高速列車制動材料高溫摩擦磨損行為研究

孫洪雨，馬元明，陳輝，劉艷，吳影，岑升波，吳啟超

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高速列車制動材料高溫摩擦磨損行為研究

孫洪雨1，馬元明2，陳輝2*，劉艷2，吳影2，岑升波2，吳啟超2

（1.中車株州電力機車有限公司，湖南 株洲 412001； 2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031）

高速列車制動盤制動時的高溫摩擦磨損是導致制動盤失效的原因之一，針對高速列車制動材料，設計了4種不同溫度梯度（25℃、200℃、400℃、600℃）的摩擦磨損試驗。以制動閘片材料作為銷試樣、制動盤材料做為盤試樣，進行銷－盤式摩擦磨損試驗。結果表明：25℃和400℃條件下都具有較高的摩擦系數(shù)，但是兩種溫度下的磨損類型不同；25℃條件下盤試樣的磨損量和表面粗糙度均最大，以磨粒磨損為主，盤表面有明顯犁溝現(xiàn)象；200℃條件盤試樣表面平整，摩擦系數(shù)和失重量均最小，摩擦面有部分片狀石墨起到潤滑作用；600℃盤試樣出現(xiàn)負磨損，氧化磨損和黏著磨損同時存在。

制動盤；制動閘片；摩擦磨損

列車制動閘片和制動盤是保證車輛運行安全的重要制動部件[1]。目前動車采用的兩種主要制動方式是摩擦制動和動力制動，其中動力制動只在動車車軸使用，而摩擦制動則在動車和拖車車軸上都有應用。制動閘片與制動盤材料之間的摩擦性能對列車制動起著關鍵性的作用[2-3]。在時速200 km/h或更高速的制動過程中，制動閘片與制動盤發(fā)生摩擦，制動盤瞬間吸收的熱可將制動盤摩擦面溫度升高到600℃甚至更高[4-5]。列車制動盤在制動過程中的受熱是一個非常值得考慮的問題[6-8]。

Saeed Abbasi[9]在進行銷盤式摩擦磨損時發(fā)現(xiàn)磨損量的減小與摩擦接觸面形成的一層穩(wěn)定的氧化膜有關，通過數(shù)值模擬建立了銷盤式摩擦試驗在連續(xù)多場耦合的熱彈性分析中熱量分配系數(shù)的預測模型。朱旭光等[10]在對銅基制動閘片的摩擦磨損研究中發(fā)現(xiàn)，一定的制動速度條件下，增大制動壓力，摩擦系數(shù)先增大后減小，磨損率逐步增加并趨于穩(wěn)定。韓曉明等[11]進行了摩擦速度對銅基摩擦材料摩擦磨損性能的研究，結果表明，摩擦表面會由致密的第三體覆蓋，隨速度的增加第三體的易流動性具有潤滑和平滑作用，降低了摩擦系數(shù)。

圖1為制動盤在使用過程中盤表面的磨損情況，這種磨損與制動過程中的溫度有著必然聯(lián)系。

圖1 裝車使用后制動盤的磨損情況

針對制動盤/片的常溫摩擦磨損性能，國內外的研究主要集中在制動壓力、摩擦速度對摩擦磨損性能的影響，對高溫摩擦磨損性能研究較少，而且主要集中在制動盤材料或者制動閘片材料單方面的考慮，沒有將制動盤/片做為一對摩擦副來同時研究分析，因此本文工作主要目的在于通過研究在不同溫度條件下的制動盤材料和制動閘片之間的摩擦磨損性能，深入了解制動盤和制動閘片在制動受熱時的摩擦行為，尤其是針對現(xiàn)有的制動盤材料和制動閘片組成的摩擦副在不同溫度下的摩擦磨損行為，以期為深入研究制動盤與制動閘片摩擦磨損行為提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本實驗中的銷試樣取自制動閘片，為銅基粉末冶金材料燒結而成，其中Cu為基體材料，Cr、Fe為耐磨組元，石墨為潤滑組元，化學成分如表1所示。盤試樣取自制動盤材料，為GS24CrNiMo445V鑄鋼材料，金相組織如圖2所示，組織為保持板條馬氏體位向的回火索氏體。制動盤材料的力學性能如表2所示。

