（安全技术及工程专业论文）高速列车制动盘用SiCltpgtZL101A复合材料的摩擦磨损行为研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h e a p p l i c a t i o n o fb r a k ed i s cm a d eo fs i cp a r t i c l e r e i n f o r c e d a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e so nh i g l l s p e e dr a i l w a yv e h i c l e s ，f r i e t i o na n dw e a r r e s i s t a n c ep r o p e r t i e so fs i c c z l l 0 1 ac o m p o s i t e sa g a i n s tc o p p e rb a s ep o w d e r m e t a l l u r g ym a t e r i a la r et e s t e dw i t hm p x 2 0 0 0a n dm m l 0 0 0f r i c t i o ne q u i p m e n t t h ei n f l u e n c eo fc h a r a c t e r s ，s u c ha s l o a d ，v e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e ，o nf r i c t i o n a n dw e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa n dw e a rm e c h a n i s mi si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h i sp a p e r b y s i m u l a t i n g t h ec o n d i t i o no fr e a le m e r g e n c y b r a k i n g ，f r i c t i o na n d w e a rr e s i s t a n c e p r o p e r t i e sa n dw e a rm e c h a n i s mu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i 【曲 b r a k i n ge n e r g ya r ep a r t i c u l a r l yi n v e s t i g a t e d a l l t h ei n v e s t i g a t i o n sw i l l s u p p l y s c i e n t i f i ce v i d e n c e sf o rt h ea p p l i c a t i o no f s i c p z l l 0 1 ac o m p o s i t e so nb r a k i n g s y s t e mo f h i g hs p e e dr a i l w a y v e h i c l e s f r i c t i o na n dw e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e so fs i c ：p z l l 0 1 ac o m p o s i t e sa g a i n s t d i f f e r e n t c o p p e rb a s ep o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a l a r e i n v e s t i g a t e d u n d e rt h e c o n d i t i o n so fs m a l ll o a da n dl o wl o a dw i t ht h er i n g a g a i n s t - r i n gw e a rc o n t a c t p a r e m w h i c hi ss i m i l a rt ot h ec o n t a c tp a t t e r no fy e a lb r a k i n gs u r f a c e t h er e s u l t s s h o w t h a t f r i c t i o nc o e f f i c i e n t so f s i c p z l l 0 1 a c o m p o s i t e s a g a i n s t n o 2o f c o p p e r b a s e p o w d e rm e t a l l u r g y m a t e r i a li s h i 【g h e r a n dm o r es t a b l et h a nt h a to f s i c p z l l 0 1 ac o m p o s i t e sa g a i n s tn o 1 a l s o ，w e a r r