石墨对铜基粉末冶金闸片材料性能的影响.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O卷第 6期 王 晔等 石墨对铜基粉末冶金 闸片材料性 能的影 响 4 3 3 诸多优点 。但是 随着 列车运行速度 的提高， 对制动 材料的性能提 出了更为严格 的要求。高速列车的制 动功率是其速度的 3次方 ， 紧急制动时 ， 每根轴上所 负担的最高瞬时制动功 高达其牵引功率的数十倍 ， 基础制动装置要承受 巨大 的能量而有效制动， 其服 役条件极为苛刻。因而 ， 高性 能的制动摩擦材料是 高速列车安全运行的重要保障 。围绕铜基粉末冶 金制动闸片材料的研究始终是该领域研究 的热点之 一 ，针对材料的原料、 制备工艺、 摩擦磨损性能的相 关研究在不断推进 中 。 作为一种在铜基摩擦材料 中广泛使用的润滑材 料 ， 石墨可有效防止高温下摩擦副之间严重粘着转 移现象的发生 ， 通过在摩擦表面形成连续的富石 墨 机械混合层 ， 而对磨损表 面起到 良好的固体 润滑效 果 ， 对保证制动过程 的稳定性起到十分关键 的作 用 。石墨的形状 、 粒度、 种类对制动材料性能的优劣 有 直 接 影 响 ， 国 内外 研 究 者对 此 开展 了 大量 研 究 。一般认为 ， 作为润滑组元 的石墨颗粒 的粒 度越小 ， 在基体中的弥散程度越好 ， 其发挥润滑作用 的效果也越好。但是随着石 墨粒度 的细化 ， 将不可 避免地造成对基体连续性的损 害， 严重降低材料 的 强度， 极大地限制 了材料在苛刻服役条件下的应用。 目前用 于制动材料 的石 墨粒度在 4 5～4 0 0 1 x m 范围内不等 ， 针对所含石墨粒度 5 5 0 m 的制动材 料的研究少有报道。另外 ， 现有产 品和大量研究 中 多使用天然鳞 片石墨 ， 而 对人造石 墨的应用较 少。 人造石墨有不逊于天 然鳞片石墨的优异润滑性 能， 且 自身的强度显著 高于鳞片石墨 ， 引入人造石墨与 鳞片石墨配合使用有可能提高材料的整体性能。 基 于此 ， 本文采用鳞片石墨和人造石墨制备了 铜基粉末冶金高速列车制动闸片材料， 系统研究 了 鳞 片石 墨 粒度 和加 入人 造石 墨对 材料 性 能 的影 响 。 1 试 验 试验选用原料为电解铜粉、 还原铁粉和铬粉、 天 然鳞片石墨、 人 造石墨、 二 氧化硅、 氧化 铝、 二硫化 钼 ， 各原料 的具体性质参数列于表 1 。所有原料按 比例称量后 ， 添加 1 ． 5 ％ 质量分数 ， 下 同 的煤油作 为粘 结剂 ， 在 V型 混料 机 中混合 均匀。 以 4 5 0 6 0 0 MP a压 力 冷 压 成 形 坯 体 尺 寸 为 b 4 2 mm 1 0 mm ， 在钟罩炉中氢气保护气氛下加压烧结而成。 烧结温度 9 3 09 8 0 o C， 压强 3 MP a ， 保 温保 压 2 h ， 冷 却至 I O 0 C以下 出炉 。对烧结后 的样品， 依据标准 A S T M B 3 7 6 6 5和 A r c h i m e d e s原理 测 定 密 度 和孔 隙 度 ， 在 H B 一 1 8 7 ． 5型 布 氏硬 度 仪 上 测 定 硬 度 ， 在 WD W- 2 0 0 D型电子万能试 验机上测定试样 的抗压 强度 ， 在 S - 3 6 0型扫描电子显微镜上进行形貌分析。 摩擦磨损试验在 MM一 1 0 0 0型摩擦磨损试验机上进 行 ， 样品尺 寸为 2 5 m m 2 5 ra m 1 0 mm， 对偶 件 为 2 8 C r Mo V锻钢。试验条件为 负荷 1 MP a下 ， 相对转 速分别为 2 0 0 0 r ／ mi n 、 3 8 0 0 r ／ m i n 、 4 8 0 0 r ／ mi n ， 每种 试样在一定转速下进行 5次试验 ， 摩擦 系数为 5次 试验的平均值 ， 磨耗 为 5次试验前后被测试样总的 质量损失值。 表 1 原料粉体粒度及纯度参数 Ta b l e 1 Th e pa r t i c l e s i z e a n d p u r i t y o f r a w ma t e r i a l s 原料 粒度／ Ix m 纯度 质量分数 ／ ％ 2 结果与讨 论 2 ． 1 不同粒度鳞片石墨制备的样品形貌 采用 4种不同粒度分布的天然鳞片石墨制备样 品， 其它制备条件均相 同。各样 品中所采用石 墨的 粒度分布如表 2所示。 表 2 各样品 中天然鳞片石 墨的粒度分布 Ta bl e 2 Pa r t i c l e s i z e d i s t r i b ut i o n o f fla k e g r a ph i t e p o wde r 石墨粒度范 围／ p ． m 各样品 中的石墨粒度分布／ ％ a1 l 0 0 O 0 ad O O l O O l 2 O 一1 6 0 4 5 0 5 5 0 5 5 0 4 0 6 O O 0 1 0 0 0 烧结样品的电子扫描截面形貌如图 1 所示 。