等。 金属摩擦材料，又分为单体金属与粉末冶金摩擦材料。单体金属使用的是金属对 偶件( 钢一钢、铸铁一钢、青铜钢) ，由于摩擦系数随温度和滑速的升高而明显下 降，高温时又出现了粘结，在湿式工况中摩擦系数过低，因此也逐渐被其它材料所代 替。粉末冶金摩擦材料，因具有摩擦系数稳定、耐磨、耐高温、无噪音、啮合平稳、 污染小，失误时恢复快及强度高等优点，应用范围越来越广泛。 通常粉末冶金摩擦材料的组份分为三类”1 ： ( 1 ) 基体和强化基体的组元，主要有：c u 、f e 、n i 、 i o 、t i 、s n 等及其合金； ( 2 ) 摩擦组元，主要有：s i o 。、a 1 ：0 。、石棉、某些金属和非金属氧化物或碳化 物或余属盐； ( 3 ) 润滑组元，主要有：石墨、m o s ：、c a f ：、w s ：和易熔金属p b 、b i 等。 为适应动力机械的不断发展，世界各国对粉末冶金摩擦材料进行了多方面的探索 和研制，其寻求目标可归纳为三个方面”3 ： a ) 提高并稳定摩擦系数； b ) 提高自身或对偶的耐磨性； c ) 其它特殊要求的，如提高耐热性、抗腐蚀性或降低成本等。 摩擦材料按负荷的工作条件，根据摩擦表面不同温度的工作制度将摩擦部件分为 5 类：极轻负荷制度一近1 0 0 ；轻负荷制度一近2 5 0 ；中等负荷制度一近6 0 0 ； 重负荷制度一近1 0 0 06 c ；超重负荷制度一近1 0 0 0 。c 以上；对于每一类的表面工作温 度层都具有自己的组织变化。 铜基摩擦材料以铜为基体( 按重量约占5 0 8 0 ) ，添加以s n 、p b 、石墨、f e 、 s i o ：、a 1 ：0 。等构成摩擦材料，其优点是：耐磨性好，摩擦系数高，适用于各种制动和 第1 页 工程硕士学位论文 粉末冶金闸瓦的研究与设计 传动设备中，与铁基材料相比，它大大降低了对偶零件的磨损，它适用于轻、中等负 荷。 铁基摩擦材料主要以铁为基体( 按重量约占5 0 8 0 ) ，添加以石墨、s i o ：、a l ：0 。、 s i c 、b 4 c 、b n 、金属硫化物等构成，也有添加少量的c u 、s n 。其优点是：耐磨性好， 摩擦系数稳定，适用于各种制动中的中一重负荷，与铜基材料相比，对偶材料磨损加 大。 机车运行速度在1 4 0 k m h 2 0 0k m h 时，制动过程中一次紧急制动时间一般在 5 0 s 9 0 s 之间，制动过程摩擦部件属于中一重负荷。 用于中一重负荷摩擦材料中般不含有氧化硅和氧化铝，这是由于当温度约为 1 1 6 5 。c 1 1 7 0 时，二氧化硅与铁或其它金属的氧化物生成玻璃状的化合物硅酸 盐，而在制动过程中表面薄层内能迅速达到这样高的湿度。为了提高摩擦系数，这些 材料中常如有碳化物、硅化物、氮化物等难熔化合物。 1 2 粉末冶金闸瓦的发展现状 综观国内外现有机车，主要使用以下几种制动方式“”“：踏面制动、盘形制动、 盘形与踏面制动、电阻与踏面制动。机车时速在1 2 0 k m h 以下采用踏面制动；1 2 0 1 8 0 k m h 采用盘形制动；1 8 0 k m h 以上先采用盘形制动后，待机车时速降到1 2 0 k m h 以下时再采用踏面制动；也有先采用电阻制动后，机车时速降至1 2 0 k m h 后再采用踏 面制动。 踏面制动材料有合金铸铁、高摩合成、半金属、粉末冶金；盘形制动为粉末冶金 铁基摩擦材料、碳一碳基摩擦材料、金属陶瓷摩擦材料。目前，国外机车踏面与盘形 制动摩擦材料多采用粉末冶金，欧洲国际铁路联盟u i c 要求盘形制动摩擦材料的粉末 冶金摩擦系数定在0 3 5 ，踏面制动摩擦材料的粉末冶金摩擦系数稳定在0 2 8 ：这种稳 定的摩擦系数材料在1 2 0 k m h 制动时，铸铁、高摩合成、半金属摩擦材料是达不到的。 现国内机车制动方式均采用踏面制动，机车时速在1 2 0 k m n 以下，普遍采用含磷 铸铁、高摩合成、半金属闸瓦，这三种闸瓦都存在摩擦系数不稳定、闸瓦磨损快、对 机车踏面损伤比较严重、闸瓦在制动过程车轮踏面局部温度过高、易产生疲劳断裂等 问题，特别是速度超过1 2 0 k m h 以上，制动距离达不到铁道部技术规定的标准。 粉末冶金闸瓦在国外已得到广泛的应用，在国内n 冈| j m f j 起步，很多东西还处于探 索阶段，相适应的技术条件也只能借助于实验情况来定。