a t eo f s i c c z l l 0 1 a c o m p o s i t e sa g a i n s tn o 2o fc o p p e rb a s ep o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a li sl o w e rt h a n t h a to f s i c d z l l 0 1 ac o m p o s i t e sa g a i n s tn o 1 u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，n o 2o f c o p p e rb a s ep o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a li se a s i e rt ot r a n s f e rt ow e a rp a i rt h a n n o 1 ，a n dak i n do fh o m o g e n e o u sa n dp r o t e c t i v el a y e rs h a p e do nt h ef r i c t i o n s u r f a c e ，w h i c hi st h er e a s o nw h y n o 2h a sb e t t e rf r i c t i o na n dw e a rr e s i s t a n c e p r o p e r t i e s b yu s i n gm e c h a n i c a ls i m u l a t i n gm e t h o dt os i m u l a t et h ec o n d i t i o no fr e a l e m e r g e n c yb r a k i n g ，f r i c t i o na n dw e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa n dw e a rm e c h a n i s m u n d e rt h i sc o n d i t i o na r ei n v e s t i g a t e df i r s t l yi nt h i sp a p e r w i t ht h eh e l po f o m ， s e m ，x r d ，m i c r o h a r d n e s st e s t e ra n dn a n o - h a r d n e s st e s t e l c o m p o s i t i o n s 、 m o r p h o l o g ya n dp r o p e r t i e so ff r i c t i o n s u r f a c e l a y e ra n ds u b s u r f a c el a y e ra r e a n a l y z e dd e t a i l e d l y o nt h eb a s eo ft h e s e r e s u l t s f o r m a t i o n 、s e r v i n g b e h a v i o ra n d a b s t r a c t f u n c t i o nm e c h a n i s mo ff r i c t i o ns u r f a c e l a y e rd u r i n g t h e e m e r g e n c yb r a k i n g p r o c e s s a r e i n v e s t i g a t e de m p h a s i z e d l y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e f r i c t i o n c o e f f i c i e n to ft h es e c o n dp a i ri sh i g h e rt h a n0 3a n dm o r es t a b l et h a nt h a to ft h e f i r s tp a i ra td i f f e r e n tb r a k i n gi n i t i a ls p e e d o w m gt o s i c p z l l 0 1 ac o m p o s i t e s o w ns t r u c t u r ec h a r a c t e r , as t a b l ef r i c t i o ns u r f a c e l a y e ri s f o r m e do nt h ew e a l s u r f a c e d u r i n g t h e e m e r g e n c yb r a k i n gp r o c e s s t h es u r f a c el a y e rw h i c hi s h o m o g e n o u s ，h i g h - m i c r o h a r d n e s s a n dc o v e ra l lt h es u r f a c eo f s i c p