（安全技术及工程专业论文）铁道车辆用铜基粉末冶金制动闸片的研制及应用.pdf

a b s i r a c t a b s t r a c t b f a k ep a da i l db f a k ed i s ko f h 曲s p e e d 妇纽i st h ei m p o n a b tb a s i sb r a k i n g w a vt oe n s u r et h et r a i nr i l ns a f e t ly ，t h ea l u m i n u mm e t a lm a 缸xc o m p o s i t eb r a k e d i s ki san e ws t y l eb r a k ed i s kb e i n gr e s e a r c h e dj no u rc o u n t ry b u tt h eb r a k ep a d c o u p l ew i t hi ti sn o td e v e i o p e di c h i n aa tp r e s e n t i no u rs t i | d v ，s e v e r a ik i n d so f c o p p e 卜b a s e dp o w d e rm e t a i l u t g y 仃i c t j o nm a t e “a lw e r ep r o p o s e db a s e d o n d i f f e r e n tm a t e r i a lc o m p o n e n tm i x t u r cr a t i oa n dt h e s ep a d sw e r em a d eu pj n c o n v e m i o n a l 肿c e s sa n dm o i d e ds i n t e rp r o c e s s t h e i rm e c h n i c a lp r o p e n va n d f r i c t i o nw e a rp m p e n yw a st e s t e d t h em e c h i c a lp m p e r t vo fb m k ep a dm a t e r i a li nm o l d e ds i n t e rp m c e s si s b e t t e rt h a i it h a ti nc o n v e n t i o n a lp r o c e s s o fw h i c h ，i t sd e 厚弓eo fh a r d n e s sa n d s t r e n 垂ha g a i n s ts h e a ri n c r e a s e dt w of o l d ，s t r e n 班ha g a i n s tp r e s sa n ds t r e n 垂h a g a j n s tb e n di n c f e a s e do n ef b l d f r i c t j 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 fb r a k ep a dm a t e r i a la g a i n s t a l u m i n u mm e t a im a t r i xc o m d o s j t em a t e r i a la f et e s t e dw i t hm p x 2 0 0 0f r i c t i o n a n dw e a re x 口c r i m e n t a lm a c h i n e t h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h es a m es i t u a t i o n ， f o m u l aa dh 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 ep r o p e n i c sa g a i n s ta l u m i n i u m m e t a l m a t r j xc o m p o s j t et h a na t h i sm a n i f e s ti t s e l fm a i l l l ym a tt h ef i c t i o n e f f i c i e n to fc dj sm o ns t a b l et h a nt h a to fc j ，w h i l et h ew e a r i n gc a p a c i t vo f c di sl o w e rt h a nt h a to fc j n i sj sm a i n l vc a u s e db yt h ed i f f c r c n c eo fw e i g h t p e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no fc ua n df r i c t i o nc o m p o n e t t h ee m e r g e n c yb r a l 【i n gb e h a v i o ro fh i 吐s p e e dt r a