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第5 8 卷第3 期 20 06 年8 月 有色金属 N O N f e r r o t l sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ，N o ．3 A u g u s t 200 6 刹车用S i 0 2 ／C u 复合材料基体中 F e 和S n 对摩擦性能的影响 高红霞，刘建秀，张友阳，栗富国 郑州轻工业学院机电工程学院，郑州4 5 0 0 0 2 摘要在M M ．1 0 0 0 型摩擦试验机上测试c u F e ，c u ．s n ，c u ．F e s n 三种基体的S i 0 2 ／C u 复合材料的摩擦磨损性能，通过扫描 电镜观察及能谱分析讨论基体中F e 和S n 的存在状态、作用以及对材料摩擦性能的影响。结果表明，C u F e S n 基体的S i C h ／C u 复 合材料具有更高的摩擦系数及稳定性、更小的磨损量，可承受更高的制动速度，是适合高速制动的高性能刹车材料。 关键词金属材料；S i 0 2 ／C u 复合材料；基体组成；刹车材料；摩擦性能 中圈分类号T G l 4 6 ．1 l ；T G l 3 5 ．6 ；T B 3 3 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 3 0 0 2 3 0 4 刹车用复合材料主要由基体金属粉末及高硬度 陶瓷粉末、高润滑非金属粉末等组成，具有优良的摩 擦性能，广泛应用于各种摩擦制动零件，特别是高速 列车制动元件。近年来，F t 、法、德已形成了铁基、铜 基、铁一铜基三大体系的刹车用复合材料[ 1 - 3J ，其中， 铜基复合材料与铁基相比，具有良好的导热性、抗高 温氧化性、与摩擦副间粘着倾向小等优点，在列车制 动元件上的研究和应用尤其受到重视“j 。我国 对铁基、铁一铜基复合材料有一定研究，但对铜基复 合材料在高速制动元件上的研究较少。由于S i 0 2 对铜基体具有较好的润湿性和增强作用，故研究 了S i O ，／C u 基复合材料在不同制动速度下的摩擦性 能。研究发现，基体中的合金元素特别是F e 和S n 对复合材料摩擦性能影响较大。经比较研究可知， 基体中含有F e 和S n 的铜基复合材料摩擦性能优于 只含F e 或S n 的材料，这对确定S i 0 2 ／C u 基复合材 料的配方以及开发该材料在高速列车制动元件上的 应用具有重要意义。 1实验方法 1 ．1 试验材料 1 ．1 ．1 试验材料配方。试验用S i 0 2 ／C u 基复合材 料配方如表1 所示，表1 中列出了C u F e ，C u S n 和 C u F e S n 三种C u 基体的试验材料，编号分别为 C u l ，C u 2 和C u 3 。配方中C u 为基体元素，F e ，S n 和 N i 为基体的合金元素，S i 0 2 为抗摩剂，石墨为润滑 剂，B a S O 。为摩擦调整剂，其他为特殊添加剂。 表1S i 0 2 ／C u 基复合材料配方 w i ／％ T a b l e1 F o r m u l ao fS i 0 2 ／C uc o m p o s i t e s 1 ．1 ．2 试验材料制备。将称量好的一定粒度的电 解铜粉、还原铁粉、喷雾锡粉及各种组分的微粉机械 收稿日期2 0 0 5 0 l 一1 l 基金项目中国工程物理研究院基金资助项目 4 2 1 0 1 0 2 0 1 ； 河南省重大科技攻关项目 0 3 2 3 0 2 3 9 0 0 0 作者简介高红霞 1 9 6 5 一 ，女，河南偃师市人，副教授，硕士，主要 从事金属基复合材料等方面的研究。 混合1 0 ～1 6 h 后，加入适量硬质树脂和橡胶共混，在 5 0 0 - - 6 0 0 M P a 压力下压制成坯块，然后在9 5 0 ～ 1 0 5 0 ℃烧结2 h 制成试验材料。磨损试验用试件是 将坯块与钢背钎焊后烧结制成。 1 ．1 ．3 试验材料的性能。试验材料的力学性能及 物理性能如表2 所示。 万方数据 2 4有色金属第5 8 卷 1 ．2 试验过程 1 ．2 ．1 磨损试验。在M M 一1 0 0 0 实验机上按 J B 3 0 6 3 暑2 进行摩擦磨损试验。试件尺寸内径 夺5 3 m m ，外径 7 5 m m ，对偶材料为3 0 C r S i M o V A 钢。 测试三种铜基复合材料试件在不同制动速度下的摩 擦系数及其稳定系数、磨损量。试验条件为制动压 力P 0 ．9 8 M P a ，转动惯量， 0 ．