Ti3SiC2 材料應(yīng)用于高速列車粉末冶金閘片的研究

張興旺，王明智，陳澍軍

（1 中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山 063035；2 燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，河北秦皇島 066004）

隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，列車的提速對制動材料提出了更高的要求。目前，高速列車基礎(chǔ)制動裝置通常采用盤形制動，利用制動閘片與制動盤摩擦產(chǎn)生的制動力實現(xiàn)減速或停車。在制動過程中，制動閘片不僅要承受高溫、高壓、沖擊載荷和交變應(yīng)力等綜合作用，同樣需要有足夠的機械性能和穩(wěn)定的摩擦系數(shù)；并且隨著列車速度的提升，制動負荷也越來越大，制動時產(chǎn)生的熱能及熱沖擊也大大增加［1］。這對制動閘片摩擦材料帶來嚴峻的考驗：傳統(tǒng)材料逐漸無法滿足當前軌道交通發(fā)展帶來的需求，軌道交通新材料的應(yīng)用已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。開展新材料的研究，突破復(fù)興號動車組的核心技術(shù)和關(guān)鍵部件、加快關(guān)鍵部件的創(chuàng)新深化研究成為當務(wù)之急。

圖1 高速列車制動閘片外形

1 傳統(tǒng)粉末冶金制動閘片

1.1 材料組成

高速列車制動閘片為銅基粉末冶金摩擦材料。粉末冶金摩擦材料由基體組元、潤滑組元和摩擦組元3 部分組成［2］。

基體組元對于材料的力學(xué)性能和摩擦性能至關(guān)重要；粉末冶金摩擦材料中，基體組元保證了材料的承載能力、熱穩(wěn)定性及耐磨性，其作用機理是以機械結(jié)合方式將摩擦顆粒和潤滑劑保持于其中，形成具有一定力學(xué)性能的整體。另外，基體作為承受載荷和傳導(dǎo)熱量主體，還為摩擦熱的逸散提供了主要通道。由于單一的銅基體力學(xué)強度不高，摩擦性能不穩(wěn)定，因此在實際運用中通常使用合金基體，在基體組元中添加強化元素，如Ni、Fe、Sn、Ti 等形成金屬固溶強化，能夠增強基體，穩(wěn)定摩擦因數(shù)，改善熱傳導(dǎo)性能［3］。

潤滑組元主要用來起固體潤滑的作用，它可以提高粉末冶金材料的工作穩(wěn)定性、減小材料的磨損。雖然它們使摩擦力減弱，但是可降低摩擦表面的摩擦熱，以避免產(chǎn)生高溫。通常選用具有層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)作為固體潤滑劑，首選的有石墨、MoS2，其次還有六方氮化硼。摩擦材料中的潤滑組元一般占摩擦材料質(zhì)量的5%～25%，含量越多，材料的耐磨性能越好，摩擦系數(shù)也越小，但過量的潤滑組元則會使得材料的摩擦系數(shù)和機械強度降低［4］。

摩擦組元的主要作用是補償固體潤滑劑的影響及在不損害摩擦表面的前提下增加滑動阻力，提高摩擦系數(shù)。摩擦組元能切削轉(zhuǎn)移到對偶面上的堆積物和氧化物，保持對偶表面的清潔，穩(wěn)定摩擦系數(shù)。摩擦組元應(yīng)具有硬度高、熱穩(wěn)定性好以及對摩擦表面的擦傷小等特點，常用的摩擦組元有高熔點金屬（如Cr 及Mo）粉末、金屬氧化物（如Al2O3、TiO2及ZrO2）、氮化物（TiN）、碳化物（TiC）、SiO2以 及SiC 等。

1.2 存在的問題

隨著列車速度的提升，進行有效制動時帶來的制動熱量很高。這部分熱量作用到制動閘片上，閘片表面瞬態(tài)溫度有時可達1 000 ℃。傳統(tǒng)的銅基粉末冶金摩擦材料，以石墨作為潤滑組元，在高速時能夠起到穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用；但是石墨的高溫抗氧化能力較差，在450 ℃左右開始氧化，并且隨著溫度的升高氧化加劇。

另外，制動熱負荷及能量負荷對基體的高溫強度提出更高的要求。由于粉末冶金摩擦材料中通常含有大量的非金屬顆粒，這些非金屬顆粒與金屬基體的相互作用較小，結(jié)合強度不高，潤濕性較差，使得基體金屬之間的連接不完整，基體強度無法得到有效保證。在超高熱負荷的沖擊下，摩擦材料金屬基體和硬質(zhì)的陶瓷顆粒結(jié)合力降低，在摩擦過程中顆粒就會從材料表面脫落，脫落下來的顆粒夾在摩擦面上產(chǎn)生磨粒磨損，造成摩擦材料磨損加劇。

