高速列車粉末冶金制動(dòng)材料的研究進(jìn)展

姚萍屏，肖葉龍，張忠義，周海濱，貢太敏，趙 林，鄧敏文

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 前 言

自1964年世界上第一條高速鐵路——日本東海新干線開通以來，歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，全球投入運(yùn)營的高速鐵路里程已超4萬千米，且未來對(duì)高速鐵路的需求有增無減[1]。中國高速鐵路發(fā)展迅猛，取得了舉世矚目的成就，自2008年首條高速鐵路——京津城際客運(yùn)專線建成，到2017年底，高速鐵路運(yùn)營里程已超過2.6萬千米，預(yù)計(jì)至2020年，高鐵運(yùn)營里程將達(dá)3萬千米。世界高速鐵路的運(yùn)營時(shí)速已達(dá)到或超過300 km，且其向著更高速度發(fā)展成為世界各國的研究目標(biāo)與方向[2]，法國AGV-V150試驗(yàn)型高速列車創(chuàng)造了輪軌式高速鐵路574.8 km/h的世界記錄，德國ICE/V型試驗(yàn)列車和日本300X型試驗(yàn)列車的最高試驗(yàn)速度分別達(dá)到406.9和443 km/h，2011年中國CRH380BL高速列車在京滬高鐵上創(chuàng)下時(shí)速487.3 km的試驗(yàn)記錄，2017年6月設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)400 km的“復(fù)興號(hào)”中國標(biāo)準(zhǔn)高速列車在京滬高鐵雙向通車，運(yùn)營時(shí)速達(dá)到350 km，由此成為世界上商業(yè)運(yùn)營速度最高的高速列車。

“沒有制動(dòng)，就沒有高速”，作為高速列車九大核心技術(shù)之一，高速列車制動(dòng)技術(shù)尤其是制動(dòng)閘片關(guān)系著列車運(yùn)營的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。高速列車制動(dòng)閘片是決定列車行駛速度、緊急制動(dòng)能力，確保運(yùn)行安全的關(guān)鍵部件。以一輛軸重為17 t的8車編組高速列車為例，在300 km/h速度下緊急制動(dòng)要消耗約1889 MJ的能量，而當(dāng)速度提高到350 km/h時(shí)，消耗的能量達(dá)到2571 MJ，閘片制動(dòng)材料表面經(jīng)歷快速的能量積聚，表面溫度將達(dá)到500 ℃以上，瞬時(shí)溫度甚至超過900 ℃[3, 4]。因此，要求高速列車制動(dòng)材料具有合適且穩(wěn)定的摩擦因數(shù)、優(yōu)良的耐磨性、高的耐熱性與抗熱疲勞性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、與制動(dòng)盤匹配良好、良好的環(huán)境適應(yīng)性及環(huán)境友好性等性能。

列車制動(dòng)材料先后經(jīng)歷了鑄鐵、合成材料、粉末冶金材料，以及尚處于研究階段的炭基復(fù)合材料。鑄鐵材料的瞬時(shí)摩擦因數(shù)受制動(dòng)初速度及制動(dòng)壓力的影響較大，僅在低速列車上得到使用；合成材料的常用最高耐熱溫度僅為400 ℃，無法滿足高速列車高速高溫制動(dòng)要求；炭基復(fù)合材料制造成本高，摩擦性能受外界環(huán)境影響大，目前仍難以應(yīng)用于高速列車；粉末冶金制動(dòng)材料具有良好的綜合性能及經(jīng)濟(jì)性，是高速列車目前最理想的制動(dòng)閘片材料，當(dāng)前時(shí)速300 km及以上的高速列車均采用粉末冶金制動(dòng)材料。

一代材料，一代裝備，為推動(dòng)高速列車向更高速度發(fā)展，保證列車安全運(yùn)行，近年來國內(nèi)外在高速列車粉末冶金制動(dòng)材料方面已進(jìn)行了大量的研究工作，本文主要從材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)和摩擦磨損性能及機(jī)理等方面對(duì)高速列車粉末冶金制動(dòng)材料的研究進(jìn)行綜述，并探討其發(fā)展方向。

2 材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 材料設(shè)計(jì)

粉末冶金制動(dòng)材料是一種以金屬及其合金為基體，添加潤(rùn)滑組元和摩擦組元，采用粉末冶金技術(shù)制成的復(fù)合材料(圖1)。按基體種類，粉末冶金制動(dòng)材料主要分為鐵基和銅基制動(dòng)材料。鐵基制動(dòng)材料主要由鐵或鐵合金基體，添加Cu、Sn、SiO2、Al2O3、石墨及金屬硫化物等構(gòu)成，在高溫、高負(fù)荷下具有優(yōu)良的摩擦磨損性能，且價(jià)格便宜[5]。向興碧[6]開發(fā)了一種摩擦因數(shù)為0.32～0.37且成本較低的鐵基高速盤式閘片。徐瑛等[7]研制的鐵基粉末冶金閘片被認(rèn)為可適用于300 km/h及以下的列車，閘片的制動(dòng)性能穩(wěn)定、耐磨性好。然而，由于鐵基制動(dòng)材料與鋼鐵系制動(dòng)盤具有親和性，容易產(chǎn)生粘著膠合而損傷制動(dòng)盤，摩擦因數(shù)波動(dòng)較大，產(chǎn)生噪聲，低倍制動(dòng)時(shí)磨損量大等，用于高速列車制動(dòng)閘片受到限制[8]。銅基制動(dòng)材料具有穩(wěn)定的摩擦因數(shù)、優(yōu)良的耐磨性和耐熱性、環(huán)境適應(yīng)性好、對(duì)制動(dòng)盤損傷小等特征，被廣泛用于國內(nèi)外高速列車[3, 9]。