本课题填补了我国目前提速 后铁路机车踏面制动用粉末冶金闸瓦的空白。 第2 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 1 3 本课题预期达到的结果与水平 本课题是针对国内市场开发。将来在有条件情况下将逐步开拓国际市场。针对国 内机车的特点，从理论和应用两个方面进行深入细致的研究。通过大量的理论分析、 同类产品的材料对比、产品的结构优化、广泛的试验论证，争取在较短时问内，研制 成功比较理想的粉末冶金闸瓦。其性能满足目前提速机车的需要，填补了我国在这个 领域的空白。 1 4 完成课题的总体设想 围绕上述课题目标，要完成以下几方面的工作： 1 查阅国内外有关的科技文献、专利，为完成该课题奠定理论基础，同时寻找 解决问题的思路和方法。 2 走访机务段，充分了解机车上使用的铸铁闸瓦、高摩合成闸瓦在应用过程存 在哪些不足，听取司乘人员对闸瓦提出的改进意见；了解机车在制动过程的有关技术 参数。 3 收集国内外粉末冶金闸瓦样品，从中分析它的结构特点、几何尺寸、生产工 艺等，对它进行必要的理化分析、性能分析，从中吸取有价值的成份。 4 ，对材料配比采用正交分解，找出较合理的配方，进行材料的综合性能试验。 采用简单、纯机械性台架摩擦磨损试验，在机械磨损过程当中，也进行工艺试验，了 解初压密度的变化、烧结温度的变化、保温时间的长短对摩擦材料的机械性能及摩擦 磨损性能的影响。 5 从上述材料配比当中选择出最优秀的两种材料，按制定的工艺路线进行样品 制作，到权威机构按照粉末冶金摩擦材料的国家标准进行机械性能检测，对性能不合 格的，进行工艺调整，直到性能合格为止。 6 设计出相适应的初压模具、落料模具、压弯模具等。 7 对性能测试合格的材料，按着其材料配比生产出闸瓦样品，在1 ：1 动力试验 台上进行1 ：1 动力试验。在试验台上测试摩擦系数、制动距离、制动时间、踏面温 度、磨耗量等参数；对于试验过程中反应出来的问题加以整改，整改好后，再进行1 ： 1 动力试验，直到达标为止。 8 对于通过1 ：1 动力试验的产品，按着其材料配比及生产工艺，组织生产一台 机车使用的闸瓦，在环形铁道或直道上进行多次不同速度下的制动试验，测试制动过 程中的制动距离、制动时间、车轮踏面温度、闸瓦温度及闸瓦的磨损量。 9 对合格的闸瓦，进行装车试验，全面检验研制出的粉末冶金闸瓦的各项性能 指标，为获得生产许可提供系统的技术资料。 第3 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 2 摩擦材料摩擦性能与磨损过程基本分析 摩擦材料的摩擦性能和摩擦材料在应用过程的磨损状况是选择摩擦材料组元的 重要依据。 2 1 摩擦材料摩擦性能基本分析 用于摩擦部件的摩擦材料是在极复杂的条件下工作的。材料经受诸如压力、温度、 外部介质等变化因素的作用而发生磨损过程。由于这些因素作用的结果，摩擦面的材 料发生一系列物理的、机械的和物理化学的变化，这些变化表现为弹性和塑性变形、 相变、自扩散和互扩散、材料晶体结构缺陷的积聚、晶体复杂的表面膜的形成、表面 层的分散、材料成份选择性的转移等，上述每一过程或多或少反映在摩擦偶工作时的 总行为，并决定摩擦偶的摩擦性能。摩擦材料的摩擦性能可以用减摩性指标，摩擦系 数和磨损强烈程度来表征。 2 1 1 减摩性指标 减摩性指标是摩擦偶承受负荷能力的反映。减摩性指标愈大，说明摩擦偶愈只能 在较轻负荷条件下工作。 a t 用下列公式。”表示： 1盯h 石2 i o + r ( 2 一i ) 爿减摩 j 、 式中：盯相互作用的摩擦表面间所产生的分子键力的剪切强度 仃。较软基体的屈服极限； h 单位粗糙度沉陷于对偶体表面的深度； 尺单位粗糙度的圆角半径。 2 1 2 摩擦系数 影响摩擦系数大小的因素： ( 1 ) 首先，可以认为摩擦系数是粘着和摩擦表面凸起啮合大小及性质的函数。因 为在空气中金属表面通常覆盖有一层氧化膜，在运动开始时粘着力开始表现出来，当 这种薄膜发生局部破坏时便出现金属接触区域。进一步运动时发生粘结区域联结的破 裂，这与摩擦系数的提高有关。当发生粘着和粘结区域破坏而总接触表面达到一定的 平衡时，摩擦系数应当稳定下来。