某型磁浮列車制動閘片的磨損失效分析*

曹 超 杜慧杰 王 赫 劉建華 彭金方 朱旻昊

(1.西南交通大學摩擦學研究所 四川成都 610031；2.中車唐山機車車輛有限公司 河北唐山 063035)

隨著時代的發(fā)展，城軌交通成為了人們日常出行必不可少的交通工具，因此，軌道列車的安全性能成為了當下城軌交通發(fā)展的重中之重。軌道列車的制動存在2種形式:第一種是電制動，通過改變電機中的電流相序，從而改變電機轉向，則輸出的力就由原來的牽引力變?yōu)橹苿恿?；第二種是機械制動，就是利用制動閘瓦安裝在軌道上產生摩擦阻力進行制動。在高速時通常會先使用電制動進行減速，當速度降低到30 km/h左右后則會改為機械制動直到列車停止。由于機械制動會使制動閘瓦產生嚴重的損耗，不僅大大加劇了材料和資金的損耗，也使列車的制動安全問題成為隱患[1-2]，因此軌道列車中制動閘片的好壞對其安全性能的可靠性至關重要[3]。研究表明，粉末冶金材料具有良好的導熱性、抗黏性以及耐磨性等優(yōu)勢[4-9],在如今高速列車制動閘片的材料鄰域中得到了廣泛的應用。

在北京某地鐵線路的磁浮列車中，銅基粉末冶金材料的制動閘片(以下簡稱閘片)在僅僅服役約10天后，就出現(xiàn)了非常嚴重的磨損現(xiàn)象，閘片表面有非正常摩擦造成的溝槽、凹坑以及材料缺失等損傷痕跡。為提高閘片的使用壽命，保證高速列車制動的安全穩(wěn)定性，本文作者通過一系列的試驗測試分析，研究閘片的損傷特征，提出了提高閘片材料磨損性能的建議。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用北京某線路磁浮列車上服役約10天后已經(jīng)失效的制動閘片，閘片長為180 mm，寬為40 mm，高為18 mm，主要材料為銅基粉末冶金，其力學性能如表1所示。

表1 銅基粉末冶金材料的力學性能

1.2 試驗方法

對失效閘片的表面進行切割，如圖1所示，對損傷較為嚴重的A1區(qū)域進行分析，通過宏觀微觀的形貌分析，以及內部的化學成分分析，初步判斷該損傷部位的損傷機制；然后采用3D輪廓儀對其劃痕深度進行分析，并進一步對損傷區(qū)的特殊部位進行X射線光電子能譜分析；最后通過與未服役閘片表面形貌的對比分析揭示閘片的損傷機制。

圖1 試樣切割方案Fig 1 Sample cutting scheme

2 結果與分析

2.1 閘片表面分析

2.1.1 損傷宏微觀分析

對閘片損傷表面分別進行體式顯微鏡(OM)分析(見圖2(a))和掃描電子顯微鏡(SEM)分析(見圖2(b))。整個損傷區(qū)可以看到很多熔融狀態(tài)的黑色物質，表面極不平整，疑似為電氣磨損下導致閘片表面融化的結果，并且磨粒磨損和黏著磨損非常嚴重，存在明顯的材料塑性流動，劃痕寬度可達1.5 mm。上半部分磨損比較嚴重，可以看見上半部分的白色基體幾乎都變成了磚紅色，而下半部分的白色基體特征仍保留。整個損傷區(qū)出現(xiàn)橫向的溝壑，屬于摩擦產生的劃痕特征。此外，在磚紅色溝壑的部分，有一些藍色的物質，懷疑可能是摩擦過程產生大量的熱量造成閘片表面材料發(fā)生化學反應。磚紅色特征可能是Cu摩擦后的氧化產物。

圖2 損傷區(qū)表面形貌Fig 2 Surface topography of the damage area(a)OMtopography；(b)SEM topography

為了更直觀地觀測表面損傷形貌，對圖2(b)中A、B、C區(qū)進行局部放大。如圖3所示，A區(qū)的表面損傷形貌主要以磨粒磨損和剝落為主，損傷區(qū)樣品表面同時存在均勻的沿水平方向磨粒磨損劃痕，且剝落現(xiàn)象明顯。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過粉末冶金制成的閘片存在很多空隙，空隙易成為裂紋源。在反復制動過程中，產生作用力和熱分布不均勻，加速裂紋的形成[10-12]。反復的制動使得閘片發(fā)生疲勞磨損，使得裂紋迅速擴展和傳播。當裂紋使最薄弱的斷面上的材料分離時，就會形成圖中所示的表面材料缺失，脫落的硬質顆粒會造成更嚴重的磨粒磨損。因此，需要通過改變燒結溫度以及燒結壓力來盡可能地降低材料的孔隙度，從而減少疲勞磨損帶來的的影響。對圖3(a)中E區(qū)進行能譜(EDS)分析，可知，檢測位置存在大量的Fe與Cu元素，由于閘片在服役過程中的摩擦作用及其伴隨的大量熱量，使得表面的Fe元素與Cu元素發(fā)生氧化反應。

