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2023年7月下 世界有色金属 175不同烧结方式对高铁制动用铜基摩擦材料摩擦性能的影响王志1，岳廷谱1，宫成龙1，周圣辉1，张光磊2*（1.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 0 5 0 0 4 3；2.山东大学 国家胶体材料工程技术研究中心，山东 济南 2 5 0 1 0 0）摘 要：本文采用三相直流热压烧结（指定为1#）和钟罩炉热压烧结（指定为2#）两种烧结方式制备了高速列车制动用铜基摩擦材料，采用MM3 0 0 0 摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，对其摩擦磨损性能和机理进行了研究。结果表明：2#样品具有更优的综合性能：较高的致密度（8 9.7%）、硬度（2 4.5 HB）和剪切强度（1 7.9 MP a），较高的摩擦系数和较低的体积磨损率（0.2 9 c m3MJ-1）。2#样品的磨损机理主要为粘着磨损剥层磨损，1#样品的磨损机理主要为剥层磨损。1#样品虽然具有较低的综合性能，但仍能满足动车组刹车片暂行技术条件（T J/C L 3 0 7-2 0 1 9）对动车组刹车片力学性能和摩擦摩擦性能的要求。另外，采用三相直流热压烧结可明显提高铜基摩擦材料的制备速度，能够有效的提高生产率和节约成本。关键词：烧结方式；高铁制动；铜基摩擦材料；摩擦磨损中图分类号：U2 7 0.3 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 4-0 1 7 5-3Effect of different sintering methods on the friction properties of copper-based friction materialsWANGZhi1,YUETing-pu1,GONGCheng-long1,ZHOUSheng-hui1,ZHANGGuang-lei2*(1.S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,S h i j i a z h u a n g T i e d a o Un i v e r s i t y,S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 4 3,C h i n a;2.Na t i o n a l C o l l o i d a l Ma t e r i a l s E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y Re s e a r c h C e n t e r o f S h a n d o n g Un i v e r s i t y,J i n a n 2 5 0 1 0 0,C h i n a)Abstract:I n t h i s p a p e r,t w o s i n t e r i n g me t h o d s o f t h r e e-p h a s e d i r e c t c u r r e n t h o t p r e s s i n g s i n t e r i n g (d e s i g n a t e d a s 1#)a n d b e l l j a r f u r n a c e h o t p r e s s i n g s i n t e r i n g (d e s i g n a t e d a s 2#)w e r e u s e d t o p r e p a r e c o p p e r-b a s e d f r i c t i o n ma t e r i a l s f o r b r a k i n g o f h i g h-s p e e d t r a i n.T h e f r i c t i o n a n d w e a r e x p e r i me n t s w e r e c a r r i e d o u t w i t h MM3 0 0 0 f r i c t i o n a n d w e a r t e s t i n g ma c h i n e,a n d t h e f r i c t i o n p r o p e r t i e s a n d me c h a n i s m w e r e s t u d i e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t 2#s a mp l e h a s b e t t e r c o mp r e h e n s i v e p r o p e r t i e s:h i g h e r d e n s i t y (8 9.7%),h i g h e