i w a ss i 枷l a t e dw i t h m m l o o o行i c t j o na n dw e a re x d e i i m e n t a lm a c h i n e n r e ef o 册u l a sf o r e x p e r i m e n tw a sd e s 塘n e db ya 由u s t i n gt h e 丘i c t i o na n dl u b r j c a t i o nc o n s t i t u t e s ， w l l i c hp e r c e n t a 2 ec o m p o s i t 主o nr a t i oo ff r i d i o nc o m p o n e n ta n dl u b r i c a t e c o m p o n e n ti s1 2 ：1 4 ，4 ：1 9 ，7 5 ：1 6 t h er e s u l t sp r o v et h a t 衔c t i o nc o e f f i c i e n t i n c r e a s e dw i t t lt h er a t i o f r i c t i o c o e h i c i e n to ft h r e ef o 咖u l a sd e c r e a s e dw i t ht h e s p e e di n c r e a s i n 2u n d e rs i m i l a rl o a d t h eb m k ec u r v ea r ea l ls m o o t hi i n i t i a l s t a g eo fb m k ea n df l u c t u a t ei n 矗n a ls t a g e ，a l l t h ec u r v e sh a s9 0 0 dc o n s i s t e n c y 1 ：1b e n c ht e s to fb r a k ed a dw a sc a r r i e do u t t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s b e t w e e n0 3a n do 4t h ev a 以a t j o n1 a wo ff h c t i o nc o e 艏d e n ti s ：i nd j f f e r e n t v e l o c i t y ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n to fb r a k ep a dj ss t a b l ei ni n i t i a ls t a 只eo fb r a k ea n d a s c e n d sa 1 1 df l u c t u a t e dl a r g e l yi i lf i n a ls t a g eu n d e rd i 骶r c n ts p e e d ；t h es t a b i l i t y o fb r a k e di nh i g hs p e e di sb e t t e rt h a nt h a ti nl o ws p e e d ；t h et i m e ，d i s t a n c ea i l d t e m p e r a t l j r eo f b r a k ea s c e n dw i t ht h ei n i t i a lb r a k es p e e d ，a dt h et r e n di sg o i n g t os m o ( ) t h o u t 垒! ! ! 望璺 t h ed i f f e r e n c eb e t w c c nb e n c ht e s ta n dm m l ( m ) ot e s tw a sa n a l y z e d i n n o 衄a ls i t u a t i o nt t l e 衔c t i o nc o e m c i e mo fb e n c ht e s ti sl o w e rt h a nt h a to f m m l 0 0 0t e s ta n dt h ec h a n g e 仃c n di st h es 锄ei nb o t hs i t u a t i o n ，t h ev a r i a t i o n l a w sb e t w e e nt i m e ，d i s l a n c e 彻dt e m p e r a t u r eo fb r a k ew i t hb r a k es p e e da g r e e d i nb o t ht e s t k e y w o r d s ：h i g hs p e e dt m i n ，b m k ep a d ，c 叩p e r - b a s e dp o w d e rm e t a l l u r g y ， 筋c t j o nm a t 喇a l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高速铁路足当今世界铁路高新技术的一项重大成就，是当今世界安全 可靠的现代交通工具，它在许多因家得到迅猛发展，成为世界铁路的新潮 流。