一種銅基粉末冶金閘片壽命提升的研究

王日藝 李夢(mèng)南 劉小松 張羽

摘要：本文介紹了一種銅基粉末冶金閘片的壽命提升研究工作的過程。因其運(yùn)用過程中使用壽命低于設(shè)計(jì)預(yù)期，故開展該項(xiàng)研究工作，通過對(duì)使用閘片的分析研究，認(rèn)為閘片中非金屬與基體組分的結(jié)合力偏小導(dǎo)致非金屬石墨過早的剝離是造成閘片壽命偏低的主要原因，隨后針對(duì)燒結(jié)工藝中的直接影響因素進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的閘片開展試驗(yàn)，最終試驗(yàn)結(jié)果表明本次研究工作的效果是顯著的，在閘片摩擦系數(shù)不變的情況下壽命提升了40%以上。

關(guān)鍵詞：粉末冶金閘片;壽命;燒結(jié)工藝;摩擦系數(shù)

1? 背景介紹

閘片是軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，粉末冶金閘片具有良好的耐磨性、導(dǎo)熱性和耐熱性，且摩擦系數(shù)穩(wěn)定性受天氣影響比較小，近年來在高速列車中得到越來越廣泛的應(yīng)用。近期，投入運(yùn)用數(shù)月的某動(dòng)車組車輛中發(fā)現(xiàn)其閘片磨耗較為異常，該動(dòng)車組列車使用的是新研制的一種銅基粉末冶金閘片，根據(jù)現(xiàn)車的調(diào)研測(cè)量情況來預(yù)測(cè)閘片的壽命是低于設(shè)計(jì)預(yù)期的。為此，我們開展該型閘片的壽命提升研究的工作，本文將從現(xiàn)車閘片的分析、壽命改進(jìn)提升方案、改進(jìn)后的試驗(yàn)等幾方面詳細(xì)介紹研究工作。

2? 現(xiàn)車閘片分析

為了排除閘片本身存在制造質(zhì)量問題，首先對(duì)現(xiàn)車閘片進(jìn)行性能分析。對(duì)壽命最短的閘片進(jìn)行取樣分析，其物理力學(xué)性能數(shù)據(jù)詳見表1，檢測(cè)結(jié)果表明閘片的力學(xué)性能是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的;同時(shí)，試驗(yàn)表明閘片的實(shí)測(cè)磨耗量為0.04cm3/MJ，滿足標(biāo)準(zhǔn)0.2cm3/MJ要求。

隨后，對(duì)使用后的閘片進(jìn)行電鏡分析以進(jìn)一步查找壽命偏低的原因。分析結(jié)果顯示：

①閘片摩擦表面凹凸不平，呈不連續(xù)的狀態(tài)，閘片摩擦體表面在高溫下受到碾壓，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，呈密集的連續(xù)排布，各種組分排列不規(guī)則，如圖1、圖2所示。

②閘片表面鐵元素呈密集的片狀分布，如圖3所示。

③閘片表面氧化較為嚴(yán)重，如圖4所示。

現(xiàn)車閘片的電鏡分析顯示：閘片摩擦體表面石墨剝離、氧化嚴(yán)重;進(jìn)一步分析認(rèn)為：摩擦體的石墨與基體組分結(jié)合力偏小，在制動(dòng)過程中石墨出現(xiàn)剝離，導(dǎo)致閘片與制動(dòng)盤表面接觸面積減小而溫度升高;同時(shí)閘片失去石墨的潤(rùn)滑作用導(dǎo)致出現(xiàn)磨粒磨損使界面溫度進(jìn)一步升高，進(jìn)而導(dǎo)致表面氧化加劇，形成惡性循環(huán)，磨耗加劇。

3? 壽命改進(jìn)提升方案

通過對(duì)現(xiàn)車閘片的相關(guān)分析可以看出，閘片本身的性能參數(shù)不存在問題，但是閘片摩擦體中石墨與基體組分結(jié)合力偏小而導(dǎo)致了磨耗加劇。研究表明[1]～[2]：

①粉末冶金材料燒結(jié)后的組織結(jié)構(gòu)、原料之間的結(jié)合力很大程度上取決于燒結(jié)的溫度，燒結(jié)溫度過低時(shí)形成合金組織緩慢，且組織不均勻，金屬基體與非金屬之間缺乏牢固的粘接，非金屬顆粒在使用過程中容易產(chǎn)生剝落。

