MAX 相三元層狀陶瓷材料在Cu基摩擦材料中的應(yīng)用研究*

劉英凱 周 洋 劉建剛 郝文龍 周曉瑩

(博深股份有限公司 石家莊 050035)

三元層狀化合物是一類由三種元素構(gòu)成的具有層片狀結(jié)構(gòu)的化合物,可以用統(tǒng)一的分子式Mn+1AXn表示,兼具陶瓷和金屬的性能[1～4],具有類似金屬材料的導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性和類似陶瓷材料的抗氧化、耐高溫等特性。

其特殊的層狀六方結(jié)構(gòu)與石墨類似,具有較好的自潤滑性能[5～7],Ti3SiC2和Ti3AlC2是MAX 相陶瓷的代表性材料。由于MAX 相陶瓷材料的高溫穩(wěn)定性、高溫抗氧化性及與金屬材料的潤濕性均要優(yōu)于石墨,因此近年來研究人員對于其作為潤滑相在摩擦材料中應(yīng)用的研究日益增多[8～9]。

閘片是動車組高速制動的關(guān)鍵部件之一,目前國內(nèi)外的動車組閘片普遍使用的是銅基粉末冶金摩擦材料,一般由基礎(chǔ)組元、摩擦組元和潤滑組元組成,具有優(yōu)良的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。但是隨著動車組運行速度的不斷提高,摩擦制動產(chǎn)生的熱量越來越高,摩擦面的瞬時溫度能夠達(dá)到1 000℃以上,對摩擦材料的高溫穩(wěn)定性、高溫抗氧化性提出了更高的要求。

因此具有優(yōu)良高溫性能的MAX 相陶瓷自潤滑材料在動車組粉末冶金摩擦材料中有著廣闊的應(yīng)用前景。

筆者將Ti3SiC2和Ti3AlC2分別應(yīng)用于動車組Cu基粉末冶金閘片摩擦材料中,研究了不同種類的MAX 相陶瓷材料對粉末冶金摩擦材剪切強(qiáng)度以及摩擦磨耗性能的影響,為Ti3SiC2和Ti3AlC2在動車組粉末冶金閘片中的應(yīng)用提供了試驗依據(jù)。

1 試驗方法及試驗設(shè)備

1.1 試驗原料與設(shè)備

制備粉末冶金閘片摩擦材料的原材料粉末有:銅粉、鐵粉、鎳粉、二氧化硅和鉻粉,粒度均為-200目,純度≥99.2%。Ti3SiC2和Ti3AlC2純度≥96%,人造石墨粒度為100～200μm,含碳量達(dá)99%以上。

圖1 Ti3SiC2粉末外觀形貌

圖2 Ti3AlC2粉末外觀形貌

試驗中所用到的設(shè)備有:熱壓氣氛燒結(jié)爐、WDW-100G 微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)、TMS-0610G 慣性摩擦磨損性能試驗機(jī)、VEGA3 LMH 型掃描電鏡。

圖3 摩擦磨損性能試驗機(jī)及機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 試樣制備與試驗方法

將Cu、Fe、Cr 等 金 屬 粉 末 與 石 墨、Ti3SiC2或Ti3AlC2粉末按表1的配比進(jìn)行混合,壓制成形,采用氣氛熱壓燒結(jié)爐制備摩擦塊試樣,燒結(jié)溫度為920℃,保溫時間為120 min。

表1 摩擦材料配方組成表(質(zhì)量%)

圖4是摩擦塊尺寸示意圖。在慣性摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行速度350 km/h 下的制動摩擦試驗,摩擦對偶材質(zhì)為5 Cr Mn Mo,摩擦半徑為256 mm。應(yīng)用掃描電鏡進(jìn)行摩擦后的表面微觀分析。

圖4 摩擦塊示意圖

利用洛氏硬度計測試燒結(jié)摩擦塊的硬度,試驗條件為使用直徑10 mm 的鋼球,載荷為250 kg,保壓時間為30 s。在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗,試樣尺寸為15 mm×15 mm。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 三元陶瓷材料的加入對摩擦材料剪切強(qiáng)度影響

從圖4中的摩擦塊上截取15 mm×15 mm 的試樣,采用線切割加工工藝,在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗。表2為1#、2#和3#摩擦塊的硬度及剪切強(qiáng)度測試。

