一种铜基粉末冶金闸片寿命提升的研究

王日艺 李梦南 刘小松 张羽

摘要：本文介绍了一种铜基粉末冶金闸片的寿命提升研究工作的过程。因其运用过程中使用寿命低于设计预期，故开展该项研究工作，通过对使用闸片的分析研究，认为闸片中非金属与基体组分的结合力偏小导致非金属石墨过早的剥离是造成闸片寿命偏低的主要原因，随后针对烧结工艺中的直接影响因素进行改进，并对改进后的闸片开展试验，最终试验结果表明本次研究工作的效果是显著的，在闸片摩擦系数不变的情况下寿命提升了40%以上。

关键词：粉末冶金闸片;寿命;烧结工艺;摩擦系数

1  背景介绍

闸片是轨道车辆制动系统中的关键零件，粉末冶金闸片具有良好的耐磨性、导热性和耐热性，且摩擦系数稳定性受天气影响比较小，近年来在高速列车中得到越来越广泛的应用。近期，投入运用数月的某动车组车辆中发现其闸片磨耗较为异常，该动车组列车使用的是新研制的一种铜基粉末冶金闸片，根据现车的调研测量情况来预测闸片的寿命是低于设计预期的。为此，我们开展该型闸片的寿命提升研究的工作，本文将从现车闸片的分析、寿命改进提升方案、改进后的试验等几方面详细介绍研究工作。

2  现车闸片分析

為了排除闸片本身存在制造质量问题，首先对现车闸片进行性能分析。对寿命最短的闸片进行取样分析，其物理力学性能数据详见表1，检测结果表明闸片的力学性能是符合标准要求的;同时，试验表明闸片的实测磨耗量为0.04cm3/MJ，满足标准0.2cm3/MJ要求。

随后，对使用后的闸片进行电镜分析以进一步查找寿命偏低的原因。分析结果显示：

①闸片摩擦表面凹凸不平，呈不连续的状态，闸片摩擦体表面在高温下受到碾压，网状结构被破坏，呈密集的连续排布，各种组分排列不规则，如图1、图2所示。

②闸片表面铁元素呈密集的片状分布，如图3所示。

③闸片表面氧化较为严重，如图4所示。

现车闸片的电镜分析显示：闸片摩擦体表面石墨剥离、氧化严重;进一步分析认为：摩擦体的石墨与基体组分结合力偏小，在制动过程中石墨出现剥离，导致闸片与制动盘表面接触面积减小而温度升高;同时闸片失去石墨的润滑作用导致出现磨粒磨损使界面温度进一步升高，进而导致表面氧化加剧，形成恶性循环，磨耗加剧。

3  寿命改进提升方案

通过对现车闸片的相关分析可以看出，闸片本身的性能参数不存在问题，但是闸片摩擦体中石墨与基体组分结合力偏小而导致了磨耗加剧。研究表明[1]～[2]：

①粉末冶金材料烧结后的组织结构、原料之间的结合力很大程度上取决于烧结的温度，烧结温度过低时形成合金组织缓慢，且组织不均匀，金属基体与非金属之间缺乏牢固的粘接，非金属颗粒在使用过程中容易产生剥落。

②烧结压力在增加达到某一特定值后，材料的性能也会趋于稳定。

③烧结时间对烧结过程和扩散过程的完成有着重要的影响，决定了产品的质量，可影响材料金属基体的形成并决定材料的均匀性，也直接影响摩擦体与钢背的粘接强度。

根据我们的经验，摩擦体中含有较多的非金属成分，会大大降低粉料的压缩性，在烧结过程中，压胚发生体积长大，从而使压件易于出现分层及裂纹，故增加烧结温度、延长烧结时间、加大烧结压力可以促进摩擦材料各组分之间的扩散结合，增加产品导热性，稳定摩擦系数，降低磨耗，同时还可使钢背与摩擦体之间的结合更加牢固。

故本次对闸片的寿命改进提升主要从烧结工序的温度、时间、压力三个方面进行优化。随后，按照改进提升方案试制出样品，并进行试验验证。

4  试验验证

4.1 物理力学性能检测

改进后的闸片物理力学性能与原闸片对比略有提高，详见表2。闸片密度和硬度的提高，说明材料内部孔隙度减小，材料内部的结合力增强，在摩擦过程中闸片的材料更不容易剥落，有利于降低闸片的磨耗。

4.2 摩擦磨损试验

使用MS3000摩擦磨损性能试验机对原闸片和改进闸片开展对比试验。

MS3000试验机是以实际工况为模拟基础，采用系统的多元相似原理，选择出对制动过程起主导作用的物理系数，并建立相应的模拟试验方法，测试制动器及其摩擦原件的摩擦、磨损、热负荷及可靠性、破坏性、衰减性等摩擦特性，通过所选择的制动速度、制动压力、配制惯量、制动次数所进行的模拟制动试验的设备。

试验结果表明改进后的闸片磨耗量为1.04g，原闸片为1.94g，改进后闸片磨耗量降低了约46.4%;改进前后闸片的摩擦系数对比详见图6，可以看出，工艺调整后的闸片摩擦系数基本没有发生变化，摩擦系数最大差值仅为0.021。

4.3 试验结论

通过试验结果可以看出本次工艺改进的效果的显著的，闸片的摩擦系数没有发生变化，但是物理性能有提升，摩擦磨损寿命有着较大的提高。

5  总结

本次闸片寿命提升的研究工作基于其实际使用寿命低于设计预期，虽然该闸片的所有性能符合相关标准，但是给用户带来了损失，故我们着手开展寿命提升工作。通过对使用闸片的电镜扫描我们分析出了寿命偏低的主要原因，随后从影响因素上入手，调整了烧结工艺中的温度、时间和压力，最终改进后的闸片在试验中表现出更为优越的性能。

后续，我们还将持续跟踪改进后闸片的运用情况以最终完善该项研究工作。

参考文献：

[1]盛洪超，熊翔，姚萍屏.烧结温度对铜基粉末冶金航空刹车材料摩擦磨损行为的影响[J].非金属矿，2006（29）：52-55.

[2]盛洪超，姚萍屏，熊翔.烧结压力对铜基粉末冶金航空刹车材料的影响[J].润滑与密封，2006（11）：44-49.