当摩擦是粘着机理时，剪切所析出的表面能，即二 第4 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 倍粘结面积乘以表面能，就是能转变为热的最小能量。这种能量很小，一般金属为 1 0 0 0 2 0 0 0 尔格厘米2 ，但是，如果粘着行为以较大的频率发生，则此过程可以产 生高的摩擦系数。 ( 2 ) 决定摩擦系数大小的另一因素是摩擦表面上凸起的啮合。在啮合程度小时， 由于弹性变形( 不经破坏) 的结果可能产生凸起的分离。当摩擦表面粗糙度相当大或 在摩擦材料表面存在固相夹杂( 这些固相夹杂在较软的结构组成磨损过程中开始凸出 于表面) 时，进一步滑动只有在凸起局部破坏的条件下才有可能。此过程发生的同时， 摩擦系数增大。摩擦表面的工作是这种机理时，摩擦系数随滑动速度增加而减小可以 用高滑动速度下凸起啮合程度的减小( 啮合不到完全深度) 来解释。在从这两种影响 摩擦系数大小的机理中选择高速摩擦系数机理时，应该选择材料结构中硬质夹杂的啮 合机理。 在这种情况下用添加剂颗粒的强度、颗粒大小以及在结构中的分布很容易调整摩 擦系数的大小。增大金属表面的粘着力来提高摩擦系数是一个不能控制的过程，因为 转为重负荷会引起粘结区域的产生、不可控制的剥落和材料毁坏性的破坏。必须补充 指出，摩擦系数是粘着机理还是机械啮合机理在很大程度上取决于如温度、压力、滑 动速度、润滑剂诸因素。 ( 3 ) 摩擦温度对摩擦材料的摩擦系数的影响是另一个重要因素，因为摩擦温度是 影响摩擦偶工作的参数。 由于摩擦的不连续性，与各个接触点毗连的材料显微体积是摩擦时的热源。这些 接触点的位置也包括各热源的位置随滑动速度和压力而不断变化，这样，在摩擦偶的 每一元件中建立起广阔的热源场。摩擦偶的摩擦系数不仅取决于总的温度。而且取决 于温度梯度。根据实际物体是弹一粘性这一概念，可以认为摩擦力。3 为： a v 盯2 盯q + 玎瓦 式中：盯比摩擦力； c r 0 极限剪切应力； 玎粘性系数： 竺沿垂直于接触表面法线的流动速度梯度。 出 因而，摩擦系数“1 为 r ：- ：! l + _ 旦一塑 。 & 蕲& 簖际良 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第5 页 三堡堡主兰垡堡壅 塑查堡垒旦亘堕旦茎遨 式中： 气际实曦压力，公斤厘米2 一 因为c r o ，气际，叩和薏取决于温度，可以认为摩擦系数与温度的关系有如下形 划”札 m 矿一一警“旷r 4 ) 式中c ，a 1 ，棚。n 和r 系数。 而静摩擦系数或在规定的滑动速度时的摩擦系数。o 为： 厂= 急坻后k 据 7 嚷触 “。v 旯 ( 2 5 ) 式中： & 触接触点的实际压力： k 决定于接触几何形状的常数： g 滞后滞后损失系数。 2 1 3 磨损强烈程度 磨损强烈程度用下列公式0 7 求出： = 半摆等 e ， 7 厝捆5 了、i 露 ( 2 - 6 j 式中： p 名女名义压力； n 单位点蚀破坏前所经历的循环次数。 丽n 又由下列公式”1 求出： 搿= 勾触( 2 7 ) 式中：k 决定接触点极限应力p 大小的系数。 摩擦时材料的磨损和破坏决定于表面温度和引起材料中产生应力的温度梯度的 共同作用。通常，脆性材料只能经受短对的热负荷。两塑性材料能经受较长时的热负 荷。热冲量作用时，在交变温度梯度影响下产生热应力，这种热应力也取决于所施加 热冲量的速度。抗热冲量能力取决于材料的性能、传热条件、摩擦制度、摩擦元件的 形状和尺寸等等。 为了评价材料的抗磨损能力，考虑到热性能和机械性能，提出了表征单位体积材 料性能的规范数。1 ： 掣( c 肛尸t ( 2 - 8 ) 第6 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 以及用来评价表面薄层性能的规范数。 掣厮( 2 - 9 ) 矿叫“7 式中：仃。抗拉强度； 剧泊松系数； u 材料的热胀系数； c 接触热容量； ，接触密度； 五导热系数。 摩擦偶材料表面层的过应力在热变化作用下会促使形成裂纹，裂纹逐渐扩展能引 起材料毁坏性的破坏。 2 2 摩擦材料磨损过程基本分析 摩擦材料在工作时的磨损或破坏是产生应力、变形和进行一系列物理过程的结 果。 