Cu-Fe基粉末冶金闸片制动特性的研究.pdf

第 2 5卷 第 6期 2 0 1 5年l 2月 粉 宋 ． 合金 工 业 P0W DER M ETALLURGY I NDUSTRY Vo 1 ． 2 5， No ． 6 ，p 48 5 2 De c ． 2 01 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 2 8 ． b o y u a n ． i s s n 1 0 0 6 6 5 4 3 ．2 0 1 5 0 0 2 2 Cu ． F e 基粉末冶金闸片制动特性的研究 王 晓阳 。 ．茹红 强 1 ． 东北大学材料与冶金学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 4 ； 2 ． 沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室， 辽宁 沈 阳 1 1 0 0 4 4 摘 要 以铸钢为制动盘、 C u ． F e 基粉末冶金材料为闸片组成摩擦副， 利用MM． 1 0 0 0I I 型摩擦磨损性能试验机 研 究 了制动速度 6 0 3 8 0 k m／ h 、 制动压力 0 ． 3 ～0 ． 5 MP a 对摩擦系数 、 闸片温升 、 制动距离和制动扭矩 的影 响， 并分析了闸片的磨损特点和物相变化。结果表明 摩擦材料的摩擦系数随制动速度的增加而减小， 闸片表 面温度随着制动压力增加而升高， 刹车距离随着制动压力的增加而减小， 不同制动速度下的闸片磨损机理主 要是疲劳磨损、 磨粒磨损和氧化磨损。 关键词 C u F e 粉末冶金； 制动条件； 摩擦磨损性能； 磨损机理 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 ． 6 5 4 3 ． 2 0 1 5 0 6 ． 0 0 4 8 ． 0 5 Br a k i ng pr o pe r t i e s o f Cu - Fe ba s e d po wd e r me t a l l ur g y br a kin g ma t e r i a l s WANG Xi a o y a n g ，RU Ho n g - q i a n g f 1 ． S c h o o l o f M a t e ri a l s Me t a l l u r g y , No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y , S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ， Ch i n a ； 2 ． Li a o n i n g P r o v i n c e K e y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ma t e ri a l P r e p a r a t i o n P r o c e s s i n g ， S h e n y a n g Un i v e r s i ty, S h e n y a n g 1 1 0 0 4 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Us i n g t h e c a s t s t e e l a s b r a k e d i s c a n d C u - Fe b a s e d p o wd e r me t a l l u r g y ma t e ri a l s a s b r aki n g ma t e ria l s t o f o r m a f ri c t i o n p a i r , t h e i n fl u e n c e o f b r a k i n g s p e e d 6 0 3 8 0 k r n ／ h a n d b r aki n g p r e s s ure f 0 ． 3 0 ． 