圖1 粉末冶金制動(dòng)材料的顯微結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of powder metallurgical brake material

2.1.1 基體組元

銅基體將摩擦組元和潤(rùn)滑組元保持其中而結(jié)為一體，為載荷和制動(dòng)能量的主要載體，其結(jié)構(gòu)和性能較大程度上決定了銅基制動(dòng)材料的物理機(jī)械性能和摩擦磨損性能。通過研究銅粉特性、合金元素固溶強(qiáng)化及第二相強(qiáng)化等，可改善銅基體性能。劉建秀等[10]采用粒度為106 μm的銅粉，制備的銅基制動(dòng)材料表現(xiàn)出良好的綜合性能，摩擦因數(shù)穩(wěn)定、磨損率低。王曄[11]研究表明，以氧化鋁彌散強(qiáng)化銅粉為基體的材料展現(xiàn)出良好的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性，但磨損量較大；采用鐵鈷銅預(yù)合金化銅粉可避免單質(zhì)粉末混合時(shí)的成分偏析，所制備的材料能形成穩(wěn)定的氧化膜，磨耗量低而穩(wěn)定。

通?？梢酝ㄟ^添加Sn，Ni，Al，Cr，W等合金元素來強(qiáng)化銅基體。Ni的添加不僅可以有效提高材料的硬度及強(qiáng)度，還可增加摩擦因數(shù)穩(wěn)定性，減小磨損[12]。W的添加可以提高材料的熱容量、顯著改善材料的摩擦磨損性能，添加含量小于3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的W可小幅提高材料的硬度[13]。近年來，又采用新型合金元素強(qiáng)化銅基體。Ti的添加引起銅基體晶格畸變，材料硬度及強(qiáng)度提高，減輕了材料的犁削，有利于提高材料的耐磨性[14]。稀土元素La可細(xì)化銅基體晶粒，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高了材料的摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能[15]。Fe來源廣泛，常作為關(guān)鍵組元添入銅基體，一方面起強(qiáng)化作用，同時(shí)又可調(diào)節(jié)摩擦因數(shù)及摩擦穩(wěn)定性，大多數(shù)高速列車粉末冶金制動(dòng)材料中添加了Fe。于瀟等[16]證實(shí)Fe可顯著提高銅基制動(dòng)材料的硬度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，F(xiàn)e含量為15%的銅基制動(dòng)材料具有高摩擦因數(shù)、制動(dòng)穩(wěn)定性及較低的磨損量。樊子源等[17]發(fā)現(xiàn)小粒度鐵粉可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，但材料表現(xiàn)出低而不穩(wěn)定的摩擦因數(shù)；含大粒度鐵粉的材料剪切強(qiáng)度和硬度較低，但摩擦因數(shù)穩(wěn)定。近期在納米強(qiáng)化、纖維強(qiáng)化銅基體方面也有研究[18-20]：添加納米氮化鋁和納米石墨的銅基制動(dòng)材料具有高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，且無明顯衰退，耐磨性及耐熱性也顯著增強(qiáng)；加入碳纖維可提高銅基制動(dòng)材料的導(dǎo)熱性能及組織致密性，但不利于摩擦磨損性能的改善；添加含量為 0.4%的石墨烯，能獲得機(jī)械性能最佳、摩擦因數(shù)穩(wěn)定且磨損率較低的銅基制動(dòng)材料。

2.1.2 潤(rùn)滑組元

潤(rùn)滑組元用于改進(jìn)銅基制動(dòng)材料的抗咬合性和抗粘結(jié)性，減少對(duì)制動(dòng)盤的擦傷，提高材料的耐磨性及制動(dòng)平穩(wěn)性。通常采用的潤(rùn)滑組元有鉍、銻等低熔點(diǎn)金屬和石墨、二硫化鉬(MoS2)、氮化硼(BN)等非金屬，有時(shí)低熔點(diǎn)錫也被用作潤(rùn)滑組元。石墨和MoS2是兩種應(yīng)用最為廣泛的潤(rùn)滑組元，尤其是石墨最常用于高速列車粉末冶金制動(dòng)材料。添加天然鱗片石墨的銅基制動(dòng)材料耐磨性優(yōu)于添加人造石墨的材料，且采用50#天然鱗片石墨的材料具有較好的綜合性能[21]。大粒度的鱗片石墨用作潤(rùn)滑組元，所制備的銅基制動(dòng)材料的抗壓強(qiáng)度高于含小粒度鱗片石墨的材料，鱗片石墨與人造石墨配合使用可顯著提高材料強(qiáng)度[22]。采用Ti3SiC2替代石墨作潤(rùn)滑劑，制備的銅基制動(dòng)材料在高溫高速下表現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和高的抗氧化能力[23]；而石墨中添加少量的h-BN可以穩(wěn)定銅基制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)，提高材料耐磨性[24]。Prabhu[25]對(duì)比研究了h-BN、石墨和MoS2對(duì)銅基制動(dòng)材料摩擦磨損性能影響，結(jié)果表明，含MoS2的材料具有組織致密、密度最大、硬度最高及表面粗糙度最低等性能，含石墨的材料在低速下表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，而添加h-BN和MoS2的材料在高速下展現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦特性，作為潤(rùn)滑組元添加的MoS2在燒結(jié)過程發(fā)生分解，分解后的S與材料中的其它組元反應(yīng)生成硫化物，新生成的硫化物對(duì)材料起著潤(rùn)滑作用。

