铜基复合制动材料摩擦磨损性能研究进展*

2022-11-03司丽娜陈林林阎红娟张淑婷陈强华

润滑与密封 2022年10期

司丽娜陈林林阎红娟杨晔张淑婷陈强华

(北方工业大学机械与材料工程学院北京 100144)

为保证列车运行制动过程安全平稳，高速列车制动装置至少应具有动力制动和摩擦制动2种方式，在动力制动失效情况下，摩擦制动需及时发挥制动作用[1]。现有摩擦制动装置多采用盘形制动,制动盘材料的性能直接决定了制动装置的制动性能。近年来，我国高速列车不断提速,而列车运行速度每提高1倍，其制动功率将增加到原来的8倍[2]。当列车运行速度达到380 km/h时，制动盘的温度可达到500 ℃以上，这就要求制动盘材料应具有较高的疲劳强度和耐磨性，较好的导热性和稳定的摩擦因数等优良性能。而铜基复合材料由于具有强度高、耐热性好和摩擦因数稳定等优点，是理想的制动盘材料[3]。

本文作者综述了高速列车制动盘材料的发展，铜基复合制动盘材料的组成、制备及发展，以及铜基复合制动盘材料摩擦磨损特性的研究现状，最后展望了铜基复合制动盘材料的发展趋势。

1 高速列车制动材料的发展

用于盘形制动装置的材料可分为2类：一种是铸铁和铸钢之类的传统黑色金属材料；另一种是新型复合型材料，包括碳/碳纤维复合材料、陶瓷复合材料和金属基复合材料等。

1.1 铸铁、铸钢材料

自从1935年来法国采用铸铁制动盘制动取代踏面制动以来，各国铁路列车纷纷采用盘形制动系统[4]。铸铁制动盘材料的发展可分为普通灰铸铁、镍-铬-钼低合金铸铁和蠕墨铸铁3个阶段[5]。灰铸铁制动盘生产加工廉价，整体性能稳定，在时速200 km/h以内的列车上使用较为普遍，我国CRH1动车组车型最初采用的便是铸铁制动盘[6]。但由于其瞬时摩擦因数随压力、速度、温度变化较大[7]，且导热性和耐磨性较差，在列车提速后会导致灰铸铁制动盘温升加剧，热负荷增大，磨损程度会大大增加，无法达到预期使用寿命。低合金铸铁制动盘是在普通灰铸铁加工时加入镍、铬、钼等元素制成的，制动盘的耐热性和耐磨性有很大程度改善，现已在高速列车上得到广泛应用，但其整体的强度和疲劳性能也没有明显改善[4]。在铸铁加工时改变碳、石墨含量与形态研制出的蠕墨铸铁制动盘，提升了铸铁材料的抗冲击强度以及耐磨性，但其摩擦磨损性能与钢质材料相比仍有很多不足之处[8]。

铸钢制动盘的盘体带散热筋，凝固组织为等轴晶，整体散热性、抗热裂性能和耐磨性能好。铸钢制动盘的性能依赖于铸造技术工艺，若铸造缺陷过多，会导致制动盘散热性能下降，加剧盘体磨损，大大减少使用寿命[4]。我国CRH3动车组车型采用的是铸钢制动盘[6]。为提升铸钢制动盘的强度和耐磨性能，通常可以采用在低合金铸钢中加入铜、铬、钼、镍、钒等合金元素，配合合适的热处理方法，提升铸钢制动盘的强度与韧性，提升其耐磨性和抗冲击性能[5,9-10]。锻钢制动盘具有良好抗热龟裂性、耐磨性和稳定的摩擦因数，我国CRH2动车组车型采用的是锻钢制动盘[6]。镍-铬-钼低合金锻钢刹车盘能够满足日本新干线列车速度为260 km/h的制动要求。虽然锻钢制动盘具有优秀的摩擦磨损性能，但由于其生产方式为锻造加工，故其内部结构较为单一，而且制动盘的摩擦因数与闸片有关。

随着高速列车不断提速，制动盘的工况环境更加复杂恶劣。例如：350 km/h的高速列车在制动时闸片表面瞬时温度可以达到900 ℃以上，这对制动盘的性能提出了严峻的考验[11]。因此，为满足列车高速化重载的发展需求，急需研发新型高速列车制动盘材料。