5 MP a o n f r i c - t i o n c o e ffic i e n t ， b r a k i n g t e mp e r a t u r e ， b r aki n g l e n g t h a n d b r a k i n g t o r q u e o f b r a k i n g ma t e ria l wa s s t u d i e d b y u s i n g MM一 1 0 0 0 I I f r i c t i o n and we a r t e s t i n g ma c h i n e ． T h e we ar a n d the s urf a c e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e b r a k i n g ma t e r i a l s a f - t e r b r a ki ng t e s t we r e an a l yz e d． The r e s ul t s s h o w t ha t t h e f r i c t i o n c o e ffi c i e n t s o f br ak i n g ma t e ria l s de c r e a s e wi t h t he i n c r e a s i n g o f b r ak i n g s p e e d ． T h e i n c r e a s e s i n t h e b r a k i n g p r e s s u r e l e a d t O th e d e c r e a s e d b r a k i n g d i s t a n c e s an d i n - c r e a s e d b r a k i n g t e mp e r a t u r e ． T h e we a r me c h a n i s m o f Cu F e b a s e d b r ak i n g ma t e ria l s i s ma i n l y d u e t o t h e f a t i g u e we ar, a b r a s i v e we ar an d o x i d a t i o n we ar a t d i ffe r e n t b r ak i n g s p e e d s ． Ke y wo r d s C u - F e ； p o wd e r me t a l l urg y ； b r aki n g c o n d i t i o n ； f ri c t i o n a n d we ar p r o p e r t y ； we a r me c h a n i s m 制动 闸片是控制轨道列车在高速运行状态下 制动停止的关键性部件， 其制动控制能力直接影响 高速轨道列车安全性 。粉末 冶金刹车材料具有摩 擦系数高、 耐磨损 、 抗咬合、 寿命长等诸多优 点， 目 前 已经成为制作高速轨道列车制动 闸片 的理想材 料㈣ 。制动闸片材料性能必须考虑其使用条件， 制 动条件的改变将导致摩擦磨损性能发生变化 。 ， 因 此 ， 研究 闸片材料的制动行为对闸片材料 的选择具 有重要意义。本文在研究出C u 。 F e 基粉末冶金闸片 材料 的基础上， 以铸钢为制动盘 、 自制的C u F e 基粉 末冶金材料为闸片 ， 研究 了摩擦材料 的制动特性 ， 并分析 了闸片 的磨损特 点和物相变化 。研究结果 对于C u ． F e 基粉末冶金 闸片材料 的生产和应用具有 重要的参考价值。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 8 7 2 0 1 8 作者简介 王晓 阳 1 9 8 1 一 ， 女， 博士生， 主要从事摩擦材料制备及应用的研究。 