石墨種類對(duì)銅基粉末冶金摩擦材料性能的影響

劉思涵 耿雪騫 馬運(yùn)章 王 曄 徐勇航 陳 凱 趙春光 張化謙

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所 北京 100081；2.北京縱橫機(jī)電科技有限公司北京 100094；3.鐵科縱橫(天津)科技發(fā)展有限公司 天津 301700)

Cu基粉末冶金摩擦材料因其優(yōu)良的摩擦磨損性能、抗黏結(jié)性、耐磨性和熱穩(wěn)定性，被廣泛用于制造高速列車制動(dòng)閘片[1-3]。閘片的摩擦材料包含眾多組元，其中潤滑組元作為固體潤滑劑可降低摩擦副表面間的黏著卡滯，使摩擦材料具有較低的磨耗量和更加穩(wěn)定的瞬時(shí)摩擦因數(shù)[4-7]。具有層片狀微觀結(jié)構(gòu)的石墨是Cu基粉末冶金摩擦材料中常見的潤滑組元之一，特別是長徑比值較大的鱗片狀石墨以取向化分布在摩擦材料組織中時(shí)，可在某一方向充分發(fā)揮優(yōu)異的導(dǎo)熱性和潤滑性能[8-11]。

針對(duì)石墨在Cu基摩擦材料中的應(yīng)用已有很多研究成果。王曄等人[12]的研究表明，隨著鱗片石墨粒度的增大，材料的摩擦因數(shù)和磨損率降低。陳亞軍等[13]的研究表明，隨著石墨粒徑的變大，石墨成膜覆蓋率變小。胡錚等人[14]的研究表明，摩擦材料的動(dòng)摩擦因數(shù)隨石墨含量的增加先升高后降低，材料的磨損機(jī)制以磨料磨損為主。王曉陽[15]的研究表明，隨著制動(dòng)速度和制動(dòng)壓力的增加，添加不同顆粒狀石墨潤滑相的樣品的摩擦因數(shù)和磨損量均呈下降趨勢(shì)。

上述文獻(xiàn)的研究主要集中在石墨粒徑、含量及制動(dòng)條件對(duì)摩擦材料性能的影響，關(guān)于石墨種類的研究相對(duì)較少。石墨是一種成熟的工業(yè)原料，市面上的石墨品種繁多且性能差異較大，挑選適用于高速列車用Cu基粉末冶金摩擦材料的石墨種類，對(duì)閘片產(chǎn)品的綜合性能提升有著至關(guān)重要的作用。本文作者根據(jù)摩擦材料的特性需求，選用3種不同種類的片狀石墨制備閘片樣品，研究了石墨種類對(duì)Cu基摩擦材料物理力學(xué)及摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用Cu粉(10～30 μm)和Fe粉(20～45 μm)作為金屬基體材料，SiO2(45～75 μm)和鉻鐵(75～325 μm)作為增磨組元，石油焦(80～380 μm)作為穩(wěn)磨組元，MoS2(10～25 μm)作為高溫潤滑組元，并向其中添加不同種類的片狀石墨作為中低溫潤滑組元。選擇的3種石墨的形貌如圖1所示。其中，柔性石墨由膨脹石墨經(jīng)鋪裝壓延制成，片體柔軟且疏松；造粒石墨由微粉石墨經(jīng)過機(jī)械壓力壓制成片后破碎而成，片體較厚且致密；鱗片石墨由天然礦石提純制成，不經(jīng)過其他深加工工序，與其他2種石墨相比片體厚度較薄。

圖1 片狀石墨形貌

1.2 樣品制備

采用粉末冶金法制備摩擦材料樣品，將粉料以100 r/min的轉(zhuǎn)速混合1 h后裝入模具中進(jìn)行冷壓，壓制壓力5 MPa，保壓時(shí)間10 s。壓坯放入爐中加壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度980 ℃，保溫時(shí)間40 min，燒結(jié)壓力1.5 MPa，保護(hù)氣氛為氮?dú)浠旌蠚狻?/p>

按表1所示摩擦材料配比制備了3種摩擦材料試樣，其中1#試樣為柔性石墨摩擦試樣，2#試樣為造粒石墨摩擦試樣，3#試樣為鱗片石墨摩擦試樣。

表1 材料成分 單位：%

1.3 性能檢測(cè)