金属摩擦时产生的磨损，大体上可分为：磨料磨损( a b r a s i v ew e a r ) 、粘着磨损 ( a d h e s i v ew e a r ) 、腐蚀磨损( c o r r o s i v ew e a r ) 及疲劳磨损( f a t i g a ew e a r ) 。 2 2 1 磨料磨损 在轴承摩擦表面的磨损中，磨料磨损最普遍。磨料磨损是因硬的异物颗粒进入切 削轴与轴承的摩擦表面所致。当一硬的圆锥与一平滑的软金属表面相摩擦和施加在圆 锥体上的负荷为眇1 时则 p = j p 聊。j “= p m x ，r r 2( 2 一l o ) 式中：尸m 软金属的压入硬度。 若圆锥体的滑行距离为讲和因划沟产生的磨损量为办。”时，则 咖= ， 讲= r 2 t a n o a l = p t a n 甜刃；, r p m( 2 - 1 1 ) 这就是说，金属的磨料磨损与负荷p 和硬颗粒的锐角角度成正比，与金属的硬度 成反比。 2 2 2 粘着磨损 使二金属表面相接触，并对它们施加负荷p 时( 见图2 2 1 ) ，设它们的粘着部 位，也就是真实接触部分为a b ，则当一金属对另一金属滑动时，若剪断发生在a b 之间，实际上未发生磨损。可是一般粘着部都因加工硬化或合金化比母材强度高，所 以，剪断不是发生在 b 面，而是在软金属侧的c d 面上，从而就产生了磨损。 第7 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 图2 2 1 粘着部模犁示意图 2 2 3 腐蚀磨损 它主要是由化学腐蚀、电化学腐蚀、氧化等所致。 2 2 4 接触疲劳磨损 它是因材料疲劳引起的磨损。磨坑磨损( p i t t i n gw e a r ) 也属于此类。 2 3 闸瓦磨耗简要分析 机车车轮踏面用的闸瓦是在非常复杂的环境下工作的，它受闸瓦承受的压力、机 车行驶的速度、空气的温度、湿度及大气介质等众多主客观因素影响。在这些诸多因 素的影响下，闸瓦在紧急制动过程中将发生一系列物理、化学及力学性能的变化，如 摩擦面的氧化表面膜的形成与脱落、表面元素扩散再分布和选择性的迁移以及闸瓦将 发生的弹性变形、塑性变形、金相组织的相变等等。这些因素都会造成闸瓦磨损加大。 闸瓦破裂、断裂是影响机车制动的主要原因。紧急制动的初始速度的不同，摩擦过程 中的摩擦温度也不同，磨损产物也有所不同。当摩擦温度在3 5 0 4 3 09 c 时，磨损 产物主要是f e3 0 4 、f e 2 0 3 。闻瓦在运用过程中观察到的现象表明，主要有氧化物磨 耗、磨料磨耗，也有疲劳磨耗。闸瓦在制动过程中磨损主要表现为疲劳磨损、磨料磨 损和粘着磨损，具体是哪种磨损在制动过程中都是变化的。 根据闸瓦的磨损机理分析，为我们产品的设计选材找到了技术理论依据。 综上所述，闸瓦在制动过程中，所有的动能都因摩擦做功变成热量，摩擦表面的 温度在制动较短时间内上升将达到1 0 0 0 左右。采用导热好的摩擦材料，会使摩擦 面的高温迅速降低，有利于保护车轮踏面及摩擦材料本身，同时有利于摩擦材料本身 的机械性能的稳定，克服氧化物生成数量。稳定材料摩擦系数和降低磨耗量，传导过 来的热能要尽快散失掉也是一个关键。考虑到散热问题，在不影响制动有效面积情况 下，尽可能增加散热空间。我们在结构设计方面充分考虑了这一点，采用三块拼接在 一起的方案，有利于散热。 第8 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 3 摩擦材料选择与材料的设计 3 1 技术调研 在研制过程中，查阅了国内外大量科技文献、专利，走访了一些机务段，了解到 国内外机车常用闸瓦的类型、性能、运用现状、优缺点和国内生产厂家等情况。调查 情况如下： 国内机车踏面使用闸瓦材料大体分两类：一类是铸铁，一类是高摩合成。这两类 闸瓦利弊虽各不相同，但其允许制动车速都在1 2 0 k m h 以下。所以，研制适应提速要 求的粉末冶金闸瓦势在必行。充分利用粉末冶金的特点，研制出机车车速在1 2 0 1 6 0 k m h ，轴重在2 3 3 t 的踏面制动要求的新型闸瓦，是我们主攻的方向。对于我 们研究材料而言，必须清楚对偶材料的性能及结构、使用的外界条件。机车现采用两 种形式的车轮一一两体轮和整体轮，摩擦对偶材料为l c - 6 5 一a 、l g 6 1 2 轮箍钢。