無論是潤滑組元石墨的氧化還是金屬基體強度的降低，都會削弱粉末冶金閘片的摩擦性能，增加閘片的磨耗，影響列車行駛安全。

2 新材料的研究

2.1 Ti3SiC2 新材料

分析我國以往的粉末冶金閘片研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的銅基摩擦材料來說，基體組元含量控制著摩擦材料的機械性能，基體金屬含量高，有利于增加材料的韌性，但是由于高速列車緊急制動造成的摩擦表面溫度常常高于600 ℃，使得基體金屬發(fā)生高溫軟化，容易在摩擦表面形成黏著，造成磨損加劇、摩擦系數(shù)波動程度大；通過高硬度的粒子在摩擦表面阻磨作用，可以產(chǎn)生高的摩擦系數(shù)，但是對于高阻摩材料，摩擦組元含量的提高會使材料孔洞、微裂紋、非焊合顆粒界面等缺陷增加，降低了材料的韌性；對于潤滑組元來說，高的含量能夠使得高速列車制動閘片的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在一個很大的速度范圍內(nèi)，但是G、MoS2等潤滑劑一方面自身強度很低，另一方面不利于材料間的焊合，降低了材料的力學(xué)性能。因此，如何調(diào)整基體金屬的比例，改善基體金屬合金化，使基體具有抗高溫軟化能力；如何調(diào)整摩擦劑和潤滑劑的比例，以獲得高而穩(wěn)定并且較低磨損率的摩擦材料，成為當今高速列車制動閘片的研究重點。

三元層狀化合物Ti3SiC2是新型可加工陶瓷材料MAX 相的典型代表，具有與石墨類似的層狀結(jié)構(gòu)和自潤滑性，其導(dǎo)熱性能優(yōu)異；更重要的是，它具有很好的抗熱震性和優(yōu)于片狀石墨的高溫抗氧化能力［5］。Ti3SiC2材料的斷口形貌如圖2 所示，從圖2 中可以看出明顯的片層狀Ti3SiC2晶粒。圖2（a）中能夠看到結(jié)晶良好的Ti3SiC2晶體，晶體為板狀結(jié)構(gòu)?；赥i3SiC2化合物的優(yōu)異性能，結(jié)合當前銅基粉末冶金摩擦材料的研究方向，設(shè)想如果將MAX 相化合物顆粒添加到銅基粉末冶金閘片材料中，一方面可以起顆粒增強作用，另一方面還可以起到固體潤滑劑的作用。因此，以Ti3SiC2替代石墨在高溫摩擦工況下具有很好的應(yīng)用前景。

圖2 Ti3SiC2 斷口形貌

2.2 Ti3SiC2 制作粉末冶金閘片研究

2.2.1 Ti3SiC2 與Cu 的 結(jié) 合

銅基粉末冶金摩擦材料作為一種復(fù)雜的多元復(fù)合材料，探究其中某一組元對其整體性能的影響比較困難，其中涉及到多組分的物理及化學(xué)反應(yīng)。作為傳統(tǒng)潤滑組元的石墨和銅基體沒有反應(yīng)，石墨與基體的連接很差，另外，石墨和銅粉的密度相差很大。因此，為了排除復(fù)合材料中其他組元的干擾，以潤滑組元為研究重點，研究將Ti3SiC2作為潤滑組元對銅整體性能的影響，從而為進一步研究添加Ti3SiC2的銅基摩擦材料性能提供必要依據(jù)。

選取Ti3SiC2顆粒（200～400 μm）按照體積分數(shù)25%和Cu 粉進行混合，放入熱壓燒結(jié)設(shè)備中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900 ℃，制得Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料。

對Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料進行金相顯微鏡觀察可以了解Ti3SiC2和Cu 的結(jié)合情況以及分布狀態(tài)，如圖3 所示。Ti3SiC2呈不規(guī)則顆粒狀均勻分布在純銅基體中，隨著溫度升高到900 ℃，Ti3SiC2顆粒周圍與銅基界面清晰，Ti3SiC2和Cu 界面結(jié)合良好，通過其放大照片能夠看出無明顯的裂紋。

在Ti3SiC2和Cu 復(fù)合材料界面處進行EDS 能譜分析，如圖4 所示，Ti3SiC2和Cu 在高溫下發(fā)生了界面反應(yīng)，通過能譜分析可以看出，在反應(yīng)層中靠近Ti3SiC2的一側(cè)，富含大量的Ti、Si、C 元素，同時也有一定量的Cu，可見Cu 向Ti3SiC2中發(fā)生了擴散，而在反應(yīng)層靠近Cu 的一側(cè)除了含有大量的Cu元素外，同時還聚集了部分的Si 和C 元素，原Ti3SiC2中的Si 元素從Ti3SiC2中抽離出來，不斷的向Cu 中轉(zhuǎn)移，進入到了Cu 晶格 中，形成了Cu（Si）固溶體。這種雙向擴散會增強Cu 和Ti3SiC2的界面結(jié)合強度。改善了Ti3SiC2和Cu 的潤濕性，增強了基體強度。