三十多年来，国外高速铁路在与航空和高速公路的竞争中，显示出很 多优越性，日益赢得人们的欢迎和赞赏【1j 。铁路科技发展“十五”计划和 2 0 1 5 年长期规划纲要中指出，加快发展高速铁路已成为许多困家带动 经济增长，保护生态环境，实现可持续发展的重要战略选择。 随蔫列车速度的彳i 断提高，对制动装置及制动材料也提出了更新观 念、引进先进技术的客观要求；另一方面，对列车制动技术的关键部件闸 瓦和制动盘的性能和设备技术提出了越来越严格的要求。我圉列车每列载 客1 6 0 0 2 0 0 0 人，需要的牵引力大，制动力矩也大，而列车的制动功率 和车速呈3 次方关系，即列车速度提高一倍，制动功率需要增加到8 倍， 在紧急制动情况下，高速列车要在短时间通过基础制动元件耗散制动所产 生的巨大的能量，就是一个突出的问题1 2 j a 虽然目前用于高速铁路列车的基础制动方式有很多种，如摩擦制动、 电阻制动、磁轨涡流制动等，但在紧急情况下，要使高速运动中的列车 在很短的时间停下来，摩擦制动仍然是一种重要而有效的制动方法i j j 。摩 擦制动又分为踏而制动和盘形制动两种，前者制动元件是闸瓦车轮，后 者则为制动圆盘闸片摩擦副，两类制动方式均要求摩擦力高，耐磨损性 能优良的制动摩擦材料。但由于闸瓦直接与车轮摩擦，在高速下，对车轮 有较大的磨损，大人增加了列车运行的危险系数。凼此研制高性能盘形制 动用摩擦材料是该技术领域中的一个重要课题。 1 2 摩擦材料概况 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成热能，从而使物体减 速或停止运动的一种多元复合材料【啾”。它的主要特点足吸收动能，并转 北京交通大学硕十学位论文 换为热能由材料吸收或传导出去，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【6 l 。自车辆发明以来，就开始了摩擦材料的研究。近 2 0 年来，随着汽车和航空工业的蓬勃发展，摩擦材料发展尤为迅猛，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。 2 1 世纪科技发展的趋势是高速、坏保和节能。为适应这一新形势发展的 需要，必须对摩擦材料的综合性能提出更高的要求【6 ，”。 1 2 1 摩擦材料的技术要求 对摩擦材料的基本要求是：由其制造的摩擦零件在摩擦副中能将工作 时大量动能短时间内转换为热能，摩擦材料经多次制动而摩擦零件和对偶 材料没有大的损伤，不影响工作性能，也就是说摩擦材料要满足性能稳定、 使用寿命长和工作平稳等相关的综合要求。下面从技术角度，讨论对摩擦 材料的各项要求1 6 j 。 n 1 足够高的摩擦系数和摩擦稳定性。对于干式摩擦材料，摩擦系数 的大小应能保证按名义摩擦面积与名义压力计算出来的摩擦力大小。实践 表明，要想制造出有效而且紧凑的盘式、鼓式或带式刹车装置，摩擦副的 名义平均摩擦系数最好是o 3 加4 。无沦是在制动过程还是在摩擦副的使 用有效期内，摩擦系数的波动范嗣不应超过名义平均值的1 5 。摩擦系 数的稳定性，在湿气、油及其他物质落入的场合，也要保证摩擦系数的稳 定。在刹车循环末期，摩擦系数值不应小于平均值。摩擦副的平均动摩擦 系数值与静摩擦系数值之间的差别不能太大。 摩擦热稳定性高。摩擦热稳定性是指摩擦副中的摩擦零件和对偶 在整个工作温度范围内保持名义摩擦系数值和规定的磨损值的能力。一般 摩擦装置对材料摩擦热稳定性的要求见表1 3 。 表1 3 对材料摩擦热稳定性的要求 ( 3 ) 良好的抗粘结性能。摩擦材料要承受频繁的热冲击，在某些条件 下会发生摩擦副的粘结，影响摩擦系数的稳定性，导致摩擦表面剥落、擦 伤、胶合及其它灾难性破坏。所以摩擦材料必须具有抗粘结性能，才能保 第一章绪论 证机器或机构运转平稳而没有振动。 ( 4 ) 高耐磨性能。摩擦部件耐磨性水平是根据摩擦部件结构、工作条 件和机器的技术经济要求而定的。干摩擦时，摩擦副的耐磨性可以根据比 线性磨损来评价，也可以根据单位吸收功所消耗的体积或质量柬评定。 摩擦片的磨损除了取决于滑动时间，或者热负荷，还取决于使用的摩 擦材料及对偶的性质。当每一次摩擦产生的温度热冲击不超过许用极限 时，磨损是微小的。干式工况。通过结构措施，能取得较高的许用热负荷， 因而能提高耐磨性。 ( 5 ) 良好的磨合性能。摩擦副的表面从工艺性形貌转变为运转性形貌 的时间就是摩擦副的磨合期，这期间的特征就是实际接触面积增大，摩擦 力矩增大，与此同时，温度从最高温度降低到某一稳定的平衡温度，在摩 擦区形成稳定的摩擦系数和耐磨性的摩擦工作层。这就要求摩擦材料必须 具有良好的磨合性能。 ( 6 ) 良好的热物理性能。摩擦副摩擦时要受到巨大的热脉冲，在表面 层中产生较大的温度梯度和热应力，由此引起材料的热疲劳和热变性。所 以要求材料有良好的抗热疲劳性能、高的导热性、大的热容量和尽可能小 的膨胀系数。 ( 7 ) 足够高的力学强度。为保证摩擦零件在剪切力、刹车压应力及安 装和使用过程中可能产生的其它应力的作用下，不发生破碎，摩擦材料必 须具备足够的力学强度。在极限体积温度下，摩擦材料的抗剪切强度不得 小于2 5 m p a 。在使用过程中，摩擦材料不得产生开裂、分层，不得与钢 背或：枣板剥离，不得有深裂纹、剥落及损坏摩擦装置正常工作的其它破坏。 