制動(dòng)速度對高性能銅基制動(dòng)閘片性能的影響

魏東彬，章 林，張 鵬，吳佩芳，曹靜武，釋加才讓，丁向瑩，趙尚節(jié)，曲選輝

1)北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 100094

2)北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083

目前在最高運(yùn)行速度達(dá)350 km/h的高速鐵路列車上使用的閘片材料均為銅基粉末冶金制動(dòng)閘片，其優(yōu)異的摩擦性、良好的耐磨性和較高的導(dǎo)熱性主要來源于銅基體、摩擦組元和固體潤滑組元之間的協(xié)同作用[1-3]。隨著鐵路列車運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高，銅基制動(dòng)閘片的性能也需要得到進(jìn)一步提升。目前已有眾多的研究工作從不同的方面來提升銅基制動(dòng)閘片的性能，比如優(yōu)化閘片材料中的組元[4]，調(diào)整配方[5]以及制備工藝[6]等。然而，在改善閘片性能本身的同時(shí)，對閘片制動(dòng)性能的測試也需要進(jìn)行深入的研究。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室中評判閘片材料中某一組元或者某一制備工藝是否有效，直接來源于制動(dòng)性能的反饋。同時(shí)，由于銅基制動(dòng)閘片的組分復(fù)雜，在不同制動(dòng)條件下，閘片材料組元可能體現(xiàn)出不同的性質(zhì)，這就會(huì)對閘片材料的性能調(diào)控帶來困難。在眾多的制動(dòng)條件中，摩擦界面的滑動(dòng)速度是最為重要的影響因素之一。Su等[7]發(fā)現(xiàn)在低滑動(dòng)速度下，摩擦界面的銅能夠使摩擦系數(shù)上升，而在高速下的作用則相反。這主要是由于在低速下銅能夠增加摩擦表面的接觸面積，產(chǎn)生更大的黏著剪切阻力，而在高速下則會(huì)體現(xiàn)出潤滑特性。姚萍屏等[8-9]發(fā)現(xiàn)Fe和SiO2在低速下都能增大摩擦系數(shù)，但是SiO2卻會(huì)加劇低速下閘片材料的磨損；在高速下，F(xiàn)e和SiO2增加摩擦擦系數(shù)的作用減弱。這主要是由于Fe在高速下會(huì)氧化形成氧化膜，而SiO2則被新形成的摩擦膜所隔絕，導(dǎo)致不能發(fā)揮出增摩作用。這些研究表明，在研究銅基制動(dòng)閘片性能的時(shí)候，非常有必要在不同制動(dòng)速度下分別得出相應(yīng)的規(guī)律。韓曉明等[10]在7.8～47.1 m/s的速度范圍內(nèi)研究了銅-石墨-SiO2的摩擦磨損性能，但是這種閘片材料的成分以及試驗(yàn)速度都與實(shí)際閘片成分和應(yīng)用速度有一定差距。

因此，本文先設(shè)計(jì)制備了一種高性能的銅基粉末冶金制動(dòng)閘片，隨后在較高的速度范圍內(nèi) （180～350 km/h）研究制動(dòng)速度對制動(dòng)性能的影響。整個(gè)測試過程利用商用銅基制動(dòng)閘片做對比，這能夠使研究更具有代表性，并且對銅基制動(dòng)閘片在不同制動(dòng)速度下的性能有更加清晰的了解。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文使用兩種銅基制動(dòng)閘片材料，一種為采用傳統(tǒng)粉末冶金方法自制的高性能銅基制動(dòng)閘片，另一種為用作對比的商用350 km/h速度等級(jí)銅基閘片材料。自制銅基制動(dòng)閘片材料的成分如表1所示。原材料包括電解銅粉（99.5%純度，48～75 μm）、還原鐵粉（99%純度，<74 μm）、碳化硅（99%純度，15～38 μm）、鉻鐵合金粉末（95%純度，100～250 μm）、片狀石墨（95%純度，150～500 μm）和粒狀石墨（95%純度，150～500 μm）。首先將這些粉末在V形混料機(jī)中混合8 h；然后將混合粉末在模具中冷壓2 min成形，壓力為400 MPa；最后，在950 ℃+純氫氣氛中，熱壓燒結(jié)2 h，熱壓壓力為3 MPa；燒結(jié)完成后，待溫度降至100 ℃下取出。自制銅基制動(dòng)閘片（1#）與商用制動(dòng)閘片（2#）的背散射電子（backscattered electron，BSE）顯微組織形貌如圖1所示，其中一些典型的組元可由能譜確定，如圖1中標(biāo)注所示。1#樣品和2#樣品的密度分別為4.5 g/cm3和4.8 g/cm3。