2.1.3 摩擦組元

為補(bǔ)償潤(rùn)滑組元降低摩擦因數(shù)的影響，銅基制動(dòng)材料中添加摩擦組元用于調(diào)節(jié)摩擦因數(shù)，起著增摩、耐磨和抗卡滯等作用，還可消除制動(dòng)材料向制動(dòng)盤表面的轉(zhuǎn)移。常見的摩擦組元有Al2O3、SiO2、SiC、ZrO2等，其中Al2O3和SiO2最常被用于銅基制動(dòng)材料中，相關(guān)研究也較豐富。為探尋新型摩擦組元，將B4C、膨脹蛭石、莫來石等非金屬作為摩擦組元加入銅基制動(dòng)材料，B4C可通過提高材料的變形抗力而提升硬度、摩擦因數(shù)及耐磨性[26]，添加一定量的膨脹蛭石可增加材料的摩擦因數(shù)[27]，加入藍(lán)晶石煅燒莫來石的材料具有良好的摩擦學(xué)性能[28]。SiO2、Al2O3等非金屬與銅基體的基本屬性相差較大，潤(rùn)濕性差，與基體形成機(jī)械結(jié)合界面而容易脫落。為改善硬質(zhì)相和基體的結(jié)合，趙翔等[29, 30]提出添加鐵合金作為摩擦組元，以提高銅基制動(dòng)材料的強(qiáng)度和摩擦磨損性能。與Al2O3的作用相比，添加Cr-Fe為摩擦組元，銅基制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)、摩擦穩(wěn)定度與耐磨性分別提高12%～27%、10%～20%和20%～70%[29]。Mo-Fe可通過增強(qiáng)銅基體抗軟化能力、降低犁削程度，進(jìn)而改善銅基制動(dòng)材料的耐磨性[30]。另外，針對(duì)SiO2、Al2O3等摩擦組元硬度高、導(dǎo)熱性及塑性差導(dǎo)致制動(dòng)材料嚴(yán)重刮傷制動(dòng)盤的問題，赫曉東等[31]提出采用Cr2AlC、Ti2AlC作為摩擦組元，開發(fā)了具有導(dǎo)熱性能好、摩擦因數(shù)穩(wěn)定、磨損率低及對(duì)制動(dòng)盤磨損小等特征的銅基制動(dòng)材料。為深層次探究摩擦組元與基體所形成界面和摩擦磨損性能的關(guān)聯(lián)性，周海濱等[32]從微觀界面角度出發(fā)，揭示了界面的形成機(jī)理，并解釋了摩擦組元的作用機(jī)制。

2.1.4 組元表面改性及組元復(fù)合化

粉末冶金制動(dòng)材料的孔隙可作為“第四組元”看待，其分布、大小及形狀等對(duì)材料的性能有著重要影響，高孔隙率的材料表現(xiàn)出機(jī)械強(qiáng)度低、耐磨性差及摩擦因數(shù)不穩(wěn)定等特征[33]。為控制孔隙率，對(duì)組元進(jìn)行表面鍍銅改性，可提高材料的綜合性能。采用覆銅鐵粉可顯著提高銅基制動(dòng)材料的強(qiáng)度及力學(xué)性能，降低材料的磨損，維持高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)[34]。陶瓷摩擦組元的表面鍍銅可改善陶瓷相與基體間的結(jié)合效果，從而提高銅基制動(dòng)材料的強(qiáng)度及摩擦學(xué)性能[35]。

目前，多數(shù)工作從單一組元的含量或特性變化來研究銅基制動(dòng)材料的性能，而多組元復(fù)合作用及機(jī)理的研究較少，但材料設(shè)計(jì)已傾向于多組元復(fù)合化來提高銅基制動(dòng)材料的性能。曾昭鋒[36]提出的多組元陶瓷增強(qiáng)銅基制動(dòng)材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能、耐熱性能和抗彎強(qiáng)度。許成法等[37]在銅基制動(dòng)材料中添加Ni和β-SiC，所得材料的摩擦因數(shù)為0.45～0.53，磨損率為0.06×10-7～0.18×10-7cm3/J，制動(dòng)平穩(wěn)。張學(xué)良等[38]研究了不同Al2O3與SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對(duì)銅基制動(dòng)材料性能的影響，隨著Al2O3含量的增加，材料的硬度增加，材料在低速下的摩擦因數(shù)降低而耐磨性升高，高速下耐磨性先升高后降低。在SiC和石墨顆?；祀s增強(qiáng)的銅基制動(dòng)材料中，SiC起著較好的硬質(zhì)點(diǎn)承載作用，石墨顆粒發(fā)揮潤(rùn)滑減摩作用，二者的協(xié)同效應(yīng)可明顯提高材料的耐磨性[39]，同時(shí)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)Al2O3和Fe的協(xié)同作用可以穩(wěn)定材料的摩擦磨損性能[40]。

