石墨在動(dòng)車組制動(dòng)閘片中的應(yīng)用研究

楊粱崇， 楊 川, 亢磊

(1 中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 車輛處， 蘭州 730000; 2 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心， 長(zhǎng)春 130062)

石墨是動(dòng)車組制動(dòng)閘片中常用的潤(rùn)滑組元材料，石墨為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間相對(duì)位移時(shí)，需要的切向應(yīng)力不大，易于滑動(dòng)，因此具有摩擦系數(shù)小，潤(rùn)滑性好的特點(diǎn)[1]。但在燒結(jié)過程中，石墨與Cu、 Fe間不互溶，它基本均勻分布于金屬基體之間，燒結(jié)過程中石墨對(duì)金屬原子間的擴(kuò)散起阻礙作用，阻礙燒結(jié)頸的形成，增大材料的孔隙度，孔隙常出現(xiàn)在石墨與金屬的界面處，且呈狹長(zhǎng)的扁孔，易引起應(yīng)力集中。石墨加入量的增加會(huì)導(dǎo)致摩擦材料壓制成型困難，強(qiáng)度低，易出現(xiàn)掉邊掉角的問題。

在試驗(yàn)中，對(duì)具有不同形貌的石墨進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了人造石墨和鱗片石墨的添加對(duì)制動(dòng)閘片摩擦材料性能的影響，嘗試通過人造石墨和鱗片石墨的混合添加來(lái)強(qiáng)化摩擦體，提高閘片的綜合性能。

1 試驗(yàn)材料與制備

1.1 試驗(yàn)材料

制備閘片摩擦材料的原材料粉末有：鐵粉 、銅粉、鎳粉和錫粉 ，粒度均為-200目，純度≥99.2%。在試驗(yàn)中選用的人造石墨含碳量99%以上，粒度150～800 μm；鱗片石墨產(chǎn)地山東青島，純度99%，粒度300～850 μm。石墨顆粒形貌如圖1、圖2所示。

1.2 摩擦材料制備

在閘片摩擦材料中依次提高鱗片石墨的加入量，考察鱗片石墨加入量的增加對(duì)摩擦材料的密度、強(qiáng)度和摩擦性能的影響。閘片摩擦材料配比如表1。

表1 閘片摩擦材料配比表 %

圖1 人造石墨形貌

圖2 鱗片石墨形貌

采用氣氛式鐘罩燒結(jié)爐燒結(jié)制備摩擦材料，制備工藝為燒結(jié)溫度930℃，壓力為10 MPa，保溫時(shí)間為2 h。

1.3 性能測(cè)試

制備15 mm×15 mm的摩擦體試樣，在LDW-100萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。剪切強(qiáng)度為剪切力與受力面積的比值。

τ=F/A

(1)

式中：τ為摩擦體剪切強(qiáng)度；F為剪切力；A為受力面積。

摩擦材料的密度應(yīng)用阿基米德浮力法進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

采用MM1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定摩擦材料的摩擦系數(shù)，摩擦材料尺寸為25 mm×25 mm×15 mm，對(duì)偶盤材料為30CrSiMoVA。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同石墨比例對(duì)摩擦材料壓制性的影響

采用顆粒石墨與鱗片石墨相配合制備試驗(yàn)?zāi)Σ敛牧?，各樣品中兩種石墨的比例如表2所示。

表2 各摩擦材料樣品中的兩種石墨比例

將不同比例的顆粒石墨與鱗片石墨混合的粉料進(jìn)行冷壓壓制，壓制高度均為15 mm。壓制過程中的成型壓力如圖3所示。

圖3 各摩擦材料的成型壓力

從圖中可以看出，隨著顆粒石墨的比例逐漸降低，摩擦材料所需的成型壓力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，全部為顆粒石墨所需的壓制壓力710 kN為全部為鱗片石墨的壓制壓力350 kN的一倍。這是由于顆粒石墨在摩擦體中較鱗片石墨屬于硬質(zhì)相，在材料受到壓力作用下，阻礙材料發(fā)生變形。鱗片石墨較柔軟屬于軟質(zhì)相，在受壓力作用下更容易發(fā)生位移和變形。因此在鱗片石墨多的情況下，壓制壓力更低。