圖1 1#自制樣品（a）和2#商用樣品（b）的背散射電子顯微形貌Fig.1 BSE images of the self-designed 1# sample (a)and the commerical 2# sample (b)

表1 自制銅基制動(dòng)閘片材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the self-designed copperbased brake pads %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用MM-1000Ⅱ型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)實(shí)驗(yàn)。制動(dòng)實(shí)驗(yàn)前，先在控制臺(tái)上設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)，隨后電機(jī)給與制動(dòng)盤一個(gè)初速度，在壓力作用下，閘片將與制動(dòng)盤接觸從而使得制動(dòng)盤停止，以此模擬列車緊急制動(dòng)時(shí)的情況。每次制動(dòng)時(shí)，將兩塊閘片對稱的安裝在夾具上，摩擦面為16 mm×25 mm的長方形面，慣量為0.4 kg·m2，平均摩擦半徑為70 mm，制動(dòng)壓力為0.48 MPa。慣量的選擇是為了在模擬制動(dòng)過程中使得閘片材料的能量吸收密度達(dá)到在1:1臺(tái)架上制動(dòng)時(shí)的能量輸入密度，制動(dòng)壓力對應(yīng)于1:1臺(tái)架制動(dòng)時(shí)的中等制動(dòng)壓力（28 kN）。對偶盤為與高鐵原裝制動(dòng)盤相同材質(zhì)的鑄鋼制動(dòng)盤。

自制閘片和商用閘片分別在4000、5300、6300、7400 r/mim條件下進(jìn)行制動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)的制動(dòng)速度分別為180、250、300、350 km/h，每個(gè)速度重復(fù)進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，取其平均值為平均摩擦系數(shù)算術(shù)平均值（μm_A）。在這一系列實(shí)驗(yàn)完成之后，測量實(shí)驗(yàn)前后閘片的重量以確定磨損量。最后，為了在極端條件下檢測自制閘片與商用閘片的性能變化，在350 km/h（7400 r/mim）的制動(dòng)速度下連續(xù)重復(fù)進(jìn)行20次制動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并且測量實(shí)驗(yàn)前后閘片的重量以確定磨損量。利用排水法測試材料密度。使用JSM-6510A型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察閘片材料的顯微組織形貌和摩擦后摩擦表面的形貌，并對相應(yīng)微區(qū)進(jìn)行能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損性能

圖2所示為1#自制閘片和2#商用閘片隨著制動(dòng)速度升高平均摩擦系數(shù)算術(shù)平均值（μm_A）的變化趨勢。由圖可知，對于1#自制閘片，當(dāng)制動(dòng)速度從180 km/h升高到250 km/h時(shí)，μm_A從0.39下降到約0.37；然后μm_A隨制動(dòng)速度的上升而上升；當(dāng)制動(dòng)速度為350 km/h時(shí)，μm_A達(dá)到約0.41。對于2#商用閘片，隨著制動(dòng)速度從180 km/h升高到250 km/h，μm_A從0.37下降到0.36；然后隨著制動(dòng)速度的繼續(xù)上升，μm_A沒有出現(xiàn)顯著變化，維持在0.36左右。在整個(gè)過程中，1#樣品的μm_A始終大于2#樣品，并且在高制動(dòng)速度下，1#樣品的μm_A變化更為顯著。

圖2 1#樣品和2#樣品的平均摩擦系數(shù)算術(shù)平均值隨制動(dòng)速度的變化Fig.2 Average friction coefficient of 1# and 2# samples with the increase of braking speed