此外，要求摩擦材料不得严重的损伤对偶件。 ( 8 ) 其他性能。包括，摩擦材料应能在相应的气候条件下工作，啮合 与滑动平稳，无啸叫声，周期性过载后能迅速恢复稳定工作状态等性能。 总之，在所有场合，都必须满足三项基本要求，即摩擦面不得胶合，具备 规定的摩擦系数值和必要的耐磨性。 1 2 2 列车用摩擦材料 目前所用的摩擦制动闸瓦和闸片材料有：铸铁摩擦材料、碳碳复合 材料、有机合成材料、陶瓷材料、粉末冶金摩擦材料等哪，鲥。各种材料的 优缺点如下所述。 北京交通大学硕十学位论文 ( 1 ) 铸铁摩擦材料。铸铁材料在铁路车辆上使用的历史最长，应用也 最广，而且价格低廉，摩擦系数一般在0 2 5 0 3 5 ，不受气候影响，并且 导热性较好，对车轮损害少，可使车轮踏面粗化，从而获得较大的粘着力。 然而普通铸铁的摩擦系数较小，且随车速的提高丽迅速下降，进入高速运 行时特别明显，各国对此进行大量的研究，从提高铸铁的含磷量和加入少 量合金元素两方面改进其性能，提高铸铁中的含磷量，可以提高闸瓦的摩 擦系数和耐磨性，但高磷铸铁脆性大，使用中不可避免产生裂纹，需采用 钢瓦背来补强，且磨损较快，更换频繁。 ( 2 1 碳碳复合材料。由于碳纤维比重小( 其密度仪为1 5 9 c m 3 ，约为铁 的l 5 ) ，强度高( 抗拉以强度 1 0 0 0 m p a ) ，模量大( 2 1 7 o 1 0 m p a ) ， 热膨胀系数小，耐高温等。最初作为航天用复合材料而得到大力研究与开 发，现在在民用飞机和赛车上已经得到了广泛的应用。由于列车运行速度 的不断提高，碳碳复合材料的优异性能受到重视，各l 雪都加强对碳碳复 合材料闸片的研制、生产与推，。应用。碳碳复合材料是高速列车上推荐 使用的较好的材质体系，法国已经在t g v 高速列车上安装了牌号为 “s e p c a 曲s a 3 d ”的碳碳复合材料制动装置【3 j ，并且表现了优良的综合性 能。但是，在不改革系统结构的情况下，磨耗量大，在湿润环境下摩擦系 数小，还由于碳纤维价格昂贵、制造周期长( 约为3 个月) 、制备工艺复 杂，直接使用碳碳复合材料是不现实的。 f 3 1 有机合成材料。有机合成材料是将金属粉术、酚醛树脂和摩擦调 节剂等经充分混炼后加热压制而成。有机合成摩擦材料具有如下的特色： 可以通过改变材质配方和工艺在一定范围内呵调整其物理机械性能，耐蘑 性好，使用寿命可达铸铁闸瓦闸片的删倍以上，制动时无火花，重量轻， 高速区摩擦系数大且不随列车速度的改变而变化。合成摩擦材料也存在如 下的不足之处：一是导热性差，制动热量难以散发，因而车轮产生温升， 甚至导致热裂。其次是在湿润状态下，摩擦系数大为下降，受天气影响大， 在雨雪天气制动能力下降。此外，这类闸瓦与车轮踏面反复磨合后，两者 问的粘性降低，有机合成摩擦材料的使用温度一般不能超过2 5 0 。当制 动温度达2 5 0 时，其磨损率急剧增加。温度较高时，由于其组分的改变， 摩擦系数也改变。有机合成摩擦材料一般用于时速1 6 0 2 0 0 k m 的列车 上。 h ) 陶瓷材料：尚处在研究阶段，目前尚无应用实例i b l 。 f 5 1 粉末冶金摩擦材料：粉末冶金摩擦材料是以金属粉末为基体适当 d 第一章绪论 添加摩擦剂、润滑剂等组元，经过成型、烧结而制得。它具有摩擦系数高， 稳定性好和磨损小等优点【”。此外，高速列车在制动时，其制动元件的体 积温度将达5 0 0 以上，闪点温度甚至可达1 0 0 0 ，在这种情况下，粉末 冶金材料仍能保持良好的摩擦性能1 1 ”，另外，粉末冶金闸片传热性好， 对制动盘的热影响小，而且不受雨雪条件的限制，这些优点足合成闸片所 不能比拟的。采用粉末冶金技术可以任意改变材料的组分，可以避免传统 制造工艺中的疏松、缩孔、材料组织的枝晶偏析及晶粒长大等铸造缺陷， 有助于提高零件的各项力学性能【”。采用传统的材质，粉末冶金闸片的使 用速度上限为2 4 0 l ( i i 蛐，由于不断研究开发出新的材质体系，目前国外粉 术冶金闸片的使用极限速度己达3 5 0 k m h 或更高，且此时摩擦系数仍能 很稳定。 各种材料的优缺点如表1 2 所示( 以普通铸铁闸瓦做为基准) 。 表1 2 列车用摩擦材料特性的比较 从上表可以看出，合成材料和铜基粉末冶会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 金材料有较好的综合性能，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，也彳i 会危害人类的健康【1 2 l 。 1 2 3 粉末冶金摩擦材料的研究现状 高速列车发达的困家对闸片材料进行了大量的研究，目前技术最成 北京交通大学硕士学位论文 熟、应用最广泛的是粉末冶金闸片【1 3 1 。日本、德国和法国的高速列车均 采用粉末冶金闸片。用于闸片的烧结金属材料按基体材料可分为铁基烧结 金属闸片和铜基烧结金属闸片。铁基烧结金属闸片的摩擦系数与铸铁闸瓦 相似，但在低速时磨耗相当大，而铜基烧结金属阐片的摩擦系数，在低速 时高，高速时则低，磨耗量在高速时不增加。虽然铜基材料成本较高，但 其摩擦、磨耗性能及对制动盘的热影响都优于铁基材料的。日本、德国和 法国的高速列车现在一般均采用铜基烧结金属闸片。表1 - 3 表1 5 为铜 基粉末冶金闸片材料的3 种成分配比表纠。 表1 3 成分配比1 鱼竺坐竺：坚! ! ! ! q ! ! ! 