表1 試驗材料的化學成分（質量分數(shù)w%）

注：＂－＂表示不含該元素。

1.2 試驗方法

高溫摩擦磨損試驗在MMU-5G屏顯式高溫端面磨損試驗機上完成，采用銷－盤式滑動干摩擦，由兩根圓柱狀銷試樣和一個盤試樣組成一對摩擦副，如圖3所示。盤試樣取自列車制動盤，尺寸為43×3 mm；銷釘試樣取自制動閘片，尺寸為4×14 mm。試驗環(huán)境為大氣、干摩擦，壓強為1.07 MPa，轉速為1096 r/min，摩擦時間為10 min，試驗溫度分別為25℃、200℃、400℃、600℃，每個溫度條件下做三組平行試驗。

采用VK-9710激光共聚焦顯微鏡（Laser Scanning Confocal Microscopy，LSCM）觀察磨損表面的形貌，圖像采用VK Analyzer軟件進行處理，并統(tǒng)計出盤試樣摩擦面的粗糙度。磨痕微觀形貌采用日本電子JSM-6390LV掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察，盤試樣摩擦面的元素成分采用美國EDAX公司GENESIS 2000 XMS型X－射線能譜儀（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）測試。硬度測試采用HVS-30數(shù)顯維氏硬度計，載荷為10 kg，保荷時間為15 s，硬度點布局沿盤試樣半徑每0.5 mm一個測試點，摩擦區(qū)域不做測量。磨損失重量用Sartorius CPA225D分析天平測量，精度為0.01 mg。

圖2 摩擦材料的金相組織

表2 盤試樣的力學性能

圖3 銷－盤式摩擦磨損示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖4給出了4種不同溫度條件下的摩擦系數(shù)隨時間變化的關系曲線和磨損失重量。摩擦系數(shù)反映摩擦副之間接觸應力的大小，摩擦系數(shù)大說明摩擦副之間存在著較大的接觸應力，從而摩擦系數(shù)也間接反映了摩擦副接觸區(qū)的潤滑或者形成穩(wěn)定的摩擦保護膜等情況[12-13]。

從圖4（a）可看出，25℃條件下的摩擦系數(shù)最高，在0.61～0.69之間；400℃下的摩擦系數(shù)為0.47～0.53，僅次于25℃條件下的；600℃條件下的摩擦系數(shù)在試驗初始階段最小，在55 s至410 s的試驗過程中600℃的摩擦系數(shù)是逐漸升高，410 s至試驗結束，摩擦系數(shù)平穩(wěn)在0.51左右，這是因為在磨損的初始階段，兩個試樣表面在高溫作用下，表面生成了一層氧化膜，對摩擦過程起到潤滑作用，摩擦系數(shù)小，隨著磨損的進行，氧化膜破裂，新鮮的金屬表面裸露出來，在高溫和重復摩擦的過程中，盤試樣和銷試樣兩個表面發(fā)生黏合，導致摩擦系數(shù)不斷增加。劉佐民[14]研究發(fā)現(xiàn)金屬材料在高于400℃的條件下由于摩擦熱和環(huán)境溫度的共同作用，摩擦接觸界面呈半熔融狀態(tài)，隨著滑動摩擦而形成一層“金屬膜”致使摩擦系數(shù)降低，摩擦過程平穩(wěn)。200℃時的摩擦系數(shù)在4個溫度梯度試驗中相對最低，且摩擦系數(shù)在整個實驗過程中先降低后升高，最后穩(wěn)定在0.38左右。

圖4 不同溫度下的摩擦系數(shù)和磨損失重

從圖4（b）可看出，在25℃時盤試樣的失重量最大，約為其他溫度條件下的三倍以上，隨著試驗溫度的升高，盤試樣的失重量明顯減小，在600℃條件下盤的失重表現(xiàn)出了“負磨損”。一般對于“負磨損”的解釋一種是摩擦過程中對偶材料（制動閘片）黏附于盤試樣，第二種是高溫加之大氣介質使得盤試樣表面被氧化使得盤試樣質量增加，再者即是兩種效果的疊加[15]。

由圖5可知，經(jīng)過不同溫度條件下的磨損之后，盤試樣硬度隨著試驗溫度的升高而降低。這是因為在高溫條件下，材料會發(fā)生回火軟化、回復再結晶等過程，從而導致材料硬度下降。在R. S. Lee的研究[16]中做了SKD61模具鋼在100～500℃的硬度試驗，經(jīng)過擬合發(fā)現(xiàn)SKD61鋼硬度與溫度關系式為：