圖3顯示了在350 km/h制動(dòng)時(shí)，1#樣品和2#樣品的瞬時(shí)摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)速隨制動(dòng)時(shí)間的變化。對于不同試樣，隨著制動(dòng)的進(jìn)行，制動(dòng)盤轉(zhuǎn)速隨時(shí)間呈線性下降，表明在模擬制動(dòng)過程中，減速度是一定的，對于不同樣品只是減速度不同，二者的主要區(qū)別體現(xiàn)在瞬時(shí)摩擦系數(shù)隨制動(dòng)時(shí)間的變化上。當(dāng)制動(dòng)開始時(shí)，瞬時(shí)摩擦系數(shù)上升到一個(gè)很高的值，然后維持一段很短的時(shí)間。由于施加的壓力以及閘片和制動(dòng)盤之間的突然接觸，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)盤收到的摩擦阻力也會(huì)突然增加。當(dāng)制動(dòng)開始時(shí)，轉(zhuǎn)速較高的制動(dòng)盤給粗糙接觸面帶來較大的剪切力，加劇摩擦表面上微凸體的破壞。隨著摩擦膜的形成和摩擦表面粗糙度的減小，摩擦力達(dá)到穩(wěn)定值。在最初制動(dòng)的4 s后，瞬時(shí)摩擦系數(shù)開始繼續(xù)上升。對于1#樣品（圖3（a）），瞬時(shí)摩擦系數(shù)在約12 s時(shí)達(dá)到頂峰（約0.5），隨后開始下降直至制動(dòng)結(jié)束；對于2#樣品（圖3（b）），瞬時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到頂峰（約0.43）后保持一段時(shí)間后開始下降。

圖3 1#樣品（a）和2#樣品（b）在350 km/h制動(dòng)速度下的瞬時(shí)摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)速隨制動(dòng)時(shí)間的變化Fig.3 Instantaneous friction coefficient and the rotational speed of 1# and 2# samples with the increase of braking time at 350 km/h

進(jìn)一步檢驗(yàn)1#樣品和2#樣品在高速（350 km/h）下連續(xù)制動(dòng)時(shí)的平均摩擦系數(shù)（μm）隨制動(dòng)次數(shù)的變化，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯鲈谡麄€(gè)制動(dòng)過程中，1#樣品的μm始終大于2#樣品，并且隨著制動(dòng)時(shí)間延長，這種差異越明顯。在最初制動(dòng)時(shí)，μm差異不明顯，這是因?yàn)殚l片剛開始用于實(shí)驗(yàn)，摩擦表面還處于原始狀態(tài)，沒有經(jīng)過摩擦膜充分的修飾。在摩擦表面發(fā)生了劇烈變化后，產(chǎn)生的摩擦膜決定μm，μm的差異也開始越來越明顯。1#自制樣品μm的波動(dòng)較大，而2#商用樣品的平均μm隨制動(dòng)次數(shù)的變化較為平穩(wěn)。μm的變化主要與摩擦表面的物質(zhì)變化及磨損機(jī)理有關(guān)。

圖4 1#樣品和2#樣品在350 km/h制動(dòng)時(shí)平均摩擦系數(shù)隨制動(dòng)次數(shù)的變化Fig.4 Average friction coefficient of 1# and 2# samples with the increase of braking cycles at 350 km/h

圖5為2種樣品分別在兩種制動(dòng)條件下的磨損量，其中2#樣品的磨損量均高于1#樣品的磨損量。此外最為顯著的一個(gè)特征便是在350 km/h連續(xù)緊急制動(dòng)時(shí)的磨損量是180～350 km/h制動(dòng)時(shí)磨損量的2～3倍。這表明更高的速度會(huì)使得磨損量快速升高，這與前人的研究一致，即在高速高壓情況下，磨損量隨著制動(dòng)速度升高呈現(xiàn)出指數(shù)上升[11-12]。

圖5 在兩種制動(dòng)條件下1#樣品和2#樣品的磨損量Fig.5 Wear loss of 1# and 2# samples at two different braking conditions

2.2 摩擦表面

摩擦磨損性能的差異主要由摩擦表面特征決定。圖6所示為180～350 km/h制動(dòng)后閘片摩擦表面的二次電子相。圖6（a）中1#樣品的摩擦表面主要由被摩擦膜覆蓋的區(qū)域以及剝落坑組成，其中摩擦膜覆蓋的區(qū)域較為平坦，并且出現(xiàn)了一些細(xì)小的劃痕，這是由基體中硬質(zhì)顆?；蛘呤悄Σ吝^程中產(chǎn)生的硬質(zhì)磨屑引起的磨粒磨損造成的。此外，在未被摩擦膜覆蓋的區(qū)域，出現(xiàn)了一些小粒徑的剝落坑，并且可以看到石墨突出于表面，這能夠?yàn)槟Σ吝^程提供較好的潤滑作用。摩擦膜覆蓋區(qū)域的放大顯微形貌如圖6（b）所示，可以看到，除了未形成致密的摩擦膜以外，還有一些小裂紋存在于摩擦膜中，這表明摩擦膜在摩擦過程中會(huì)破裂。如圖6（c）所示，2#樣品的摩擦表面沒有大量出現(xiàn)類似圖6（a）中的剝落坑，幾乎整個(gè)摩擦表面都被摩擦膜覆蓋，但摩擦膜的平整度不高，出現(xiàn)明顯的變形與劃痕。圖6（d）進(jìn)一步的表明，2#樣品摩擦表面平整度較1#樣品低，并且出現(xiàn)了摩擦膜因黏著而撕裂的特征。