1 9 6 N m 8 2 ，制动 速度分别为1 0 0 0 ，2 0 0 0 ，3 0 0 0 ，4 0 0 0 ，5 0 0 0 r ／m i n 。摩 擦系数计算公式为卢 I c o ／ 2 P R G t ，其中6 0 为开 始制动时实验机主轴角速度；R ，为试件摩擦力合 力作用点的半径，可通过摩擦力矩计算得到；￡为制 动时间。磨损量为不同制动速度下制动的试件磨损 高度总和除以制动次数。 1 ．2 ．2 材料显微组织的电镜观察及能谱分析。用 J S M ，5 9 0 0 扫描电子显微镜观察试验材料表面显微 组织及试件磨损后的表面形貌，用O x f o r d 5 5 1 8 型能 谱分析仪进行材料组织分析。 2 试验结果与分析 2 ．1 含F e 和S n 的铜基复合材料的显微组织 图1 为C u F e S n 基体的复合材料C u 3 的扫描 电镜显微组织。经能谱分析知，其中自亮色基体为 C u 固溶体 S p e c t r u m 6 含S n 3 ．8 ％，含F e l ．3 6 ％ ， 深灰色尖角状颗粒为S i ， S p e c t r u m 2 ，浅灰色不规 则颗粒为F e S p e c t r u m l ，黑色细片状或点状为石 图1C u 3 的扫描电镜显微组织 F i g ．1 S E Mm e t a l l o g r a p ho fC u 3 墨 S p e c t r u m4 ，灰色细小点状为S n S p e c t r u m 5 。 2 ．2 基体中F e 和S n 对摩擦系数的影响 图2 为C u l ，C u 2 ，C u 3 三种铜基复合材料试件 在不同制动速度下的摩擦系数。三种材料的摩擦系 数随制动速度的变化趋势相同，当制动速度较小时， 材料的摩擦系数随制动速度增加而缓慢增加，是由 于速度增加使得克服摩擦表面啮合作用所需力矩增 大所致。然而当制动速度超过一定值 临界速度 时，摩擦系数迅速下降，这是由于制动速度大于临界 速度时，摩擦面温度较高，使铜基复合材料表面氧 化，氧化物填充材料表面的空隙和微观不平，使摩擦 系数大大下降。 图2制动速度对材料摩擦系数的影响 F i g ．2 R e l a t i o nb e t w e e nb r a k es p e e da n d f r i c t i o nc o e f f i c i e n t P 0 ．9 8 M P a 三种材料在临界速度以下均具有较高摩擦系 数，是由于铜基复合材料基体中F e 和S n 的强化作 用使基体硬度较高，在制动过程中能牢固地支撑其 内部的硬质S i 0 7 颗粒，增强摩擦副之间的啮合作 用，使摩擦系数较高。相比之下，C u l 的摩擦系数稍 高于C u 2 和C u 3 ，是由于C u l 的基体不含S n ，C u 2 和C u 3 基体中均含有S n ，S n 除了溶于C u 起固溶强 化作用外，还具有固体自润滑作用[ 8 】，使材料的摩 擦系数有所降低。 三种材料的不同在于摩擦系数显著下降的临界 速度不同，C u l ，C u 2 ，C u 3 的临界速度分别为3 0 0 0 ， 2 0 0 0 ，4 0 0 0 r ／m i n ，这是由于材料基体中F e 和S n 的 不同存在状态 如图1 及不同作用造成的。F e 在 万方数据 第3 期 高红霞等刹车用s i 0 2 ／C u 复合材料基体中F e 和S n 对摩擦性能的影响 2 5 C u 中的固溶度较小 能谱分析表明1 ．3 6 ％的F e 溶 于C u 中 ，故高硬度的F e 粉主要以颗粒状均匀分 布于C u 基体中，起到了增强相的作用，使材料表面 硬度提高，而且还起抗摩作用，使材料摩擦系数提 高。而S n 可较多地固溶于C u 中 能谱分析表明 3 ．8 ％的S n 溶于C u 中 ，提高基体硬度，S n 本身硬 度较低，部分游离态分布于基体的S n 使材料表面硬 度较低，S n 的自润滑作用使材料的摩擦系数较低。 C u 2 的临界速度最小，是由于其基体含有较多S n 而 不含F e ，故其表面硬度较低 见表2 ，而制动速度超 过2 0 0 0 r ／r a i n 时，摩擦面温度升高，使材料表面硬度 进一步下降，而且表面温度超过了S n 的熔点 2 3 1 ．9 ℃ ，使得游离态的S n 在摩擦面上形成液体 润滑层，造成其摩擦系数迅速下降。C u 3 基体中含 有较多F e 和一定量的S n ，材料基体硬度和表面硬 2 ．3 基体中F e 和s n 对摩擦系数稳定性的影响 表3 为三种材料在不同制动速度下的摩擦系数 及稳定系数，其中n 表示制动速度，肛。。。