圖3 A區(qū)損傷形貌(a)(b)與E區(qū)能譜(c)Fig 3 Damage topography in A area (a) (b) andenergy spectrum in E area(c)

如圖4所示，B區(qū)損傷形貌與A區(qū)的損傷形貌存在很大差別，主要為不同形狀的塊狀物質，每一個塊狀結構棱角分明，且與周圍材料存在間隙，有雨滴形顆粒的產生，甚至還形成微觀裂紋。為進一步確定這些塊狀物的成分以及作用，對其進行EDS分析，發(fā)現(xiàn)這種結構的主要元素為Cr、C。由于鉻的硬度高，銅基摩擦材料中添加鉻元素有利于提高材料的硬度和致密度,降低材料的孔隙度[13]。但是，當列車經(jīng)停站點制動時，由于制動時產生較大的接觸載荷和制動距離，使接觸區(qū)域產生較高的熱，加上摩擦力，易引起表面形成微觀裂紋；當裂紋擴展到一定程度時會使這類硬質顆粒脫落，脫落的硬質顆粒會造成更嚴重的磨粒磨損。圖中小雨滴形的顆粒狀物質疑似由電氣磨損造成的銅基體熔融凝固而形成的。

如圖5所示，C區(qū)損傷區(qū)表面存在孔洞，在孔洞周圍存在片層狀的物質，這種片層狀物質排列整齊，且每一層的形貌相似，表面沒有明顯的微觀裂紋。

經(jīng) EDS分析后，發(fā)現(xiàn)該物質的主要元素為C元素，并伴有極少量的O元素。經(jīng)研究認定這種片層結構為鱗片石墨，在高溫條件下，摩擦副之間容易發(fā)生嚴重的黏著轉移現(xiàn)象，而石墨的存在可有效避免這類現(xiàn)象的發(fā)生。通過在摩擦表面形成連續(xù)的富石墨機械混合層，而對磨損表面起到良好的固體潤滑效果，對保證制動過程的穩(wěn)定性起到十分關鍵的作用[14]?？锥纯赡苁怯捎谥苿舆^程中產生的摩擦損傷?；瑒幽Σ習r，由于剪切力的存在，摩擦面會發(fā)生形變，久而久之裂紋會隨著形變的累計而產生，最終發(fā)生疲勞磨損，因此就會出現(xiàn)表面材料剝落的現(xiàn)象，隨著較低強度的石墨相率先被擠出，孔洞便在材料的表面形成。由于其邊緣相對較脆弱，裂紋又較為集中，會導致材料的進一步磨損。

2.1.2 2D和3D輪廓分析

由于列車制動時，閘片與軌道之間產生摩擦，因此在樣品表面產生許多犁溝狀的磨損痕跡。 采用3D輪廓儀對圖1損傷區(qū)劃痕的深度進行分析。如圖6(a)所示，其劃痕較深，劃痕都沿一個方向，為橫向劃痕，而且表面也有很多凹坑。在損傷區(qū)選擇一條直線進行2D輪廓分析，最深的地方幾乎達到了0.4 mm，如圖6(b)所示。

2.1.3 特殊部位X射線光電子能譜(XPS)分析

為進一步分析閘片基體在服役之后的損傷機制，對圖2中基體紅褐色部位和藍色部位進行XPS分析。圖7(a)和(b)所示分別為2個區(qū)域的Cu2p的精細譜擬合結果，以C1s峰(284.6 eV)來進行標定。Cu的2p3/2電子束縛能范圍一般為(932.6±0.2) eV，Cu2O一般為(932.4±0.2) eV，而CuO一般為(933.6±0.4) eV。如圖7(a)所示為紅褐色區(qū)域的Cu2p精細譜分峰結果，在2p3/2峰位處的932.6 eV結合能所對應的Cu化學狀態(tài)為Cu單質，934.0 eV結合能所對應的Cu化學狀態(tài)為CuO。因此，紅褐色區(qū)域Cu共以2種形式存在，分別為單質Cu和CuO，其中單質Cu為主要的存在形式。圖7(b)所示為藍色區(qū)域的Cu2p精細譜分峰結果，在2p3/2峰位處的932.3 eV結合能所對應的Cu化學狀態(tài)為Cu2O，933.7 eV結合能所對應的Cu化學狀態(tài)為CuO。因此，藍色區(qū)域Cu分別為Cu2O和CuO兩種形式存在，且主要以Cu2O為主。分析可知，在閘片服役的過程中存在較大的電流通過，大量摩擦熱和電弧熱使接觸表面的局部溫度急劇升高，使得閘片內部發(fā)生化學反應，造成氧化磨損，同時也發(fā)生了較為嚴重的電氣磨損[15]。建議增強閘片的散熱性能，同時也要保證通過閘片的電流盡可能的小。