图 中深灰色的条片状 区域为鳞片石墨 ， 较均匀地分布 于基体中， 其粒度的差异直接造成样品微观形貌的 不同。图 1 a 、 图 1 c 、 图 1 e 、 图 1 g 依次为样 品 a ～a 垂直于压制方 向上截面的形貌 ， 可 以看到 基体连续性逐渐改 善。在石 墨总含量 固定 的条件 下， 随鳞片石墨粒度的增大 ， 其数量和比表面积逐渐 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 3 6 粉末 冶金技 术 2 0 1 2年 1 2月 高 ， 其磨损率越低。而石墨粒度细化对基体连续性 产生不利影响， 造成材料强度降低 ， 磨耗增大， 更 多 的摩擦颗粒转移到摩擦表面 ， 进而使摩擦系数增加 。 随相对转速 的提高 ， 各样品的摩擦系数都有所 降低 。布尚 B 指出， 滑动速度增加引起界面剪切 率增大， 剪切率越大 ， 干摩擦下的实际接触面积和摩 擦系数越低 ； 另外， 高速摩擦过程产生的表面瞬间高 温， 将显著降低材料强度 ， 甚至出现表面局部熔化而 降低抗剪强度 ， 因此 ， 摩擦系数降低到熔融层的粘性 力所决定的较低数值 。 表 4 鳞片石墨粒度对摩擦磨损性能的影响 Ta bl e 4 Ef f e c t o f fla ke g r a ph i t e p a r t i c l e s i z e O l l f r i c t i o n a nd we a r pr o p e r t i es 图 3为各试 样 在相对 转 速 2 O 0 0 r ／ mi n 、 负 荷 1 MP a下进行摩擦磨损试验后 的表面形貌 。可 以看 到 ， 试 样 a 图 3 a 、 a 图 3 b 、 a ， 图 3 C 中 均有表层脱落造成的孔洞和变形产生的裂纹。因试 样 a 中石墨粒度小 、 数量 多， 在挤 出过程 中不断露 出新的孔洞， 对基体连续性的严重割裂引起基体 的 大面积变形、 撕裂 、 脱落 ， 因此造成材料较高的磨损 率 ； 脱落后的硬质颗粒作 为磨粒 ， 进一步摩擦基体 ， 造成未脱落部分表面粗糙 、 犁沟明显。随石墨粒度 的增 大， 样品 a ， 中未 出现表层大面积脱落 的现象 ， 基体具备一定强度。样 品 a 磨损表面上 的孔 洞保 持表面层剥落 时的轮 廓 ， 裂纹诚 少， 摩擦膜基本 完 整 。即随样品中鳞片石墨粒度的增大 ， 孔洞减少 、 脱 落面积缩 小 ， 表面摩擦 膜 的完 整性 增强。样 品 a 图 3 d 的摩擦膜扩展至整个表面 ， 无明显孔洞、 裂纹 ， 形成了完整的表面摩擦膜 。 滑动摩擦时， 在剪切力 的作用下 ， 材料表层发生 变形 ， 随着 变形 的积 累形成 裂 纹 ， 进 而导致 表层 材料 的剥落 ， 强度低 的石墨相首先被挤出， 在材料表面上 留下孑 L 洞 ， 孔洞 的边缘相对薄弱 ， 裂纹较为集 中， 是 材料进一步磨损的基础 ， 并最终在摩擦界面间形 成磨屑和具有润滑作用的复合转移膜。试验结果表 明 随鳞片石墨粒度的增大 ， 以孔洞为主的磨损源减 少， 完整的摩擦膜更容易保存下来而加强表 面膜 的 完整性 ， 摩擦面趋于“ 平坦 ” ， 减轻 了脱落磨粒造成 的犁削作用。表面摩擦膜的形成 ， 有利于稳定摩擦 系数 ， 降低磨损率。 2 ． 4 人造石墨对材料性能的影响 对样 品 a ～a 进 行 摩 擦 磨损 试 验 时发 现 ， 由 于 样品的孔隙度极低 ， 制动过程 中有尖锐噪音 。一定 数量的孔隙 ， 对材料具备 良好的摩擦磨损性能十分 必要。多孔表面可以看作粗糙表 面， 孔 隙与对偶 面 的突出部分相作用时 ， 可以降低摩擦系数 ， 提高耐磨 性 ； 孑 L 隙可有效改善制动性能， 使摩擦副之间的接触 柔和 ， 制动平稳 、 无振动和噪音。基于以上原因， 制 备一种孑 L 隙度 2 0 ． 0 0 ％的样品， 发现孑 L 隙的引入极 大地削弱了样品的抗压强度， 使其 由 1 4 5 ． 3 0 MP a降 至 3 7 ． 4 0 M P a 。为解决这一问题 ， 尝试以人造石墨与 鳞片石墨配合使用强化基体 ， 弥补孔隙造成的强度 损失 。 人造石墨 粒度为 1 5 0～2 5 0 Ix m 与鳞片石墨的 不同比例对样品性能影响的测试结果列于表 5 。可 以发现 ， 样品中不 含人造石墨 ， 即仅使用鳞 片石 墨 时， 其密度为 4 ． 7 5 g ／ c m ， 孔隙度为 2 1 ． 4 0 ％， 由于较 高的孔 隙度 ， 样品的抗压强度仅为 3 7 ． 