和p 均分别 为最大和平均摩擦系数，a ∥均知。。。为稳定系数。 由表3 可见，三种材料在其临界速度以下，摩擦系数 的稳定性均较高，且可计算出C u l 在其临界速度 3 0 0 0 r ／m i n 以下，稳定系数口平均为9 5 ．8 ％，C u 2 在 其临界速度2 0 0 0 r ／m i n 以下，稳定系数a 平均为 9 7 ．8 ％，C u 3 在其临界速度4 0 0 0 r ／m i n 以下，稳定系 数a 平均为9 6 ．7 ％。这是由于铜基复合材料基体 硬度较高 见表2 ，且高硬度抗摩剂s i 0 2 通过过渡 区与基体结合牢固，在制动过程中S i 0 2 颗粒不易压 人、不易脱落，摩擦面可保持稳定状态。图3 为试样 经冲击变形后过渡区的形态，能谱分析知过渡区含 有C u ，O ，S ，C ，F e ，S n ，S i 等多种成分，具有良好的延 度均较高，可承受较高温度，故其临界速度最高。展性，冲击后过渡区无裂纹。 表3三种材料在不同制动转速下的摩擦系数和稳定系数 T a b l e3F r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n ds t a b l ec o e f f i c i e n to ft h r e em a t e r i a la td i f f e r e n tb r a k es p e e d P 0 ．9 8 M P a 图3 S i 0 2 颗粒与基体的过渡区5 0 0 F i g ．3 T r a n s i t i v ea r e ao fS i 0 2p a r t i c l ea n db a s e 5 0 0 当制动速度超过临界速度时，C u l ，C u 2 ，C u 3 摩 擦系数的稳定系数d 均下降。特别是C u l 由于不 含S n ，在高速制动时无润滑作用，磨损较大，表面状 态变化较大，a 较低，平均为8 5 ．1 ％。C u 2 由于不含 F e ，含较多低硬度的S n ，高速制动时材料表面硬度 较低且出现较多润滑相，使得表面状态不稳定，口也 较低，平均为8 8 ．9 ％。而C u 3 既含F e ，又含S n ，高 速制动时表面硬度高且具有一定润滑作用，耐磨性 高，表面状态稳定，高速制动时其稳定系数a 仍保 持较高，为9 1 ．9 ％。 2 ．4 基体中F e 和S n 对磨损量的影响 图4 为C u l ，C u 2 ，C u 3 三种材料和对偶的平均 磨损量。C u l 及对偶的磨损量最大，是由于其不含 润滑相S n ，使摩擦副之间摩擦较大。C u 2 含较多 S n ，虽然润滑较好，但表面硬度较低使其磨损量仍 较大，而其对偶在好的润滑作用下磨损较小。C u 3 含较多的F e ，材料表面硬度高，而且还含有一定的 S n ，起润滑作用，故C u 3 及对偶摩擦副双方磨损量 均较小。 图4 三种材料和对偶的平均磨损量 F i g ．4W e a rv o l u m eo ft h r e em a t e r i a l sa n do p p o s i t es i d e unl，嘟鞲遐 万方数据 2 6有色金属第5 8 卷 3结论 S i 0 2 ／C u 复合材料中，F e 主要以游离态均匀分 布于基体，对基体起沉淀强化作用及增摩作用，少量 F e 溶于C u 中，起固溶强化作用，S n 部分溶于C u 中，起固溶强化作用，部分以游离态均匀分布于基 体，起润滑作用。S i 0 2 ／C u 复合材料在临界速度以 参考文献 下，具有较高摩擦系数，摩擦系数的稳定系数较高。 超过临界速度后，摩擦系数迅速下降。基体为C u ． F e S n 的复合材料临界速度最高，为4 0 0 0 r ／r a i n ，复 合材料的磨损量及对对偶材料的磨损量均小于C u F e 基体和C u S n 基体的复合材料。基体为C u F e S n 的铜基复合材料适于高速制动元件，但S n 的最 佳含量还有待进一步试验。 【1 ] 周继承，黄伯云．列车制动摩擦材料研究进展[ j ] ．材料科学与工程，1 9 9 9 ，1 7 2 9 1 9 3 ， [ 2 ] 戴雅康．高速列车摩擦制动材料的现状与发展[ J ] ．机车车辆工艺，1 9 9 4 ， 2 1 8 ． [ 3 ] 三部隆宏．中西宏之7L ／／年用摩擦材料[ J ] ．} 守／f 水口三／灭p ，1 9 9 1 ，3 6 3 1 8 9 1 9 4 ． [ 4 ] L o c k e rKD ．F r i c t i o nM a t e r i a lo nO v e r v i e w [ J ] ．