圖6 經(jīng)過180～350 km/h制動(dòng)后的閘片摩擦表面顯微形貌：（a）、（b）1#樣品；（c）、（d）2#樣品Fig.6 SEM images of the friction surfaces for the brake pads after braking tests at 180~350 km/h: (a),(b)1# sample;(c),(d)2#sample

圖7所示為閘片摩擦表面的背散射電子顯微形貌（BSE）以及能譜分析（energy dispersive X-ray spectroscopy，EDS）。根據(jù)顏色深淺，圖7（a）主要可分為黑色區(qū)域、深灰色區(qū)域和淺灰色區(qū)域，其中黑色區(qū)域可能是碳化硅、石墨或者剝落坑，淺灰色區(qū)域（A）以及深灰色區(qū)域（B）的能譜分析如圖7（c）和圖7（d）所示。據(jù)此可以判斷，淺灰色區(qū)域是富銅相，其中可能夾雜著鐵的氧化物、碳等磨屑，深灰色區(qū)域是以鐵的氧化物為主的摩擦氧化膜。對比圖7（a）和圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，2#樣品摩擦表面幾乎全被淺灰色富銅相所覆蓋，這意味著富銅相在摩擦表面經(jīng)歷了劇烈的轉(zhuǎn)移，1#樣品表面則保留了相當(dāng)部分的深灰色摩擦氧化膜。

圖7 180～350 km/h制動(dòng)后的閘片摩擦表面顯微形貌和能譜分析：（a）1#樣品顯微形貌；（b）2#樣品顯微形貌；（c）1#樣品摩擦表面A區(qū)域能譜分析；（d）1#樣品摩擦表面B區(qū)域能譜分析Fig.7 BSE images and EDS analysis of the friction surface for 1# and 2# samples after braking tests at 180~350 km/h: (a)1# sample BSE image;(b)2# sample BSE image;(c)EDS analysis of 1# sample in zone A;(d)EDS analysis of 1# sample in zone B

圖8為整個(gè)實(shí)驗(yàn)后制動(dòng)盤表面的光學(xué)顯微形貌。如圖8（a）所示，與1#樣品對磨后制動(dòng)盤表面的特征以細(xì)密的劃痕為主，這是磨粒磨損的產(chǎn)物。在圖8（b）中，摩擦表面劃痕特征不明顯，表面較為平坦。摩擦表面還出現(xiàn)了大面積的物質(zhì)轉(zhuǎn)移特征，轉(zhuǎn)移的物質(zhì)覆蓋在摩擦表面。

圖8 全部制動(dòng)實(shí)驗(yàn)后的盤摩擦表面：（a）1#樣品；（b）2#樣品Fig.8 Friction surface of the brake disc for 1# and 2# samples after the whole braking tests: (a)1# sample;(b)2# sample

2.3 摩擦系數(shù)影響因素和磨損機(jī)制分析

如上所述，制動(dòng)速度對1#樣品和2#樣品的摩擦系數(shù)均有顯著影響。制動(dòng)速度升高主要受兩個(gè)因素影響：（i）制動(dòng)過程中動(dòng)能的升高使得摩擦表面的溫度升高[13]；（ii）制動(dòng)速度升高使得制動(dòng)盤對于閘片表面的剪切力增強(qiáng)，加劇摩擦表面結(jié)構(gòu)的破壞[11]。在低速制動(dòng)下，由于摩擦表面沒有形成連續(xù)致密光滑的摩擦膜，表面的摩擦系數(shù)主要由摩擦表面的微凸體決定，此時(shí)主要產(chǎn)生的磨損機(jī)理為磨粒磨損，摩擦系數(shù)較高。隨著制動(dòng)速度升高，摩擦表面溫度升高，摩擦表面氧化程度加重。光滑的摩擦膜逐漸在摩擦表面形成，并逐漸將突出于摩擦表面的硬質(zhì)陶瓷顆粒等物質(zhì)隔離開來，原本存在于摩擦表面的微凸體在高速下破壞加劇。這些都使得摩擦表面的平整度增加，使得摩擦阻力下降[14]。