2.2 不同石墨比例對(duì)閘片摩擦材料性能的影響

不同比例的石墨加入會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響，如表3所示，隨著鱗片石墨的增加，樣品的密度逐漸增大，剪切強(qiáng)度逐漸升高。

表3 各樣品的密度與剪切強(qiáng)度

顆粒石墨內(nèi)部存在空洞且表面粗糙，在壓制過程中與金屬粉料之間會(huì)產(chǎn)生大量間隙，造成孔隙率增加?？紫堵实脑黾訒?huì)造成密度下降，所以全部使用顆粒石墨的樣品的密度最低，剪切強(qiáng)度最差。人造顆粒石墨的形狀不規(guī)則，顆粒和顆粒之間容易產(chǎn)生搭橋現(xiàn)象，在單個(gè)顆粒與金屬接觸面處存在應(yīng)力集中[2]，誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，故剪切強(qiáng)度會(huì)降低。圖4為加入人造石墨后摩擦材料斷口形貌照片，從圖中可以看出石墨顆粒周圍有大量孔洞和裂紋存在。

圖4 加入人造石墨的摩擦 材料斷口形貌

鱗片石墨在受到壓力時(shí)會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，趨向垂直于壓力方向排列，長(zhǎng)度和厚度方向有較大差異性，呈現(xiàn)為帶狀[3]，因此易于壓制成型，燒結(jié)致密性高[4]，而且鱗片石墨表面光滑，所以石墨與金屬界面處孔隙率較低。因而加入鱗片石墨后，摩擦體密度增大，剪切強(qiáng)度也隨著孔隙的降低而增大。隨著鱗片石墨加入量的增加，石墨在摩擦體中的分布狀態(tài)多數(shù)為平行于摩擦面，由于石墨與金屬的潤(rùn)濕性很差，因此石墨與金屬基體的結(jié)合處存在著大量的缺陷，因此平行于摩擦面對(duì)摩擦體進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)鱗片石墨的加入量達(dá)到一定數(shù)量后剪切強(qiáng)度會(huì)有所降低。通過數(shù)據(jù)可以看出，在人造石墨與鱗片石墨加入比例4∶6時(shí)摩擦體的剪切強(qiáng)度最高。

2.3 不同石墨比例對(duì)摩擦材料摩擦性能的影響

從表4中可以發(fā)現(xiàn)在相同試驗(yàn)工況下完全使用顆粒石墨時(shí)摩擦系數(shù)最高為0.388，全部為鱗片石墨時(shí)摩擦系數(shù)下降為0.305，因此隨著鱗片石墨的增加，平均摩擦系數(shù)呈下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)槟Σ列阅芘c平行于摩擦面的截面形貌有關(guān)。從圖5摩擦材料平行摩擦面的組織形貌中可以發(fā)現(xiàn)，隨著鱗片石墨的增加，石墨在摩擦體中的分布狀態(tài)多數(shù)為平行于摩擦面，這使得在摩擦過程中，有大面積的石墨暴露在摩擦面上，從而使材料具有更好的潤(rùn)滑作用，平均摩擦系數(shù)降低。而當(dāng)顆粒石墨較多時(shí)，石墨顆粒釘扎在金屬中，不容易發(fā)生滑移，而且會(huì)阻礙鱗片石墨旋轉(zhuǎn)至平行于摩擦面，單位面積上的石墨數(shù)量較少，因此潤(rùn)滑性能變差，平均摩擦系數(shù)較高。

表4 不同石墨比例摩擦材料的摩擦系數(shù)

圖5 不同比例石墨制備摩擦材料樣品的組織形貌

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)鱗片石墨的加入提高了摩擦材料的壓制成型性。隨著顆粒石墨的比例逐漸降低，摩擦材料所需的成型壓力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，全部為顆粒石墨所需的壓制壓力710 kN為全部為鱗片石墨的壓制壓力350 kN的一倍。

(2)不同比例的石墨加入會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響。鱗片石墨加入后，摩擦體的密度和剪切強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)人造石墨與鱗片石墨加入比例4∶6時(shí)摩擦體的剪切強(qiáng)度為32 MPa、密度4.42 g·cm-3達(dá)到最高。

(3)隨著鱗片石墨數(shù)量增加，摩擦材料的平均摩擦系數(shù)逐漸降低。