2.1.5組元環(huán)保化、簡(jiǎn)易化

為推動(dòng)環(huán)保型制動(dòng)閘片的開發(fā)，鐵路標(biāo)準(zhǔn)[41, 42]規(guī)定高速列車制動(dòng)材料不應(yīng)使用石棉、鉛及化合物等有害物質(zhì)，還不應(yīng)使用制動(dòng)過程中產(chǎn)生有害健康或讓乘客感到不舒適的灰塵、顆?；驓怏w的組元。同時(shí)，為減輕制動(dòng)材料對(duì)制動(dòng)盤的損傷，提高材料的導(dǎo)熱性及制動(dòng)穩(wěn)定性，鐵路標(biāo)準(zhǔn)約束了高速列車粉末冶金制動(dòng)材料中W，Cr，Zr，Al和Si元素的含量，其中W，Cr，Zr 3種元素的總含量不應(yīng)超過10%，Si元素的含量不應(yīng)大于1%，Al和Si元素的總含量不應(yīng)超過1%?，F(xiàn)有高速列車粉末冶金制動(dòng)材料基本滿足不含有害物質(zhì)的環(huán)保要求，但部分產(chǎn)品未能滿足Al，Si等元素含量的要求，從而推動(dòng)材料設(shè)計(jì)過程中新組元的篩選、組元成分及含量的優(yōu)化。此外，已有高速列車粉末冶金制動(dòng)材料的組元過于繁雜，有的材料由十幾種組元構(gòu)成，使得影響材料性能的因素增加。為實(shí)現(xiàn)工藝可控，保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定，降低生產(chǎn)工藝復(fù)雜性，姚萍屏[43]提出了一種超簡(jiǎn)組元的高速列車粉末冶金制動(dòng)材料，避開貴重金屬元素的使用，該材料組分簡(jiǎn)易、工藝簡(jiǎn)單、成本較低，滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，可適用于多速度級(jí)的高速列車。

2.2 制備技術(shù)

由于制備工藝成熟、簡(jiǎn)單，又可保證材料具備高的強(qiáng)度，大多數(shù)高速列車粉末冶金制動(dòng)材料的制備采用鐘罩爐加壓燒結(jié)技術(shù)，其基本工序?yàn)椋涸匣旌稀旌狭蠅褐瞥尚汀鷫号髋c鍍銅鋼背板加壓燒結(jié)成一體→燒結(jié)產(chǎn)品機(jī)加工。

目前，該制備技術(shù)的研究主要集中于工藝參數(shù)和方法的優(yōu)化。為避免混合料成分偏析，曲選輝等[44]采用粘結(jié)化工藝制備銅基制動(dòng)材料，顯著改善粉末混合的均勻性，有利于材料的成分與密度均勻分布。作為加壓燒結(jié)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一，粉末壓制影響著壓坯的密度及其分布，壓坯密度的增加有助于提高銅基制動(dòng)材料的各項(xiàng)性能。在壓制過程，影響壓坯密度的因素有壓制壓力、加壓速度、模具表面粗糙度等。壓制壓力直接影響著壓坯的密度，隨著壓制壓力增加，壓坯密度先急增后緩增，但受設(shè)備條件限制，壓制壓力不可能無限增加，在一定程度上增加壓制次數(shù)可以提高壓坯密度[45, 46]。此外，加壓速度不可太快，保壓時(shí)間不可太短，否則粉末顆粒難以充分填充空隙，導(dǎo)致壓坯彈性后效增加，壓坯密度降低[47]。

燒結(jié)是加壓燒結(jié)技術(shù)中最關(guān)鍵的工序。前工序所造成的缺陷可在燒結(jié)過程獲得補(bǔ)救，但燒結(jié)因素導(dǎo)致的缺陷將可能產(chǎn)生最終廢品。影響銅基制動(dòng)材料性能的燒結(jié)工藝參數(shù)包括燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、燒結(jié)氣氛和保溫時(shí)間等。隨著燒結(jié)溫度升高，銅基制動(dòng)材料的硬度逐漸增加，抗拉強(qiáng)度和密度先升高后降低，磨損量先減小后增加，摩擦因數(shù)逐漸降低[48]；隨著燒結(jié)壓力增大，銅基制動(dòng)材料的硬度得到提高，摩擦因數(shù)和磨損率均逐漸減小，但繼續(xù)增加燒結(jié)壓力對(duì)材料的摩擦磨損性能和硬度的影響不大[49]。毛凱等[50]的研究發(fā)現(xiàn)，H2氣氛下燒結(jié)的銅基制動(dòng)材料擠壓強(qiáng)度最低、摩擦因數(shù)波動(dòng)較大；N2氣氛下燒結(jié)的材料擠壓強(qiáng)度最大；N2和H2混合氣氛下燒結(jié)的材料摩擦因數(shù)穩(wěn)定、磨損量較小。

工藝創(chuàng)新是制動(dòng)材料產(chǎn)業(yè)化的必要條件，通過新工藝的實(shí)施，制動(dòng)材料性能的一致性和可靠性得到保證，此外，在改善或保證產(chǎn)品性能的前提下，應(yīng)探索和尋求實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和新制造工藝有機(jī)結(jié)合的途徑。與傳統(tǒng)粉末冶金方法相比，采用放電等離子燒結(jié)(SPS)方法制備的材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦因數(shù)和耐磨性，但SPS法成本高[51]。為減少經(jīng)濟(jì)損失、節(jié)約成本，劉彥偉等[52]對(duì)銅基摩擦片進(jìn)行修復(fù)與再制造，修復(fù)后產(chǎn)品的微觀組織、硬度和摩擦因數(shù)均與待修復(fù)樣品接近。為將原有鐘罩爐加壓燒結(jié)法改進(jìn)為連續(xù)燒結(jié)，吳成義等[53]發(fā)明了一種高速重載剎車片的連續(xù)加壓燒結(jié)裝置及其燒結(jié)工藝，與鐘罩爐相比，該裝置的自動(dòng)化水平高、生產(chǎn)效率高、能量消耗低、產(chǎn)品質(zhì)量高、性能均勻穩(wěn)定、生產(chǎn)環(huán)境大為改善。陳進(jìn)添[54]借鑒金屬基自潤(rùn)滑材料的制備技術(shù)，提出了一種連續(xù)無壓燒結(jié)技術(shù)，采用網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)爐或步進(jìn)式連續(xù)燒結(jié)爐生產(chǎn)的銅基制動(dòng)材料質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高。