z l l 0 1 a c o m p o s i t e sc a nm a k e t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f p a i rh i g l la n ds t a b l e ，a n di t c a l l p r e v e n tb o t h o ft h e p a i rf r o m f u l t h e tw e a r t h ew e a l - m e c h a n i s mo f s i c j z l l 0 1 a c o m p o s i t e sd u r i n g t h e e m e r g e n c yb r a k i n gp r o c e s s i s c l o s e l y r e l a t e dt ot h e f o r m a t i o no ff r i c t i o ns u r f a c el a y e nb e f o r et h ef o r m a t i o no ff r i c t i o ns u r f a c el a y e r , t h ew e a rm e c h a n i s mi s p a r t i c l ew e a r , a c c o m p a n i e dw i t ho x i d a t i v ew e a ra n d a d h e s i v ew e a r , a f t e rt h ef o r m a t i o no ff r i c t i o ns u r f a c el a y e r , t h ew e a rm e c h a n i s m i st u r n e d t od e l a m i n a t i o nw e a ra f f e c t e d b y t h ec r a c ko fs u b s u r f a c e l a y e r , a c c o m p a n i e d w i t ho x i d a t i v ew e a l - a n da d h e s i v ew e a r k e y w o r d s ：a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e s ，c o p p e rb a s ep o w d e r m e t a l l u r g y , h i g h s p e e dr a i l w a yv e h i c l e , e m e r g e n c yb r a k e ，f r i c t i o ns u r f a c el a y e r 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 摩擦导致大量机械能量损耗，磨损则是机槭零件失效的一个重要原因。 据统计，工业化国家能源的3 0 消耗于摩擦。对一个高度工业化的国家， 每年因摩擦磨损所造成的经济损失几乎占国民经济年产值的l 2 。在我 国，由于磨损在机车车辆、汽车、拖拉机以及电力、采矿、建筑等行业造 成的材料损耗的数量也是很大的。至于能源的消耗，仅据大庆油田的粗略 估计，油田每年总能耗的l 3 1 2 是因无功损耗而消耗掉的。因此，摩擦 与磨损的研究是一个有重大社会经济效益的课题。研究材料的摩擦磨损及 润滑特性，对节约能耗，延长机械使用寿命及提高工作可靠性都有重要意 义。 近年来，世界各国高速铁路迅猛发展，我国铁路事业也正向高速化方 向迈进。随着列车运行速度的不断提高，减轻客车车辆自重尤其是减轻簧 下重量已成为越来越突出的问题。日本高速客车的轴重为1 1 5 吨，而我国 目前研制的中华号高速客车车辆的轴重为1 4 5 吨。轴重增大，需要较大功 率的牵引电机才能使列车高速运行，丽牵引电机功率的增加，使其自身重 量增大，结果又增加了轴重，这是一种恶性循环。减轻客车自重，减少牵 引电机的功率和重量，才是高速客车合理的研发技术路线。目前我国高速 客车已开始了轻量化的研究和应用，如研制了铝合金车体和不锈钢车体等， 但在减少簧下重量方面开展的工作还不多。主要原因是由于减少簧下重量 涉及到要改变一些重要零件的设计与材料，而其前提必须满足使用性能和 保证高的安全可靠性，因而导致这项工作的技术难度很大。 目前，高速客车簧下制动装置采用的是锻钢制动盘，其重量约9 5 公斤， 客车每轴需要安装4 个制动盘，每列拖车4 根轴贝f j 需要安装1 6 个制动盘， 仅制动盘就使每辆客车的簧下重量增加了约1 5 吨的重量，约占列车簧下重 量的2 0 ，而高速列车理想的制动盘重量应为簧下重量的l o 左右。根据 高速客车的技规要求，高速列车采用动力制动+ 电控制动+ 空气制动的复合 制动方式，在失电的情况下，采用空气制动即盘形制动。也就是说，高速 列车通常采用的制动方式并非是盘形制动，盘形制动主要作为安全保障的 北京交通大学硕士学位论文 制动方式。为了保证制动的安全可靠性所采用的锻钢制动盘，使簧下重量 增加了1 5 吨，这部分重量增加只是为了制动的安全可靠性，平常并不发挥 乍用，但时刻在消耗着牵引功率。因此，在保证安全可靠性的前提下，减 少制动盘的重量成为高速客车设计师们极为关注的技术进步内容。