收稿 日期 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 8 实 验 采用铜粉、 铁粉、 石墨、 二硫化钼和铬铁为主要 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 王晓阳等Cu ． F e 基粉 末冶金 闸片制 动特性 的研 究 4 9 原料 ， 其质 量 分数 分别 为 4 8 ％、 2 5 ％、 1 5 ％、 2 ％和 1 O ％， 闸片材料烧结工艺为 在 1 8 MP a 下 ， 1 5 mi n 升 温 至 6 0 0℃ ， 在 6 0 0℃下加 压 至 2 5 MP a ， 并保 温 1 5 mi n ， 保温结束后随模具冷却至室温 。 以铸钢 为制动盘、 自制 的C u F e 基粉末冶金材 料为闸片， 加工成 3 0 mm1 5 IT I I T I 1 5 mn l 长方形 样 品， 放置在互成 1 2 0 。 的 3 个槽 内。在MM1 0 0 0 I I 型摩擦磨损 性能试验机上根据单位面积摩擦功相 同、 摩擦半径处线速度相同、 单位面积制动压力相 同的设计原 则进行 了高速列车制动实验 。转动惯 量为0 ． 8 2 k g m ， 制动压强分别为0 ． 3 MP a 1 0 ． 5 MP a ， 制动速度分别为6 0 、 1 2 0 、 1 8 0 、 2 5 0 、 3 8 0 k m／ h ， 对应试 验机转数为 1 1 7 1 、 2 3 4 3 、 3 5 1 3 、 4 8 7 9 、 7 4 1 7 r ／ mi n 。 充分磨合后， 在每种制动速度下制动 5 次， 用热电偶 测量闸片近表面温度 ， 利用 日立 S ． 4 8 0 0 扫描 电镜和 X射线衍射仪 x R D 观察材料表面形貌并分析其组 织的变化情况。 2 结果与讨论 2 ． 1 摩擦系数及其稳定性 制动压力和制动速度对 闸片摩擦 系数 的影响 曲线如图 l 所示 。由图可知 ， 在制动速度相 同的条 件下 ， 制动压力对摩擦系数影响不 明显 ， 在 不同制 动压力下 ， 摩擦系数 随制动速度的变化规律基本相 似 ， 当制动 速度 小于 1 2 0 k m／ h时 ， 摩擦 系数 随制动 速度增加而减小， 之后在制动速度为 1 2 0 2 5 0 k m／ h 时略有增加， 制动速度高于 2 5 0 k m／ h时摩擦系数又 呈现减 小趋势 ， 不 同制动条件 下的摩擦 系数均在 0 ． 4 0 0 ． 4 7 之间。摩擦系数是摩擦表面相互粘着和 啮合的程度及其材料性质 的函数 。在低速 的摩擦 制动过程 中， 摩擦表面温度不高， 硬质相颗粒 的机 械啮合作用机制使闸片材料具有较高的摩擦系数； 摩擦接触 面积的增大是摩擦系数 随着制动速度增 加而减小的主要原因； 但是随着制动速度 的继续增 加， 硬质相颗粒脱落、 破碎夹杂在摩擦表面之 间， 使 摩擦 系数逐渐增大 ； 制动速度进 一步 增加 时， 摩擦 表面温度 急剧增加 ， 在摩擦表面发生了氧化反应 ， 形成 了氧化物膜层 ， 起 到 了一定的减摩作用 ， 从而 使摩擦系数呈现减小 的趋势 。另外 ， 由于制动压力 和制动速度 的增加 ， 使基体材料受到摩擦功产生的 高热 能影 响发生软化 ， 从而导致强度 降低 ， 表现 出 摩擦系数减小 。制动压力和制动速度对 闸片材 料摩擦系数稳定性的影响曲线如 图2 所示。摩擦系 数稳定率 6 c 定义 为， 平均摩擦系数 ／2 与最大摩擦 系数 一 的比值， 即 II 。 c 1 mx 由图可知， 不同制动条件 下的摩擦系数 的稳定 率均 高于 7 0 ％， 制动压力在 0 ． 5 MP a 时摩擦系数 的 稳定性较高。这是 由于， 摩擦表面与对偶件 晶格结 构的差异有效地抑制 了金属粘结， 提高了材料摩擦 系数的稳定率n ” 。 图1 制动压力和制动速度对闸片材料摩擦系数的影响 逞 褂 诎 糟 糕 嘶 糍 鲞 图2 制动压力和制动速度对闸片材料摩擦系数稳定率的 影响 2 ． 2 刹车距离与闸片温度 不同制动条件对 闸片刹车距离和 闸片温度 的影 响曲线分别如图3 和图4 所示。由图可知， 刹车距离 与制动速度成正 比， 与制动压力成反 比； 闸片温度 随着制 动速度和制动压力 的增加而增加 。在制动 速度为 3 8 0 k m／ h 、 制动压力为0 ． 5 MP a 时， 刹车距离 为2 6 0 0m， 闸片温度最高为3 1 5℃。制动速度越高， 制动压力越小 ， 所需刹车时间越 长， 刹车距离也越 大 。