3 摩擦磨損性能的研究現(xiàn)狀

高速列車粉末冶金制動(dòng)材料性能優(yōu)劣，主要由摩擦磨損性能參數(shù)來表征。由于制動(dòng)過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，材料的摩擦學(xué)行為不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，還與材料的匹配性、服役條件等有關(guān)。近年來，針對(duì)服役條件對(duì)高速列車粉末冶金制動(dòng)材料摩擦特性的影響、閘片/制動(dòng)盤匹配性、摩擦磨損機(jī)理及摩擦特性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)行了研究與分析。

3.1 服役條件的影響

高速列車制動(dòng)材料工作于開放式的大氣環(huán)境中，服役環(huán)境多變且復(fù)雜，制動(dòng)過程存在著制動(dòng)壓力波動(dòng)、速度變化及雨雪環(huán)境等狀況，因此，材料的摩擦磨損性能不僅取決于材料的成分與組織，還受服役條件如制動(dòng)速度、壓力、雨雪環(huán)境等因素的影響。基于列車制動(dòng)的安全性與舒適性，探究服役條件與摩擦磨損性能之間的關(guān)系也成為銅基制動(dòng)材料的重要研究工作。

制動(dòng)壓力主要通過改變真實(shí)接觸面積來影響材料的摩擦磨損性能，制動(dòng)速度對(duì)摩擦磨損性能的影響主要取決于表面溫度狀況。劉聯(lián)軍等[55]研究發(fā)現(xiàn)，列車的動(dòng)能與速度的平方成正比，隨著制動(dòng)速度的提高，制動(dòng)能量迅速增加，表面溫度升高，銅基制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)先增大后減小，銅基體的軟化增加了材料磨損。王毅等[56]進(jìn)一步研究了制動(dòng)速度對(duì)銅基制動(dòng)材料摩擦因數(shù)的影響，當(dāng)速度小于180 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)維持在0.41～0.46范圍內(nèi)；當(dāng)速度達(dá)到200 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)降至0.32。張俊峰等[57]的研究也表明，隨著制動(dòng)速度的增大，摩擦表面產(chǎn)生大量的摩擦熱，銅基體軟化，表面微凸體遭到破壞，摩擦因數(shù)降低、磨損量增加。由于制動(dòng)材料表面存在粗糙度和波紋度，材料制動(dòng)過程發(fā)生在表面不連續(xù)的微凸體上，制動(dòng)壓力的增加較有利于增加實(shí)際接觸面積，根據(jù)分子-機(jī)械摩擦理論[58]，當(dāng)制動(dòng)壓力較小時(shí)，制動(dòng)壓力的增長(zhǎng)率不及實(shí)際接觸面積的增加率，從而摩擦因數(shù)上升；當(dāng)制動(dòng)壓力增加到一定值時(shí)，實(shí)際接觸面積接近于名義接觸面積而增幅較小，導(dǎo)致摩擦因數(shù)隨制動(dòng)壓力的升高而降低。朱旭光等[59]研究得出，當(dāng)制動(dòng)速度不變時(shí)，隨著制動(dòng)壓力的增加，銅基制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)先增加后減小，磨損量增大并逐漸趨于穩(wěn)定。孫紅艷等[60]的研究也表明，當(dāng)制動(dòng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，隨著壓力的提高，銅基制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)降低而磨損增加。

在實(shí)際工作中，高速列車制動(dòng)材料還受到雨雪風(fēng)沙等天氣的影響。韓曉明等[61]采用定速摩擦試驗(yàn)機(jī)，研究了干、濕條件下銅基制動(dòng)材料的摩擦磨損性能，制動(dòng)速度較低，水起著隔離與潤(rùn)滑作用，濕態(tài)下的摩擦因數(shù)低于干態(tài)下的摩擦因數(shù)，而當(dāng)制動(dòng)速度提高時(shí)，水又起著冷卻作用，降低基體軟化程度，濕態(tài)下的摩擦因數(shù)反而高于干態(tài)的摩擦因數(shù)。符蓉等[62]發(fā)現(xiàn)潮濕工況可明顯降低銅基制動(dòng)材料在低速下的摩擦因數(shù)，較小影響高速下的摩擦因數(shù)。陳澍軍等[63]采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試銅基制動(dòng)材料潮濕工況下的摩擦性能，與干態(tài)相比，在水的冷卻和潤(rùn)滑作用下，潮濕條件下的平均摩擦因數(shù)明顯下降并產(chǎn)生波動(dòng)；當(dāng)制動(dòng)速度較高且制動(dòng)壓力較低時(shí)，材料在潮濕工況下獲得較高的平均摩擦因數(shù)。錢坤才等[64]采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)探討了在高寒雨雪條件下銅基制動(dòng)材料的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)冰雪鑲嵌著的外來硬質(zhì)顆粒刮擦制動(dòng)盤，導(dǎo)致材料的摩擦因數(shù)隨制動(dòng)壓力的增加而升高，當(dāng)制動(dòng)速度小于160 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)隨速度提高而增大，制動(dòng)速度高于160 km/h時(shí)產(chǎn)生的大量摩擦熱使摩擦表面的冰雪熔化，摩擦因數(shù)基本不受速度影響。吳射章等[65]模擬低溫造雪環(huán)境，采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了銅基制動(dòng)材料的緊急制動(dòng)及持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn)，緊急制動(dòng)條件下，材料的平均摩擦因數(shù)隨制動(dòng)速度和制動(dòng)壓力的升高曲折升高，低壓持續(xù)制動(dòng)時(shí)，材料的平均摩擦因數(shù)受接觸表面帶冰膜的摩擦膜影響，摩擦因數(shù)波動(dòng)較大。