目前锻 钢制动盘通过结构改进减少重量的潜力已经受到了限制，以轻质材料代替 钢铁材料制造制动盘以减少其重量成为受人关注的焦点。 s i c 颗粒增强铝基复合材料由于既具有其陶瓷颗粒组份的高耐磨性、高 硬度( 强度) 及低膨胀系数的特点，又具有其基体组份铝合金的良好热传 导性和低密度的特点，因而在制动盘方面的应用得到了世界各国的广泛关 注和研究，被认为是高速列车制动盘钢铁材料的理想替代材料。 1 2 摩擦、磨损的基本概念及磨损的分类 摩擦是相互接触的物体在外力的作用下，有相对运动豹趋势或作相对 运动时，在接触面上产生阻碍相对运动的作用力的现象。而磨损则是相互 接触的物体在相对运动中，由于机械作用而造成的表面材料不断损失的过 程，是伴随摩擦而产生的必然结果。 目前人们公认的最重要的四种基本磨损类型是：磨粒磨损、粘着磨损、 疲劳磨损和腐蚀磨损。 磨粒磨损是由外界硬颗粒或对磨表面上的硬凸起物或粗糙峰引起的摩 擦表面破坏，能分离出磨屑或形成划伤的过程。可分为二体磨粒磨损和三 体磨粒磨损。磨粒磨损的机理主要有微观切削( 犁沟作用) 、挤压剥落和疲 劳破坏。 粘着磨损是当摩擦副发生相对运动时，由于粘着效应所形成的粘着结 点被剪断，被剪断的材料从摩擦副一方转移到另一方，或形成松脱的磨屑。 粘着磨损按照摩擦表面损伤程度可划分为：轻微磨损、一般粘着磨损( 涂 抹) 、擦伤和胶合。其机理是粘着、剪切破坏、再粘着的交替进行。 疲劳磨损是由于摩擦副表面微凸体之间受循环接触应力的反复作用， 导致裂纹的产生和扩展，脱落出片状磨屑并形成凹坑。按应力分为热疲劳 和机械疲劳磨损；按裂纹发生源可分为表层萌生和表面萌生疲劳磨损；按 磨屑和疲劳坑形状可分为鳞剥和点蚀磨损。 腐蚀磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环 境介质中的某些成分发生化学或电化学反应而产生的表面损伤。可进一步 2 第一苹绪论 将其区分为氧化磨损与电化学腐蚀磨损两种基本类型。氧化磨损是当金属 摩擦副在氧化性介质中工作时，表面所生成的氧化膜被磨掉以后，又很快 形成新的氧化膜，所以氧化磨损是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行 的过程。 此外，s u h 提出了金属剥层磨损理论。剥层磨损理论是以位错理论以及 靠近表面金属的断裂和塑性变形为基础来解释片状磨屑的形成机理。其基 本论点是：当摩擦副相对滑动时，软表面的粗糙峰容易变形，同时在循环 载荷作用下软粗糙峰首先断裂，从而形成较光滑的表面。这样，接触状态 由峰对峰变成峰对面。硬表面粗糙峰在软表面上滑动时，软表面上各点经 受循环载荷，在表层产生剪切塑性变形并不断积累，这就在金属表层内出 现了周期的位错。由于映像力的作用，距离表面深度约为几十微米的亚表 层位错消失。这样靠近表面的位错密度小于内部的位错密度，即最大剪切 变形发生在亚表层。在摩擦过程中，剪切变形不断积累，使亚表层出现位 错塞积，进而导致形成裂纹或空穴，空穴汇合引起平行于表面的裂纹。当 裂纹在亚表层形成后，根据应力场分析，平行表面的正应力阻止裂纹向深 度方向扩展，所以裂纹在亚表层沿平行于表面的方向延伸。当裂纹扩展到 某一临界长度时，在裂纹与表面之间的材料将以片状磨屑的形式剥落下来。 1 3 颗粒增强铝基复合材料千摩擦磨损研究进展 近年来许多研究人员对颗粒增强铝基复合材料的磨损过程、本质、影 响因素进行了深入的研究，得到了许多有益的结论。但是由于不同的研究者 所用的研究方法和条件不同，得出的结论不能进行简单的对比。 目前研究主要集中在磨损试验和低制动压力的试验条件，真正以实际 应用工况条件为背景的试验研究很少，对高速列车高制动能量工况条件下 的研究更是没有。大多数试验选用铝基复合材料与钢铁配副，也有选用铝 基复合材料和半金属汽车刹车材料匹配的。 1 3 1 颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损性能的影响因素 影响颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损性能的因素很多，主要包括： 载荷、滑动速度、环境和温度、增强相( 种类、体积分数和尺寸) 、热处理 工艺、接触面光洁度、配偶件性能等。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 1 1 载荷 c a o l 2 1 等人研究s i c 晶须增强铝基复合材料时发现基体金属和复合材料 都存在一临界载荷，当低于临界载荷时，复合材料的耐磨性与基体相当， 当高于临界载荷时，复合材料的耐磨性显著提高，明显优于基体金属材料。 复合材料的临界载荷高于基体金属材料，且随着体积分数增加而升高。 进一步，a l p a s 和z h a n g t m 研究了2 0 v o i s i c p a 3 5 6 复合材料的干滑动 磨损，指出了复合材料的磨损分为三个阶段，第一阶段为低载区( 9 8 n ) ，基体金属进入严重磨损阶段， 而复合材料在载荷大于2 3 0 n 时才发生严重磨损。这是由于s i c 颗粒的存在 可有效地提高材料的抗咬合能力和热稳定性，从而大大延长了第二阶段。 