采用ZEISS-EVO 18掃描電子顯微鏡和Leica DMi8 M金相顯微鏡觀察片狀石墨及摩擦材料顯微組織形貌，采用電子天平檢測(cè)摩擦材料密度，采用布氏硬度計(jì)檢測(cè)摩擦材料硬度，采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)摩擦材料的剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。采用TM-II型軌道列車用摩擦材料縮比慣性制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)材料的摩擦磨損性能，摩擦對(duì)偶為鑄鋼制動(dòng)盤，制動(dòng)慣量5.7 t。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料顯微組織

添加3種片狀石墨的摩擦材料燒結(jié)后顯微組織如圖2所示，組織中的黑色條狀物為片狀石墨，淺灰色基底為Cu基體，基體上均勻分布著深灰色的Fe相和鉻鐵顆粒。其中，2#試樣中的柔性石墨和3#試樣中的鱗片石墨截面為長徑比較大的薄片組織，1#試樣中的造粒石墨截面形貌呈短粗的棒狀組織。

圖2 摩擦材料顯微組織形貌

2.2 物理及力學(xué)性能分析

添加3種片狀石墨的摩擦材料燒結(jié)后的物理及力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示。其中，1#試樣的剪切強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和密度均較低；2#試樣的密度較高；3#試樣的剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較高。3種試樣表現(xiàn)出的物理及力學(xué)性能特性與所添加的石墨自身特性有關(guān)。1#試樣中的柔性石墨質(zhì)地柔軟蓬松，降低了摩擦材料基體的密度和材料抵抗剪切力及正壓力的能力。2#試樣中的造粒石墨致密度較高，呈硬脆的厚片狀，使摩擦材料具有較高的密度。3#試樣中的鱗片石墨顆粒較薄，分散在基體中對(duì)燒結(jié)骨架的“截?cái)唷弊饔米钊?，金屬基體保持了良好的連續(xù)性因而具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。

表2 物理及力學(xué)性能

2.3 摩擦磨損性能分析

3種試樣分別按照從低速到高速的順序進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)速度分別為120、160和200 km/h，閘片雙側(cè)制動(dòng)壓力23 kN，試驗(yàn)前先磨合至閘片與制動(dòng)盤貼合面積≥95%。圖3所示為試樣在不同速度下制動(dòng)的平均摩擦因數(shù)分布，每個(gè)試驗(yàn)速度下各制動(dòng)10次，圖中也顯示了10次制動(dòng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。其中，1#試樣在120 km/h、3#試樣在160和200 km/h下制動(dòng)時(shí)，平均摩擦因數(shù)都表現(xiàn)出較大的離散度。而2#試樣在各速度下多次制動(dòng)的平均摩擦因數(shù)離散度均較小，具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。在試驗(yàn)的速度區(qū)間內(nèi)，1#試樣的平均摩擦因數(shù)值最低；2#試樣的平均摩擦因數(shù)值居中，且摩擦因數(shù)值隨制動(dòng)初速度的增加未出現(xiàn)明顯變化；3#試樣的平均摩擦因數(shù)值在120 km/h下制動(dòng)時(shí)與2#試樣基本一致，而后隨制動(dòng)初速度的增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

圖3 不同制動(dòng)速度下的摩擦因數(shù)均值及重復(fù)制動(dòng)的摩擦因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差

分別在試樣磨合后、120 km/h制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后、160 km/h制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后及200 km/h制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后稱量試樣質(zhì)量，計(jì)算試樣在不同初速度下制動(dòng)的磨耗量，結(jié)果如圖4所示。3種石墨試樣的磨耗量均隨著制動(dòng)初速度的增加而升高，磨耗量的絕對(duì)值以及磨耗量隨制動(dòng)初速度增加而升高的速率均表現(xiàn)為3#試樣>2#試樣>1#試樣。