单位面积 的摩擦功随制动速度和制动压力的升 高而增加， 因此， 闸片表面温度也相应增高。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 5 卷 图3 制动压力和制动速度对闸片刹车距离的影响 p ＼ 越 赠 图 4 制动压 力和 制动速度对闸片近表面温度的影响 2 - 3 制动曲线 在 0 - 3 MP a 制动压力条件下 ， 不 同制动速度 的 闸片扭矩随时间的变化 曲线如 图5 所示。该 曲线可 以直观地反映列车的刹车 时间以及刹车的平稳程 度 。制动扭矩 稳定系数 a表示制动过程的稳定系 数， a越小制动过程越平稳 。其定义为， 在 1 次制动 过程中， 最大制动力矩 与平均制动力矩 。 之 比[1 2 ] ， 即 n M 一 “ 一 刹车时闻 ， s 图5 制动压力0 ．3 MP a 下刹车时间与扭矩的关系 2 闸片 口值随制动速度增加呈先增大后减 小的 趋势， 在制动速度 1 2 0 k m／ h 时达到最大值 1 ． 3 9 8 。刹 车发生初期 ， 列车从高速 降至低速 ， 此 时刹车片将 受到冲击和摩擦 的双重作用 ， 所以基体 的强度决定 了其瞬间的抗冲击性能， 摩擦的稳定性 决定了其刹 车过程 的有效性和均匀性。摩擦 的平稳性不仅对 刹车减速 的均匀性有影响， 同时还对动盘 的磨损量 有 影响 ， 较平滑 的 曲线说 明动 盘的磨损不是 很严 重， 这在一定程度上保护 了动盘。 2 ．4 摩擦磨损分析 闸片表面的微观组织形貌如图6 所示 。图6 a 为摩擦前 闸片表面形貌， 各组元均匀混合， 较致密 无明显孔洞 。低速制动时， 闸片表面温度低 ， 基体 硬度 高， 摩擦相硬质颗粒不 易脱落 ， 其硬度高又耐 磨损 ， 在摩擦力作用下 ， 因材料表面位错、 空位等缺 陷处易形成应力集 中引发裂纹 ， 并逐渐扩展， 使表 面局部剥落， 形成如图6 b 所示的凹坑， 造成疲劳磨 损 。当高速制动时 ， 闸片表面温度高 ， 使摩擦材料 基体软化 ， 表面层上的硬质颗粒易脱落 ， 而脱落下 的硬质颗 粒和表面剥落 的磨屑与闸片材料之 间发 生了磨粒磨损； 与此同时， 高速制动时， 闸片表面温 度超过 3 0 0℃， 表面发生氧化反应而造成 了氧化磨 损。综上所述， 闸片材料的磨损机理主要是先在局 部区域 内的微孔 隙或弱界面结合处形成大量微小 裂纹， 这些裂纹在应力的作用下不断延长并扩展 ， 最终导致材料表现 出层状剥离、 块状剥落以及增强 颗粒的剥落、 破碎等几种不同程度 的磨损现象， 并 同时伴有氧化磨损。 闸片摩擦前后磨损表面 的XR D图谱如 图7 所 示 。由于制动过程 中闸片表面产生大量 的热， 在高 温和空气介质 的作用下 ， 闸片表面发生氧化 ， 此 时 闸片表面形成 了一层 F e ， O 和 F e O的氧化膜 。随着 摩擦 的进行 ， 闸片表面温度不断升高 ， 生成的氧化 膜不断加厚。这些不断增加的氧化膜， 在摩擦过程 中受压力的作用 ， 相互叠加、 覆盖 ， 便形成 了如图 6 c 所示的叠层状表面膜。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 5 卷 纤 业 勖 态 新能源汽车产业火爆 汽车核心零部件匮乏成短板 2 0 1 5 年 以来新能源汽车市场的火爆程度超预期， 综合数据显示， 前 1 0 月国内新能源汽车产销量分别突 破2 0 万和 1 7 万辆 。按照业内预计， 到2 0 1 6 年新能源实现 5 0 万辆的销量应该“ 全无压力” 。中国在短短 2 年 的时间内超越美国， 跃升为全球第一大新能源汽车市场 。按照国家规划 ， 到 2 0 2 0 年， 新能源汽车 的保有量将 达到5 0 0 万辆 。数据之外， 新能源汽车的使用途径也在不断地突破， 新的商业模式正在崛起 。 不过 ， 全国乘联会秘书长崔东树仍然认为 “ 冷静来看， 国内新能源汽车行业的优势是局部的， 整体情况 与海外主流车企相 比， 仍有一定的差距。 ” 在此之前 ， 全国政协副主席、 科技部部长万钢在2 0 1 4 年天津泰达汽 车论坛上指 出， 中国与国外的新能源汽车在技术上差距 明显。