3.2 閘片/制動(dòng)盤匹配性

高速列車摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能不僅取決于閘片及制動(dòng)盤材料本身的基本性質(zhì)，還取決于閘片與制動(dòng)盤兩者材料結(jié)構(gòu)和性能之間的匹配性。若匹配不當(dāng)，將導(dǎo)致制動(dòng)盤溫度場(chǎng)/應(yīng)力場(chǎng)分布不均、摩擦振動(dòng)/噪聲加劇和閘片/制動(dòng)盤材料過度磨損等問題，直接影響摩擦副的制動(dòng)性能及制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性、平穩(wěn)性、舒適性和使用壽命。如李建熹等[66]采用一種銅基制動(dòng)材料與鍛鋼制動(dòng)盤配副，摩擦副的摩擦界面出現(xiàn)粘著撕裂和犁削、剝落、磨屑堆積等現(xiàn)象，連續(xù)激勵(lì)接觸界面而加劇了摩擦系統(tǒng)的不穩(wěn)定振動(dòng)，誘導(dǎo)出高強(qiáng)度制動(dòng)尖叫噪聲的產(chǎn)生。

圖2 閘片/制動(dòng)盤的匹配性研究[68]Fig.2 Research on adaptability of brake pads/disc: (a) brake disc，(b) brake pad A，(c) brake pad B，(d) brake pad C[68]

隨著高速列車技術(shù)的不斷發(fā)展，高速列車制動(dòng)閘片及制動(dòng)盤的市場(chǎng)也逐步開放化，越來越多的新型粉末冶金制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤投入使用，而新開發(fā)的閘片和制動(dòng)盤能否良好匹配成為一個(gè)亟待解決的問題。Jayashree等[67]選用3種馬氏體鋼與銅基制動(dòng)材料進(jìn)行摩擦配對(duì)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)的摩擦副摩擦磨損性能差異較大，說明了選擇合適的制動(dòng)盤材質(zhì)對(duì)于摩擦副的重要性。如圖2所示，王飛等[68]采用3種已批量運(yùn)用的銅基粉末冶金閘片(閘片A、閘片B及閘片C)分別與同一鑄鋼制動(dòng)盤進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明閘片A與制動(dòng)盤形成的摩擦副具有最穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，選用該閘片完成了60萬千米的載客運(yùn)用考核，制動(dòng)盤表面無劃痕、熱斑、劃傷等現(xiàn)象，閘片狀態(tài)良好。王東星等[69]采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)比較了同一銅基粉末冶金閘片與兩種不同制動(dòng)盤匹配摩擦性能，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)摩擦因數(shù)進(jìn)行了分析，指出了兩種摩擦副的匹配性優(yōu)劣，并判斷了摩擦副的可換性。為開發(fā)新型制動(dòng)盤，Stadler等[70]開展了C/C-SiC復(fù)合材料與銅基制動(dòng)材料的匹配性研究，以適應(yīng)高速列車向高速化、輕量化方向發(fā)展。

3.3 特性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

摩擦磨損性能的評(píng)價(jià)是高速列車粉末冶金制動(dòng)材料配方研究、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、質(zhì)檢控制、產(chǎn)品認(rèn)證等過程中的關(guān)鍵工作。一般來說，銅基制動(dòng)材料的開發(fā)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，從材料配方基礎(chǔ)研究到正式產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證，經(jīng)歷小樣試驗(yàn)(縮比試驗(yàn))→1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)→實(shí)際運(yùn)用考核試驗(yàn)。

在銅基制動(dòng)材料的研制初期，采用尺寸較小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的試樣(即縮比試樣)，應(yīng)用小樣摩擦試驗(yàn)機(jī)(如MM-1000摩擦試驗(yàn)機(jī))來評(píng)價(jià)材料的摩擦磨損性能，研究組元、制備技術(shù)及模擬服役條件等對(duì)材料摩擦磨損性能的影響[71]，可初步確定材料的成分及其含量、制備工藝參數(shù)等，獲得不同條件下的摩擦磨損機(jī)理，保證測(cè)試的準(zhǔn)確性和迅速反應(yīng)能力，有利于縮短研制進(jìn)程，降低材料開發(fā)費(fèi)用，確保產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用功能的預(yù)見性和準(zhǔn)確性。但縮比試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)范圍小且有限，對(duì)高速列車制動(dòng)材料的實(shí)際工況模擬性差，因而其測(cè)試結(jié)果不足以全面及正確評(píng)價(jià)材料的摩擦磨損性能。