a l p a s 和z h a n g 4 】在2 0 v 0 1 a 1 2 0 3 6 0 6 1 复合材料的摩擦磨损实验中也观察到 如前所述的三个阶段，区别是由于a 1 2 0 3 颗粒的较高的破碎韧性和良好的界 面结合强度，提高了复合材料从第一阶段向第二阶段转变的临界载荷。在 s e m o u s t a f a 副的研究中也得到类似的三磨损阶段。 更进一步，g u i l 6 l 等人研究了不同载荷条件下( 5 4 0 0 n ) ，a 1 c u m n 合 金及1 3 v 0 1 s i c r a 1 c u m n 复合材料的千滑动磨损，提出了四个不同的磨损 阶段，如图卜l 所示。第一阶段，复合材料载荷范围( 2 0 0n ) ，基体合金 载荷范围( 3 5 0n ) 。两种材料的磨损率 在转变载荷( 3 5 0 n ) 下增加了一个数量级，表明前三个阶段都属于轻微磨 损阶段，而最后一个阶段属于严重磨损阶段。在整个载荷范围内，复合材 料耐磨性相比基体合金改善并不明显。大体上，复合材料磨损率比基体合 金降低了1 0 5 0 ，而只有在低于1 0 n 的低载下，磨损率降低了1 0 0 以 上。两种材料磨损率随载荷变化的趋势是基本一致的。这是由于基体合金 4 篁二兰堕堡 中存在较高硬度的a 1 2 c u 和m n a l 6 第二相颗粒，它们也能被认为是一种增 强体，因此，基体合金表现出优良的耐磨性能。 0l l 辨2 5 0 瑚3 5 0 柏4 5 0 h d 神 图l l 不同载荷条件下基体合金和复合材料的磨损率1 6 1 3 1 2 滑动速度 滑动速度对材料摩擦磨损性能有直接影响。r a v i k i r a n 和s u r a p p a 研究 了3 0 w t s i c l , a 3 5 6 复合材料在0 5 1 0 m s 滑动速度下的千摩擦磨损性能， 发现复合材料的磨损率随着滑动速度的升高而降低。这是因为在低速下接 触表面严重破坏导致了较高的磨损率，随着滑动速度升高s i c 颗粒暴露在 摩擦表面的面积分数增大，进而复合材料磨损率降低；在高速下由于摩擦 表面一薄层基体材料熔化导致s i c 颗粒突出表面，承担了几乎全部载荷。 另外，高速下由于高温发生铁的氧化，并且在摩擦副两表面都生成了一层 保护膜，也是复合材料磨损率下降的原因之一。 k w o k 和l i m i 副研究了四种不同的a 1 s i q 复合材料在l 2 9 m s 滑动速 度下的的干摩擦磨损性能，将复合材料的磨损划分为三个阶段，如图卜2 所示。第一阶段( 8 m s ) ，复合材料表 面出现大面积的熔化磨损，这归因于复合材料基体温度达到了铝合金的熔 点。而且摩擦系数从0 2 几乎立即增加到o 5 左右，又逐渐降到o 3 。这表 明随着连续的滑动，由于磨损和表面破坏。接触表面变的越来越粗糙，引 起摩擦系数升高，随后的摩擦系数降低是由于高速度引起大量摩擦热，导 致磨损表面发生熔化。可见，滑动速度对复合材料磨损率的影响与一定的 磨损机制相关，而这些磨损机制的出现是一定的滑动速度和复合材料的特 性( 增强体大小) 共同作用的结果。同时，分析滑动速度对复合材料磨损 的影响，还必须结合载荷等其他磨损条件，因为它们也会影响具体的磨损 机制，与滑动速度的作用并不是相互独立的。 1 3 。1 3 环境瓤温度 $ p e e o 蝴 lo “i f m -f l ， - p 棚bi l b i i + r - 椿_ x f ：l ，幻嫡蝌i 圈l _ 2 复合材料在不同速度下的磨损率嗍 铝基复合材料的干滑动磨损性能同摩擦表面生成的稳定的表面膜密切 相关，而表面膜的形成又在很大程度上依赖于大气条件。s a r a v 弛锄等【9 】研 究了1 5 v 0 1 s i c p a 3 5 6 复合材料在氨气和氧气下的干滑动磨损性能，发现 复合材料在氧气下的磨损率比在氩气下高一个数量级。与氧气条件下相比 氩气下形成的表面膜更稳定，从而导致更低的磨损率。 温度对材料的摩擦磨损性能有重要影响，由于颗粒增强铝基复合材料 6 第一章绪论 的可望应用领域具有高温环境，例如发动机活塞、高速列车制动盘等，因 此复合材料的高温磨损性能也倍受关注。研究表明：复合材料从轻微磨损 向严重磨损的转变存在一个临界温度。w i l s o n 和a l p a s i o 】研究发现 2 0 v 0 1 s i c r a 3 5 6 转变的犒界最高温度为4 5 0 ，而基体合金则为2 3 0 ； 2 0 v 0 1 a 1 2 0 3 # 6 0 6 1 转变的临界最高温度为3 5 0 _ 1 2 ，而基体合金则为1 9 0 。 这是因为增强相提高了材料的抗软化和抗咬合能力。s i n g h 和a l p a s i n 对 2 0 v 0 1 a h o 。p 6 0 6 1 复合材料及基体合金的高温磨损性能进行了研究，得出 了相似的结论。 相反，m u r a t o g l u 和a k s o y 【1 2 研究了2 1 2 4 铝合金和2 5 v 0 1 s i c 一2 1 2 4 复 合材料的高温磨损性能，发现两种材料的临界转变温度并没有明显不同， 均为1 0 0 。但在2 5 2 0 0 范围内复合材料的耐磨性高于基体铝合金2 4 倍。 1 3 1 4 增强相 增强相的种类、体积分数和尺寸大小都对铝基复合材料的摩擦磨损性 能有一定影响，不少学者进行了这方面的研究。 