表2 燒結(jié)摩擦塊的剪切強(qiáng)度與硬度

從表2可以看出,3個試樣塊的硬度基本相當(dāng),與1#摩擦塊相比2#摩擦塊的強(qiáng)度較高,而3#摩擦塊的強(qiáng)度略有降低。

圖5和圖6分別為加入Ti3SiC2的2#摩擦塊和加入Ti3AlC2的3#摩擦塊的微觀圖。

圖5 2#樣品摩擦塊中的鈦硅碳

圖6 3#樣品摩擦塊中的鈦鋁碳

圖5中Ti3SiC2顆粒周圍有擴(kuò)散現(xiàn)象,與Cu基體產(chǎn)生互溶,Zhou 等[10]研究表明,Ti3SiC2晶格中的TiC-Si鍵發(fā)生斷裂,Si原子擴(kuò)散進(jìn)入Cu原子中生成固溶體,因此燒結(jié)過程中,Ti3SiC2與Cu基體的界面結(jié)合更緊密,并對Cu基體產(chǎn)生一定程度的固溶強(qiáng)化,進(jìn)而提高了燒結(jié)體的強(qiáng)度。

圖6中Ti3AlC2未在Cu基體中產(chǎn)生擴(kuò)散,陶瓷顆粒與Cu基體間界面清晰,有裂紋及孔洞缺陷存在,不利于燒結(jié)致密化,因此隨著Ti3AlC2的加入,燒結(jié)體的密度和剪切強(qiáng)度均有降低。

2.2 三元陶瓷材料的加入對摩擦磨耗性能的影響

圖7為1#、2#和3#摩擦塊在初速度為350 km/h制動的摩擦磨耗數(shù)據(jù)。與1#摩擦塊相比,加入三元陶瓷材料的2#和3#摩擦塊平均摩擦系數(shù)降低,磨耗降低,其中2#摩擦塊的平均摩擦系數(shù)為0.268,磨耗量為38.61 g,均為最低值。圖8為摩擦塊350 km/h 制動后的摩擦面SEM照片和2#摩擦塊摩擦表面EDX 圖譜

圖7 摩擦磨耗試驗數(shù)據(jù)

圖8 燒結(jié)溫度920℃時粉末冶金閘片材料摩擦表面SEM 圖像及EDX 圖

從圖8可以看出,不含三元陶瓷材料的1#試樣摩擦面存在石墨顆粒脫落現(xiàn)象,表面粗糙不平,沒有形成平滑的摩擦膜。加入Ti3AlC2的3#試樣表面較平整,有深灰色的摩擦膜形成,呈現(xiàn)不連續(xù)狀分布。加入Ti3SiC2的2#試樣表面光滑,摩擦后生成了連續(xù)片狀的摩擦膜。摩擦材料中的石墨與金屬基體的結(jié)合力弱,在高速制動的情況下,沖擊力較高,產(chǎn)生局部高溫,容易使石墨顆粒發(fā)生脫落,導(dǎo)致潤滑作用不能被完全發(fā)揮出來。

三元層狀陶瓷材料與金屬基體結(jié)合能力強(qiáng),高速摩擦?xí)r不會發(fā)生大塊脫落,隨摩擦副的轉(zhuǎn)動形成穩(wěn)定、連續(xù)的摩擦膜,使得三元層狀陶瓷的潤滑性得到充分的體現(xiàn)。同時可以看到,在同一摩擦條件下,2#試樣塊的摩擦膜呈片狀連續(xù)分布,已覆蓋了摩擦面的大部分區(qū)域,從EDX 圖譜看到摩擦膜是由O、Ti、Fe、Cu等元素組成,摩擦表面在高速摩擦?xí)r產(chǎn)生高溫氧化,在摩擦擠壓的過程中表面生成由氧化物組成的摩擦潤滑膜,隨著摩擦潤滑膜的生成和在表面連續(xù)分布,摩擦系數(shù)減低,進(jìn)而降低了摩擦材料的磨耗量。Ti3SiC2的加入使試樣表面生成了較完整的摩擦潤滑膜,降低了摩擦系數(shù),減少了對偶件的磨耗,與Ti3AlC2相比,Ti3SiC2體現(xiàn)出了更加優(yōu)良的自潤滑性能。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后,Ti3SiC2在與Cu的界面處產(chǎn)生擴(kuò)散,增強(qiáng)了兩者的界面結(jié)合,提高了燒結(jié)體的硬度和剪切強(qiáng)度。

(2)三元層狀陶瓷材料的加入使摩擦表面生成平滑的摩擦膜,具有顯著的減摩效果。

(3)Ti3SiC2的加入使試樣表面生成了較完整的摩擦潤滑膜,降低了摩擦系數(shù),減少了與對偶件的磨耗,與Ti3AlC2相比,Ti3SiC2體現(xiàn)出了更加優(yōu)良的自潤滑性能。