②燒結(jié)壓力在增加達(dá)到某一特定值后，材料的性能也會(huì)趨于穩(wěn)定。

③燒結(jié)時(shí)間對(duì)燒結(jié)過程和擴(kuò)散過程的完成有著重要的影響，決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，可影響材料金屬基體的形成并決定材料的均勻性，也直接影響摩擦體與鋼背的粘接強(qiáng)度。

根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，摩擦體中含有較多的非金屬成分，會(huì)大大降低粉料的壓縮性，在燒結(jié)過程中，壓胚發(fā)生體積長(zhǎng)大，從而使壓件易于出現(xiàn)分層及裂紋，故增加燒結(jié)溫度、延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間、加大燒結(jié)壓力可以促進(jìn)摩擦材料各組分之間的擴(kuò)散結(jié)合，增加產(chǎn)品導(dǎo)熱性，穩(wěn)定摩擦系數(shù)，降低磨耗，同時(shí)還可使鋼背與摩擦體之間的結(jié)合更加牢固。

故本次對(duì)閘片的壽命改進(jìn)提升主要從燒結(jié)工序的溫度、時(shí)間、壓力三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。隨后，按照改進(jìn)提升方案試制出樣品，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4? 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 物理力學(xué)性能檢測(cè)

改進(jìn)后的閘片物理力學(xué)性能與原閘片對(duì)比略有提高，詳見表2。閘片密度和硬度的提高，說明材料內(nèi)部孔隙度減小，材料內(nèi)部的結(jié)合力增強(qiáng)，在摩擦過程中閘片的材料更不容易剝落，有利于降低閘片的磨耗。

4.2 摩擦磨損試驗(yàn)

使用MS3000摩擦磨損性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)原閘片和改進(jìn)閘片開展對(duì)比試驗(yàn)。

MS3000試驗(yàn)機(jī)是以實(shí)際工況為模擬基礎(chǔ)，采用系統(tǒng)的多元相似原理，選擇出對(duì)制動(dòng)過程起主導(dǎo)作用的物理系數(shù)，并建立相應(yīng)的模擬試驗(yàn)方法，測(cè)試制動(dòng)器及其摩擦原件的摩擦、磨損、熱負(fù)荷及可靠性、破壞性、衰減性等摩擦特性，通過所選擇的制動(dòng)速度、制動(dòng)壓力、配制慣量、制動(dòng)次數(shù)所進(jìn)行的模擬制動(dòng)試驗(yàn)的設(shè)備。

試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的閘片磨耗量為1.04g，原閘片為1.94g，改進(jìn)后閘片磨耗量降低了約46.4%;改進(jìn)前后閘片的摩擦系數(shù)對(duì)比詳見圖6，可以看出，工藝調(diào)整后的閘片摩擦系數(shù)基本沒有發(fā)生變化，摩擦系數(shù)最大差值僅為0.021。

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出本次工藝改進(jìn)的效果的顯著的，閘片的摩擦系數(shù)沒有發(fā)生變化，但是物理性能有提升，摩擦磨損壽命有著較大的提高。

5? 總結(jié)

本次閘片壽命提升的研究工作基于其實(shí)際使用壽命低于設(shè)計(jì)預(yù)期，雖然該閘片的所有性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是給用戶帶來了損失，故我們著手開展壽命提升工作。通過對(duì)使用閘片的電鏡掃描我們分析出了壽命偏低的主要原因，隨后從影響因素上入手，調(diào)整了燒結(jié)工藝中的溫度、時(shí)間和壓力，最終改進(jìn)后的閘片在試驗(yàn)中表現(xiàn)出更為優(yōu)越的性能。

后續(xù)，我們還將持續(xù)跟蹤改進(jìn)后閘片的運(yùn)用情況以最終完善該項(xiàng)研究工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛洪超，熊翔，姚萍屏.燒結(jié)溫度對(duì)銅基粉末冶金航空剎車材料摩擦磨損行為的影響[J].非金屬礦，2006（29）：52-55.

[2]盛洪超，姚萍屏，熊翔.燒結(jié)壓力對(duì)銅基粉末冶金航空剎車材料的影響[J].潤(rùn)滑與密封，2006（11）：44-49.