式中：H為硬度，HV，是溫度的減函數(shù)，結果顯示硬度隨著溫度的升高而減??；T為開爾溫度，K。

2.2 磨損形貌

圖6為盤試樣摩擦面激光共聚焦圖片，結合盤試樣摩擦面粗糙度的統(tǒng)計（圖7）進一步分析4種溫度條件下摩擦磨損情況。

由圖6可知，25℃條件下的摩擦過程中盤試樣的基體被切削而產(chǎn)生明顯的犁溝；在200℃和400℃條件下盤試樣的摩擦表面平整；600℃試驗的盤試樣表面粗糙，有明顯的黏著磨損跡象。由圖7可知，25℃條件下盤試樣表面最粗糙，200℃的粗糙度最小，400℃和600℃的粗糙度值比25℃的小、比200℃的大，其中600℃的粗糙度高于400℃的。將此粗糙度與摩擦系數(shù)（圖4（a））的大小關系對比發(fā)現(xiàn)，粗糙度越大，摩擦系數(shù)越高（如25℃）；粗糙度越小，摩擦系數(shù)越?。ㄈ?00℃）。而在600℃由于在高溫作用下氧化膜的形成與破裂導致摩擦系數(shù)在磨損過程中不斷升高，且在600℃條件下發(fā)生了嚴重的黏著磨損造成的盤試樣粗糙度高于400℃的粗糙度。從制動盤材料的磨損情況來考慮，在200℃和400℃條件下的盤試樣磨損量和摩擦面粗糙度都很小，盤試樣表面平整，無嚴重犁溝、黏著或剝層開裂現(xiàn)象；因此，在制動盤材料與制動閘片材料形成的摩擦副，摩擦表面粗糙度與摩擦系數(shù)有一定的關系。200℃和400℃條件下盤試樣和銷試樣的摩擦磨損性能匹配較好。

圖6 不同試驗溫度下盤試樣摩擦面的激光共聚焦照片（200×）

從列車制動角度、出于行車安全的考慮，對列車緊急制動距離有嚴格的限定范圍，并且國際鐵路聯(lián)盟（UIC）針對高速列車盤式制動的摩擦系數(shù)波動范圍提出了明確的上下限規(guī)定[17]。如圖8所示，由各溫度條件下的摩擦系數(shù)可知，200℃的摩擦系數(shù)太小并且波動較大，而400℃時的摩擦系數(shù)在此波動范圍之內，且該溫度下盤試樣的磨損量很小，為此在制動盤/片的材料研究過程中可將制動盤的制動最高溫度作為一個控制指標，將其控制在400℃左右，可獲得穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和良好的磨損性能。

圖7 盤試樣摩擦面的粗糙度

圖8 國際鐵路聯(lián)盟（UIC）對300 km/h高速列車瞬時摩擦系數(shù)波動范圍的規(guī)定（制動能量17.8 MJ）

結合激光共聚焦照片和粗糙度統(tǒng)計不難發(fā)現(xiàn)，制動閘片和制動盤材料在25℃和600℃條件試驗之后盤試樣的摩擦面都相對粗糙，但是由激光共聚焦的照片來看，形成盤試樣摩擦面粗糙的方式各有不同。在25℃摩擦盤試樣的較大粗糙度主要是因為盤試樣表面被切削而形成犁溝；在600℃摩擦盤試樣較大粗糙度則是因為作為銷試樣的制動閘片在摩擦盤表面形成嚴重黏著。

圖9為盤試樣在不同溫度下試驗后摩擦面的SEM形貌，25℃條件下沿著磨損方向有明顯的犁溝形貌，由EDS分析可知，磨損表面有很少量的Cu元素存在，制動閘片為銅基粉末冶金材料，其中耐磨組元為Cu－Cr－Fe合金顆粒，磨損表面上的Cu元素可能是磨損過程中閘片上的Cu－Cr－Fe顆粒作為第三體磨粒對盤試樣進行切削殘留在摩擦表面上的。由此推斷在25℃時的材料去除機理主要為磨粒磨損。200℃條件下的摩擦表面平整，未出現(xiàn)犁溝或黏銅現(xiàn)象，經(jīng)過EDS分析表面有許多零碎的石墨片，由制動閘片的化學成分（表1）可知，閘片中含有52.40%的C元素。其實閘片中的C以石墨的形式均勻分布于銅基燒結材料中，充當潤滑組元的成分。片狀游離態(tài)的石墨具有六方晶體的結構特點，在摩擦磨損過程中能夠在金屬表層形成穩(wěn)定的轉移膜，對制動閘片的耐磨性和平穩(wěn)性起到重要作用[18]，同時結合200℃時的摩擦系數(shù)整體為最小（圖4（a））、盤試樣磨損失重量（圖4（b））也很小，所以在200℃條件下制動盤試樣和閘片試樣之間的摩擦磨損過程既不損傷制動盤也不損耗閘片材料。400℃和600℃條件下（圖9（c）和（d））的盤試樣表面有明顯磨痕，并且有大量Cu元素存在，說明在400℃甚至更高溫度下銷試樣的Cu原子運動變得非?；顫姡诃h(huán)境溫度和摩擦熱條件下，加之摩擦過程中應力的存在，Cu原子向盤試樣發(fā)生了遷移。其實，溫度高于300℃時銅基材料的強度會明顯下降[19]，抵抗塑性變形的能力顯著下降，而作為盤試樣的制動盤材料強度高于銅基閘片材料，導致在摩擦過程中閘片材料向制動盤材料轉移的現(xiàn)象。由此可推斷在400℃和600℃時都發(fā)生了黏著磨損。