r h a r d n e s s (2 4.5 HB)a n d h i g h e r s h e a r s t r e n g t h (1 7.9 MP a),h i g h e r f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d l o w e r v o l u me t r i c w e a r r a t e (0.2 9 c m3MJ-1).T h e w e a r me c h a n i s m o f 2#s a mp l e i s ma i n l y a d h e s i v e w e a r,a n d t h e w e a r me c h a n i s m o f 1#s a mp l e i s ma i n l y p e e l i n g w e a r.A l t h o u g h t h e 1#s a mp l e h a s l o w c o mp r e h e n s i v e p e r f o r ma n c e,i t c a n s t i l l me e t t h e me c h a n i c a l a n d t r i b o l o g i c a l p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t s o f t h e b r a k e p a d s u n d e r t h e i n t e r i m t e c h n i c a l c o n d i t i o n s (T J/C L 3 0 7-2 0 1 9).I n a d d i t i o n,t h e u s e o f t h r e e-p h a s e D C h o t p r e s s i n g s i n t e r i n g c a n s i g n i f i c a n t l y i mp r o v e t h e p r e p a r a t i o n s p e e d o f c o p p e r-b a s e d f r i c t i o n ma t e r i a l s,c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e p r o d u c t i v i t y a n d s a v e t h e c o s t.Keywords:S i n t e r i n g me t h o d;Hi g h-s p e e d r a i l b r a k i n g;C o p p e r-b a s e d f r i c t i o n ma t e r i a l s;F r i c t i o n a n d w e a r收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：王志，男，生于1 9 8 8 年，汉族，河北石家庄人，博士，讲师，研究方向：铜基摩擦材料。通讯作者：张光磊，男，生于1 9 7 5 年，汉族，河北石家庄人，博士，教授，研究方向：铜基摩擦材料。铜基摩擦材料是以铜或铜合金为主要组元，具有组织均匀、导热性好、耐磨性高、摩擦系数稳定等优点，广泛应用于高速列车制动装置中1。制备铜基摩擦材料通常采用粉末冶金工艺，而烧结是粉末冶金过程的一个关键性工序，对最终产品的性能起着决定性的作用。合理的烧结工艺既可以保证烧结制品的质量，又可以控制生产成本，一直是人们关注的焦点2。目前，用于制备铜基摩擦材料的主要烧结方式为热压烧结，根据烧结环境不同主要有真空3、氢气4、氢气+氩气5、氨气6气氛下的热压烧结等，其中以氢气为保护气氛的钟罩炉式热压烧结应用最为广泛。然而目前这种烧结方式通常采用两相交流加热，其具有功率小，升温速率慢的缺点，使得制备铜基摩擦材料效率低、生产成本较高。三相直流热压烧结是采用三相整流加热变压器，将三相电压降压后，再利用全波整流技术，将交流变成直流，实现直流大电流加热，可实现快速加热，被广泛应用于铜/金刚石复合材料的制备7。但目前未发现关于三相直流热压烧结制备高速列车用铜基摩擦材料方面的研究。因此，本文以MM-3000型摩擦磨损试验机为基础，结合TJ/CL307-2019 制动片技术条件，采用三相直流热压烧结和常规钟罩炉热压烧结两种烧结方式制备高速列车制动用铜基摩擦材料，比较这两种方法制备的铜基摩擦材料的微观组织和性能，并对其摩擦机理进行分析，为拓宽铜基摩擦材料制备技术提供工艺和理论借鉴。1 实验方法1.1 原料及制备市售电解铜粉（纯度99.5%，45m60m）、还原铁粉（纯度99%，265m280m）、片状石墨（纯度95%，250m280m）、MoS2粉（纯 度 99%，45m）和Al2O3（纯度99%，65m90m）等为原料。按表1配比称取各种原料粉末，将原料在三维涡流混料机中混合3h，将混合粉在钢模中以500MPa保压2min进行冷压成型，装入石墨模具中。