姚萍屏，肖葉龍，張忠義，周海濱，貢太敏，趙 林，鄧敏文

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083)

1 前 言

自1964年世界上第一條高速鐵路——日本東海新干線開通以來，歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，全球投入運(yùn)營的高速鐵路里程已超4萬千米，且未來對高速鐵路的需求有增無減[1]。中國高速鐵路發(fā)展迅猛，取得了舉世矚目的成就，自2008年首條高速鐵路——京津城際客運(yùn)專線建成，到2017年底，高速鐵路運(yùn)營里程已超過2.6萬千米，預(yù)計(jì)至2020年，高鐵運(yùn)營里程將達(dá)3萬千米。世界高速鐵路的運(yùn)營時(shí)速已達(dá)到或超過300 km，且其向著更高速度發(fā)展成為世界各國的研究目標(biāo)與方向[2]，法國AGV-V150試驗(yàn)型高速列車創(chuàng)造了輪軌式高速鐵路574.8 km/h的世界記錄，德國ICE/V型試驗(yàn)列車和日本300X型試驗(yàn)列車的最高試驗(yàn)速度分別達(dá)到406.9和443 km/h，2011年中國CRH380BL高速列車在京滬高鐵上創(chuàng)下時(shí)速487.3 km的試驗(yàn)記錄，2017年6月設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)400 km的“復(fù)興號”中國標(biāo)準(zhǔn)高速列車在京滬高鐵雙向通車，運(yùn)營時(shí)速達(dá)到350 km，由此成為世界上商業(yè)運(yùn)營速度最高的高速列車。

“沒有制動，就沒有高速”，作為高速列車九大核心技術(shù)之一，高速列車制動技術(shù)尤其是制動閘片關(guān)系著列車運(yùn)營的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。高速列車制動閘片是決定列車行駛速度、緊急制動能力，確保運(yùn)行安全的關(guān)鍵部件。以一輛軸重為17 t的8車編組高速列車為例，在300 km/h速度下緊急制動要消耗約1889 MJ的能量，而當(dāng)速度提高到350 km/h時(shí)，消耗的能量達(dá)到2571 MJ，閘片制動材料表面經(jīng)歷快速的能量積聚，表面溫度將達(dá)到500 ℃以上，瞬時(shí)溫度甚至超過900 ℃[3, 4]。因此，要求高速列車制動材料具有合適且穩(wěn)定的摩擦因數(shù)、優(yōu)良的耐磨性、高的耐熱性與抗熱疲勞性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、與制動盤匹配良好、良好的環(huán)境適應(yīng)性及環(huán)境友好性等性能。

列車制動材料先后經(jīng)歷了鑄鐵、合成材料、粉末冶金材料，以及尚處于研究階段的炭基復(fù)合材料。鑄鐵材料的瞬時(shí)摩擦因數(shù)受制動初速度及制動壓力的影響較大，僅在低速列車上得到使用；合成材料的常用最高耐熱溫度僅為400 ℃，無法滿足高速列車高速高溫制動要求；炭基復(fù)合材料制造成本高，摩擦性能受外界環(huán)境影響大，目前仍難以應(yīng)用于高速列車；粉末冶金制動材料具有良好的綜合性能及經(jīng)濟(jì)性，是高速列車目前最理想的制動閘片材料，當(dāng)前時(shí)速300 km及以上的高速列車均采用粉末冶金制動材料。

一代材料，一代裝備，為推動高速列車向更高速度發(fā)展，保證列車安全運(yùn)行，近年來國內(nèi)外在高速列車粉末冶金制動材料方面已進(jìn)行了大量的研究工作，本文主要從材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)和摩擦磨損性能及機(jī)理等方面對高速列車粉末冶金制動材料的研究進(jìn)行綜述，并探討其發(fā)展方向。

2 材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 材料設(shè)計(jì)