400℃盤試樣表面經(jīng)EDS分析有鐵的氧化物顆粒存在，O元素含量明顯比25℃和200℃條件下的高，所以400℃黏著磨損和氧化磨損同時存在。600℃時盤試樣有熔融和塑性變形的跡象，黏著層出現(xiàn)破裂分層（圖9（d））。在600℃的環(huán)境溫度下，加之摩擦過程中的摩擦熱，銅基閘片材料的溫度急劇升高，甚至達到材料的熔點，所以銅基燒結閘片材料的銷試樣向制動盤材料盤試樣嚴重黏著[20]。在摩擦過程中當黏著層過厚，與盤試樣結合強度較低時發(fā)生開裂斷層、脫落，使得摩擦面粗糙，摩擦磨損環(huán)境愈加惡劣，也說明了600℃摩擦系數(shù)隨著試驗的進行而逐漸升高的現(xiàn)象。

圖9 不同試驗溫度下盤試樣摩擦面SEM形貌

3 結論

（1）制動盤和制動閘片組成的摩擦副在25℃和400℃都表現(xiàn)出了較高的摩擦系數(shù)，200℃的摩擦系數(shù)最小，25℃時的磨損量最大，隨著溫度的升高，磨損量降低，600℃盤試樣出現(xiàn)負磨損。

（2）制動盤材料摩擦面的硬度隨著磨損溫度的升高而降低。

（3）25℃時摩擦面犁溝明顯，磨粒磨損為主；400℃發(fā)生了氧化和黏著但是具有較高的摩擦系數(shù)；600℃氧化磨損和黏著磨損同時存在，制動閘片材料向盤試樣發(fā)生轉移，盤試樣表面有熔融和塑性變形的跡象，轉移較厚的金屬膜出現(xiàn)開裂和脫落。

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Friction and Wear Characteristics of Train Brake Materials at High Temperature

SUN Hongyu1，MA Yuanming2，CHEN Hui2，LIU Yan2，WU Ying2，CENShengbo2，WU Qichao2

( 1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China; 2.Department of Material Science & Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

High temperature friction and wear during braking is one of the reasons leading to the failure of brake disc. In order to study the friction and wear characteristics of the train braking materials at different temperatures, tests have been designed at temperatures of 25℃, 200℃, 400℃ and 600℃. The brake pad material is used as the pin specimen and the brake disc material is used as the disc specimen for pin-disc friction wear testing. The results indicate that the friction coefficient and wear rate are higher at 25℃ and 400℃. However, the wear types at the two temperatures are different. The wear and the surface roughness of the disc samples were the highest at 25℃, with abrasive wear as the dominant type and obvious furrow on the disc surface. The surface roughness, friction coefficient and the lost weight of the specimen are the smallest at 200℃, with some flake graphite on the friction surface playing the role of lubrication. Negative wear, oxidative wear and adhesive wear exist simultaneously on the disk specimen at 600℃.

brake disc；brake pad；friction and wear

U260.35；TH117.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.002

1006－0316 (2018) 10－0005－06

2018－01－17

國家自然科學基金（51474178、51505393）

孫洪雨（1985－），男，黑龍江綏化人，本科，助理工程師，主要研究方向為構架焊接。

陳輝（1970－），男，四川南充人，博士，教授，主要研究方向為高速鐵路焊接及表面工程、高速重載鐵路關鍵耐磨材料。