圖4 不同制動(dòng)速度下的磨耗量變化

圖5所示為120 km/h制動(dòng)后的摩擦塊表面形貌，3種試樣的摩擦表面都均勻覆蓋著金屬氧化膜。其中，1#試樣的摩擦表面光滑平整，無明顯的磨損痕跡；2#和3#試樣的摩擦表面都出現(xiàn)輕微的塑性變形和犁削磨痕，2#試樣還伴有細(xì)碎的磨粒附著在摩擦表面。能譜分析顯示，2#試樣摩擦表面的磨粒主要成分為銅、鐵和鉻的氧化物，如圖6所示。

圖5 120 km/h下制動(dòng)后摩擦表面形貌

圖6 2#試樣摩擦表面磨粒成分能譜分析

圖7所示為160 km/h下制動(dòng)后的摩擦塊表面形貌。隨著制動(dòng)初速度的提高，1#和3#試樣的摩擦表面氧化膜都出現(xiàn)不同程度的破損，暴露出基體中的石墨。其中，1#試樣摩擦表面仍未出現(xiàn)明顯的犁削磨痕；2#試樣表面的摩擦膜雖未發(fā)生明顯破損，但表面塑性變形程度加劇，附著的磨粒數(shù)量也隨之增多。

圖7 160 km/h下制動(dòng)后摩擦塊表面形貌

圖8所示為200 km/h下制動(dòng)后的摩擦塊表面形貌。制動(dòng)初速度的繼續(xù)提高導(dǎo)致摩擦塊表面材料大量剝落，3種試樣摩擦表面的氧化膜均出現(xiàn)了不同程度的破損。其中，3#試樣表面的剝落現(xiàn)象最嚴(yán)重；2#試樣表面的犁削磨痕最明顯，塑性變形程度最大；1#試樣表面組織仍保持相對(duì)光滑平整的狀態(tài)。

圖8 200 km/h下制動(dòng)后摩擦塊表面形貌

以上結(jié)果表明，摩擦材料表面剝落程度隨著制動(dòng)初速度提高而加劇，形成了圖4中磨耗量與制動(dòng)初速度的正比關(guān)系。其中，1#試樣的摩擦表面在不同的制動(dòng)速度下都不易出現(xiàn)犁削磨痕，說明在制動(dòng)時(shí)與對(duì)偶摩擦副產(chǎn)生的阻力較小，摩擦因數(shù)偏低；隨著制動(dòng)速度的提高僅發(fā)生小面積的表層組織剝落，磨耗量較低，磨損形式以氧化磨損為主。2#試樣的摩擦表面形貌在制動(dòng)初速度為160 km/h時(shí)依然未出現(xiàn)明顯的組織剝落，摩擦表面在各制動(dòng)速度下都黏附著細(xì)碎的磨粒，磨損形式以磨粒磨損和犁削磨損為主；脫落的磨粒作為第三體重新參與到摩擦界面中，在制動(dòng)的熱力作用下受熱軟化覆蓋在摩擦表面的裂紋及薄弱部位，減少了片狀磨屑的斷裂脫出，宏觀表現(xiàn)為具有適中的磨耗量。3#試樣的摩擦表面隨著制動(dòng)速度的提高組織剝落程度加劇，磨耗量較高，磨損形式以黏著磨損和犁削磨損為主。

觀察160 km/h下制動(dòng)后的3種試樣摩擦面內(nèi)部剖切組織，如圖9所示。在制動(dòng)過程中熱力耦合的作用下，材料摩擦面下一定深度區(qū)域均出現(xiàn)了不同程度的氧化層或形變層。這層組織在垂直于摩擦方向表現(xiàn)為具有一定厚度的機(jī)械混合層。其中，1#試樣在摩擦表層范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)明顯的形變，而是在距離表層10～30 μm的位置出現(xiàn)塑性變形區(qū)，如圖9(a)所示。2#和3#試樣的機(jī)械混合層都緊鄰摩擦表面，其中2#試樣的機(jī)械混合層較厚，主要由臨近摩擦表面區(qū)域的形變區(qū)組成，如圖9(b)所示；3#試樣的機(jī)械混合層較薄，無明顯的形變區(qū)，主要表現(xiàn)為覆蓋在摩擦表面上的一層氧化膜，如圖9(c)所示。