1.2 新型复合型材料

为提升制动盘材料的摩擦性能、热传导性能、力学性能，常常采用复合化增强材料，例如，纤维增强复合材料、陶瓷复合材料和金属基复合材料等。

纤维增强复合材料主要以碳纤维复合材料为主，它充分利用了碳纤维优异的物理性能，如强度大、模量高、密度低、导热好、耐热、耐摩擦等，可以在一定程度上减轻摩擦盘的质量[12]。在碳纤维增强复合材料组分中，往往会加入石墨及碳的化合物等，且需要对组分中的有机黏结剂进行碳化处理[13]。我国某研究院研制出一款碳纤维增强复合材料闸片，并在120及200 km/h 速度下研究了其摩擦磨损性能，结果表明，与铸铁材料相比，碳纤维增强复合材料闸片耐磨性能稳定，温度随摩擦过程变化不大[14]。殷艳飞等[15]采用热压成型工艺制备了碳纤维增强树脂基制动材料，研究了其摩擦磨损性能并分析了磨损后表面形貌，发现在碳纤维质量分数为4%时，其摩擦磨损稳定性较高，抗热衰退性能较好，磨损机制主要为疲劳磨损。碳纤维增强复合材料制备成本高，是限制碳纤维增强复合制动材料发展的一大瓶颈。目前该材料国内生产技术不够成熟，无法做到大规模批量生产；另外列车运行工况复杂，碳纤维复合材料在恶劣天气下会加剧磨损，且较难通过传统工艺进行修复[16]。目前碳纤维复合材料制动副主要用在高端跑车、赛车和飞机上[17]。

陶瓷复合材料具有高强度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等优点。SAB Wabco公司开发的碳纤维增韧陶瓷基制动盘，其质量仅为普通制动盘的1/2[18]，实际应用也证实其具有较强的磨损稳定性。陶瓷制动盘的缺点在于其脆性大，不耐冲击，易开裂。西北工业大学通过结合化学气相沉积和液体渗硅2种方法，研制出了三明治结构的陶瓷制动材料，但整体的结合强度较低[19]。目前解决陶瓷制动盘碎裂的方法主要是与碳纤维进行复合，如碳化硅复合陶瓷制动盘材料。陈飞雄等[20]对碳纤维增强碳基、碳化硅基的陶瓷复合制动材料进行摩擦磨损试验，测得的闸片在干燥工况下120 km/h制动速度时，最大闸片压力为0.53 MPa，平均摩擦因数为0.45，符合规定要求，磨损比为0.024 cm3/MJ，约为规定标准的10%。

金属基复合材料是近些年迅速发展的一种新型制动材料，它具有整体力学性能较好，热膨胀系数低，导电导热性能优良以及摩擦因数稳定等特点[21-23]。金属基复合材料是以金属为基体，加入其他不同的增强体材料进行复合加工而成的新型材料，其加工方式主要是以粉末冶金法为主。金属基体保证了加工后材料的基本物理特征和宏观形态，如导电导热性；增强体与基体结合之后可以实现材料的特殊性能。通过不同基体、不同形态和种类的增强体组合，可以获得某种甚至多种新型复合材料，因而其具有极大的发展潜力。目前金属基体多采用铝基、钛基、镁基、铁基、铜基等；增强体包括碳材料、金属或非金属氧化物、碳化物等；同时增强体的形态有纤维型、颗粒型和管型等[24]。在金属复合制动材料中，铜基复合制动盘材料具有良好导热性、耐高温性，较好的耐磨性，较高的机械强度，摩擦因数稳定和成本低等优点，在制动材料领域具有不可替代的优越性。

2 铜基复合制动材料

2.1 铜基复合制动材料的组成、制备及发展

铜基复合制动盘材料是在铜或铜合金基体中加入摩擦组元和润滑组元进行复合加工而成[25-26]摩擦组元多为金属或非金属的氧化物或碳化物等，如Al2O3和SiC等[27-28]，摩擦组元的加入不仅可以调节材料的摩擦磨损性能，也可以提升材料整体力学性能，满足生产应用需求。润滑组元目前比较常用的是石墨和二硫化钼，它的加入可以消弱摩擦组元加入而显现出的较高摩擦因数，同时保持制动盘材料摩擦因数的稳定[29]。

铜基复合制动材料的制备方法有机械合金法、复合铸造法和粉末冶金法等[30]。机械合金法是利用高能球磨机对金属粉末和各种摩擦相和润滑相粒子反复研磨，使各种原料之间达到原子级水平紧密结合，从而形成合金材料的方法[31]。机械合金法工艺相对简单，成本较低，在研磨过程中还可以产生增强相以强化材料强度；但球磨过程中产生的杂质会掺杂在复合材料中，连续撞击的高温还会导致磨料不理想的晶型转变[32]。复合铸造法是将金属基体粉末与增强相熔化后混合或在熔化基体内加入增强相混合制备的方法。复合铸造法工艺十分简单、经济、有效，在大规模工业化生产中有一定的生产优势[33]，但在制备过程中，气泡的产生和温度分布不均往往会导致材料性能不理想。在真空条件下铸造可以避免铸造过程中产生的气泡，但是会大大提高生产成本和难度[34]。粉末冶金法是以金属粉末为基础原料，对基体和增强相组元进行配比混合、模压加工成型，最后进行高压烧结[35]。粉末冶金法制备的铜基复合制动盘材料具有耐磨性好、摩擦因数稳定、比强度和比刚度高的优点，目前铜基复合制动盘材料大多采用粉末冶金法制备。