1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)是采用制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤實(shí)物為試驗(yàn)件，利用飛輪等量模擬高速列車的行駛動(dòng)能(承受的軸重一樣)，在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)模擬高寒、雨雪潮濕等復(fù)雜工況，測(cè)試材料在不同制動(dòng)速度及壓力下的摩擦因數(shù)、磨損量、制動(dòng)平穩(wěn)性、制動(dòng)距離、制動(dòng)噪聲、制動(dòng)盤表面溫度等摩擦學(xué)特性。工況模擬更接近高速列車的實(shí)際狀態(tài)，可更全面、科學(xué)地評(píng)價(jià)銅基制動(dòng)材料的摩擦磨損性能。因此，1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)是評(píng)價(jià)材料摩擦磨損性能試驗(yàn)中權(quán)威性的試驗(yàn)，被廣泛應(yīng)用于高速列車制動(dòng)閘片的匹配性研究、新品開發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證及認(rèn)證。隨著高速列車的高速化發(fā)展，對(duì)于制動(dòng)材料的性能要求也隨之提高，1977年國際鐵路聯(lián)盟制定了首版列車制動(dòng)材料的1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)規(guī)范，到2017年已更新至第八版，規(guī)范對(duì)于材料所具備的特性要求不斷提高，材料的瞬時(shí)摩擦因數(shù)與平均摩擦因數(shù)的公差范圍變窄，摩擦因數(shù)盡可能不受磨合程度、壓力、溫度和環(huán)境條件的影響，在潮濕或有雪的情況下，瞬時(shí)摩擦因數(shù)相對(duì)于干燥條件下只有微小的變化，一旦破壞性環(huán)境影響消除，摩擦因數(shù)必須立即恢復(fù)到干燥條件下的數(shù)值[41]。國內(nèi)，鐵路總公司制定了高速列車制動(dòng)材料的1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范，用于評(píng)價(jià)材料的摩擦磨損性能[42]，如圖3所示，技術(shù)規(guī)范約束了300～350 km/h及以上高速列車粉末冶金制動(dòng)材料干燥條件下的摩擦因數(shù)。但與國際鐵路聯(lián)盟所制定的要求相比，國內(nèi)的技術(shù)要求還較寬泛，如無靜摩擦因數(shù)及潮濕環(huán)境下摩擦因數(shù)的技術(shù)要求。同時(shí)，我國高速列車車型多，擁有多家主機(jī)廠，而各主機(jī)廠均制定了制動(dòng)材料的技術(shù)規(guī)范，這對(duì)于材料摩擦學(xué)性能的評(píng)價(jià)測(cè)試存在多重要求。為此，鐵路總公司已著手制定統(tǒng)一的高速列車制動(dòng)材料技術(shù)規(guī)范，不斷提高材料性能的一致性、穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性等要求，形成一套標(biāo)準(zhǔn)的高速列車制動(dòng)材料摩擦磨損性能評(píng)價(jià)規(guī)范。

圖3 300～350 km/h及以上高速列車粉末冶金制動(dòng)材料干燥條件下的瞬時(shí)摩擦因數(shù)公差(a)和平均摩擦因數(shù)公差(b)[42]Fig.3 Tolerances for the instantaneous coefficient of friction (a) and average coefficient of friction (b) of powder metallurgical brake pads for high-speed trains with the maximum speed of 300～350 km/h and above under dry conditions[42]

作為高速列車的關(guān)鍵部件，鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求高速列車粉末冶金制動(dòng)材料必須進(jìn)行裝車運(yùn)行考核，進(jìn)行緊急制動(dòng)試驗(yàn)并符合要求，至少考核一個(gè)全壽命周期和一年。如表1所示，我國《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》[72]規(guī)定了高速列車粉末冶金制動(dòng)材料在干態(tài)平直軌道上(坡度在±4 mm/m內(nèi)，曲線不小于R3000 m)不同制動(dòng)速度下的緊急制動(dòng)距離限值。運(yùn)用考核可以直接體現(xiàn)粉末冶金制動(dòng)材料運(yùn)用的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、可靠性，是鑒定材料使用性能的最直接方法，可全面反映閘片使用過程所存在的問題，考察材料長(zhǎng)期可靠性及與制動(dòng)盤的匹配性，運(yùn)用考核中要求材料不應(yīng)出現(xiàn)掉塊、裂紋、變形或者由于閘片質(zhì)量問題造成制動(dòng)盤損傷的現(xiàn)象。

表1不同制動(dòng)速度下的緊急制動(dòng)距離限值[72]

Table1Maximumacceptablebrakingdistancesat200, 250, 300and350km/h[72]

Initial stop-braking speeds/(km/h)Maximum acceptable braking distances/m2002000250320030038003506500

在1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)規(guī)范中，國際鐵路聯(lián)盟和國內(nèi)鐵路標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定粉末冶金制動(dòng)材料的磨耗量不應(yīng)超過0.35 cm3/MJ，適用于多速度等級(jí)的高速列車，而材料的運(yùn)用考核暫未規(guī)定磨耗壽命限值。由于高速列車制動(dòng)材料的實(shí)際服役環(huán)境復(fù)雜苛刻，常容易出現(xiàn)掉塊、裂損、掉渣及異常磨損等現(xiàn)象，因而需研究這些材料的異常問題與安全制動(dòng)性能的關(guān)系，制定相應(yīng)異?，F(xiàn)象的允許值。日本Naoki等[73]研究了E233系高速列車制動(dòng)材料的磨損規(guī)律，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定了閘片的更換標(biāo)準(zhǔn)，降低了維修保養(yǎng)成本、提高了資源利用率。梁宵等[74]提出一種改進(jìn)的馬爾科夫模型來預(yù)測(cè)高速列車粉末冶金制動(dòng)材料壽命，以提高材料壽命的預(yù)測(cè)精度。廖濤[75]采集高速列車粉末冶金制動(dòng)材料的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過磨損量估算技術(shù)的研究，建立了一種材料磨耗量估算模型。磨損圖的建立可成為預(yù)測(cè)給定服役條件下高速列車粉末冶金制動(dòng)材料壽命的重要工具，將材料摩擦磨損性能的信息簡(jiǎn)單直觀地呈現(xiàn)于圖中，有效評(píng)判材料在不同制動(dòng)條件下的摩擦磨損性能[76]。

