王磊 李岫 郭晓晖 金景云

摘  要：通过粉末冶金技术，研制出铜基摩擦材料。通过定速摩擦试验机，测试了转速、制动压力对闸片材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：该材料的摩擦系数随着转速的提高先是减小而后增大，材料磨损量和盘面温度则先是增大而后减小；当转速一定时，随制动压力的增大，材料的摩擦系数减小，制动压力对材料磨损量和盘面温度的影响较小。1:1制动试验结果表明：该闸片满足250km/h及以上高速列车制动要求。

关键词：高速列车；制动闸片；摩擦磨损；铜基摩擦材料

前言

高速列车制动闸片是列车制动系统的关键部件，其制动性能直接影响高速列车运营的安全性和平稳性。传统的树脂基半金属制动材料已不能满足250km/h及以上高速列车制动要求，粉末冶金制动材料具有摩擦系数高，摩擦系数受温度、压力和速度的影响小，耐高温，抗咬合性好，磨损小，寿命长等优点，已成为高速列车闸片较为理想的制动材料，并已应用在日、法、德等铁路运输发达国家250km/h以上的高速列车上^[1]。目前我国250km/h及以上高速列车用制动闸片主要依赖进口，因此我国亟待研制生产拥有自主知识产权、制动安全、耐高温、耐磨损的250km/h及以上高速列车用制动闸片，以实现高速列车用制动闸片的国产化。

本文根据高速列车制动闸片的制动性能要求，采用粉末冶金工艺研制出铜基摩擦材料。该材料具有较高的摩擦系数和良好的耐磨性，可适用于250km/h及以上高速列车。

1实验材料

1.1  高速列车制动闸片性能要求

高速列车制动闸片在工作时，承受高温、高压、冲击载荷和交变应力等综合作用，其服役条件苛刻。因此，高速列车制动闸片应满足如下条件^[2]：

(1) 闸片应有足够高而稳定的摩擦系数，以实现安全、有效的制动；

(2) 闸片应有足够的耐磨性、以保证其使用寿命，使闸片能长期工作；

(3) 闸片应具有足够的机械性能，尤其是高温强度，还应具有优良的导热性；

(4) 对偶件的磨损应尽量小，同时闸片与背板要结合牢固。

1.2 材料组元选择

作为高速列车制动材料的基体，必须具有高的热稳定性、足够的高温强度和耐热冲击强度。因此，本文选择Cu、Zn、Sn和Fe作为高速列车制动闸片的基体组元。

摩擦组元的作用是切削转移到对偶面上的堆积物和氧化物，提高摩擦系数、保证与对偶表面的适当啮合，并使对偶表面保持良好的性能。本文选用SiO₂、Al₂O₃和MoO₃作为摩擦组元。Al₂O₃可稳定摩擦系数，烧结时无晶形转变，能提高材料的热稳定性^[3,4,5]。SiO₂和MoO₃对提高和稳定摩擦系数，降低磨损有一定作用^[6]。

高速列车制动闸片是在干摩擦条件下工作，工作状况差，加入润滑组元可降低闸片的磨损，延长闸片的使用寿命。本文选用C 和Pb作为润滑组元。石墨是摩擦材料中主要的固体润滑剂，对材料的耐磨性及制动平稳性起着重要的作用。低熔点组元Pb在列车制动过程中，随着温度的升高熔化，在摩擦表面形成润滑膜，可防止摩擦表面粘结，提高材料的耐磨性^[7]。

经过上述分析和实验研究，本文选用的材料配方如表1所示。

表1   制动闸片材料的配方组成（%）

1.3 制备工艺

本实验采用的闸片制备工艺路线是：

在闸片的整个制备过程中，影响闸片性能的主要因素是烧结工艺，其中最主要是烧结温度，烧结压力和保温时间。因此在摸索闸片制备工艺过程中应综合考虑非金属物质的含量及其熔点，烧结温度要保证粉末之间充分合金化；烧结压力要注意温度和烧结面积的影响，即要考虑闸片的密度，又要兼顾闸片的硬度。保温时间的选择应使粉末充分完成烧结过程。通过一系列的实验摸索，最终我们采用的烧结温度为800℃~930℃，烧结压力为3~6Mpa，保温时间为30~60min。