P o w d e rM e t a l l u r g y ，2 0 0 2 ，3 5 4 2 5 3 2 5 5 ． [ 5 ] B y z o n o sJ IA ， K a p O BBA ．粉末冶金制动闸瓦与聚合物合成制动闸瓦的摩擦性能比较[ J ] ，国外内燃机车，2 0 0 0 ，3 5 1 3 3 4 3 8 ． [ 6 ] B r e a mM ，V o nD o r e nVE ．P r o p e r t i e so fp o r o u sm a t e r i a l [ J ] ．M a t e rS c i ，1 9 9 9 ， 2 2 2 0 3 7 2 0 4 5 ． [ 7 ] Y a g aY ，I s o g a iA ．R o l eo fa l l o y i n ge l e m e n t si nf r i c t i o na n dw e a ro fc o p p e ra l l o y s [ J ] ．W e a r ，1 9 9 9 ， 4 4 3 7 7 3 8 5 ． 【8 ] 刘家浚，材料磨损原理及其耐磨性[ M ] ．北京清华大学出版社，1 9 9 3 9 2 2 4 6 ． E f f e c to fF ea n dS ni nM a t r i xo fS i 0 2 ／C oC o m p o s i t e sf o rB r a k i n go nF r i c t i o nP r o p e r t i e s G A O H o n g x m ，L J UJ i a n x i u ，Z H A N GY o u y a n g ，L IF u g u o I n s t i t u t eo fM e c h a n i ca n dE l e c t r i cE n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o uU n i v e r s i t yo fl i g h tI n d u s t r y ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ef r i c t i o np r o p e r t i e so fb r a k em a t e r i a l sm a d ef r o mS i 0 ，／C uc o m p o s i t ew i t hm a t r i xo fC u F e ，C u ．S na n d C u F e S na r ei n v e s t i g a t e do nM M 一1 0 0 0f r i c t i o nt e s tm a c h i n e ．T h es t a t e ．f u n c t i o na n dt h ee f f e c to nf r i c t i o n p r o p e r t i e so fF ea n dS ni nm a t r i xa r ea n a l y z e db ym e a n so fS E Ma n dE n e r g yS p e c t r u mA n a l y s i s ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec o m p o s i t ew i t hC u F e S nm a t r i xh a sh i g h e rc o e f f i c i e n to ff u n c t i o na n ds t a b i l i t y ，f e w e rw e a rv o l u m e ，i tc a nb e a rah i g hb r a k es p e e d ，S Oi tc a nb eu s e df o rb r a k em a t e r i a l su n d e rah i g hb r a k es p e e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；S i 0 2 ／C uc o m p o s i t e ；m a t r i xc o m p o s i t i o n ；b r a k em a t e r i a l ；f r i c t i o np r o p e r t y 万方数据
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