设计了两种烧结方式制备铜基摩擦材料。三相直流热压烧结：以升温速率为30/min升温至915，载荷为5.34MPa保压10min，随炉冷却。钟罩炉烧结：采用高纯H2作为保护气体，以升温速率为5/min升温至915，载荷为5.34MPa保压2h，随炉冷却。世界有色金属2023年7月下176表1摩擦材料的化学成分（质量百分数）CuFeGraphiteMoS2Al2O3CrFeOthers5472232481.2 性能测试利用阿基米德原理测量样品的密度。利用HB-3000型布氏硬度计测量样品的硬度。利用万能试验机测量样品的剪切强度。利用MM3000摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，样品尺寸为20mm15mm16mm，对偶盘材料为合金钢（30CrSiMoVA），硬度在38-44HRC之间。利用TCH600氮氢氧分析仪测量样品的氧含量。利用配备能量色散X射线光谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM，KYKY 2800）观察样品的微观组织和分析样品的化学成分。利用X射线衍射仪（XRD）对样品进行物相分析。2 实验结果2.1 孔隙率和力学性能1#和2#样品的硬度、孔隙率、强度分别为20.1HB、14.5%、15.6MPa 和 24.45 HB、10.3%、17.9MPa。2#样 品相较于1#样品具有较高的硬度、强度和较低的孔隙率。这是由于钟罩炉烧结具有较长的升温和保温时间，使得样品中各个元素具有充分的时间进行扩散，导致元素分布更加均匀和较高的致密度，从而有效降低了气孔率，同时具有较高的硬度和强度。1#和2#样品的氧含量分别为3.42和2.79 wt%，这是由于样品在烧结过程中石墨和氢气会和原料中的氧化物发生还原反应，使用钟罩炉烧结过程中具有还原性的H2，H2和氧化物之间的还原反应温度相对于石墨（模具）更低，同时钟罩炉烧结过程中具有较长的反应温度，因此使用钟罩炉烧结的样品含氧量较低，即剩余的氧化物较少。由于氧化物作为杂质影响样品的致密化，因此2#样品具有较低的孔隙率、较高的硬度和强度。2.2 摩擦磨损性能图1不同烧结方式制备样品的平均摩擦系数(a)：1#样品；(b)：2#样品图1显示了在模拟紧急制动试验中两种烧结方式制备的样品的平均摩擦系数和磨损率。在制动速度为120km/h的磨合阶段，各样品的平均摩擦系数随制动次数的增加而增加。磨合阶段是刹车片表面与制动盘表面的匹配过程。刹车片表面的摩擦面积随着制动周期的增加而增加，导致平均摩擦系数增加。在磨合阶段，第五次制动反映的摩擦系数与第四次制动所反映的摩擦系数相差不大，说明120km/h的五次紧急制动能使制动盘和制动片可以达到良好的磨合状态。2#样品的平均摩擦系数均高于1#样品。如在磨合阶段制动时，2#样品的平均摩擦系数分别为0.505、0.521、0.539、0.554、0.559。平均摩擦系数随烧结方式的变化也适用于300km/h的紧急制动。此外，在300km/h制动时，各样品的平均摩擦系数不仅与120km/h相比显着降低，而且随着制动次数的增加而降低。根据以往对摩擦系数衰退现象的研究8，主要是由于连续高速紧急制动过程中摩擦膜损伤加剧、铜的软化和流动以及摩擦表面硬颗粒的细化造成的。1#样品和2#样品在整个试验后的体积磨损率分别为0.38和0.29cm3MJ-1，2#样品具有较低的磨损率。2.3 摩擦表面分析图2在300km/h制动条件下不同样品摩擦表面的SEM图以及氧元素的分布图：(a)：1#样品，(b)：2#样品图3300km/h制动后样品摩擦表面的物相图(a)：1#样品，(b)：2#样品图2为样品摩擦表面的扫描电镜照片。由图可知，摩擦2023年7月下 世界有色金属 177表面的典型特征是剥落坑和沟槽，这两种特征总是同时出现。表面凹坑数量与材料和对偶之间的黏着倾向相关。高速制动条件下，材料摩擦表面经历大压力及高速滑动摩擦过程，产生大量的摩擦热，材料表面温度急剧升高，局部区域达到闪点温度。摩擦表面易在此强热-力耦合条件下发生塑性变形和软化，试样表面易与对偶表面产生严重的黏着-剪切效应，导致表层材料大块脱落而形成凹坑。沟槽是由于制动盘材料表面存在剥落材料和微凸体而造成的，这些剥落材料和微凸体会划伤摩擦材料的表面，为典型的磨粒磨损。1#样品具有较多的沟槽，较少的剥落坑；2#样品具有较多剥落坑，沟槽较少。图3为不同样品300km/h制动后摩擦面的物相图，由图可知，两种样品摩擦面除原有成分外，增加了一些氧化物：Cu2O、Fe2O3、Fe3O4，Cr2O3，其他研究中也观察到类似的结果9。不同烧结方式制备的样品摩擦后表面均发生了氧化反应，且采用钟罩炉烧结的样品经过摩擦后形成了更多的氧化物。2.4 亚表面结构分析图4样品摩擦测试后的亚表面结构图(a)：1#样品，(b)：2#样品摩擦材料的亚表面是形成摩擦材料表面层的基础。一般来说，摩擦材料亚表面可以划分为摩擦膜、机械混合层、塑性变形层以及未变形基体层。