国内外科研工作者对铜基粉末冶金复合制动材料的制备和综合性能做了大量研究。CUI等[36]利用粉末冶金方法制备了碳化硅作为增强相的铜铁基复合制动材料，如图1所示，研究了碳化硅粒径和含量对制动材料性能的影响，结果表明，当碳化硅质量分数为10%时，复合制动材料的摩擦因数和磨损量最为适中。

图1 铜基复合制动材料SEM图像[36]

董树荣等[37]以纳米碳管为增强体，采用粉末冶金法制备了铜基复合材料，并探讨了制备工艺参数对复合材料性能的影响。研究结果表明，当纳米碳管体积分数为12%左右时，复合材料最大硬度为120HV。SI等[38]采用放电等离子烧结法，将SiO2、SiC和Al2O3颗粒作为摩擦组元，制备了3种铜基制动盘材料，其SEM形貌图2所示，结果表明摩擦组元对复合材料的密度和硬度影响不大。

图2 3种复合材料的SEM图像[38]

赵田臣等[39]通过对原料组分和工艺参数进行调整优化，制备的一种新型铜基复合制动盘材料可以满足300 km/h运行速度的高速列车的制动需求。高飞等人[40]通过改进铜基复合材料组分，研制出一种可用于高速列车制动盘刹车片的铜基复合材料，该铜基复合材料刹车片符合国际铁路联盟标准。

尽管许多学者[37,41-42]尝试通过改变制备工艺参数和增强相种类，实现较好的复合效应，从而得到性能优异的新型复合材料,但目前关于制备工艺参数、增强相种类、尺寸及含量等与铜基复合制动材料的综合性能对应关系仍然缺乏细致的研究和总结，尚需开展进一步研究。

2.2 铜基复合制动材料摩擦磨损特性研究

随着高速列车的不断提速，其制动系统的安全性和可靠性变得尤为重要，因而也对制动系统中制动材料的性能提出了更高的要求。制动材料不仅要求材料强度高、硬度高和磨损率低，还要求具有较高的摩擦因数同时摩擦因数应不随外界载荷和温度影响而发生较大的变化。因此，制动材料的摩擦磨损性能测试，一直是制动材料研究领域的重点。

铜基复合制动材料中，基体组元的性能是决定材料摩擦磨损性能的关键[43]。适量的铁、铬、锡等金属粉末或金属化合物的添加，可在一定程度上增强材料整体强度，改变制动盘磨损方式。范宝中和何美凤[44]采用粒径为 200 目的钨粉，制备了不同钨含量的铜基制动材料，由于钨提高了材料的强度和磨损表面微凸体接触的结点强度，适当的钨含量可以有效增大材料摩擦因数和降低磨损质量(见图3)，质量分数3%的钨粉使材料整体摩擦因数波动最小。ZHANG等[45]采用氩气雾化Cu-Fe预合金粉末制备Cu基复合材料，在制动速度低于200 km/h时，材料的摩擦因数较高，摩擦稳定性增强，磨损量降低。铜基体强化的原因是由于Fe基体合金化诱导晶粒内部均匀分布的富铁相析出，在石墨基体界面附近形成珠光体，改善了材料内部界面结合，保护第三体。

图3 不同钨质量分数的铜基制动材料升温阶段的摩擦因数和磨损质量[44]

石墨相由于较软，摩擦过程中易受到周围基体的挤压而聚集于摩擦表面，在对摩面间形成一层固体润滑薄膜，有效阻隔制动材料与对摩表面的直接接触，防止黏着磨损的发生，使材料获得低而稳定的摩擦因数[46]。碳纤维具有高强度、高模量、高耐磨性，并且具有与石墨类似的性质，在摩擦过程中形成碳颗粒，能起到良好的自润滑作用。王晔等人[47]采用天然石墨和人造石墨制备铜基制动闸片材料，研究结果表明石墨粒度增大会增强铜基体连续性，从而增加材料整体抗拉强度，天然石墨和人造石墨配比为1∶9时，闸片的抗压强度达到最大值。张鑫等人[48]分别采用铜包覆石墨和普通石墨作为润滑组元，烧结制备了两种铜基复合制动材料。前者相对于后者硬度、相对密度和导热系数均有明显提高，平均磨损率也低于后者，如表1所示；并且前者由于氧化膜的形成，黏着磨损明显减轻。