1#樣品的摩擦系數(shù)隨著制動(dòng)速度的進(jìn)一步增加出現(xiàn)上升，2#樣品的摩擦系數(shù)保持不變，這意味著仍有其他因素影響摩擦系數(shù)。一方面，摩擦系數(shù)上升與摩擦膜的破碎有關(guān)。摩擦表面形成的摩擦膜由多種物質(zhì)混合而成，相較于基體具有較高的脆性和硬度[15]。在循環(huán)應(yīng)力作用下，摩擦膜中會(huì)出現(xiàn)裂紋并且破裂（圖6（b）），在摩擦表面產(chǎn)生剝落坑，從而降低摩擦膜的平整度（圖6（a））[16]。同時(shí)，破碎的摩擦膜顆粒也會(huì)在摩擦界面起硬質(zhì)相的作用，加劇摩擦表面的磨粒磨損（圖8（a））[17]。這種硬質(zhì)磨屑的堆積會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)摩擦系數(shù)在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)增大（圖3（a））。另一方面，摩擦表面的銅也會(huì)在高速下逐漸軟化[18]。當(dāng)摩擦表面抵抗塑性變形的能力不強(qiáng)時(shí)，摩擦表面的物質(zhì)遷移速率會(huì)增大，這會(huì)在摩擦界面生成一層富銅的摩擦膜，起潤滑作用，使摩擦系數(shù)下降。對于1#樣品，摩擦表面出現(xiàn)了富銅相的轉(zhuǎn)移，但是轉(zhuǎn)移并不劇烈，這一點(diǎn)從圖7（a）中摩擦表面仍然有相當(dāng)部分的摩擦氧化膜可以看出。對于2#樣品，在高速制動(dòng)下，這種摩擦膜的運(yùn)動(dòng)機(jī)理占據(jù)主導(dǎo)地位，使得富銅的物質(zhì)幾乎完全覆蓋摩擦表面（圖6（c）和圖7（b）），因此使得摩擦系數(shù)不能如1#那樣上升（圖2和圖3（b））[19]。此外，這種摩擦界面劇烈的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)也促進(jìn)了物質(zhì)從閘片往制動(dòng)盤轉(zhuǎn)移（圖8（b）），在閘片摩擦表面留下黏著撕裂的特征（圖6（d））。Zhang等[20]在研究中觀察到了同樣的物質(zhì)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，證實(shí)這種轉(zhuǎn)移與摩擦界面的溫度密切相關(guān)，并且在高溫銅軟化之后這種轉(zhuǎn)移更加劇烈。因此，在350 km/h連續(xù)制動(dòng)時(shí)，由于摩擦表面存在易轉(zhuǎn)移的富銅摩擦膜的潤滑作用，2#樣品的摩擦系數(shù)較低，并出現(xiàn)比1#樣品更加明顯的衰退特征（圖4）。1#樣品雖然摩擦系數(shù)較高，但是摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，這主要是摩擦表面的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，而磨粒處于不斷的生成與消耗中。2#樣品表面大面積劇烈的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)使得黏著-剝層磨損成為摩擦界面間的主要磨損機(jī)理，這也加劇了閘片的磨損量 （圖5）。

3 結(jié)論

（1）自制銅基制動(dòng)閘片比商用閘片具有更高的摩擦系數(shù)和耐磨性，在高速下連續(xù)緊急制動(dòng)時(shí)也具有較大的波動(dòng)性。

（2）隨著制動(dòng)速度的升高，自制和商用銅基制動(dòng)閘片的摩擦系數(shù)都降低。這主要與摩擦表面摩擦膜的生成有關(guān)。隨著摩擦系數(shù)進(jìn)一步升高，自制樣品的摩擦系數(shù)上升，而商用樣品保持不變，這主要受兩方面因素影響：（i）摩擦膜在持續(xù)應(yīng)力作用下破裂，導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高；（ii）摩擦表面的銅在高溫下軟化，加劇摩擦膜的流動(dòng)，使得摩擦系數(shù)降低。對于自制樣品，作用（i）占主導(dǎo)地位，而對于商用閘片，作用（ii）較強(qiáng)，使得摩擦系數(shù)不能上升。

（3）自制閘片在制動(dòng)時(shí)磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，而商用閘片則以黏著-剝層磨損為主。