4 0 MP a 。引入 人造石墨能够大大提高样品 的抗压强度 ， 人造石墨 与鳞片石墨的质量比为 5 5时 ， 样 品的抗压强度提 高到 6 3 ． 8 6 MP a 。随人造石墨所占比例的提高， 材料 的抗压强度进一步提高。人造石墨与鳞片石墨的质 量 比 为 91时 ， 样 品 的 抗 压 强 度 达 到 最 大 值 6 9 ． 4 6 MP a ， 随后再增加人造石墨含量至样 品中不含 鳞片石墨时， 抗压强度又降低到 5 2 ． 0 0 M P a 。随人造 石墨所 占比例的升高 ， 材料的密度从 4 ． 7 5 g ／ c m 降 至 3 ． 8 9 g ／ c m ， 孔 隙度从 2 1 ． 4 0 ％ 提 高至 3 5 ． 3 0 ％。 不含人造石墨的样品 b 的布氏硬度为 7 3 ． 1 H B W， 含 人造石墨样品的硬度都有所提高 ， 且随人造石墨 占 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷第 6期 王 哗等 石墨对铜基粉末冶金 闸片材料性 能的影 响 4 3 9 高， 而布氏硬度降低 ； 鳞片石墨粒度 5 5 0 p m时 ， 材 料 的综合性能最优 ， 密度 为 5 ． 7 3 g ／ c m ， 布氏硬度为 5 7 ． 2 HB W ， 抗 压 强度 达到 1 4 5 ． 3 0 MP a 。 2 鳞片石 墨的粒度对摩擦磨 损性能 的影 响主 要在于对摩擦面上复合转移膜的影响。随鳞片石墨 粒度的增大 ， 易于形成稳定的摩擦膜 ， 是各相对转速 下摩擦系数减小、 磨损率降低 的根本原 因。在相对 转速 4 8 0 0 r ／ m i n 、 负 荷 1 MP a条 件 下 ， 以粒 度 5 5 0 1x m鳞片石墨制备的样 品， 摩擦系数为 0 ． 2 2 ， 5次 试验 的总磨耗为 0 ． 4 7 4 2 g 。 3 配合使用人造石墨时 ， 其粒度对材料性能 的 影 响与单一使用鳞片石墨时所得规律不同。粒度为 1 5 0～ 2 5 0 p m的人造石墨与鳞 片石墨配合制备 的材 料性能更优 ， 材料 的抗压强度高 于以粒度 为 4 0 0～ 5 5 0 m人造石墨与鳞片石墨配合制备 的样 品。 4 随人造石墨与鳞 片石墨 比例的增 大， 样品密 度逐渐降低 ； 两者质量 比为 9 1时， 样品的抗压强度 达到最高值 6 9 ． 4 6 MP a ； 含有人造石墨样 品的硬度值 均高于不含人造石墨样品的硬度 ， 且随人造石 墨所 占比例的提高 ， 硬度逐渐降低。 参考文献 [ 1 ]黄楠 ， 刘世楷 ．我国高速列车制动摩擦材料的发展方向 ．铁道 车辆 ， 1 9 9 3， 9 2 9 3 2 [ 2 ] O s t e r l e a W，D mi t ri e v A I ．F u n c t i o n a l i t y o f c o n v e n t i o n a l b r a k e f r i c t i o n ma t e r i a l s pe r c e p t i o n s f r o m fin d i n g s o b s e r v e d a t dif f e r e n t l e n g t h s c a l e s ． W e a r ，2 0 1 1，2 7 121 9 8 2 2 0 7 [ 3]F e r r e r C， P a s c u a l M，B u s q u e t s D，e t a 1 ．T r i b o l o g i c a l s t u d y o f F e Cu C r g r a p h i t e a l l o y a n d c a s t i r o n r a i lwa y b r a k e s h o e s b y p i n o n d i s c t e c h n i q u e ． W e a r ，2 01 0，2 6 878 4 7 8 9 [ 4 ]De c u z z i P ，D e m e l i o G ．T h e e f f e c t o f ma t e ri a l p r o p e i e s o n t h e t h e r mo e l a s t i c s t a b i l i t y o f s l i d i n g s y s t e ms ． W e a r ，2 0 0 2，25 23 1 1 3 21 [ 5 ]A t z e n i E，I u l i a n o L ．