比如在 电池技术上 ， 中国的单体 电池技术有 所突破， 但在大型电池 的系统集成和生产一致性上还有极大的改善空间； 在电机驱动控制系统、 燃料电池 的 产业化方面也需要进一步加快研发 。而奇瑞新能源汽车技术有限公司总经理刘心文也曾在“ 中国新能源车 政策与市场” 研讨会上表示， “ 核心零部件环节的欠缺是中国新能源汽车发展 的最大短板 。 ” 新能源汽车零部 件产业的弱势 ， 给新能源汽车产业发展带来 了不确定 因素。动力 电池就是非常关键的案例 ， 从 2 0 1 4 年 到 2 0 1 5 年 ， 国内新能源汽车一直处于供不应求的状况， 其最关键的制约因素便是动力 电池 的供应不足 。国内 主要的乘用车整车制造商， 在选择电池时， 都愿意用外资品牌 电池 ， 因为其在 品质和一致性上， 较国产 电池 更有优势 。目前乘用车的动力电池 中， 国产品牌的占比仅为4 成左右。充电慢 、 续航能力差是制约消费者接 受 电动汽车的另一因素。宝马汽车集 团大中华区总裁兼首席执行官安格Ka r s t e n E n g e l 认为， 只有当电池技 术进一步发展， 达到3 0 0 4 0 0 k m的续航里程， 同时缩短充电时问时， 电动汽车才会真正得到普及 。 按照此前国内的磷酸铁锂 电池路线， 要达到上述续航里程， 需要在车 内装载大批量的电池， 由此不仅影 响车辆 的装载效率， 还会影响其动力。而 曾在全球风靡一时的特斯拉， 从一开始便选择了三元 电池。相较 磷酸铁锂 ， 三元锂 电池能量密度高、 续航能力强。而国内的江淮、 奇瑞、 北汽等车企 已敏锐地捕捉到这一转 向， 开始尝试三元锂电池 。 技术之外 ， 从经济性上看， 国 内新能源汽车在成本上与国外主流产品相 比依然不 占优势。一辆 日产聆 风 ， 在美国折合成人民币的价格为 1 8 万元起 ， 与传统燃油车的价差不足 1 倍 ， 而在国内， 续航超过2 0 0 k m的 纯电动车和燃油车的价差在2 倍左右， 新能源车经济性较差。成本的问题一方面缘于规模 尚难 以支撑， 另一 方面也由于核心零部件主要集中在外资手中， 产业链的议价能力不足。 因此 ， 在 国家“ 十三五” 电动车产业发展规划 中， 加强对下一代 电池 、 电机和电控技术的研发 ； 在动力 电 池领域， 加强新材料 的开发应用 ， 提早进行前瞻性 的布局 ； 聚焦 电动车驱动技术的研 发， 重视新材料在 电动 汽车上的应用； 进一步将汽车的电动化、 轻量化和智能化相互融合 已经成为未来产业发展的核心。信息摘自 中国粉末 冶金商 务网 网站 h t t p ／ ／ w ww．p mb i z ． t o m． c n ／ n e ws ／ i n f o ． a s p i d 2 4 1 1 2 0 1 5 3 2 4 9 0 编辑部 ior a n d me c h an i s m o f F e a n d S i O2 i n Cu b a s e d P／ M f r i c t i o n ma t e r i a l s [ J 】 ． We a r , 2 0 0 7 ， 2 6 2 1 1 8 2 1 1 8 6 ． [ 9] Os t e r me y e r G P ． On t h e d y n a mi c s o f t h e f r i c t i o n c o e ffic i e n t [ J ] ． W e a r , 20 0 3， 2 5 4 8 5 2 8 5 8 ． [ 1 O ] 钟志刚， 邓海金， 李明， 等． F e 含量对c u 基金属陶瓷摩擦材料 摩擦磨损性能 的影响[ J ] ． 材料工程， 2 0 0 2 8 1 7 - 2 3 ． [ 1 】 】 杜心康， 石宗利， 叶明惠， 等． 高速列车铁基烧结闸片材料的 摩擦磨损性能研究[ J 】 ． 摩擦学学报， 2 0 0 1 ， 2 l 4 2 5 6 2 5 9 ． [ 1 2 ] 陈跃． 颗粒增强铝基复合材料的干滑动摩擦性能的研究[ D 】 ． 西安 西安交通大学 ， 2 0 0 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m