表1 有无Cu包覆石墨制备铜基制动材料的硬度、致密度和导热系数测试结果[48]

石永亮等[49]采用粉末冶金法制备了不同T300型短碳纤维含量的铜基-碳纤维制动盘材料，在短碳纤维质量分数在0.5%～0.7%之间时，材料整体磨损量和碳纤维脱落量最少，硬度和抗拉强度达到最大。LI等[50]对纳米碳增强的Cu/Ti3SiC2/C纳米复合材料进行测试，结果表明，石墨烯纳米片和多壁碳纳米管的加入有助于提高纳米复合材料的耐磨性，当两者总的质量分数在1%以下时，对纳米复合材料的摩擦磨损性能影响很小。

氧化物增强体一般具有高强度、耐腐蚀、高熔点等性能，铜或铜合金基体中氧化物增强体的添加可不同程度地改善材料的磨损性能。氧化物颗粒增强体是目前实际生产应用最为广泛的一种增强体，且制备方法简单，技术成熟。AVETTAND-FNOЁL 等[51]将氧化钇颗粒利用摩擦搅拌处理(FSP)加入铜中，在多道次的搅拌之后，氧化钇在铜基体中分散形成200 nm大小的团聚体和10 nm左右的颗粒，复合材料的应变硬化能力和屈服强度都有显著提高。稀土氧化物如Y2O3、Gd2O3等也常作为增强相与铜基体复合，研究表明在氧化物质量分数为1.5%时效果最好，此时材料强化相颗粒尺寸100～200 nm，抗拉强度在300 MPa左右[52]。

陶瓷颗粒增强铜基复合材料的力学性能主要取决于铜基体、颗粒的性能以及颗粒与基体之间界面的特性，常见的陶瓷颗粒有SiO2和SiC等[46]。SI等[38]采用粉末冶金法制备了SiO2和SiC作为摩擦组元的铜基复合制动材料，并利用高温摩擦磨损试验机研究了上述材料在不同温度下的磨损情况，如图4所示，试验后材料表面的SEM图片如图5所示。结果表明：硬质颗粒的加入提升了材料在高温下的摩擦因数稳定性和耐磨性。

图4 不同温度下3种材料的平均摩擦因数(CuFM-4：摩擦组元为SiO2,CuFM-5：摩擦组元为SiC,CuFM-6：摩擦组元为Al2O3)[38]

图5 不同铜基复合制动盘材料不同温度下摩擦磨损试验后SEM图片:(a) 样品CuFM-4,25 ℃;(b) 样品CuFM-4,100 ℃; (c)样品CuFM-4,300 ℃;(d) 样品CuFM-4,500 ℃;(e)样品CuFM-5,25 ℃;(f) 样品CuFM-5,100 ℃;(g) 样品CuFM-5,300 ℃;(h) 样品CuFM-5,500 ℃;(i) 样品CuFM-6,25 ℃;(j) 样品CuFM-6,100 ℃;(k) 样品CuFM-6,300 ℃;(l) 样品CuFM-6,500 ℃[38]

张学良等[41]采用粉末冶金技术制备了Al2O3和SiO2不同质量分数配比时的铜基复合制动盘材料，并测试了材料的摩擦磨损性能。结果表明，随着Al2O3质量分数的增加，铜基粉末冶金制动材料的布氏硬度增加，摩擦因数减小;随着制动初速度的升高，耐磨性能先升高后降低。

另外，某些组元的加入可在铜基材料表面形成氧化膜或润滑涂层，对制动材料进行保护。在制动过程中产生的高温可促进氧化膜的产生，从而大大降低制动盘磨损率。袁振军等[53]在探究FeB含量对铜基粉末冶金制动材料的影响时，发现摩擦表面生成较暗的氧化膜，成分为金属氧化物和FeB；氧化膜层可显著降低微凸体的接触面积，大大减少制动过程中的磨损率；其中的杂质和FeB颗粒会增强氧化膜的致密性和连续性；当FeB质量分数为12%时，材料摩擦因数趋于平稳，耐磨性较好。

综上所述，铜基复合制动材料的摩擦磨损性能受组元成分种类、尺寸和含量等影响较大。通过改变增强相种类、尺寸和含量，可以实现较好的复合效应，得到性能优异的新型复合材料。然而现阶段关于铜基复合制动材料的组分对摩擦磨损性能的影响的研究虽然较多，但很多研究还处于尝试阶段。关于增强相种类、尺寸及含量等与铜基复合制动材料摩擦磨损性能的对应关系缺乏成体系的研究和总结。