圖4 Ti3SiC2 和Cu 的 界 面EDS 圖

2.2.2 Ti3SiC2 粉末冶金閘片的研究

為了進一步研究Ti3SiC2材料應(yīng)用于高速列車粉末冶金閘片的可行性，本試驗以Ti3SiC2作為潤滑組元添加到銅基復(fù)合材料中制作成一種新型的粉末冶金制動閘片。該粉末冶金閘片采用Ni、Fe、Al 等，通過合金化來增強銅基體，Ni 和Cu 能形成連續(xù)固溶體，Al、Fe 與Cu 作用形成鋁鐵青銅，具有很高的強度，能夠承受極高的熱負荷和能量負荷。增摩劑采用SiO2等，具體配比見表1。將上述原料混合均勻后進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度900 ℃，壓力30 MPa，保溫15 min。

表1 銅基摩擦材料配比(質(zhì)量分數(shù)) %

將制得的Ti3SiC2粉末冶金閘片在高溫摩擦磨損試驗機上進行測試，測試條件為500 ℃，1 000 r/min，壓力為2.8 MPa。經(jīng)過高溫高壓以及高轉(zhuǎn)速的摩擦后，制動閘片的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，表現(xiàn)出了良好的摩擦性能。 整個過程閘片的平均摩擦系數(shù)為0.31。

粉末冶金摩擦材料經(jīng)過500 ℃高溫摩擦后的摩擦表面SEM 圖如圖5 所示。從圖中可以看出摩擦表面較平整，沒有較大的凹坑，摩擦表面能形成一層完整的潤滑膜。由于Ti3SiC2和Cu 在高溫下界面處原子間的相互擴散反應(yīng)增強了兩者的界面結(jié)合，在摩擦過程中Ti3SiC2顆粒被牢固的釘扎，不容易從基體中脫落，這是優(yōu)于Cu 和石墨的地方。

圖5 摩擦材料高溫摩擦后的摩擦表面SEM

在摩擦過程中，破碎的顆粒分布在摩擦表面參與摩擦，在壓力的作用下被擠壓，磨屑層致密化，降低了試樣的摩擦系數(shù)。隨著溫度的提高，磨碎的顆粒在摩擦表面形成了很好的覆蓋，同時具有一定的流動性，起到了一定的潤滑作用，最終在試樣的摩擦表面形成了一層完整的潤滑膜，表面膜的存在可以防止或減少黏著膠合現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而降低了材料的磨損，并促進摩擦系數(shù)和摩擦力矩的穩(wěn)定。希望表面膜比較軟，有一定的變形能力，表面膜與金屬有較強的連接力。

干摩擦副的摩擦過程就是表面膜生成和脫落的過程，假如表面膜塑性和機械強度比金屬材料差，摩擦過程中，膜先破壞，表面不發(fā)生黏結(jié)，摩擦系數(shù)降低，磨損小。

如圖6 所示，高溫摩擦磨損下試樣潤滑膜的SEM 圖。圖中“I”代表了潤滑膜的厚度情況?？梢钥吹讲牧夏Σ梁鬂櫥ず穸然驹?0～35 μm左右，潤滑膜的連續(xù)性好，沒有間斷。這層膜能夠很好的穩(wěn)定摩擦，降低摩擦系數(shù)，同時減少了對偶件的磨損。整個摩擦過程，材料的摩擦磨損性能表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。

圖6 摩擦材料高溫摩擦后的潤滑膜SEM

粉末冶金摩擦材料高溫摩擦后表面的EDS 能譜圖如圖7 所示，由圖中可以看出，摩擦材料經(jīng)過高溫摩擦后，表面除了Fe、Cu、O 元素外，還出現(xiàn)了Ti 和Si 元素，并且其含量較高，見表2。因此推斷，摩擦材料表面的潤滑膜除了含有Cu 和Fe 的氧化物，還含有Ti 和Si 的氧化物。這些氧化物的出現(xiàn)說明了Ti3SiC2在高溫摩擦環(huán)境下表面發(fā)生分解，Ti 和Si 的氧化物能夠覆蓋在Ti3SiC2表面，阻礙了Ti3SiC2和空氣的進一步接觸，避免Ti3SiC2進一步被氧化［6］，表現(xiàn)出了很好的高溫抗氧化能力。

圖7 粉末冶金摩擦材料高溫摩擦后表面的EDS

表2 摩擦表面各元素百分比含量

3 總 結(jié)

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，以Ti3SiC2作為潤滑組元制得的新型粉末冶金閘片，基體強度優(yōu)于傳統(tǒng)的粉末冶金制動閘片材料。更重要的是，Ti3SiC2良好的高溫抗氧化能力能夠保證摩擦材料在高溫下穩(wěn)定摩擦。由于試驗設(shè)備的限制，該摩擦材料并沒有在1∶1 試驗臺上進行測試驗證，但是通過基礎(chǔ)的測試已經(jīng)表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的摩擦性能。因此，在我國高速鐵路不斷發(fā)展的今天，Ti3SiC2有能力成為新的潤滑組元應(yīng)用到高速鐵路制動閘片材料中。