在紧急 制动过程中，要求车轮踏面温度不能过高( 4 0 0 c ) ，这就要求闸瓦在制动过程中， 应具有较好的导热性和自身热容量大等特点。在制动过程中，绝大部能量转换成热能 通过闸瓦传导及时散失掉，尽可能少使能量转换在车轮上，不得在车轮踏面出现热斑 现象。根据我们调研所获的大量资料，分析粉末冶金摩擦材料所具有的较高机械性能、 较强耐腐蚀性、自身润滑性、导热性和摩擦组元构成一体的优点，充分证明了粉末冶 金摩擦材料可以解决原有铸铁、高摩合成闸瓦的不足。 我厂生产的机车制动方式为单侧单元制动，该单元制动的技术指标是：风缸压强 为4 5 0 k p a ，制动倍率为4 4 7 ，效率为9 0 ，制动时的总压力为4 3 k n ，其结构形式见 图3 1 1 。 图3 1 1 单元制动装罱 第9 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 通过调研了解到既达到制动要求，又要对车轮踏面进行保护。对于这一要求的 对摩擦副来说，我们采取了取长补短的方法，大胆突破常规，确定将闸瓦材料机体采 用近似于铁铜基粉末冶金为主体材料，通过优化配比、压制、烧结等工艺保证措施， 全力开发机车踏面使用的高摩擦系数的粉末冶金闸瓦，进而与机车车轮踏面构成最佳 的摩擦副，解决目前闸瓦使用寿命低、摩擦系数不稳定、对踏面磨耗大、存在粘结及 热斑等关键技术。 3 2 材料摩擦特性分析 为了使研制工作有一个对比参照物，我们对已收集到的粉末冶金闸瓦进行必要的 材料摩擦特性分析，既可从中学习到有用的东西，同时又可明确材料主攻的方向。该 闸瓦综合测试报告如下： 3 2 1 材料组成及含量分析结果 通过对该粉末冶金闸瓦样品取样，进行能谱分析，其化学成份及相对含量见表 3 ，2 1 1 。 表3 2 1 1 闸瓦化学成份含量 l 组成f es n a lc up bs im n l i 6 3 62 2 8 3 6 23 8 45 80 _ 2 7微量 i 3 2 2 材料动摩擦系数测试 实验条件：砝码重为1 2 1 k g ，比重为2 5 4 k g c m 2 。摩擦系数f 见表3 2 2 1 。 表3 2 2 1 不同速度下的摩擦系数 i 速度 3 m s5 n y s l i f0 3 6 50 3 9 8 l 3 2 3 材料性能测试 闸瓦的密度与稚氏硬度见表3 2 3 i 。 表3 2 3 1 闸瓦的密度与布氏硬度 通过上述材料成份的分析及性能测试，表明该闸瓦材料为铁基粉末冶金摩擦材 料，基体材料为铁基，润滑材料为石墨、锡、铅，摩擦组元为三氧化二铝，强化基体 材料为铜。高含量锡虽有利于热压成型，但在压制过程中锡、铅被填充到基体内部的 第1 0 页 工程硕士学位论文 粉末冶金闸瓦的研究与设计 空隙或被挤到表面上来，使得材料成份偏析较大，很难控制材料的摩擦性能，从而影 晌制动距离。采用热压成型，有利于材料密度的提高，但材料表面硬度也偏高；该闸 瓦材料生产工艺相对简单，但生产效率低，成本偏高；在紧急制动过程中轮踏面损伤 也是比较大的。 通过分析，我们认为我们想要开发的粉末冶金闸瓦产品，要想在综合性能上达到 一个全新的水平，只能采用完全不同的配方和工艺方法。我们先从闸瓦材料配方开始 做起。 3 3 材料作用理论分析 为了更好地完成配方的选择，有必要对各主要元素的作用进行必要的分析。 3 3 1 铁的作用 铁是基体，铁的熔点高，它的强度、硬度、塑性、耐磨性及耐热性都可用不同的 元素的合金来调节；同时，价格便宜，资源丰富：因此选用铁作为摩擦材料的基体为 适宜的。 铁作为摩擦材料基体的主要缺点，是它与对偶件( 铸铁或钢) 的亲和性，这有利 于咬合过程的强烈发展。当以减低铁的塑性和增高其强度、屈服极限和硬度的合金元 素与之合金化时，可以很大程度上消除这个缺点，同时，还可以降低其在基体当中的 含量m 3 。 3 3 2 铜的作用 在铁基摩擦材料当中，铜是最常加入的合会元素之一。加入铜，不但增加导热性， 而且影响它的组织结构、力学性能及摩擦性能。 在很多铁基摩擦材料中都添加了1 0 1 5 铜，它可以改善烧结过程。在烧结温度 下，铁基体当中可溶解铜达7 8 ，铜影响合金的组织结构。在无铜的铁石墨( 石墨 加入量1 7 5 ) 材料中，于1 1 2 0 。