粉末冶金制動材料是一種以金屬及其合金為基體，添加潤滑組元和摩擦組元，采用粉末冶金技術(shù)制成的復(fù)合材料(圖1)。按基體種類，粉末冶金制動材料主要分為鐵基和銅基制動材料。鐵基制動材料主要由鐵或鐵合金基體，添加Cu、Sn、SiO2、Al2O3、石墨及金屬硫化物等構(gòu)成，在高溫、高負(fù)荷下具有優(yōu)良的摩擦磨損性能，且價(jià)格便宜[5]。向興碧[6]開發(fā)了一種摩擦因數(shù)為0.32～0.37且成本較低的鐵基高速盤式閘片。徐瑛等[7]研制的鐵基粉末冶金閘片被認(rèn)為可適用于300 km/h及以下的列車，閘片的制動性能穩(wěn)定、耐磨性好。然而，由于鐵基制動材料與鋼鐵系制動盤具有親和性，容易產(chǎn)生粘著膠合而損傷制動盤，摩擦因數(shù)波動較大，產(chǎn)生噪聲，低倍制動時(shí)磨損量大等，用于高速列車制動閘片受到限制[8]。銅基制動材料具有穩(wěn)定的摩擦因數(shù)、優(yōu)良的耐磨性和耐熱性、環(huán)境適應(yīng)性好、對制動盤損傷小等特征，被廣泛用于國內(nèi)外高速列車[3, 9]。

圖1 粉末冶金制動材料的顯微結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of powder metallurgical brake material

2.1.1 基體組元

銅基體將摩擦組元和潤滑組元保持其中而結(jié)為一體，為載荷和制動能量的主要載體，其結(jié)構(gòu)和性能較大程度上決定了銅基制動材料的物理機(jī)械性能和摩擦磨損性能。通過研究銅粉特性、合金元素固溶強(qiáng)化及第二相強(qiáng)化等，可改善銅基體性能。劉建秀等[10]采用粒度為106 μm的銅粉，制備的銅基制動材料表現(xiàn)出良好的綜合性能，摩擦因數(shù)穩(wěn)定、磨損率低。王曄[11]研究表明，以氧化鋁彌散強(qiáng)化銅粉為基體的材料展現(xiàn)出良好的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性，但磨損量較大；采用鐵鈷銅預(yù)合金化銅粉可避免單質(zhì)粉末混合時(shí)的成分偏析，所制備的材料能形成穩(wěn)定的氧化膜，磨耗量低而穩(wěn)定。

通?？梢酝ㄟ^添加Sn，Ni，Al，Cr，W等合金元素來強(qiáng)化銅基體。Ni的添加不僅可以有效提高材料的硬度及強(qiáng)度，還可增加摩擦因數(shù)穩(wěn)定性，減小磨損[12]。W的添加可以提高材料的熱容量、顯著改善材料的摩擦磨損性能，添加含量小于3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的W可小幅提高材料的硬度[13]。近年來，又采用新型合金元素強(qiáng)化銅基體。Ti的添加引起銅基體晶格畸變，材料硬度及強(qiáng)度提高，減輕了材料的犁削，有利于提高材料的耐磨性[14]。稀土元素La可細(xì)化銅基體晶粒，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高了材料的摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能[15]。Fe來源廣泛，常作為關(guān)鍵組元添入銅基體，一方面起強(qiáng)化作用，同時(shí)又可調(diào)節(jié)摩擦因數(shù)及摩擦穩(wěn)定性，大多數(shù)高速列車粉末冶金制動材料中添加了Fe。于瀟等[16]證實(shí)Fe可顯著提高銅基制動材料的硬度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，F(xiàn)e含量為15%的銅基制動材料具有高摩擦因數(shù)、制動穩(wěn)定性及較低的磨損量。樊子源等[17]發(fā)現(xiàn)小粒度鐵粉可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，但材料表現(xiàn)出低而不穩(wěn)定的摩擦因數(shù)；含大粒度鐵粉的材料剪切強(qiáng)度和硬度較低，但摩擦因數(shù)穩(wěn)定。近期在納米強(qiáng)化、纖維強(qiáng)化銅基體方面也有研究[18-20]：添加納米氮化鋁和納米石墨的銅基制動材料具有高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，且無明顯衰退，耐磨性及耐熱性也顯著增強(qiáng)；加入碳纖維可提高銅基制動材料的導(dǎo)熱性能及組織致密性，但不利于摩擦磨損性能的改善；添加含量為 0.4%的石墨烯，能獲得機(jī)械性能最佳、摩擦因數(shù)穩(wěn)定且磨損率較低的銅基制動材料。