其中，材料亚表面的结构与厚度不但受材料性能的影响，而且也与摩擦实验条件有关。在高速重载条件下，材料经历了反复的极端热-力作用，其表面结构发生了显著的改变。图4显示了1#和2#样品摩擦测试后的亚表面结构图。由图可知，1#和2#样品均具有一定的塑性变形，1#样品中的塑性变形更加严重，部分变形层和未变形部分发生断裂分层。根据分子-机械啮合理论10，在摩擦过程中两摩擦面微凸体接触并产生相对运动，这时产生的剪切力将成为摩擦阻力。当采用三相直流热压烧结制备样品时，样品具有较低的致密度、硬度和强度。样品的整体不连续性的增加和低强度降低了摩擦表面的变形抗力，强烈的塑性变形可以促进裂纹的萌生和扩展，降低了物质在高剪切速率下运动的阻力，增加碎屑向摩擦界面的释放，材料此阶段以剥层磨损为主，Al2O3等硬质相颗粒受到冲击作用而从基体上脱落，脱落的硬质相颗粒很容易使两摩擦面损伤加1王立全,张向军,王素焕,等.高速列车用铜基粉末冶金摩擦材料摩擦性能的研究进展J.热加工工艺,2020,49(16):1-4.2Manohar G,Pandey K M,Maity S R.Effect of microwavesinteringonthemicrostructureandmechanicalpropertiesofAA7075/B4C/ZrChybridnanocompositefabricatedbypowdermetallurgytechniquesJ.Ceram.Int.,2021,47:32610-32618.3范宝中,何美凤.钨含量对铜基摩擦材料性能的影响J.有色金属材料与工程,2021,42(2),19-25.4王晔,燕青芝,张肖路,等.铁粉类型对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响J.北京科技大学学报,2014,36(4):467-452.5肖叶龙,姚萍屏,贡太敏,等.石墨与MoS2配比对空间对接用摩擦材料性能的影响J.中国有色金属学报,2012,22(9):2451-2547.6XiaoYL,ZhangZU,YaoPP,etal.Mechanicalandtribologicalbehaviorsofcoppermetalmatrixcompositesforbrakepadsusedinhigh-speedtrainsJ.Tribol.Int.,2018,119:585-592.7海小平,王建国,张东林,等.节能型金刚石制品三相变频热压烧结机.中国专利P,200820220628.2,2009.8Zhang P,Zhang L,Fu KX,et al.Fade behaviour of copper-basedbrakepadduringcyclicemergencybrakingathighspeedandoverloadconditionJ.Wear,2019:428-429:10-23.9ZhangP,ZhangL,FuKX,etal.EffectsofdifferentformsofFepowderadditivesonthesimulatedbrakingperformanceofCu-basedfrictionmaterialsforhigh-speedrailwaytrainsJ.Wear,2018,414-415:317-326.10 黄文翔,韩靖,戴光泽,等.铝含量对铜基石墨粉末冶金材料性能的影响J.润滑与密封,2018,43(1):30-36.剧，形成典型的磨粒磨损，从而使得1#样品具有低的摩擦系数和较高的磨损率。2#样品由于具有较低的孔隙率，强度较高，在外力作用下只能在局部薄弱区域发生塑性变形及断裂，因此不能形成1#样品式的剥层磨损，而是与对偶材料发生粘着，从而在摩擦表面出现较多的剥落坑。2#样品具有较高的致密度，Al2O3等硬质颗粒较难从基体中脱落，基体以粘着的方式逐渐磨损，这都将提高摩擦系数和降低磨损量。另外，在摩擦热和摩擦应力的作用下，摩擦表面的温度不断升高，此时材料表面的物质极易与空气中的氧气和水蒸气等发生反应，在摩擦材料表面形成一层致密的氧化物薄膜。氧化物薄膜能阻碍材料基体及微凸体与对偶件的直接接触，从而使样品的摩擦系数降低。2#样品摩擦后表面具有较多的氧化物，能够降低其摩擦系数。在以上综合作用下2#样品具有较高的摩擦系数和较小的磨损率。3 结论采用三相直流热压烧结和常规钟罩炉热压烧结制备了高速列车制动用铜基摩擦材料，结果如下：（1）采用三相直流热压烧结制备的样品具有较低的致密度、硬度和强度。（2）采用三相直流热压烧结制备的样品的磨损机理主要为剥层磨损；采用常规钟罩炉热压烧结制备的样品的磨损机理主要为粘着磨损。（3）采用三相直流热压烧结制备的样品具有较高的摩擦系数和较低的磨损率。（4）采用三相直流热压烧结制备的样品虽然具有较低的综合性能，但仍能满足动车组刹车片暂行技术条件(TJ/CL307-2019)对动车组刹车片力学性能和摩擦摩擦性能的要求。另外，采用三相直流热压烧结可明显提高铜基摩擦材料的制备速度，能够有效的提高生产率和节约成本。