石墨在动车组制动闸片中的应用研究

杨粱崇， 杨 川, 亢磊

(1 中国铁路兰州局集团有限公司 车辆处， 兰州 730000; 2 中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心， 长春 130062)

石墨是动车组制动闸片中常用的润滑组元材料，石墨为六边形层状结构，层与层之间相对位移时，需要的切向应力不大，易于滑动，因此具有摩擦系数小，润滑性好的特点[1]。但在烧结过程中，石墨与Cu、 Fe间不互溶，它基本均匀分布于金属基体之间，烧结过程中石墨对金属原子间的扩散起阻碍作用，阻碍烧结颈的形成，增大材料的孔隙度，孔隙常出现在石墨与金属的界面处，且呈狭长的扁孔，易引起应力集中。石墨加入量的增加会导致摩擦材料压制成型困难，强度低，易出现掉边掉角的问题。

在试验中，对具有不同形貌的石墨进行了试验研究，探讨了人造石墨和鳞片石墨的添加对制动闸片摩擦材料性能的影响，尝试通过人造石墨和鳞片石墨的混合添加来强化摩擦体，提高闸片的综合性能。

1 试验材料与制备

1.1 试验材料

制备闸片摩擦材料的原材料粉末有：铁粉 、铜粉、镍粉和锡粉 ，粒度均为-200目，纯度≥99.2%。在试验中选用的人造石墨含碳量99%以上，粒度150～800 μm；鳞片石墨产地山东青岛，纯度99%，粒度300～850 μm。石墨颗粒形貌如图1、图2所示。

1.2 摩擦材料制备

在闸片摩擦材料中依次提高鳞片石墨的加入量，考察鳞片石墨加入量的增加对摩擦材料的密度、强度和摩擦性能的影响。闸片摩擦材料配比如表1。

表1 闸片摩擦材料配比表 %

图1 人造石墨形貌

图2 鳞片石墨形貌

采用气氛式钟罩烧结炉烧结制备摩擦材料，制备工艺为烧结温度930℃，压力为10 MPa，保温时间为2 h。

1.3 性能测试

制备15 mm×15 mm的摩擦体试样，在LDW-100万能电子试验机上进行剪切强度试验。剪切强度为剪切力与受力面积的比值。

τ=F/A

(1)

式中：τ为摩擦体剪切强度；F为剪切力；A为受力面积。

摩擦材料的密度应用阿基米德浮力法进行试验，计算公式如式(2)所示。

(2)

采用MM1000-Ⅱ型摩擦磨损试验机来测定摩擦材料的摩擦系数，摩擦材料尺寸为25 mm×25 mm×15 mm，对偶盘材料为30CrSiMoVA。

2 试验结果与讨论

2.1 不同石墨比例对摩擦材料压制性的影响

采用颗粒石墨与鳞片石墨相配合制备试验摩擦材料，各样品中两种石墨的比例如表2所示。

表2 各摩擦材料样品中的两种石墨比例

将不同比例的颗粒石墨与鳞片石墨混合的粉料进行冷压压制，压制高度均为15 mm。压制过程中的成型压力如图3所示。

图3 各摩擦材料的成型压力

从图中可以看出，随着颗粒石墨的比例逐渐降低，摩擦材料所需的成型压力呈现下降的趋势，全部为颗粒石墨所需的压制压力710 kN为全部为鳞片石墨的压制压力350 kN的一倍。这是由于颗粒石墨在摩擦体中较鳞片石墨属于硬质相，在材料受到压力作用下，阻碍材料发生变形。鳞片石墨较柔软属于软质相，在受压力作用下更容易发生位移和变形。因此在鳞片石墨多的情况下，压制压力更低。

2.2 不同石墨比例对闸片摩擦材料性能的影响

不同比例的石墨加入会对材料的性能产生影响，如表3所示，随着鳞片石墨的增加，样品的密度逐渐增大，剪切强度逐渐升高。

表3 各样品的密度与剪切强度

颗粒石墨内部存在空洞且表面粗糙，在压制过程中与金属粉料之间会产生大量间隙，造成孔隙率增加。孔隙率的增加会造成密度下降，所以全部使用颗粒石墨的样品的密度最低，剪切强度最差。人造颗粒石墨的形状不规则，颗粒和颗粒之间容易产生搭桥现象，在单个颗粒与金属接触面处存在应力集中[2]，诱发裂纹的产生和扩展，故剪切强度会降低。图4为加入人造石墨后摩擦材料断口形貌照片，从图中可以看出石墨颗粒周围有大量孔洞和裂纹存在。

图4 加入人造石墨的摩擦 材料断口形貌

鳞片石墨在受到压力时会发生旋转，趋向垂直于压力方向排列，长度和厚度方向有较大差异性，呈现为带状[3]，因此易于压制成型，烧结致密性高[4]，而且鳞片石墨表面光滑，所以石墨与金属界面处孔隙率较低。因而加入鳞片石墨后，摩擦体密度增大，剪切强度也随着孔隙的降低而增大。随着鳞片石墨加入量的增加，石墨在摩擦体中的分布状态多数为平行于摩擦面，由于石墨与金属的润湿性很差，因此石墨与金属基体的结合处存在着大量的缺陷，因此平行于摩擦面对摩擦体进行剪切试验时，当鳞片石墨的加入量达到一定数量后剪切强度会有所降低。通过数据可以看出，在人造石墨与鳞片石墨加入比例4∶6时摩擦体的剪切强度最高。

2.3 不同石墨比例对摩擦材料摩擦性能的影响

从表4中可以发现在相同试验工况下完全使用颗粒石墨时摩擦系数最高为0.388，全部为鳞片石墨时摩擦系数下降为0.305，因此随着鳞片石墨的增加，平均摩擦系数呈下降的趋势，这是因为摩擦性能与平行于摩擦面的截面形貌有关。从图5摩擦材料平行摩擦面的组织形貌中可以发现，随着鳞片石墨的增加，石墨在摩擦体中的分布状态多数为平行于摩擦面，这使得在摩擦过程中，有大面积的石墨暴露在摩擦面上，从而使材料具有更好的润滑作用，平均摩擦系数降低。而当颗粒石墨较多时，石墨颗粒钉扎在金属中，不容易发生滑移，而且会阻碍鳞片石墨旋转至平行于摩擦面，单位面积上的石墨数量较少，因此润滑性能变差，平均摩擦系数较高。

表4 不同石墨比例摩擦材料的摩擦系数

图5 不同比例石墨制备摩擦材料样品的组织形貌

3 结束语

(1)鳞片石墨的加入提高了摩擦材料的压制成型性。随着颗粒石墨的比例逐渐降低，摩擦材料所需的成型压力呈现下降的趋势，全部为颗粒石墨所需的压制压力710 kN为全部为鳞片石墨的压制压力350 kN的一倍。

(2)不同比例的石墨加入会对材料的性能产生影响。鳞片石墨加入后，摩擦体的密度和剪切强度逐渐提高，当人造石墨与鳞片石墨加入比例4∶6时摩擦体的剪切强度为32 MPa、密度4.42 g·cm-3达到最高。

(3)随着鳞片石墨数量增加，摩擦材料的平均摩擦系数逐渐降低。