2.1.2 潤滑組元

潤滑組元用于改進(jìn)銅基制動材料的抗咬合性和抗粘結(jié)性，減少對制動盤的擦傷，提高材料的耐磨性及制動平穩(wěn)性。通常采用的潤滑組元有鉍、銻等低熔點(diǎn)金屬和石墨、二硫化鉬(MoS2)、氮化硼(BN)等非金屬，有時(shí)低熔點(diǎn)錫也被用作潤滑組元。石墨和MoS2是兩種應(yīng)用最為廣泛的潤滑組元，尤其是石墨最常用于高速列車粉末冶金制動材料。添加天然鱗片石墨的銅基制動材料耐磨性優(yōu)于添加人造石墨的材料，且采用50#天然鱗片石墨的材料具有較好的綜合性能[21]。大粒度的鱗片石墨用作潤滑組元，所制備的銅基制動材料的抗壓強(qiáng)度高于含小粒度鱗片石墨的材料，鱗片石墨與人造石墨配合使用可顯著提高材料強(qiáng)度[22]。采用Ti3SiC2替代石墨作潤滑劑，制備的銅基制動材料在高溫高速下表現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和高的抗氧化能力[23]；而石墨中添加少量的h-BN可以穩(wěn)定銅基制動材料的摩擦因數(shù)，提高材料耐磨性[24]。Prabhu[25]對比研究了h-BN、石墨和MoS2對銅基制動材料摩擦磨損性能影響，結(jié)果表明，含MoS2的材料具有組織致密、密度最大、硬度最高及表面粗糙度最低等性能，含石墨的材料在低速下表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，而添加h-BN和MoS2的材料在高速下展現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦特性，作為潤滑組元添加的MoS2在燒結(jié)過程發(fā)生分解，分解后的S與材料中的其它組元反應(yīng)生成硫化物，新生成的硫化物對材料起著潤滑作用。

2.1.3 摩擦組元

為補(bǔ)償潤滑組元降低摩擦因數(shù)的影響，銅基制動材料中添加摩擦組元用于調(diào)節(jié)摩擦因數(shù)，起著增摩、耐磨和抗卡滯等作用，還可消除制動材料向制動盤表面的轉(zhuǎn)移。常見的摩擦組元有Al2O3、SiO2、SiC、ZrO2等，其中Al2O3和SiO2最常被用于銅基制動材料中，相關(guān)研究也較豐富。為探尋新型摩擦組元，將B4C、膨脹蛭石、莫來石等非金屬作為摩擦組元加入銅基制動材料，B4C可通過提高材料的變形抗力而提升硬度、摩擦因數(shù)及耐磨性[26]，添加一定量的膨脹蛭石可增加材料的摩擦因數(shù)[27]，加入藍(lán)晶石煅燒莫來石的材料具有良好的摩擦學(xué)性能[28]。SiO2、Al2O3等非金屬與銅基體的基本屬性相差較大，潤濕性差，與基體形成機(jī)械結(jié)合界面而容易脫落。為改善硬質(zhì)相和基體的結(jié)合，趙翔等[29, 30]提出添加鐵合金作為摩擦組元，以提高銅基制動材料的強(qiáng)度和摩擦磨損性能。與Al2O3的作用相比，添加Cr-Fe為摩擦組元，銅基制動材料的摩擦因數(shù)、摩擦穩(wěn)定度與耐磨性分別提高12%～27%、10%～20%和20%～70%[29]。Mo-Fe可通過增強(qiáng)銅基體抗軟化能力、降低犁削程度，進(jìn)而改善銅基制動材料的耐磨性[30]。另外，針對SiO2、Al2O3等摩擦組元硬度高、導(dǎo)熱性及塑性差導(dǎo)致制動材料嚴(yán)重刮傷制動盤的問題，赫曉東等[31]提出采用Cr2AlC、Ti2AlC作為摩擦組元，開發(fā)了具有導(dǎo)熱性能好、摩擦因數(shù)穩(wěn)定、磨損率低及對制動盤磨損小等特征的銅基制動材料。為深層次探究摩擦組元與基體所形成界面和摩擦磨損性能的關(guān)聯(lián)性，周海濱等[32]從微觀界面角度出發(fā)，揭示了界面的形成機(jī)理，并解釋了摩擦組元的作用機(jī)制。

2.1.4 組元表面改性及組元復(fù)合化

粉末冶金制動材料的孔隙可作為“第四組元”看待，其分布、大小及形狀等對材料的性能有著重要影響，高孔隙率的材料表現(xiàn)出機(jī)械強(qiáng)度低、耐磨性差及摩擦因數(shù)不穩(wěn)定等特征[33]。為控制孔隙率，對組元進(jìn)行表面鍍銅改性，可提高材料的綜合性能。采用覆銅鐵粉可顯著提高銅基制動材料的強(qiáng)度及力學(xué)性能，降低材料的磨損，維持高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)[34]。陶瓷摩擦組元的表面鍍銅可改善陶瓷相與基體間的結(jié)合效果，從而提高銅基制動材料的強(qiáng)度及摩擦學(xué)性能[35]。