s a t o 和m e h r a b i a n 【1 3 悃s i c 、t i c 、s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 、m g o 、b n 等 颗粒增强的a i - - 4 c u 、a l 一4 c u 一0 7 5 m g 和6 0 6 1 铝基复合材料与钢对磨， 发现s i c 、t i c 、s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 增强的复合材料的磨损率相差不大， 且均比基体金属材料显著降低，而较软的m g o 、b n 的加入反而使复合材 料的耐磨性比基体金属更差，表明增强相硬度低的复合材料耐磨性差。 张建云等【1 4 l 研究了不同陶瓷粒子增强铝基复合材料的磨损性能，得出 的结论是：s i c 粒子增强复合材料的耐磨性能比a 1 2 0 3 粒子增强复合材料的 耐磨性能好。他们认为s i c 粒子的硬度高于a 1 2 0 3 粒子，而对于同种粒子， 粒子较细小的复合材料耐磨性能比粒子较粗大的好，因为粒子较细小，单 位面积粒子数多，单位面积上承受磨损的粒子面积大，故耐磨性能较好。 v e n k a t a r a m a n 和s t m d a r a r a j a n l i 习采用销盘式试验装置研究了 a i s i c p ( 0 4 0 v 0 1 ) 复合材料和钢对偶的干滑动磨损，载荷为5 2 n ，1 2 2 n ， 滑动速度为l m s ，研究认为随着s i c 颗粒含量增加，复合材料的耐磨性能 提高。z h a n g 等【1 6 j 研究s i c 、a 1 2 0 3 ( 0 2 0 v 0 1 ) 颗粒增强6 0 6 1 铝基复合材料 的摩擦磨损性能，刮擦速度为6 m m s ，载荷为1 0 n 。研究得出：增强相颗 粒体积分数越大，复合材料的硬度和摩擦系数越高，磨损率越低。同时， 北京交通大学硕士学位论文 增强相颗粒尺寸大的复合材料磨损率低。 相反地，s m m i n o 和r a c k t ”】研究了2 0 0 9 a i - - 2 0 v 0 1 s i c d 复合材料的干 滑动磨损性能，载荷为t 4 2 n ，滑动速度0 3 6m s ，他们发现复合材料磨损 率随着增强相颗粒尺寸( 4 2 9 岬) 增大而增加。他们认为随着颗粒尺寸增 加。复合材料的磨损机制发生转变，颗粒尺寸为4 1 3 l _ t m 时磨损机理为粘 着和微观切削，而颗粒尺寸为1 3 2 9 1 a m 时，磨损机理为增强相颗粒破碎导 致的剥层磨损。 1 3 1 5 热处理工艺 研究表明：热处理对复合材料耐磨性的影响主要分两方面，一方面可 以提高复合材料的界面结合强度和塑性韧性，从而提高材料的耐磨性；另 方面时效析出物引起裂纹和孔洞的形成，降低材料的耐磨性。 p a n 1 8 等人对s i c k 2 1 2 4 a 1 复合材料分别采用欠时效、峰时效和过时效 三种热处理工艺，发现经蜂对效处理后的复合材料硬度最高，过时效处理 后的材料硬度稍低，但过时效处理后的材料耐磨性最好。这是由于在欠时 效和峰时效工艺条件下，复合材料的断裂是沿着基体与s i c 颗粒界面进行 的，而在过时效条件下，断裂是沿着基体的晶粒边乔进行的，这就减少了 s i c 颗粒的脱落，提高了复合材料的耐磨性。s o n g 1 9 等人研究了s i c p 2 0 1 4 a 1 和s i c a , 6 0 6 1 a 1 两种复合材料在欠时效、峰时效和过时效三种热处理工艺下 的磨损率，得出了类似的结论。 1 3 2 颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损机理 s i c 颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损的机理相当复杂，主要表现为磨 粒磨损、粘着磨损、氧化磨损和剥层磨损。随着实验条件的改变其机理也 发生相应变化，既可以是某一形式的磨损，也可以是凡种形式的密损同对 存在，既可以是某一形式的磨损为主，其它形式的磨损为辅助，也可以是 几种磨损的复合作用。 v e n k a t a r a m a n 和s u n d a r a r a j 姐州研究了a i s i c d ( 0 4 0 v 0 1 ) 复合材料 和钢对偶的干滑动磨损。复合材料表面形成了不同的四种层，如图卜3 所 示，从上至下依次是机械混合层( m m l ) 、软剪切变形层、硬剪切变形层 和塑性变形层。而无增强铝的表面并未形成m m l 层。m m l 层的硬度大约 是复合材料基体硬度的6 倍，它的厚度随着s i q 体积分数的增加丽减少， 第一苹绪论 随着施加载荷的增加而增加。软剪切变形层是由于高剪切应变导致在s i c 。 和基体界面产生了空穴而引起的。这些空穴阻止载荷从基体向颗粒转移并 降低了复合材料的强度。在此区域，流变应力随着塑性剪切应交的增加而 减小。硬剪切变形层则和基体塑性变形密切相关。m m l 层的形成是由于复 合材料在摩擦过程中，随着基体塑性变形和剪切变形的增加，在磨损表面 的s i c ，颗粒破碎并且在s i q 和基体界面的空穴形核数量增多。当空穴密度 达到某一临界值时，在局部亚表层区域发生剪切不稳定，从而导致严重的 塑性流动。