曼垦! 垦些 8 25 43 52 日本新干线上采用的铜基金属闸片的材质以铜6 0 7 0 、锡5 1 5 为主体，加入适量的摩擦稳定剂烧结而成。这种材质的硬度为 4 5 1 0 h b ，密度为5 6 0 0 5 8 0 0 k m 3 。 近几年来，为进一步满足高速列车高速化的要求，制动闸片的形状不 断小型化、轻量化，需要吸收的制动能量越来越大，为了满足这些要求， 日本开发了一种新型的烧结摩擦材料，其化学成分如表1 6 所示。 表1 - 6 高速列车用新型烧结摩擦材料的化学成分 采用以往材质的闸片，其使用速度界限为2 4 0 k m h ，而新研制的材料 可达3 5 0 k m h ，并且摩擦系数非常稳定。 法国t g v a 高速列车也采用烧结金属制动闸片，其主要成分由铁 金属粉末和铜金属粉术组成，另外还含有碳化物等其他成分，用以调节石 墨、硅酸盐、钳、锡和镍的摩擦系数，经压铸、烧结( 熔模铸造) 和锻造 6 第一蕈绪论 而制成烧结闸片。法国专利介绍的电熔融综合材料闸片，其成分为：纯金 属元素( 青铜、铜、钼) 4 5 ，直径o 5 m m ，长5 锄微粒铁5 1 0 ，硅、硼、硅酸盐或铝硅酸盐5 1 0 ，石墨5 1 5 ，非金属 混合物5 ，将这些原料充分混合后，用4 0 0 0 m p a 左右的压力成型，再 在9 0 0 温度下烧结而成1 3 j 0 德国b e c 0 血公司研制的b m 4 0 型烧结制动闸片、h c n e x 公司研制的 6 6 4 h d 型烧结摩擦片经实验台验证完全能达到i c e 2 8 0 k m l l 速度下的制 动要求【3 1 。 德囤的k n o r r b f e m s e 公司将开发重点放在与铝基复合材料制动盘 匹配的“i s o b a r ”制动闸片的革新设计。 在我国，高速列车制动闸片材料的研究起步较晚，为准高速列车研制 的合成材料闸片已经不能满足时速2 0 0 k m 以上的使用要求，根据国际制 动闸片材料的发展趋势和我国对高性能制动闸片材料的迫切需求，最近几 年来，我国对粉末冶金闸片展开了一系列的探索和研究，并取得了一定的 成果。 中南大学粉末冶金国家重点实验室通过对制动闸瓦制造工艺以及材 料基体、摩擦剂和润滑剂选择的研究了一种适用于某国产高速电力机车用 的、制动性能优良的粉末冶金刹车材料制品，并投入实际使用。制动材料 的主要成份为c u 2 1 5 ，石墨( 5 0 # ) 2 1 0 ，石墨( 8 0 # ) o 8 ，s i 0 22 1 0 ，s i c 2 1 0 ，w 1 5 ，c r l 5 ，其他2 1 2 ，f e 余量1 1 4 | 。 兰州铁道学院断裂与复合材料研究室于1 9 9 5 年承担了国家攻关 9 5 4 1 1 0 1 0 8 专题中的高速列车制动闸片材质研究项 = 1 ，对高速列车用粉 末冶金制动闸片材料进行了研究，已取得了阶段性的成果：平均摩擦系数 在o 3 以上：稳定系数达到8 5 以上，磨损率为缸州面+ 次左右；耐热性 良好。材料的化学成分见表1 7 ( 以质量分数记) 【1 3 】。 表1 - 7 铁基摩擦材料的化学成分 石家庄铁道学院赵阳臣、樊云昌提出了铜基复合材料闸片的研究方 案。拟采用的烧结体成分见表1 - 8 【1 5 l 。 石家庄铁道学院赵田臣等用粉末冶金真空热压法制备金属陶瓷复合 材料闸片烧结体【1 6 1 。其组成为c u 、f e 、n i 、s n 、a l 等金属粉末经烧结形 成铜基金属基体相，石墨、二硫化钼、六方氮化硼构成减摩相，锄：o ，、 北京交通大学硕二仁学位论文 s i c 、s i 3 n 4 为增摩相。其组成中金属基体相占6 8 w t ，减摩相占1 2 研， 增摩相占2 0 讯。将各种粉末混合均匀后装入石墨模具中，真空热压烧 结，烧结温度8 9 0 ，压力1 5 m p a ，制备成圆柱烧结体尺寸f4 0 m m 2 5 m m 。 烧结体与钢背的连接采用熔焊方法。焊接工艺为：焊接电流1 0 0 1 2 0 a ， 电压2 0 v ，焊接速度6 m m s 。所研制的金属陶瓷制动闸片具有较高而平稳 的摩擦系数和优良的耐磨性，与法国t g v 制动闸片相当。 表1 8 高速列车制动闸片烧结体成分 戚墅堰机车车辆工艺研究所钱坤才、孙颥等经过一年多的研制，采用 正交设计方法进行配方的筛选，研制出符合高速列车制动性能的粉末冶金 闸片，其金相组织为铁素体+ 珠光体+ 少量的渗碳体，硬度为3 5 7 0 h r c ， 压制密度为4 o 锄3 。烧结密度为5 o 5 2 9 c m 3 。通过1 ：1 制动试验证 明，粉末冶金闸片与高强度锻钢制动盘配对，可以得到较好的摩擦性能， 并使摩擦面保持较光洁，有利于盘面和闸片的密贴，使闸片和制动盘充分 发挥作用，消除制动盘和闸片局部高温形成热斑的问题，使制动盘摩擦面 得到比较均匀的温度场分布，减小制动盘温度梯度，从而降低制动盘的热应 力【17 1 。 在我国已经有高速铁路刹车闸片的实用新型专利，解决了现有的无石 棉半金属树脂基刹车闸片寿命短、不易散热、只适用于时速低于1 6 0 k m h 的铁路车辆等不足和缺陷，提供了一种加工工艺简单，制造周期短，生产 效率高，散热快，热稳定性好，制动平稳，性能稳定，寿命长，可适用于 高速列车( 时速低于3 0 0 k m 1 1 ) 的金属基刹车闸片。 