目前，多數(shù)工作從單一組元的含量或特性變化來研究銅基制動材料的性能，而多組元復(fù)合作用及機(jī)理的研究較少，但材料設(shè)計(jì)已傾向于多組元復(fù)合化來提高銅基制動材料的性能。曾昭鋒[36]提出的多組元陶瓷增強(qiáng)銅基制動材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能、耐熱性能和抗彎強(qiáng)度。許成法等[37]在銅基制動材料中添加Ni和β-SiC，所得材料的摩擦因數(shù)為0.45～0.53，磨損率為0.06×10-7～0.18×10-7cm3/J，制動平穩(wěn)。張學(xué)良等[38]研究了不同Al2O3與SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比對銅基制動材料性能的影響，隨著Al2O3含量的增加，材料的硬度增加，材料在低速下的摩擦因數(shù)降低而耐磨性升高，高速下耐磨性先升高后降低。在SiC和石墨顆粒混雜增強(qiáng)的銅基制動材料中，SiC起著較好的硬質(zhì)點(diǎn)承載作用，石墨顆粒發(fā)揮潤滑減摩作用，二者的協(xié)同效應(yīng)可明顯提高材料的耐磨性[39]，同時(shí)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)Al2O3和Fe的協(xié)同作用可以穩(wěn)定材料的摩擦磨損性能[40]。

2.1.5組元環(huán)?；?、簡易化

為推動環(huán)保型制動閘片的開發(fā)，鐵路標(biāo)準(zhǔn)[41, 42]規(guī)定高速列車制動材料不應(yīng)使用石棉、鉛及化合物等有害物質(zhì)，還不應(yīng)使用制動過程中產(chǎn)生有害健康或讓乘客感到不舒適的灰塵、顆粒或氣體的組元。同時(shí)，為減輕制動材料對制動盤的損傷，提高材料的導(dǎo)熱性及制動穩(wěn)定性，鐵路標(biāo)準(zhǔn)約束了高速列車粉末冶金制動材料中W，Cr，Zr，Al和Si元素的含量，其中W，Cr，Zr 3種元素的總含量不應(yīng)超過10%，Si元素的含量不應(yīng)大于1%，Al和Si元素的總含量不應(yīng)超過1%?，F(xiàn)有高速列車粉末冶金制動材料基本滿足不含有害物質(zhì)的環(huán)保要求，但部分產(chǎn)品未能滿足Al，Si等元素含量的要求，從而推動材料設(shè)計(jì)過程中新組元的篩選、組元成分及含量的優(yōu)化。此外，已有高速列車粉末冶金制動材料的組元過于繁雜，有的材料由十幾種組元構(gòu)成，使得影響材料性能的因素增加。為實(shí)現(xiàn)工藝可控，保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定，降低生產(chǎn)工藝復(fù)雜性，姚萍屏[43]提出了一種超簡組元的高速列車粉末冶金制動材料，避開貴重金屬元素的使用，該材料組分簡易、工藝簡單、成本較低，滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，可適用于多速度級的高速列車。

2.2 制備技術(shù)

由于制備工藝成熟、簡單，又可保證材料具備高的強(qiáng)度，大多數(shù)高速列車粉末冶金制動材料的制備采用鐘罩爐加壓燒結(jié)技術(shù)，其基本工序?yàn)椋涸匣旌稀旌狭蠅褐瞥尚汀鷫号髋c鍍銅鋼背板加壓燒結(jié)成一體→燒結(jié)產(chǎn)品機(jī)加工。

目前，該制備技術(shù)的研究主要集中于工藝參數(shù)和方法的優(yōu)化。為避免混合料成分偏析，曲選輝等[44]采用粘結(jié)化工藝制備銅基制動材料，顯著改善粉末混合的均勻性，有利于材料的成分與密度均勻分布。作為加壓燒結(jié)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一，粉末壓制影響著壓坯的密度及其分布，壓坯密度的增加有助于提高銅基制動材料的各項(xiàng)性能。在壓制過程，影響壓坯密度的因素有壓制壓力、加壓速度、模具表面粗糙度等。壓制壓力直接影響著壓坯的密度，隨著壓制壓力增加，壓坯密度先急增后緩增，但受設(shè)備條件限制，壓制壓力不可能無限增加，在一定程度上增加壓制次數(shù)可以提高壓坯密度[45, 46]。此外，加壓速度不可太快，保壓時(shí)間不可太短，否則粉末顆粒難以充分填充空隙，導(dǎo)致壓坯彈性后效增加，壓坯密度降低[47]。