2 实验结果与分析

通过对材料组元和工艺的研究，制备出如图2所示的高速列车制动闸片。从该闸片材料上截取尺寸为25mm×25mm×产品厚度和25mm×12.5mm×产品厚度的试样进行定速摩擦磨损试验。摩擦磨损试验是在QDM150型干式摩擦材料试验机上进行。对偶材料是HT200。

2.1.1 转速对闸片材料摩擦磨损性能的影响

图3为在0.98MPa制动压力下，不同转速对闸片摩擦磨损性能的变化规律。其中，磨损率的单位为10^-7cm³/J，图中表示的温度是实际温度的1/100，单位为℃。

图3 转速对闸片材料摩擦磨损性能的影响

从图3可以看出：闸片材料摩擦系数随着转速的提高先是减小，而后增大。这是由于制动时摩擦表面温度不同造成的。转速在1274rad/min时，闸片表面温度最高，材料的组织基体发生变化，使基体的硬度下降很多，闸片材料表面产生塑性变形及表面SiO₂等硬质颗粒压入基体中，使材料的表面空隙减少，摩擦副之间接触面积增大，故摩擦系数最低。

相反，闸片材料的磨损率和盘面温度都随着转速的提高先是增大，而后减小。当转速在1274rad/min时，材料的磨损率最高。这由于在该转速下，闸片材料表面温度最高，基体硬度下降最为明显，导致材料的耐磨性能下降^[8]。

2.1.2 制动压力对闸片材料摩擦磨损性能的影响

图4为在1910rad/min转速下，施加不同制动压力时闸片摩擦系数的变化规律。从图4中可以看出：随着制动压力的增大，摩擦系数减小。这是由于在一定转速下，摩擦系数可用下式表达^[9]： ；式中：为接触点的实际压力，为极限剪切应力，为滞后损失系数，为接触几何形状常数，为单位粗糙度沉陷于对偶体表面的深度，为单位粗糙度的圆角半径。由上式可知，随着压力的增大，摩擦系数减小。当制动压力较低时（0.49MPa），基体材料承受的载荷低，摩擦热产生的温度升高有限，对基体材料强度的降低不显著，基体材料对摩擦组元有较好的支撑作用，结果摩擦系数表现出较高值。当制动压力较高时（0.98MPa），摩擦负荷增加使材料表面温度升高很快，基体材料的强度大大降低，表层摩擦变形区扩大，从而造成摩擦系数处于较低值。同时，闸片材料的磨损率和盘面温度受制动压力的影响比转速的影响小。

图4 制动压力对闸片摩擦磨损性能的影响

2.2 1:1制动试验

该闸片材料能否满足250km/h及以上高速列车的制动要求，必须通过1:1制动试验台的试验验证，因此我们在铁道部科学研究院进行了1:1制动试验。图5所示的是在紧急制动条件下的试验结果。1:1紧急制动试验条件为：车轮直径860mm，轴重14.5t，摩擦半径273.8mm，闸片压力12.858KN×2，采用250km/h高速列车锻钢制动盘。

从图5中可以看出，在制动初速低于275km/h进行紧急制动时，该闸片的瞬时摩擦系数在0.33~0.45之间，摩擦系数较稳定，实验后闸片和制动盘表面无异常。根据《铁路技术管理规程》及相关规定：列车运行速度160km/h以上至200km/h的紧急制动距离为2000米，而在初始速度为250km/h进行紧急制动时，紧急制动距离为3200米。实验结果表明：该闸片在200km/h进行紧急制动时，制动距离为891.5m，在250km/h进行紧急制动时，制动距离为1396.1m，闸片平均磨耗量为0.33cm³/MJ，同时制动盘表面温度在速度为275km/h时仅为441℃，该温度远低于制动盘的耐热最高温度，完全满足中国250km/h及以上高速列车的制动要求。

图5 紧急制动条件下瞬时摩擦系数与速度的关系

3 结 论

通过上述实验结果的分析，可以得出如下结论：

1. 在制动压力一定的情况下，闸片材料的摩擦系数随着转速的增大先是减小，而后增加，闸片的磨损率和盘面温度随转速先是增大而后减小。

2. 在转速一定的情况下，闸片材料的摩擦系数随着制动压力的增大而减小，而闸片的磨损率和盘面温度随制动压力的增大而增大。

3. 该闸片材料经铁道部科学研究院1:1制动试验台检测，摩擦过程平稳，满足250km/h高速列车制动要求，可应用在250km/h及以上高速列车上。

参考文献

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