1 2 4 摩擦材料的主要研究方向 完善和探索新的摩擦材料需着重以下方面：提高决定制动装置使用寿 命的材料耐磨性；获得足够高而稳定的摩擦系数，以保证制动和传动装置 的可靠性和平稳性。摩擦材料耐磨性问题，可以采用更复杂合金化提高摩 擦材料金属基体的强度以及探讨新的摩擦、润滑组元来解决。为达到更高 的使用温度，摩擦材料j 下向更难熔的金属、更复杂的合金化方向发展。为 提高和稳定摩擦系数，在探讨新的摩擦剂和抗卡剂方面仍需要大量的研究 第一章绪论 工作 6 】o 如果说以前制造粉末冶金摩擦材料主要是凭实际经验的话，那么在以 后要将主要注意力放在研究摩擦副工作过程中的摩擦和磨损机理上，为设 计所需性能的摩擦材料奠定科学基础【1 8 。 1 3 摩擦材料摩擦磨损机理的研究 1 3 1 摩擦机理 摩擦是两个接触表面相互作用所引起的滑动阻力和能量损耗，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 9 】。 f 1 1 机械啮合理论 早期的理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦l _ 】能量损耗于粗糙 峰的相互啮合、碰撞及弹性变形，特别是粗糙峰嵌入软表面后在滑动中形 成的犁沟效应。 在一般条件下，减少表面粗糙度可以降低摩擦系数。但是超精加工表 面的摩擦系数反而剧增。另外，当表面吸附一层极性分子后，其厚度不及 抛光粗糙度的卜分之一，却能巨大的减小摩擦力。 ( 2 ) 分子作用理论 人们用接触表面上分子间的作用力来解释滑动摩擦。由于分子的流动 性和分子力作用可使固体粘附在一起而产生滑动阻力，这称为粘着效应。 t o m l i n s o n ( 1 9 2 9 年) 最先用表面分子作用解释摩擦现象。他提出分子 问电荷力在滑动过程中所产生的能量损耗是摩擦的起因。并推导出下列的 摩擦系数的公式： r ：型r 1 1 ) p l 其中，口是考虑分子排列与滑动方向不平行的系数； q 为转换分子平均损耗功； p 为每个分子的平均斥力； f 为分子间的距离。 应当指出，t 0 m l i n s o n 明确指出了分子作用对摩擦力的影响，但他提 出的公式并不能解释摩擦现象。摩擦表面分了吸力的大小随分子间距离减 9 北京交通大学硕士学位论文 小而剧增，通常分子吸力与距离7 次方成反比。因而接触表面分子作用力 产生的滑动阻力随实际接触面积的增加而增大，而与法向载荷的大小无 关。 ( 3 1 粘着摩擦理论 简单粘着理论可归纳为以下的基本要点。 1 ) 摩擦表面处于塑性接触状态 由于实际接触面积只占表观接触面积的很小部分，在载荷作用下接触 峰点处的应力达到受压的屈服极限而产生塑性变形。此后，接触点的应力 不再改变，只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的载荷。 2 ) 滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程 由于接触点的金属处于塑性流动状态，在摩擦中接触点还可能产生瞬 时高温，因而使两金属产生粘着。粘着结点具有很强的秸着力。随后在摩 擦力的作用下，粘着结点被剪切而产生滑动。 3 1 摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生的阻力的总和 犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑动中推挤软金属，使 之塑性流动并犁出一条沟槽。犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨 粒磨损和擦伤磨损中，它是摩擦力的主要分量。 图1 1 粘着效应和犁沟效应的摩擦力模型。 l 移动方向 犁 句面 、 ， 翦讲丽 图1 1 粘着效应和犁沟效应的摩擦力模型 摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷的作用下嵌入软表面中，并假设 粗糙峰的形状为半圆柱体。这样接触面积由两部分组成：一为圆柱面，它 是粘着效应发生的面积，滑动时发生剪切。另一面为端面，这是犁沟效应 作用的面积，滑动时硬峰推挤软材料。 1 0 第一章绪论 1 3 2 滑动摩擦的影响因素 研究摩擦系数的变化及影响因素，以便控制摩擦过程和降低摩擦损 耗，是一项具有普遍意义的课题。摩擦系数是摩擦副系统的综合特性，受 到滑动过程中各种因素的影响。 ( 1 ) 表面膜的影响 表面膜是摩擦时摩擦材料发热氧化金属表面形成的薄膜，也称第三 体。金属表面上的原予通常处于不平衡的状态，易于周围介质形成表面膜。 摩擦中的表面变形和温升促进表面膜的形成。为防止摩擦副表面过度磨伤 和稳定摩擦系数，粉末冶金摩擦材料中总加有一定量的固体润滑剂，这些 固体润滑剂在摩擦过程中便形成表面膜。在高温摩擦的过程中，粉末冶金 摩擦材料中的摩擦剂也参与表面膜的形成。表面膜的存在可防止或减少粘 着胶合现象的产生，从而降低了材料的磨损，并促进摩擦系数和摩擦力矩 的稳定。干摩擦副的摩擦过程就是表面膜生成和剥落的过程。 ( 2 ) 材料性能的影响 从材料的组织结构考虑，多相金属比单相会属的抗粘着磨损能力高。 通过材料的组成，摩擦过程中摩擦表面生成硫化物、磷化物等薄膜将减少 粘着效应，同时表面膜也限制了破坏深度，从而提高了抗粘着磨损的能力。 ( 3 ) 载荷情况的影响 载荷通过接触面积的大小和变形状态影响摩擦力。在弹性接触情况下 负荷小时由于真实接触面积与负荷无关，摩擦系数随负荷增高达到一极大 值。负荷足够大时，真实接触面积变化很小，因此摩擦系数趋于稳定。在 弹塑性接触的情况下，材料的摩擦系数随负荷的增大而达到一极大值，然 后随负荷的增大而逐渐减小。 ( 4 ) 滑动速度的影响 当滑动速度不引起表面层性质发生变化时，摩擦系数几乎与滑动速度 无关。然而，一般情况下，滑动速度将引起表面层发热、变形、化学变化 和磨损等，从而显著的影响摩擦系数。摩擦材料在应用的负荷和正常的滑 动速度范围内滑动情况下，摩擦系数均随负荷和滑动速度的增高而减小。 滑动速度和摩擦系数的关系见图1 2 。 北京交通大学硕十学位论文 图l - 2 滑动速度与摩擦系数的关系 l 一极小的载荷2 ，3 中等载荷4 一搓大的载荷 ( 5 ) 表面粗糙度的影响 在塑性接触的情况下，表面粗糙度对真实接触面积影响不大，故表面 粗糙度对摩擦系数影响不大。一般情况下，表面粗糙，机械啮合作用增大， 摩擦系数有所提高。当表面粗糙度达到表面分子吸引力有效的发生作用 时，机械啮合作用减弱，粘着机理起主要作用，此时表面越光洁，真实接 触面积影响越大，摩擦系数也越大。 ( 6 ) 温度的影响 摩擦副滑动时，温度变化使材料表面的性质发生变化从而影响摩擦系 数，并随摩擦副工作条件不同而改变。对于干式工况，温度引起表面层组 织的变化，即摩擦表面与周围介质的作用改变，例如表面原子和分子问的 扩散、吸附或解附、表面结构变化或相变等。大多数实验结果表明，低温 时，随着温度的升高，摩擦系数增加；当表面温度很高使材料软化时，摩 擦系数将降低：对于在很宽的温度范围内，化学物理力学性能保持不变 的材料，例如石墨，摩擦系数几乎不受滑动速度的影响，而低熔点金属， 如铅、铋随滑动速度的增加，摩擦系数急剧下降。 1 _ 3 3 磨损特性研究 磨损是一个物体工作表面的物质由于表面相对运动而逐渐损耗的现 象。摩擦副间的磨损一般包括磨粒磨损、氧化磨损、粘着磨损和疲劳磨损 等。各类磨损的特征和研究如下。 ( 1 ) 磨粒磨损 1 2 第一章绪论 磨粒磨损是外界硬颗粒或者对磨表面上硬突起物或粗糙峰在摩擦过 程中引起表面材料脱落的现象。摩擦材料中的硬质颗粒作为磨屑可导致类 似于二体磨粒磨损或者三体磨粒磨损的形式。硬质点通常增加摩擦材料的 承载能力，并在表面形成一系列比金属偶件硬的小突起，使摩擦材料的磨 损下降，摩擦系数及偶件的磨损量增加，这类似于二体磨粒磨损；当摩擦 表面温度升高，材料的结合力下降，硬质点脱离约束形成三体磨损，这将 导致摩擦材料的磨损、摩擦系数和偶件的磨损增加。 ( 2 ) 粘着磨损 当摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切 断裂，被剪切的材料脱落成磨屑，或由一个表面移到另一个表面，此类磨 损成为粘着磨损。除润滑条件和摩擦副材料性能之外，影响粘着磨损的主 要因素是载荷和表面温度。 佑1 疲劳磨损 疲劳磨损包括热和机械疲劳两种：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；机械疲劳则是由于反复作用的摩擦应力 所引起。1 9 5 7 年苏联提出了固体疲劳理论，引用了关于单个摩擦结点和 摩擦体上变形体积的概念，研究这个体积上取决于载荷、摩擦和微凸体几 何轮廓的应力状态。指出应力状态的形式决定摩擦结点的破坏特性，这一 理论的基本概念是：为使摩擦面发生破坏，必须施加很多次摩擦作用，这 些作用次数可根据应力状念( 摩擦结点的破坏形式) 来描述。 f 4 1 氧化磨损 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，又很快的形成新的氧化膜，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。氧化磨损的大小取决于氧化膜连结强度和氧化速 度。氧化膜的生长速度低于磨损率时，磨损量较大；当氧化膜生长速度高 于磨损率时，氧化膜能起到减摩耐磨作用，所以氧化磨损量较小。 1 _ 4 论文的研究内容及意义 1 4 1 论文的研究内容 本论文以铜基粉末冶金闸片作为研究背景，开展铜基粉末冶金摩擦材 料和颗粒增强铝基复合材料间的摩擦磨损特性的研究。研究的主要内容包 北京交通大学硕七学位论文 括： ( 1 ) 根据目前国内外的研究状况，选择合适的基体组元、摩擦组元和 润滑组元，试验确定粉末冶金摩擦材料生产各个阶段的工艺参数，制备出 摩擦性能良好并且有较高的力学强度和良好的物理性能的铜基粉末冶金 摩擦材料。 ( 2 ) 以颗粒增强铝基复合材料作为摩擦对偶( 基体合金为z l l 0 1 ) ，在 m p x 2 0 0 0 定速摩擦试验机以及m m l 0 0 0 摩擦磨损试验机上测定铜基粉末 冶金材料的摩擦学性能。按照粉末冶金摩擦材料的标准，测定闸片材料的 力学性能，找出材料力学性能同材料的摩擦磨损性能之间的普遍规律。 1 4 2 课题研究意义 高速列车闸片和制动盘是保证列车运行安全的重要基础制动手段，铝 基复合材料制动盘是我国正在研发的新型制动盘，与之相匹配的闸片目前 国内还没有研制开发出来，本文即通过研究闸片成分、工艺参数对闸片摩 擦磨损性能的影响规律，探索最佳成分和最优工艺参数，制备出摩擦系数 高而稳定、具有良好匹配性的铜基粉末冶金闸片，将有助于为该闸片的工 业生产奠定技术基础，进而满足我国高速列车轻量化和提速的迫切要求。 