同时钢对偶的磨屑以铁或铁的氧化物的形式和基体表面元素密 切混合，最终形成m m l 层。m 层形成后，磨损机理即为剥层磨损。 图卜3 复合材料表面层l l s a r a v a n a n 等人1 9 1 研究了a 3 5 6 1 5 v 0 1 s i c 。复合材料在氢气和氧气下 的干滑动磨损行为。他们认为m m l 层的形成与大气条件密切相关。氩气 下形成的m m l 层比氧气下形成的m m l 层更稳定，因而磨损率更小。氩气 下的磨损机理是剥层磨损。氧气下的m m l 层的稳定性依赖于实验参数， 如载荷和滑动速度。在低载和低速条件下，m m l 层高度不稳定，材料转移 机理是严重的二体和三体磨粒磨损，在高载和高速的条件下，材料转移机 理变为剥层磨损。 f c n g 和t a n d o n 2 0 1 研究了a 3 5 6 - - 2 0 v 0 1 s i c 。复合材料和钢对磨的干滑 动表面层行为。对表面混合层( s m l ) 进行了初步探讨，指出s m l 层由细 碎的s i c 颗粒和变形基体大量混合而成。磨屑主要来自s m l 层，它的特性 对磨损率和磨损机理有重要影响。s m l 层决定了稳定磨损阶段的磨损机理 9 北京交通大学硕士学位论文 和磨损率，而对严重磨损无能为力。s m l 层随载荷和周期增加而产生、改 变和消失。 t j o n g 等人【2 l j 研究了a i 一1 2 s i s i ( 2 - - 8 v 0 1 ) 复合材料和钢对磨的千 滑动磨损行为，提出在磨损表面形成了变硬层和变形层。在滑动磨损过程 中，亚表层区域产生了大的剪切应交，应变大小通常随着滑动距离和载荷 增加而增大。而且越靠近表面，剪切应变越大。剪切应变往往引起位错沿 亚表层区域的滑移丽滑移。因此，亚表层区的共晶相破碎并重新分布在靠 近表层的区域，破碎的共晶相的建立导致了变硬表面层的形成，变硬层包 含铁和破碎共晶相的细微混合物。铁来自钢对偶的转移，由于大的塑性流 动，铁屑和复合材料机械混合于滑动表面。周期性滑动导致了裂纹萌生和 变硬层的剥层磨损。另一方面，复合材料中的s i c 颗粒充当位错运动中的 障碍物，位错往往堆积在s i c 颗粒周围。由于s i c 颗粒的易脆性，堆积的 位错最终引起s i c 颗粒破碎。破碎的s i c 颗粒降低了变形区的剪切应变， 从而抵制了亚表层区的塑性变形。于是，破碎的s i c 颗粒重新分布到变硬 层表面。 1 4 颗粒增强铝基复合材料在高速列车制动盘上应用现状 铝基复合材料作为新一代制动盘材料较铸铁具有明显的优势，因此世 界各国对高速列车簧下制动盘进行了大量的研究工作，其重点主要放在制 动盘材料的选取上，法、德、日、英等国在这一领域走在了世界的前沿。 上述国家不仅对传统的摩擦制动材料铸铁( 钢) 和锻钢进行了一系列 的材料改进和优化工作，而且致力于开发传统制动盘材料之外的新型材料， 如颗粒增强铝基复合材料，以减少列车簧下重量，降低牵引功率的损耗州。 美国f 0 r d 公司、日本t o y a t a 公司均己将s i c 颗粒增强铝基复合材料应 用到轿车制动盘上，并进行了大量的检测试验。德国i c e 。l 线路上的高速 列车也采用铝基复合材料制动盘进行了模拟制动试验，效果良好。从1 9 9 7 年1 月起，一列全部安装s i c 颗粒增强铝基复合材料制动盘的高速列车， 到年底已安全运行了6 0 0 ，0 0 0 k i n 。按磨耗结果测算，制动盘的使用寿命预 计可以超过1 5 年；日本三菱铝业( 株) 所制备的铝基复合材料制动盘也在 1 0 0 n 系新干线电动车组上进行了装车运行试验”】。表卜1 是现在世界各 国所使用的和正在研究的主要制动盘材料。 1 0 第一章绪论 表t - 1 各国正在使用及研究开发的制动盘材质 材料 强度比重研究 特点用途 分类材料名称 m p a 曾矗 重家 摩擦特性世界 片状石墨铸铁 2 5 07 2客车、动车 稳定、价廉各国 n i c “0 摩攘特性 2 5 072 新干线动车日 低合金铸铁稳定、台金化 铸蠕虫状石高强度石墼 旧线 5 0 072英、日 铁铁墨铸铁形状改变动车、客车 系 系 奥氏体等温淬高强度 4 0 07 ，2 正在研究日 金火处理铸铁热处理 属 铸铁铸钢摩擦材料+ 2 0 0 + 5 0 07 ，2 + 7 8新干线动车日 材 包层材料强度材科复合 料 铸钢高强度耐热裂 8 0 07 8l c e 等 目、德 钢 系锻钢 高强度靳干线 日、法、 8 0 07 8 耐热裂v 、i c e德 非 复 金碳，碳纤维重量轻正在研制并日、法、 1 5 0l - 5 l8 台 属复合材料耐热裂在t g v 试用德、美 材 系 金日、法、 料铝合金基重量轻正在研究 3 0 02 9 德、英、属 复台材料耐磨开发中 系 1 5 研究背景及意义 本课题研究的重要背景是颗粒增强铝基复合材料在商速列车制动盘上 的应用。随着能源的日益紧缺和车辆速度的不断提高，车辆的减重已成为 必然的趋势。与传统钢铁材料相比s i c 颗粒增强铝基复合材料不但具有高 的比强度、比剐度，良好的耐磨性和热稳定性等特点，而且有利于减轻列 车簧下重量，降低牵引功率耗损。仅制动盘寿命提高和节约能源两项每年 就可带来数亿元的直接经济效益，再加之列车运行效率提高，运行安全性 提高的间接效益，因此应用铝基复合材料制动盘的经济效益是十分显著的。 