圖9 160 km/h下制動(dòng)后摩擦表面剖切組織照片

圖10所示為200 km/h下制動(dòng)后的3種試樣摩擦面內(nèi)部剖切組織照片。隨著制動(dòng)速度的提高，材料表面機(jī)械混合層厚度逐漸增大且出現(xiàn)較明顯的破損。其中，1#試樣的形變區(qū)集中在摩擦表層向下60～150 μm的厚度內(nèi)，機(jī)械混合層的形變程度最嚴(yán)重，如圖10(a)所示。2#試樣的機(jī)械混合層最大形變區(qū)域位于摩擦表層，自摩擦表層向下形變程度逐漸減小，呈現(xiàn)梯度分布，如圖10(b)所示。3#試樣的機(jī)械混合層主要由表層氧化膜組成，內(nèi)部基體無明顯形變，如圖10(c)所示。與160 km/h下制動(dòng)后的圖9(c)所示組織相比，圖10(c)中氧化膜的厚度進(jìn)一步增加。

圖10 200 km/h下制動(dòng)后摩擦表面剖切組織照片

以上結(jié)果表明，在相同的制動(dòng)條件下，片狀石墨的厚度、自身強(qiáng)度及其對(duì)基體的割裂程度將顯著影響制動(dòng)過程中力的傳遞方式，使材料表現(xiàn)出不同的摩擦特性。1#試樣摩擦材料密度小，添加的柔性石墨對(duì)制動(dòng)力的承托作用較弱，形變區(qū)域范圍深度較大；摩擦表面組織經(jīng)多次制動(dòng)后產(chǎn)生加工硬化，微觀表面與對(duì)偶面貼合不良，不能在摩擦表面形成完整連續(xù)的摩擦膜，導(dǎo)致材料的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性較差，相同工況下重復(fù)制動(dòng)的平均摩擦因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差值偏大。2#試樣添加的造粒石墨厚度較大且致密，為材料基體提供了一定的支撐；基體表層的形變量較小，由摩擦面到基體內(nèi)部形成一定緩沖，降低了摩擦表面的硬化程度；較軟的摩擦面易出現(xiàn)犁削磨痕并粘附磨粒，磨粒中含量最高的金屬成分為Cu，其次是Fe。已有研究表明，Cu顆?！暗谌w”可起到降低摩擦因數(shù)的潤滑作用，而Fe顆?！暗谌w”則會(huì)加劇磨損并提高摩擦因數(shù)[16]。2#試樣表面的磨粒成分同時(shí)具有潤滑和增磨2種特征，作為“第三體”一同參與摩擦?xí)r可起到穩(wěn)定摩擦因數(shù)的作用。3#試樣中添加的鱗片石墨片層薄，提高了材料垂直于摩擦面方向的基體連續(xù)性，在制動(dòng)力作用下不易發(fā)生深層的形變，摩擦表面主要由制動(dòng)高溫產(chǎn)生的金屬氧化膜構(gòu)成；氧化膜在制動(dòng)時(shí)容易破碎脫落在摩擦表面形成大面積的凹坑，增加了摩擦表面的不平整度；隨著制動(dòng)初速度的增加，氧化膜的厚度和脫落量增大，脫落的氧化膜在提高閘片磨耗量的同時(shí)，附著在對(duì)偶表面起到了增磨的作用使摩擦因數(shù)上升。

3 結(jié)論

(1)片狀石墨自身的性狀將對(duì)摩擦材料的物理力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，并使摩擦界面呈現(xiàn)出不同的磨損機(jī)制，進(jìn)而得到不同的摩擦磨損性能表現(xiàn)。

(2)在相同制動(dòng)條件下，3種石墨制備的摩擦材料的磨耗量表現(xiàn)為柔性石墨<造粒石墨<鱗片石墨。其中，柔性石墨摩擦材料的主要磨損機(jī)制為氧化磨損，鱗片石墨摩擦材料的主要磨損機(jī)制為犁削磨損和黏著磨損，造粒石墨摩擦材料的主要磨損機(jī)制為犁削磨損和磨粒磨損。

(3)造粒石墨制備的摩擦材料在不同制動(dòng)初速度制動(dòng)和重復(fù)單次制動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)波動(dòng)值均較小，且磨耗量適中，在文中的研究范圍內(nèi)具有最優(yōu)的摩擦磨損性能。