燒結(jié)是加壓燒結(jié)技術(shù)中最關(guān)鍵的工序。前工序所造成的缺陷可在燒結(jié)過程獲得補(bǔ)救，但燒結(jié)因素導(dǎo)致的缺陷將可能產(chǎn)生最終廢品。影響銅基制動材料性能的燒結(jié)工藝參數(shù)包括燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、燒結(jié)氣氛和保溫時(shí)間等。隨著燒結(jié)溫度升高，銅基制動材料的硬度逐漸增加，抗拉強(qiáng)度和密度先升高后降低，磨損量先減小后增加，摩擦因數(shù)逐漸降低[48]；隨著燒結(jié)壓力增大，銅基制動材料的硬度得到提高，摩擦因數(shù)和磨損率均逐漸減小，但繼續(xù)增加燒結(jié)壓力對材料的摩擦磨損性能和硬度的影響不大[49]。毛凱等[50]的研究發(fā)現(xiàn)，H2氣氛下燒結(jié)的銅基制動材料擠壓強(qiáng)度最低、摩擦因數(shù)波動較大；N2氣氛下燒結(jié)的材料擠壓強(qiáng)度最大；N2和H2混合氣氛下燒結(jié)的材料摩擦因數(shù)穩(wěn)定、磨損量較小。

工藝創(chuàng)新是制動材料產(chǎn)業(yè)化的必要條件，通過新工藝的實(shí)施，制動材料性能的一致性和可靠性得到保證，此外，在改善或保證產(chǎn)品性能的前提下，應(yīng)探索和尋求實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和新制造工藝有機(jī)結(jié)合的途徑。與傳統(tǒng)粉末冶金方法相比，采用放電等離子燒結(jié)(SPS)方法制備的材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦因數(shù)和耐磨性，但SPS法成本高[51]。為減少經(jīng)濟(jì)損失、節(jié)約成本，劉彥偉等[52]對銅基摩擦片進(jìn)行修復(fù)與再制造，修復(fù)后產(chǎn)品的微觀組織、硬度和摩擦因數(shù)均與待修復(fù)樣品接近。為將原有鐘罩爐加壓燒結(jié)法改進(jìn)為連續(xù)燒結(jié)，吳成義等[53]發(fā)明了一種高速重載剎車片的連續(xù)加壓燒結(jié)裝置及其燒結(jié)工藝，與鐘罩爐相比，該裝置的自動化水平高、生產(chǎn)效率高、能量消耗低、產(chǎn)品質(zhì)量高、性能均勻穩(wěn)定、生產(chǎn)環(huán)境大為改善。陳進(jìn)添[54]借鑒金屬基自潤滑材料的制備技術(shù)，提出了一種連續(xù)無壓燒結(jié)技術(shù)，采用網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)爐或步進(jìn)式連續(xù)燒結(jié)爐生產(chǎn)的銅基制動材料質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡單、生產(chǎn)效率高。

3 摩擦磨損性能的研究現(xiàn)狀

高速列車粉末冶金制動材料性能優(yōu)劣，主要由摩擦磨損性能參數(shù)來表征。由于制動過程是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程，材料的摩擦學(xué)行為不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，還與材料的匹配性、服役條件等有關(guān)。近年來，針對服役條件對高速列車粉末冶金制動材料摩擦特性的影響、閘片/制動盤匹配性、摩擦磨損機(jī)理及摩擦特性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)行了研究與分析。

3.1 服役條件的影響

高速列車制動材料工作于開放式的大氣環(huán)境中，服役環(huán)境多變且復(fù)雜，制動過程存在著制動壓力波動、速度變化及雨雪環(huán)境等狀況，因此，材料的摩擦磨損性能不僅取決于材料的成分與組織，還受服役條件如制動速度、壓力、雨雪環(huán)境等因素的影響?；诹熊囍苿拥陌踩耘c舒適性，探究服役條件與摩擦磨損性能之間的關(guān)系也成為銅基制動材料的重要研究工作。