c 下烧结后，组织结构主要出珠光体与少量铁索体组 成。添加铜时，随铜含量增高组织结构中的铁素体量将增多。 当铜增加到一定比例时，与基体铁一同起骨架作用，材料的摩擦系数相对增大。 添加大量的铜，由于铜部分溶于铁基体当中，而大量的铜与铁均匀分布着，在烧结过 程有大量的铁素体生成，从而削弱了铁与对偶件( 铸铁和钢) 的亲和性，减少摩擦过 程中氧化铁的生成，从而保证摩擦系数相对稳定”“。 3 3 。3 锡的作用 在烧结过程中，锡溶解与铜形成固溶体，能起到强化基体的作用。在铁基摩擦材 料当中，碳溶于铁形成珠光体，而有锡的存在，能进步促进珠光体的生成。在摩擦 第1 1 页 工程硕士学位论文 粉末冶金闸瓦的研究与设计 过程中铜锡合会属于低熔产物，当达到该溶点时，形成液体而填充表面，同时也传导 产生的摩擦热。 3 3 4 铅、二硫化钼的作用 在摩擦材料中加入一定数量的铅、二硫化铝也是作为润滑添加剂。铅是一种塑性 金属，多年来广泛应用于各种摩擦材料当中。增加混合粉中铅的含量，可大大改进混 合粉的压制性。铅与基体材料很少化合，以单体形式存在。增加铅的含量时。材料的 机械性能减低和耐磨性增高。摩擦材料中含铅量低时，此时制动产生鸣叫，一般加入 量不低7 。 在铁基摩擦材料中的二硫化钼含量不应当高于4 。因为二硫化铝情况相反，在 增加耐磨性的同时却显著降低摩擦系数。对于抗粘结和抗磨损作用有良好的效果，与 材料硫化处理大体相当。 单独加入固体润滑剂( 石墨、二硫化钼、铅) 将降低材料的冲击韧性，但如果将 二硫化钼与其它组份结合使用，冲击韧性得到提高。因此，添加二硫化钼能提高材料 的耐磨性，同时调整了摩擦系数，起到了润滑作用。 3 3 5 石墨的作用 石墨在铁基烧结摩擦材料中，对材料的影响不仅取决于它在材料中的含量，而且 决定于它在合金中存在的状态。在铁基材料的烧结过程中，加入混合粉中的石墨部分 溶解于铁中，从而形成珠光体、铁素体与渗碳体，强化了基体。提高材料中的石墨含 量，降低了对偶件的磨损，耐磨性随材料中石墨含量的增加而降低，是因为过量的游 离石墨削弱了基体材料的机械性能。为了达到综合性能最佳，石墨含量应为7 1 5 ， 这是由于不同的石墨含量会形成不同的组织结构，而不同的组织结构在摩擦时性能表 现不同，看来，烧结材料的珠光体与起润滑作用的游离石墨( 磷片状) 相结合的组织 最好。 总之，烧结材料基体中存在一定数量的游离石墨、m o s ：对提高材料的耐磨性有重 要意义。有关资料介绍，石墨与m o s 。的配合使用，除了因为石墨与m o s 。的特殊层状 结构，沿着六方结构的垂直c 轴方向易滑动可起润滑作用之外，还因为石墨与m o s ： 的混合物对金属表面存在着异乎寻常的附着力，在相互摩擦的金属表面上形成润滑 膜，尤其是在对偶件表面上边形成结合较为牢固的厚度为1um 左右的薄膜，从而有 效的起到减磨、耐磨作用，这种膜是有一定寿命的，一旦被破坏后，立即又能形成新 的润滑膜予以补救，从而有效的减少摩擦系数，提高了耐磨性，降低了相对磨损率， 同时防止了烧伤、咬合现象发生。 第1 2 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 3 3 6 磷铁的作用 加入0 8 i 0 磷对铁基材料的摩擦性能有良好的影响。它以磷铁粉形式加入混 合粉中。在烧结过程中，由于扩散，铁索体基体合金化，沿晶体生成厚为0 9 5 1 3 3 um 的磷化物晶体网，它的硬度为1 5 3 2 0 0 k g f m m 2 ，抗弯强度为4 6k g f m m 2 ，抗剪强 度为7 2k g f m m 2 。磷如果以( n h 。) ：h p o 。形式加入，磷使铁素体合金化而不形成共晶 网。共晶网组织能提高耐磨性和稳定摩擦系数。由于添加磷铁，起到了活化烧结的作 用，烧结温度下降，有利于降低能耗及烧结体材料费用。 3 3 7 三氧化二铝、二氧化硅的作用 固体润滑剂减少材料的磨损，有助于摩擦副稳定地工作，但减小了摩擦系数。为 将摩擦系数值增高到所需的水平，在材料中加入摩擦组元a 1 。0 、s i o ：。这些摩擦添加 剂除了增高摩擦系数的水平外，还可除去由烧结摩擦材料层迁移到对偶件表面的金属 ( 俗称粘结) ，并且使对偶件的划伤与磨损最小。