高速列車鐵基燒結(jié)閘片材料摩擦磨損性能研究

基金項目鐵道部科技發(fā)展基金資助(95 08);大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家基金資助(GZ960收稿日期2000收稿日期20000404;修回日期20000920/作者簡 ,男 972年生 ,講師,目前主要從事粉末冶金摩擦材料和自蔓延高溫合成材料的研究工第4 2按照J(rèn)B3063-82標(biāo)準(zhǔn)測試材料的物理機(jī)械性能,用排水法和稱測定材料密度,用洛氏硬度計測量試樣硬度,用Dopont-9900型差熱分析儀測定熱膨脹系數(shù),用MTS型材料試驗機(jī)測試材料的壓縮強(qiáng)度和試樣經(jīng)切割后進(jìn)行研磨和拋光,采用金相顯微鏡對其進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀測,用產(chǎn)JEOLJXA-840掃描電子顯微鏡SEM觀察試樣磨損表面形貌.

J02型摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗,75mm×12mm×10mm偶件30CrSiMoVA鋼.試驗條件:8.3MPa,主軸轉(zhuǎn)速為8000rmin,26.81ms轉(zhuǎn)動2列出了待測材料的物理機(jī)械性能.3為待 Table2TestingresultsofphysicalandmechanicalDensHardnespressvesrengTenslesrengHeaconducvg/cH/M/M/J·(c148～53320059～0 Table3TestingresultsofsimulatingbrakeforliningBrakngs Brakngpressu Wearra ·cycle Sablycoec/·s /M Fe Coun /29 8 0 0 0 0 0 88試結(jié)果.可見,試樣的平均摩擦系數(shù)略高于新干線和法國TGV等高速列車所采用的FeCu基燒結(jié)材料030左右3同時摩擦穩(wěn)定性較高且耐磨性好圖1所示為試樣第

料的金相.可以看出材料燒結(jié)后各組元分布均勻,游離片狀石墨呈平行排列,方向與方向垂直,且與基體結(jié)合良好.圖5所示為經(jīng)2%硝酸溶液侵蝕后的摩擦材料的顯微組織金相,可見摩擦材等多種組織共存的復(fù)雜多相結(jié)構(gòu)這主要是由于在燒結(jié)過程中,當(dāng)溫度控制適宜時,Ni基合金元素作為典型的奧氏體形成元素在燒結(jié)過程中可擴(kuò)展奧氏體相區(qū)降低珠光體轉(zhuǎn)變速度以及貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度,從而促進(jìn)貝氏體和馬氏體的形成.對燒結(jié)摩擦材料摩擦機(jī)理的研究表明在摩擦副相對滑動過程中閘片材料與偶件金屬間的摩擦系數(shù)可定性地用下式5來描述:

2/∝

P-1/3Fig1Simulatingbrakingcur #dActg?dE2AP+t?cE2AP (和50次模擬剎車曲線,曲線平均峰比值為1.21. 以看出,在模擬剎車過程中材料的摩擦力矩波動系數(shù)的變化情況可以看出隨著制動速度的增大摩擦系數(shù)減小;隨著制動比壓的增大摩擦系數(shù)增大.4所示為表面拋光但

式中3項為摩擦材料金屬基體與偶件金屬間的的貢獻(xiàn)EA分別表示摩擦系數(shù)、彈性模量和名義摩擦面積,下角標(biāo)m和c分別代表基體和硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)相,N為摩擦副間單位面積上分子或原子間相互作用力,nm和R分別為材料金屬基體中微突 摩擦學(xué)學(xué) 第21 Fig2Relationshipbetweenfrictionalcoefficientandbrakingspeed圖 體的數(shù)目和平均半徑,P為外加法向載荷,?d和?c分 Fig4Distributionoflamellargraphiteandceramicparticlesinmatrix圖 Fig5Microstructureofmetalmatr圖 和#d