铝基复合材料摩擦学性能的有关研究尚处于起始阶段，且绝大部分的 研究都处于实验探索阶段，这些有限的研究大都是常规条件下的摩擦学性 北京交通大学硕士学位论文 能研究，并基于各自实验条件，难以进行比较。而关于铝基复合材料在特 殊制动工况下摩擦磨损性能和摩擦磨损机理的系统研究甚少，因此这方面 的研究更具现实意义。 本研究以颗粒增强铝基复合材料在铁路工业中的应用为背景，研究颗 粒增强铝基复合材料在不同实验条件下的摩擦磨损性能。通常，高速列车 摩擦制动闸片粉末冶金材料有铁基和铜基两类。与铁基基体相比，铜基基 体经多元合金化后具有较高的强度、良好的导热性和抗高温氧化性，且与 制动盘的粘着倾向小，具有更好的综合性能。所以，高速列车制动闸片烧 结体应采用多元合金化的铜基体，同时加入摩擦相和润滑相共同组成【6 3 1 。 铝基复合材料与铜基粉末冶金材料摩擦副是从成本、制造技术水平、可靠 性等多方砥综合考虑，适合我国具体实际和发展趋势的高速列车( 2 5 0 3 0 0 k m h ) 的主要机械制动部件，其磨损性能对高速列车运行安全具有重要 影响，但目前尚没有研究报道。因此，本文选用铜基粉末冶金刹车材料作 为铝基复合材料的对偶材料，研究高速列车紧急制动工况条件下铝基复合 材料制动盘的摩擦磨损性能和磨损枫理，具有重要的理论意义和实用价值。 1 6 研究内容 本论文将s i c 颗粒增强铝基复合材料与不同配方的铜基粉末冶金刹车 材料配副进行摩擦磨损试验和模拟制动试验，研究分析其摩擦学性能和机 理，为该材料用于制动盘的制动台试验及装车运行提供理论和技术基础。 论文主要内容如下： ( 1 ) m p x 2 0 0 0 型销盘式磨损试验机上研究不同载荷和速度下颗粒增强 铝基复合材料的摩擦学性能，取得系统的实验数据，为进一步开展深入研 究提供前期研究基础。 ( 2 ) 用机械模拟实验方法模拟l ：1 翩动动力试验台制动条件在m m l o 型摩擦磨损试验机上进行高速列车紧急制动模拟试验，研究铝基复合材料 的制动摩擦磨损性能及磨损机理。 ( 3 ) 使用铁谱显微镜、光学显微镜、扫描电子显微镜、x 射线衍射仪、 显微硬度计、纳米硬度仅等分析测试手段对摩擦表面和亚表面成分、形貌、 性能特征进行分析，研究铝基复合材料的摩擦磨损机理。重点研究铝基复 合材料表面生成的摩擦表面膜在制动过程中的产生、服役和作用机理。 1 2 第二章材料制各及摩擦学性能分析手段 第二章材料制备及摩擦学性熊分析手段 2 1s i c 颗粒增强铝基复合材料的制备方法 颗粒增强铝基复合材料( p a m c s ) 的制备方法很多，按颗粒的加入方 式可分为强制加入和原位自生两种方法。强制加入复合材料发展了许多制 备技术，根据工艺的温度可分为两类：固态法和液态法，如图2 一l 所示。 下面介绍目前较为成功的几种制备方法并对其特点进行评述。 r 原位自生 【强制加入 r 粉末冶金法 l 机械合金化法 l 热轧法 广搅拌铸造法 厂铸造法 半固态合金铸逢法 il 中间合金法 喷射法 茎瓣薹 厂离心铸造法 l 熔体浸潘工艺 e l m t ck 0 k m gk a 1k s ik s k f ek c uk m ol s nl t o t a l 表5 - 1 平均成份 s p e c t e l e m e n ta t o m i o t y p e e d6 1 31 4 8 7 e d1 4 1 82 5 8 2 e d0 1 4 0 1 7 e d 2 6 1 42 8 2 2 e d l n8 l1 1 2 l e d1 1 l1 0 0 e d6 3 6 3 3 2 e d 3 1 5 41 4 4 6 e d0 9 2 * 0 2 8 * e d2 6 6 0 6 5 l 帆0 01 0 0 0 0 十= ( 2s i g m a 北京交通大学硕士学位论文 c k 皇1 6 9 9 a 1 1 0 网丽碉阿呵吲 区羽e 理 s k a 7 1 1 s n l 一9 5 惭孤心网“：碉 匝顷，、碉 碉j 习 图5 7 磨损表面元素线分布 由图s 一5 中可以看到白色和灰色的区域，沿图5 5 中直线作线扫描， 如图5 7 所示。可知，图中沿直线白色区域c u 、f e 、s n 的含量高，说明此 区域涂抹覆盖了一层铜基粉末冶金材料的转移物质。灰色区域的a l 含量高， 基本为基体铝合金，表明此区域没有形成完整的覆盖物或外来覆盖物较少。 沿直线0 元素均匀分布，表明在高温下表层材料发生了部分氧化。 图5 8 为3 0 0 k m h 铝基复合材料蘑损表面主要成分面分布( 5 0x ) 。分 析图中磨损表面各元素分布，发现白色区域c u 、s n 、f e 含量高。尤其是 c u ，灰色区域含a l 量高，而o 、s i 元素基本均匀分布，其他元素则分布均 匀。表明在铝基复合材料表面覆盖了层含c u 、s n 、f e 等铜基粉末冶金材 料元素摩擦表面膜。 第五章铝基复合材料在高速列车紧急制动工况下的摩擦磨损机理探讨 图5 - 83 0 0 k m h 铝基复舍材料磨损表面主要成分面分布( 5 0 x ) 图5 - 9 为3 0 0 k m h 铝基复合材料磨损表面横截面形貌。由图5 - 9 ( a ) 可 以看到明显的分层现象，最上面是一层厚度均匀的摩擦表面层，中间是塑 性变形层，再下面是铝基体。在图5 - 9 c o ) 的高放大倍数下，摩擦表面膜