摩擦剂的主要任务，是对对偶件无 磨料磨损，与对偶件工作表面具有最佳啮合水平及对偶件可保持最佳性能。因此，选 择摩擦组元时，必须首先注意，比较其硬度与基体的硬度、颗粒形状与大小。a 1 。0 。、 s i o ：在以往摩擦材料当中得到了充分利用，所以我们同时选用两种摩擦组元，发挥各 自的优点。 3 4 材料配方的设计 摩擦材料配方的选择，必须首先明确基体材料是什么，然后选择相匹配的润滑材 料、摩擦组元材料及基体强化添加剂材料。 在选择这种或那种金属或合金作为摩擦材料基体时，应当考虑技术上的必要性 ( 能赋予材料的足够的强度、硬度和必要的塑性、必要的耐热性) ，同时要考虑制造 工艺的可能性及经济上的合理性。 3 。4 。1 铁基摩擦材料 铁基摩擦材料是以铁为基体，由于铁熔点高，它的强度、硬度、塑性、耐热强度 和抗氧化性可通过加入各种元素使其合金化而加以调整。所以铁成功地用作烧结摩擦 材料的基体。铁粉及铁粉为基体的混合料易于压制成型和烧结，而成本又不太高，所 以使用铁基摩擦材料作为基体在经济上是合算的。 用铁作摩擦材料基体的严重缺点，在于它与对偶( 铸铁或钢) 具有亲合性，因而 会加剧粘结过程的发展，相对对偶件磨损较大( 也称为粘着磨损) 。加入其它元素使 铁合金化，降低铁的塑性，提高其强度，在很大程度上可以克服这一缺点。其基体材 料( 重量) 为5 0 8 0 ，按体积约占3 6 ；添加润滑组元( 重量) 约为5 2 5 ，按 第1 3 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 体积约为3 0 ；摩擦组元( 重量) 达】0 2 0 左右，耐磨添加剂( 重量) 1 0 左右。 3 4 z 铜基摩擦材料 铜基摩擦材料是以铜为基体。铜具有高的导热率，保证了在摩擦过程中散热良好。 由于铜的良好的塑性，铜粉易于压制，烧结也不困难，烧结温度相对低一些，因此采 用铜作为摩擦材料基体，这种基体材料当中铜含量在很宽的范围内波动( 重量的5 0 9 0 ) ；铜不是单独构成基体的，而是与其它金属化合而成合金组成的基体。 烧结纯铜试样的试验结果表明，与钢对偶摩擦时摩擦系数很高( o 7 0 9 ) ，但 是只要几分钟钢对偶表面就覆盖上了铜层，而导致摩擦表面粘结。 由于铜合金的耐温相对于铁基为低，只适用于极轻负荷场合。 3 4 3 材料配方确定 通过上述铁基摩擦材料与铜基摩擦材料优缺点的分析，为我们制定材料配比提供 了依据。 结合以上两种摩擦材料的优点，采取有效方法克服其缺点，从而最终选择近似于 铁铜为基体的摩擦材料。按不同要求进行筛选，进行初步实验。从中选择六个配方进 行对比试验( 工艺试验中详述) 。在六个配方当中选择出适合我们要求的最佳配比， 即材料配比( 重量) 为： f e3 7 、c u3 0 、p b7 、s n3 、a 1 04 、s i 0 24 、f e p3 、m o s 22 、石墨 1 0 这个材料配比，近似于铁铜基摩擦材料，完全符合摩擦材料中基体材料占5 0 9 0 的标准。 采用这种复合材料研制的粉末冶金闸瓦，合金元素与铜、铁共同构成的基体骨架， 起到支承、导热和耐磨作用：固体润滑剂、摩擦组元均匀地分布在合金基体的周围。 润滑剂起到自润滑作用，在摩擦过程中形成保护本身与车轮踏面表面双层作用保护 膜，提高抗咬合能力：摩擦组元起到增大和稳定摩擦系数，发挥抗粘结作用。这些特 点构成了铁铜基粉末冶金闸瓦具有高强度、高耐磨性、摩擦系数相对稳定、导热性能 好、对车轮踏面磨耗小等优点。 第1 4 页 工程硕士学位论文粉末冶金闸瓦的研究与设计 4 闸瓦的结构设计及模具设计 4 1 闸瓦结构设计 粉末冶金闸瓦的结构设计主要基于两方面的考虑：结构合理性；使用安全性。 1 粉末冶金闸瓦的材料配方特点决定了其结构的特殊性。在结构方面，参照铁标 t b t 2 5 9 2 1 9 9 6 铁道机车用8 8 型高摩擦系数合成闸瓦中规定尺寸、精度进行设计 与试制，形成机车踏面用粉术冶金闸瓦的标准图纸。 在分析机车应用的基础上，综合考虑工作寿命、安装方便及粉末冶金制造工艺实 际情况，制定了机车踏面用高摩擦系数粉末冶金闸瓦的内控标准。内控标准中规定了 粉末冶金闸瓦是由骨架、钢背、过渡层材料、摩擦材料四部分组成。三块闸瓦块与骨 架构成闸瓦。这种结构特点是：有利于大规模生产。