E x p e r i m e n t a l s t u d y o n g r i n d i n g o f a s i n t e r e d f r i c t i o n ma t e r i a 1 ． J o u r n a l o f ma t e r i a l s p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，2 0 0 8， 1 9 61 8 41 8 9 [ 6 ]Xi o n g X，S h e n g H C，C h e n J ，e t a 1 ．E f f e c t s o f s i n t e r i n g p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e o n mi c r o s t r u c t u r e a n d t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f Cu - b a s e d a i r c r a f t b r a k e ma t e r i a 1 ． Tr a n s a c t i o n s o f n o n f e r r 0 u s me t a l s s o c i e t y o f Ch i n a ，2 0 0 7，1 76 6 96 7 5 [ 7]湛永钟 ， 张 国定 ，曾建 民，等 料的高温摩擦磨损特性研 究 一 2 2 7 S i C和石墨混杂增强铜基复合材 摩擦学 学报 ， 2 0 0 6 ，2 6 3 2 2 3 [ 8 ]樊毅 ，张金生 ，高游 ，等 ．石 墨粒度对 c u ． F e基摩擦材 料性能 的影响 ．摩擦学学报 ， 2 0 0 0 ， 2 0 6 4 7 5 4 7 7 [ 9 ]K a t o H，T a k a m a M，1 w a i Y，e t a 1 ．We a r a n d m e c h a n i c a l p r o p e i e s o f s i n t e r 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9，2 6 62 6 6 2 7 4 [ 1 4 ]R a j k u ma r K， Ar a v i n d a n S ．Mi c r o w a v e s in t e r i n g o f c o p p e r g r a p h i t e c o mp o s i t e s ． J o u r n a l o f ma t e r i a l s p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y， 2 0 0 9， 2 0 95 6 015 6 0 5 [ 1 5]Y a n g H J ，L u o R Y，Ha n S Y，e t a 1 ．E f f e c t o f t h e r a t i o o f g r a p h i t e ／ pit c h c o k e o n t h e me c h a n i c a l a n d t r i b o l o g i e a l p r o p e r t i e s o f c o p p e r c a r b o n c o mp o s i t e s ． W e a r ，2 01 0，2 6 81 3 3 7 1 3 4 1 [ 1 6 ]尹延国 ， 刘君武 ， 郑治祥 ．石墨对铜基 自润滑材料 高温摩擦磨 损性能 的影响 ．摩擦 学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 3 2 1 62 2 0 [ 1 7]费多尔钦 科 M M． 现代 摩擦 材料 ．北 京 冶金 工业 出版 社 ， 1 9 8 3 [ 1 8 ]温诗铸 ，黄平 ．摩 擦学原理 第 二版 ．北京 清 华大学 出版 社 ， 2 0 0 2 [ 1 9 ]布 尚 B ．摩擦学导 论 ．北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 [ 2 O ]曲在纲 ， l 黄月初 ．粉末 冶金摩 擦材料 ．北京 冶金 工业 出版 社 ， 2 0 0 5 上接第 4 2 7页 [ 1 7]白雪 ， 王星明 ， 韩沧 ， 等 ．烧结温度对 A Z O热压靶材性 能影 响 研究 ．稀有金属 ， 2 0 1 1 ， 3 5 6 8 8 7 8 9 2 [ 1 8 ]乔英杰 ．材料的合成与制备 ．北京 国防工业 出版社 ， 2 0 1 0 [ 1 9]果世驹 ．粉末烧结理论 ．北京 冶金工业 出版社 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