擦系數(shù)但是金屬間的粘著作用往往難以控制,當(dāng)摩擦的破壞性磨損,致使材料迅速失效;同時,材Fig3Relationshipbetweenfrictionalcoefficientandintensityofbrakingpressure 料在制動過程中的摩擦穩(wěn)定性將急劇變差,所以對燒結(jié)摩擦材料而言,應(yīng)當(dāng)通過控制粘著作用和提高嚙合作用來獲得較好的綜合摩擦磨損性能.為此,我們通過控制材料中的多種非金屬相,尤其是石墨相含量與金屬相含量之間的比例,在獲得較高摩擦系數(shù)的同時降低磨損率,提高摩擦穩(wěn)定性.適當(dāng)含量和粒度配比的SiCAl2O3和SiO2等陶瓷顆粒的彌散分布,加強(qiáng)了嚙合作用,并使偶件金屬保持一定的表面粗糙度,同時降低了摩擦副金屬間的粘著磨損,促進(jìn)制動平穩(wěn).與偶件金屬顯微組織回火索氏體相比,摩擦材料基體中高顯微硬度和珠光體的多相共存,構(gòu)成了材料基體與偶件金屬微突體之間顯微硬度的合理匹配,即金屬與金屬間偶件的嚙合力,另一方面來自于偶件微突體與材料基體中低硬度相之間的嚙合力,使材料摩擦系數(shù)獲得提高,并且由于混合組織與偶件金屬顯微組織晶格結(jié)構(gòu)的差異,有效地抑制了金屬與金屬的粘著,當(dāng)摩擦系數(shù)主要由嚙合作用控制時,由式(1)可以看出,材料摩擦系數(shù)與制動比壓大致成正比料的高溫屈服強(qiáng)度反應(yīng)出來.在制動過程中,動能將轉(zhuǎn)化為材料表面的熱能使摩擦表面溫度急劇升高,進(jìn)而使材料基體和偶件金屬表層屈服強(qiáng)度#m和#d下降,最終導(dǎo)致嚙合作用減弱,摩擦系數(shù)減小.圖6給出了材料經(jīng)模擬剎車試驗后的磨損表面形貌SEM.可見,燒結(jié)摩擦材料的磨損形式和磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為偶件微突體在材料表面第4 Fig6SEMphotographofthewornsurfaceaftersimulatingbrake 形成的犁溝現(xiàn)象,即磨粒磨損,和由于大量微突體的循環(huán)劃擦而導(dǎo)致的疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展而且裂紋基體的界面處萌生和擴(kuò)展.因此,一定量的貝氏體和馬氏體組織可以提高材料整體平均顯微硬度減輕磨粒磨損同時奧氏體等低硬度相可提高材料整體的斷裂韌性并減弱和裂紋的形核與擴(kuò)展;此外,奧氏的結(jié)合比其它組織間的結(jié)合更牢固在磨損過程中可

Fe-Ni-C系合金為基體,添加石墨和MoS2SiO2Al2O3SiC等陶瓷摩低磨損率和良好摩擦穩(wěn)定性的Fe基摩擦材料,可望摩擦以磨粒磨損機(jī)制和疲勞裂紋萌生擴(kuò)展機(jī)制控制量的合理匹配金屬基體與偶件金屬間不同顯微硬度 吳云興德國法國高速列車用盤型制動元件的材料及工[J]機(jī)車車輛與工藝,996, [2] ,高速列車制動閘片材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報,997,6(4) 4852[3 三部隆宏,中西宏 用摩擦材料[J]!?#??(,99,36( 89[4]黃楠我國高速列車制動摩擦材料的研制方向[J]鐵道車輛,993,9 2932[5 [D]蘭州蘭州鐵道學(xué)院,997, FrictionandWearBehaviorofFe-basedSinteredLiningMaterialforHighwayTrainDUXin-kang1,SHIZong-li2,YEMing-hui1,LIChong-(1.AdvancedMaterialInstitate,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang DepartmentofCivilEngineering,LanzhouRailwayInstitute,Lanzhou :Ironbasedbrakingmaterialforhighwaytrainwasdevelopedbasedontheexperimentalresearchoncomponentsandpowdermetallurgytechnology.Thephysical-mechanicalandfrictionandwearpropertiesofthematerialwereinvestigatedwithemphasisonthevariationsofthefrictionandwearbehaviorwiththecompositionsandtestingconditions.Thefrictionandwearmechanismandtherelationshipbetweenthemicrostructureandfrictionandwearpropertiesofthebrakingmaterialwerealsodiscussed.Theresultsshowthatthebrakingmaterialrecordsafrictioncoefficient0.31,wearrate0.0022mm/cycle,frictionstability88.9%,andgoodmechanicalpro