铝基复合材料与铜基粉末冶金闸片组成的这对软质摩擦副的摩擦磨 损行为有别于传统的钢铁摩擦副。本文将丌展闸片的成分和工艺参数对其 摩擦磨损性能的影响研究，这将有助于探索改善软质摩擦副的摩擦磨损性 能的途径，也有助于研究其改善摩擦磨损性能的机理。 1 4 第二章铜基粉末冶金闸片材料的制各 第二章铜基粉末冶金材料闸片的制备 2 1 引言 材料的性能是由其微观组织决定的，而材料的微观组织又是由材料的 成份和制备工艺所决定的刚。要研究铜基粉末冶金闸片材料的摩擦磨损性 能以及物理力学性能，首先要必须能够获得成分、组织均匀的粉末冶金摩 擦材料试样。 粉末冶金摩擦材料是由基体组元、摩擦组元、润滑组元组成的复合材 料，各种组元对材料性能的影响是相互的，因此，在选取摩擦材料组元时， 不仅要考虑组元自身的特性，还要考虑该组元同其他组元问的相互影响。 当材料的成分配比确定以后，影响材料性能的因素就是材料生产过程的各 工艺参数。本章从组成铜基粉末冶金闸片材料的金属基体组元、润滑组元 和摩擦组元的选取入手，结合实际组元探讨材料制备过程中各个阶段的工 艺参数的选择，制备铜基粉末冶金材料闸片。 2 2 粉末冶金摩擦材料的组成 粉末冶金摩擦材料主要由三大部分组成：基体组元、润滑组元和摩擦 组元【6 l 。 ( 1 ) 基体组元 粉末冶金摩擦材料基体具有金属特性，其组织结构、物理和化学性能 在很大程度上决定了摩擦材料的力学性能、摩擦磨损性能、热稳定性和导 热性等整体性能的发挥。金属基体的主要作用是以机械结合的方式将摩擦 颗粒和润滑剂保持于其中，形成具有一定力学性能的整体。基体不仅作为 载体，将相互分离的各种添加物与自身结为一体，使它们各自发挥作用， 而且是承受载荷和热传导的主体，还是摩擦热散逸的主要通道，具有足够 的抗磨、耐热能力【2 ”。 粉末冶金摩擦材料的基体可以是单一金属，也可以是它们与其它元素 形成的合金，如c u 、f e 、n i 、m n 、t i 、s n 等及其合金。单一金属基体由 北京交通大学硕士学位论文 于强度不高，因此大多数粉末冶金摩擦材料基体金属中都添加有合金元素， 用以形成固溶体来强化基体，常用的合金强化元素有：s n 、a l 、f c 、办、 n i 、t i 、m o 、w 、v 、s i 等。铜合金是最常用的基体组元，即使在铁基摩 擦材料中，也部分采用铜或铜合金作为粘结剂。铜基摩擦材料主要是以 c u s n 合金和c 1 1 p b 合金作为基体，另外对以铝青铜为基体摩擦材料也有较 多的研究，原苏联通常以舢、z n 、n i 、t i 、s i 、v 等作为辅助强化组元； 而美国、日本则常以z n 、s i 、t i 作为辅助强化组元。铜基摩擦材料导热性 好，摩擦性能稳定且磨损小；铁基摩擦材料则有较好的高温强度、耐热性、 热稳定性和经济性，但摩擦性能不如前者，且易与对偶件粘着，但加入s n 和石墨能改善其摩擦性能，加入m n 、舢、c o 及c r 可减轻与对偶件的粘着 阎。 基体强度是材料承载能力的反映，而基体强度在很大程度上取决于基 体成分、结构和力学物理性能。改善材料基体结构和强度主要从两方面入 手，一是用合金元素固溶强化基体。对于铁基材料，通常以加入n i 、c r 、 m o 、w 、m n 来强化基体或活化烧结过程，加入w 、n i 、c f 、m o 对提高材 料的高温性能也有利。对于铜基材料，则以s n 、朋、n i 等合金元素强化为 主。另一项强化手段是纤维强化，如在较软的基体中加入具有较高强度的 金属纤维或碳素纤维，加入钢纤维后使材料强度和塑性大大提高，碳素纤 维对材料比强度、比模量、耐热性和抗疲劳性能有利，但因成本高、制造 工艺复杂，目前应用仅限于航天航空等尖端领域j 。 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：1 ) 基体能否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【2 4 】。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，润滑性很差， 结合强度不高，它们的存在分隔开了基体金属之问的连接，只有兰基体之 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；2 ) 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也直接 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1 2 工”，2 “。 ( 2 ) 摩擦组元 第二章铜基粉末冶金闸片材料的制备 摩擦组元亦称增摩剂，是由多种固态陶瓷粉末颗粒或高熔点金属及其 化合物组成，它们均匀的分布在基体中，起着摩擦、抗磨、耐热、耐蚀等 作用，既可提高摩擦系数，弥补润滑组元造成的材料摩擦系数的降低，又 可去除低熔点金属的粘附，消除与对偶之间的材料转移，使摩擦副工作表 面具有最佳啮合状态。增摩剂应具有高硬度和良好的高温稳定性，且对摩 擦表面擦伤要小。其含量和粒度对材料的摩擦磨损性能有很大影响，含量 过多就会成为磨粒而加剧磨损，造成对对偶材料的严重磨损。 常用的增摩剂有高熔点