圖7 基體XPS分析結果Fig 7 XPS analysis results of matrix (a) red-brownarea；(b)blue area

2.2 閘片側面結果分析

對閘片側面進行體式顯微鏡分析。如圖8所示，閘片側面微觀裂紋較多，裂紋方向近似于與閘片表面平行。將側面研究區(qū)域進行放大后可知，A區(qū)域為閘片的基體，裂紋明顯；B區(qū)域顏色較黑，疑似為裸露在基體外的石墨。

圖8 側面宏觀形貌Fig 8 Side-surface macroscopic topography (a)side-surface(10 times);(b)in A area;(c)in B area

為了更直觀地觀測表面損傷形貌，對閘片側面各部分進行掃描電子顯微鏡分析。如圖9所示，A區(qū)粉末冶金顆粒之間的連接并不緊密,在反復制動中，這種位置很容易產生微觀裂紋。B區(qū)存在銀白色的顆粒,類似于“鑲嵌”在基體內。這些顆粒可能在材料設計時作為增強相，但是實際與基體的結合很差，在連接處存在裂縫，反而可能會使閘片整體的強度降低。從C區(qū)損傷形貌可以觀察到石墨與基體的連接部分存在很大的裂縫，這是由于粉末冶金樣品在制備過程中石墨與基體的“潤濕性”不好導致的。加強石墨與基體連接處的強度以及降低石墨的粒度是提升閘片整體強度的重要措施。

圖9 側面微觀形貌Fig 9 Side-surface microstructure topography (a)side-surface(30 times);(b)in A area(1 000 times);(c)in B area(1 000 times);(d)in C area(1 000 times)

2.3 服役與未服役閘片對比分析

2.3.1 閘片表面對比分析

如圖10所示，對比服役前后閘片表面的體式顯微鏡形貌，發(fā)現(xiàn)服役后的閘片存在較深的溝槽，大量的石墨集中在溝槽底部，其余位置表面材料缺失嚴重，發(fā)生了嚴重的磨粒磨損。服役后的閘片顏色明顯更深，在個別位置甚至出現(xiàn)磚紅色痕跡。這是由于閘片在服役過程中由于溫度過高使Cu氧化導致的。

圖10 宏觀形貌對比Fig 10 Comparison of macroscopic morphology (a)before service;(b)after service

對服役前后閘片的A區(qū)和B區(qū)分別進行SEM表面形貌對比分析。如圖11所示，A區(qū)服役過后的閘片表面損傷明顯，存在剝落以及磨粒磨損的現(xiàn)象。B區(qū)服役過后的閘片中的Cr合金明顯已經(jīng)斷裂，表面裂紋嚴重，而未服役的閘片中的Cr合金表面雖然也存在裂紋，但裂紋較淺，還未有明顯的斷裂特征。

圖11 服役前后表面基體和Cr合金微觀形貌對比Fig 11 Comparison of the micromorphology of surface matrix and Cralloy before and after service(a),(b)micromorphologyof surface matrix before and after service;(c),(d)micromorphology of Cr alloy before and after service

2.3.2 閘片側面對比分析

對比了服役前后閘片側面的宏微觀形貌，如圖12所示，服役過后的閘片顏色偏紅，可能是由于在服役中閘片整體溫度升高，導致銅基快速氧化。兩者的裂紋都較多，裂紋方向近似與閘片表面平行。這些裂紋主要發(fā)生在石墨與基體的連接處，其中體積較大的石墨邊緣均有很深的裂紋，極易產生裂紋或加劇裂紋的擴展，從而導致疲勞磨損。建議在制備過程中加強閘片內各個組成部分的結合強度以及降低石墨的粒度。

圖12 側面宏微觀形貌對比Fig 12 Comparison of side macro-micro morphology(a)before service;(b)after service

3 結論

(1)閘片損傷部位宏觀、微觀分析顯示，其損傷機制主要有電氣磨損、磨粒磨損、黏著磨損、氧化磨損以及疲勞磨損。

(2)帶電閘片表面產生的電弧使得摩擦表面的材料發(fā)生熔化，造成嚴重的電氣磨損；脫落后的Cr合金由于硬度較高，會對閘片造成嚴重的磨粒磨損。

(3)大量摩擦熱和電弧熱使得閘片內部發(fā)生化學反應，造成氧化磨損，應加強閘片的散熱性能，盡可能地降低通過閘片的電流大小。

(4)在石墨與基體的連接處存在較多裂紋，服役過程中極易加劇裂紋的擴展，造成疲勞磨損。建議適當降低石墨的粒度。