3.4 摩擦磨損機(jī)理

制動(dòng)材料的磨損伴隨摩擦存在，有摩擦就有磨損，有磨損并不意味磨損失效，從磨損到磨損失效是一個(gè)由量變到質(zhì)變及存在著磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變的過程。高速列車粉末冶金制動(dòng)材料的磨損失效分析是研究和解決磨損問題的前提和關(guān)鍵，首先必須揭示造成材料磨損的原因，即研究摩擦磨損機(jī)理。董守軍[77]探討了制動(dòng)速度對(duì)銅基制動(dòng)材料摩擦磨損機(jī)理的影響，制動(dòng)速度較低時(shí)，材料表面溫度低，表面組織基本沒有變化，摩擦作用主要以克服嚙合為主，摩擦因數(shù)較高；當(dāng)制動(dòng)速度提高，表面材料因溫度升高而塑性變形及磨料的壓入，摩擦接觸面積增大，磨損機(jī)理以磨粒為主，摩擦因數(shù)降低；進(jìn)一步提高制動(dòng)速度，摩擦表面溫度升高，材料產(chǎn)生氧化，氧化膜破裂而新生表面又產(chǎn)生氧化，材料的硬質(zhì)相脫離并參與摩擦，磨損機(jī)理轉(zhuǎn)為氧化磨損、材料剝落及磨粒磨損。Peng等[71]研究表明，當(dāng)制動(dòng)速度低于250 km/h時(shí)，銅基制動(dòng)材料的磨損機(jī)理以磨粒磨損、材料犁削及氧化磨損為主，當(dāng)制動(dòng)速度達(dá)到380 km/h時(shí)，材料表面溫度急劇升高，材料發(fā)生軟化及熔化，表面形成一層金屬熔化膜，摩擦因數(shù)降低。Xiao等[3]采用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試銅基制動(dòng)材料的制動(dòng)性能并分析了材料的摩擦磨損機(jī)理，在制動(dòng)過程中摩擦表面產(chǎn)生了大量的摩擦熱，導(dǎo)致材料氧化，并在熱-力耦合作用下，材料產(chǎn)生裂紋，裂紋向材料表面擴(kuò)展，導(dǎo)致材料剝落，材料的磨損機(jī)制主要為氧化磨損和剝層磨損(如圖4所示)。

圖4 粉末冶金制動(dòng)材料摩擦表面 (a) 及亞表面 (b，c) SEM照片[3]Fig.4 SEM images of the worn surface (a) and the subsurface regions (b, c)[3]

針對(duì)材料摩擦磨損機(jī)理的研究，1984年Godet引入了第三體的概念[78]，提出的第三體為覆蓋于摩擦表面的磨屑所形成的摩擦膜或摩擦轉(zhuǎn)移膜。目前，研究第三體的組織特征、第三體與摩擦磨損性能的關(guān)系等成為揭示銅基制動(dòng)材料摩擦磨損機(jī)理的重要研究方向。Peng等[79]研究發(fā)現(xiàn)銅基制動(dòng)材料的制動(dòng)穩(wěn)定性與表面第三體的產(chǎn)生和消耗有關(guān)，當(dāng)?shù)谌w減少時(shí)，材料表面缺少摩擦膜的保護(hù)，材料的摩擦因數(shù)不穩(wěn)定且磨損量高。韓曉明等[80]研究了制動(dòng)壓力、第三體與摩擦性能的關(guān)系，制動(dòng)壓力的提高有利于形成緊密的第三體，材料的磨損量變化不明顯。符蓉等[81]的研究表明，當(dāng)制動(dòng)速度降低時(shí)，表面第三體產(chǎn)生破碎、剝落，銅基制動(dòng)材料的機(jī)械嚙合力增加，摩擦因數(shù)升高。采用仿真技術(shù)獲得銅基制動(dòng)材料在制動(dòng)過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，可分析制動(dòng)過程的穩(wěn)定性，有利于揭示材料的失效機(jī)制。夏毅敏等[82]利用ANSYS軟件建立了高速列車制動(dòng)閘片的熱-力耦合三維仿真模型，得到了制動(dòng)過程中閘片的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布規(guī)律。王磊等[83]通過1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了采用ANSYS軟件建立的高速列車制動(dòng)閘片循環(huán)對(duì)稱有限元三維模型的正確性。王峰[84]利用ABAQUS/Standard模塊，采用熱-機(jī)耦合法計(jì)算了摩擦副界面溫度場(chǎng)的分布，研究了摩擦界面摩擦與振動(dòng)行為，探討了摩擦界面行為的變化規(guī)律，進(jìn)一步闡述了摩擦特性及機(jī)理的變化。

4 結(jié) 語

隨著高速列車行駛速度和人們對(duì)安全、舒適、環(huán)保要求的不斷提高，只有強(qiáng)化粉末冶金制動(dòng)材料基礎(chǔ)理論的研究，發(fā)展新材料、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)才能適應(yīng)高速列車發(fā)展的需要。為跟上高鐵裝備的現(xiàn)代化步伐，近年來在高速列車粉末冶金制動(dòng)材料研究領(lǐng)域已取得了系列進(jìn)展，加深了材料組元的基礎(chǔ)研究，從微觀角度研究組元的影響，提出了組元復(fù)合化、環(huán)保化及簡(jiǎn)易化的材料設(shè)計(jì)理念，從設(shè)計(jì)源頭實(shí)現(xiàn)工藝可控性和低成本化；結(jié)合加壓燒結(jié)與連續(xù)燒結(jié)的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化制備技術(shù)，不斷提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；為保證制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，研究了閘片/制動(dòng)盤的匹配性，前瞻性地開展了粉末冶金制動(dòng)材料與其它新型材料的匹配研究；由縮比試驗(yàn)到1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)，深層次地分析了復(fù)雜服役條件對(duì)摩擦磨損性能的影響，揭示了摩擦磨損機(jī)理；開展了材料壽命預(yù)測(cè)模型的研究，為規(guī)范材料性能的一致性、穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性等要求，建立了科學(xué)的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，且標(biāo)準(zhǔn)緊跟高速列車新技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。