制動壓力主要通過改變真實(shí)接觸面積來影響材料的摩擦磨損性能，制動速度對摩擦磨損性能的影響主要取決于表面溫度狀況。劉聯(lián)軍等[55]研究發(fā)現(xiàn)，列車的動能與速度的平方成正比，隨著制動速度的提高，制動能量迅速增加，表面溫度升高，銅基制動材料的摩擦因數(shù)先增大后減小，銅基體的軟化增加了材料磨損。王毅等[56]進(jìn)一步研究了制動速度對銅基制動材料摩擦因數(shù)的影響，當(dāng)速度小于180 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)維持在0.41～0.46范圍內(nèi)；當(dāng)速度達(dá)到200 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)降至0.32。張俊峰等[57]的研究也表明，隨著制動速度的增大，摩擦表面產(chǎn)生大量的摩擦熱，銅基體軟化，表面微凸體遭到破壞，摩擦因數(shù)降低、磨損量增加。由于制動材料表面存在粗糙度和波紋度，材料制動過程發(fā)生在表面不連續(xù)的微凸體上，制動壓力的增加較有利于增加實(shí)際接觸面積，根據(jù)分子-機(jī)械摩擦理論[58]，當(dāng)制動壓力較小時(shí)，制動壓力的增長率不及實(shí)際接觸面積的增加率，從而摩擦因數(shù)上升；當(dāng)制動壓力增加到一定值時(shí)，實(shí)際接觸面積接近于名義接觸面積而增幅較小，導(dǎo)致摩擦因數(shù)隨制動壓力的升高而降低。朱旭光等[59]研究得出，當(dāng)制動速度不變時(shí)，隨著制動壓力的增加，銅基制動材料的摩擦因數(shù)先增加后減小，磨損量增大并逐漸趨于穩(wěn)定。孫紅艷等[60]的研究也表明，當(dāng)制動壓力達(dá)到一定值時(shí)，隨著壓力的提高，銅基制動材料的摩擦因數(shù)降低而磨損增加。

在實(shí)際工作中，高速列車制動材料還受到雨雪風(fēng)沙等天氣的影響。韓曉明等[61]采用定速摩擦試驗(yàn)機(jī)，研究了干、濕條件下銅基制動材料的摩擦磨損性能，制動速度較低，水起著隔離與潤滑作用，濕態(tài)下的摩擦因數(shù)低于干態(tài)下的摩擦因數(shù)，而當(dāng)制動速度提高時(shí)，水又起著冷卻作用，降低基體軟化程度，濕態(tài)下的摩擦因數(shù)反而高于干態(tài)的摩擦因數(shù)。符蓉等[62]發(fā)現(xiàn)潮濕工況可明顯降低銅基制動材料在低速下的摩擦因數(shù)，較小影響高速下的摩擦因數(shù)。陳澍軍等[63]采用1∶1制動動力試驗(yàn)臺測試銅基制動材料潮濕工況下的摩擦性能，與干態(tài)相比，在水的冷卻和潤滑作用下，潮濕條件下的平均摩擦因數(shù)明顯下降并產(chǎn)生波動；當(dāng)制動速度較高且制動壓力較低時(shí)，材料在潮濕工況下獲得較高的平均摩擦因數(shù)。錢坤才等[64]采用1∶1制動動力試驗(yàn)臺探討了在高寒雨雪條件下銅基制動材料的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)冰雪鑲嵌著的外來硬質(zhì)顆粒刮擦制動盤，導(dǎo)致材料的摩擦因數(shù)隨制動壓力的增加而升高，當(dāng)制動速度小于160 km/h時(shí)，摩擦因數(shù)隨速度提高而增大，制動速度高于160 km/h時(shí)產(chǎn)生的大量摩擦熱使摩擦表面的冰雪熔化，摩擦因數(shù)基本不受速度影響。吳射章等[65]模擬低溫造雪環(huán)境，采用1∶1制動動力試驗(yàn)臺進(jìn)行了銅基制動材料的緊急制動及持續(xù)制動試驗(yàn)，緊急制動條件下，材料的平均摩擦因數(shù)隨制動速度和制動壓力的升高曲折升高，低壓持續(xù)制動時(shí)，材料的平均摩擦因數(shù)受接觸表面帶冰膜的摩擦膜影響，摩擦因數(shù)波動較大。

3.2 閘片/制動盤匹配性

高速列車摩擦制動系統(tǒng)的制動性能不僅取決于閘片及制動盤材料本身的基本性質(zhì)，還取決于閘片與制動盤兩者材料結(jié)構(gòu)和性能之間的匹配性。若匹配不當(dāng)，將導(dǎo)致制動盤溫度場/應(yīng)力場分布不均、摩擦振動/噪聲加劇和閘片/制動盤材料過度磨損等問題，直接影響摩擦副的制動性能及制動系統(tǒng)的可靠性、平穩(wěn)性、舒適性和使用壽命。如李建熹等[66]采用一種銅基制動材料與鍛鋼制動盤配副，摩擦副的摩擦界面出現(xiàn)粘著撕裂和犁削、剝落、磨屑堆積等現(xiàn)象，連續(xù)激勵接觸界面而加劇了摩擦系統(tǒng)的不穩(wěn)定振動，誘導(dǎo)出高強(qiáng)度制動尖叫噪聲的產(chǎn)生。