互换性好，结构紧凑，散热性良 好。该结构设计满足中一重负荷的应用要求。 2 在使用安全性方面，重点考虑钢背与摩擦材料结合强度问题。 一般常规的铁基摩擦材料与钢背加压烧结前，在钢背表面先镀上一定厚度的镍， 用于提高钢背与摩擦材料之间的结合强度，不但烧结温度相对较高，而且摩擦材料与 钢背之间结合力偏低。而我们研制的闸瓦摩擦材料与钢背表面之间没有镀镍，采用在 钢背与摩擦材料之间增加过渡层，起到承上启下的作用，既保证了与钢背结合强度要 求，又与摩擦材料烧结成一体，而且烧结温度较低，很好地解决了摩擦材料与钢背之 间结合力偏低问题，在实际应用中得到肯定。闸瓦的结构见图4 1 1 。 t 搭帮兰j 2 皇膏蒜誉弛 。一。一ll l - 一一善? 。j 褥j 三算爿电：叁：急 i i 1 ：f 塘层 l 一一。一一 一一 一1 、厚壕层 图4 。1 。l 内燃机车闸瓦示意图 第1 5 页 工程硕士学位论文 粉末冶金闸瓦的研究与设计 4 2 闸瓦模具设计 粉末冶金成形是粉末冶金的主要工序之一，而粉末冶金模具设计是粉末成形的重 要环节，他关系到粉末冶金产品的质量、成本、安全、生产效率等诸多问题。特别是 由于粉术冶金具有少、无切削的工艺特点。所以模具对粉术冶金工艺和零件有极重要 的影响。 4 2 1 粉末冶金模具设计的基本原则 在压模的设计、制造和使用过程中，如果模具设计不合理常常会引起产品缺陷、 模具制造困难和安全事故。例如：坯件的开裂、分层、掉边、掉角，坯件精度、粗糙 度不合要求，密度分布不均匀，坯件脱模困难，模具难于加工，模具容易损坏和炸裂， 使用时操作繁杂，劳动强度大，模具费用过高等等。生产实践中所出现的这些问题， 提出了对粉末冶金模具设计的基本要求，从而形成了粉末冶金模具的设计原则6 1 。 a 充分发挥粉末冶金少、无切削的工艺特点，保证坯件达到几何形状、精度和表 面粗糙度、坯件密度及其分布等三项基本要求。 b 合理设计模具结构和选择模具材料，使模具零件具有足够高的强度、刚度和硬 度，具有高耐磨性和使用寿命：便于操作、调节，保证安全可靠，尽可能实现自动化 和机械操作。 c 注意模具结构的可加工性和模具制造成本问题，从模具设计要求和模具加工条 件出发，合理地提出模具加工的技术要求( 如：公差配合、精度、表面粗糙度和热处 理硬度等) ，既要保证坯件质量，又要便于制造，并逐步实现模具零部件的通用化。 采用通用模架和通用零件，以便提高设计效率，实现部分模具零件的批量生产；提高 模具寿命，降低模具费用，以降低产品的总成本。 4 2 2 粉末冶金模具设计的基本方法 当采用钢模压制法生产粉末冶金制品时。不论生产什么制品，首先要选择生产工 艺和设计这种制品的压模。在总结生产实践经验的基础上，提出下列粉末冶金模具设 计的基本方法。 a 设计前需要了解和掌握有关设计资料，作为模具设计的重要依据。这里包括： 制品图纸及技术要求( 制品性能、形状、尺寸、精度和表面粗糙度等) ；制品生产批 量，制品生产工艺流程及工艺参数( 粉末混合料成份、松装密度、流动性、压制性、 单位压制压力、压坯密度、压缩比、烧结收缩等) ；压机类型及主要技术参数( 公称 压力、脱模压力、压机行程、每分钟压制次数、工作台面积、压机自动化程度和安全 保险装置等) ；模具加工设备及能力；典型模具图册及模具使用过程中曾出现的问题 等等。 第1 6 页 工程硕士学位论文 粉末冶金闸瓦的研究与设计 b 根据制品图纸设计坯件，选择压机和压制方式设计模具结构草图，从生产工艺、 压制成形和经济成本方面分析制品图纸及技术要求，决定生产方法。根据制品图纸及 技术要求和粉末冶金生产工艺特点，设计坯件的几何形状、精度和密度，为了使制品 适于压制成形，或为了简化模具结构，常对制品形状进行修改，设计出适合于压制成 形的压坯；但在压制条件许可的前提下，应尽可能设计出与制品形状相同或相近的压 坯。 c 模具材料的选择及要求。由于压模在较高压力下工作，模具工作表面要经受严 重的粉末摩擦，因而对模具材料应提出严格的要求。模具材料的选择关系到坯件质量 ( 密度分布、精度、表面粗糙度) 和模具寿命以及生产安全、产品成本、生产效率等 问题。因此主要模具零件的材料应满足下列要求：高强度、高硬度和高耐磨性，高的 刚度和少的热膨胀系数，优良的热处理性能和一定的韧性，较好机加工性能，等等。 为了提高模具寿