圖2 閘片/制動盤的匹配性研究[68]Fig.2 Research on adaptability of brake pads/disc: (a) brake disc，(b) brake pad A，(c) brake pad B，(d) brake pad C[68]

隨著高速列車技術(shù)的不斷發(fā)展，高速列車制動閘片及制動盤的市場也逐步開放化，越來越多的新型粉末冶金制動閘片和制動盤投入使用，而新開發(fā)的閘片和制動盤能否良好匹配成為一個(gè)亟待解決的問題。Jayashree等[67]選用3種馬氏體鋼與銅基制動材料進(jìn)行摩擦配對試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)的摩擦副摩擦磨損性能差異較大，說明了選擇合適的制動盤材質(zhì)對于摩擦副的重要性。如圖2所示，王飛等[68]采用3種已批量運(yùn)用的銅基粉末冶金閘片(閘片A、閘片B及閘片C)分別與同一鑄鋼制動盤進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果表明閘片A與制動盤形成的摩擦副具有最穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，選用該閘片完成了60萬千米的載客運(yùn)用考核，制動盤表面無劃痕、熱斑、劃傷等現(xiàn)象，閘片狀態(tài)良好。王東星等[69]采用1∶1制動動力試驗(yàn)臺比較了同一銅基粉末冶金閘片與兩種不同制動盤匹配摩擦性能，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對摩擦因數(shù)進(jìn)行了分析，指出了兩種摩擦副的匹配性優(yōu)劣，并判斷了摩擦副的可換性。為開發(fā)新型制動盤，Stadler等[70]開展了C/C-SiC復(fù)合材料與銅基制動材料的匹配性研究，以適應(yīng)高速列車向高速化、輕量化方向發(fā)展。

3.3 特性評價(jià)與預(yù)測

摩擦磨損性能的評價(jià)是高速列車粉末冶金制動材料配方研究、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、質(zhì)檢控制、產(chǎn)品認(rèn)證等過程中的關(guān)鍵工作。一般來說，銅基制動材料的開發(fā)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，從材料配方基礎(chǔ)研究到正式產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證，經(jīng)歷小樣試驗(yàn)(縮比試驗(yàn))→1∶1制動動力試驗(yàn)→實(shí)際運(yùn)用考核試驗(yàn)。

在銅基制動材料的研制初期，采用尺寸較小及結(jié)構(gòu)簡單的試樣(即縮比試樣)，應(yīng)用小樣摩擦試驗(yàn)機(jī)(如MM-1000摩擦試驗(yàn)機(jī))來評價(jià)材料的摩擦磨損性能，研究組元、制備技術(shù)及模擬服役條件等對材料摩擦磨損性能的影響[71]，可初步確定材料的成分及其含量、制備工藝參數(shù)等，獲得不同條件下的摩擦磨損機(jī)理，保證測試的準(zhǔn)確性和迅速反應(yīng)能力，有利于縮短研制進(jìn)程，降低材料開發(fā)費(fèi)用，確保產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用功能的預(yù)見性和準(zhǔn)確性。但縮比試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)范圍小且有限，對高速列車制動材料的實(shí)際工況模擬性差，因而其測試結(jié)果不足以全面及正確評價(jià)材料的摩擦磨損性能。

1∶1制動動力試驗(yàn)是采用制動閘片和制動盤實(shí)物為試驗(yàn)件，利用飛輪等量模擬高速列車的行駛動能(承受的軸重一樣)，在1∶1制動動力試驗(yàn)臺模擬高寒、雨雪潮濕等復(fù)雜工況，測試材料在不同制動速度及壓力下的摩擦因數(shù)、磨損量、制動平穩(wěn)性、制動距離、制動噪聲、制動盤表面溫度等摩擦學(xué)特性。工況模擬更接近高速列車的實(shí)際狀態(tài)，可更全面、科學(xué)地評價(jià)銅基制動材料的摩擦磨損性能。因此，1∶1制動動力試驗(yàn)是評價(jià)材料摩擦磨損性能試驗(yàn)中權(quán)威性的試驗(yàn)，被廣泛應(yīng)用于高速列車制動閘片的匹配性研究、新品開發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證及認(rèn)證。隨著高速列車的高速化發(fā)展，對于制動材料的性能要求也隨之提高，1977年國際鐵路聯(lián)盟制定了首版列車制動材料的1∶1制動動力試驗(yàn)規(guī)范，到2017年已更新至第八版，規(guī)范對于材料所具備的特性要求不斷提高，材料的瞬時(shí)摩擦因數(shù)與平均摩擦因數(shù)的公差范圍變窄，摩擦因數(shù)盡可能不受磨合程度、壓力、溫度和環(huán)境條件的影響，在潮濕或有雪的情況下，瞬時(shí)摩擦因數(shù)相對于干燥條件下只有微小的變化，一旦破壞性環(huán)境影響消除，摩擦因數(shù)必須立即恢復(fù)到干燥條件下的數(shù)值[41]。國內(nèi)，鐵路總公司制定了高速列車制動材料的1∶1制動動力試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范，用于評價(jià)材料的摩擦磨損性能[42]，如圖3所示，技術(shù)規(guī)范約束了300～350 km/h及以上高速列車粉末冶金制動材料干燥條件下的摩擦因數(shù)。但與國際鐵路聯(lián)盟所制定的要求相比，國內(nèi)的技術(shù)要求還較寬泛，如無靜摩擦因數(shù)及潮濕環(huán)境下摩擦因數(shù)的技術(shù)要求。同時(shí)，我國高速列車車型多，擁有多家主機(jī)廠，而各主機(jī)廠均制定了制動材料的技術(shù)規(guī)范，這對于材料摩擦學(xué)性能的評價(jià)測試存在多重要求。為此，鐵路總公司已著手制定統(tǒng)一的高速列車制動材料技術(shù)規(guī)范，不斷提高材料性能的一致性、穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性等要求，形成一套標(biāo)準(zhǔn)的高速列車制動材料摩擦磨損性能評價(jià)規(guī)范。

圖3 300～350 km/h及以上高速列車粉末冶金制動材料干燥條件下的瞬時(shí)摩擦因數(shù)公差(a)和平均摩擦因數(shù)公差(b)[42]Fig.3 Tolerances for the instantaneous coefficient of friction (a) and average coefficient of friction (b) of powder metallurgical brake pads for high-speed trains with the maximum speed of 300～350 km/h and above under dry conditions[42]

作為高速列車的關(guān)鍵部件，鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求高速列車粉末冶金制動材料必須進(jìn)行裝車運(yùn)行考核，進(jìn)行緊急制動試驗(yàn)并符合要求，至少考核一個(gè)全壽命周期和一年。如表1所示，我國《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》[72]規(guī)定了高速列車粉末冶金制動材料在干態(tài)平直軌道上(坡度在±4 mm/m內(nèi)，曲線不小于R3000 m)不同制動速度下的緊急制動距離限值。運(yùn)用考核可以直接體現(xiàn)粉末冶金制動材料運(yùn)用的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、可靠性，是鑒定材料使用性能的最直接方法，可全面反映閘片使用過程所存在的問題，考察材料長期可靠性及與制動盤的匹配性，運(yùn)用考核中要求材料不應(yīng)出現(xiàn)掉塊、裂紋、變形或者由于閘片質(zhì)量問題造成制動盤損傷的現(xiàn)象。

表1不同制動速度下的緊急制動距離限值[72]

Table1Maximumacceptablebrakingdistancesat200, 250, 300and350km/h[72]

Initial stop-braking speeds/(km/h)Maximum acceptable braking distances/m2002000250320030038003506500

在1∶1制動動力試驗(yàn)規(guī)范中，國際鐵路聯(lián)盟和國內(nèi)鐵路標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定粉末冶金制動材料的磨耗量不應(yīng)超過0.35 cm3/MJ，適用于多速度等級的高速列車，而材料的運(yùn)用考核暫未規(guī)定磨耗壽命限值。由于高速列車制動材料的實(shí)際服役環(huán)境復(fù)雜苛刻，常容易出現(xiàn)掉塊、裂損、掉渣及異常磨損等現(xiàn)象，因而需研究這些材料的異常問題與安全制動性能的關(guān)系，制定相應(yīng)異常現(xiàn)象的允許值。日本Naoki等[73]研究了E233系高速列車制動材料的磨損規(guī)律，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定了閘片的更換標(biāo)準(zhǔn)，降低了維修保養(yǎng)成本、提高了資源利用率。梁宵等[74]提出一種改進(jìn)的馬爾科夫模型來預(yù)測高速列車粉末冶金制動材料壽命，以提高材料壽命的預(yù)測精度。廖濤[75]采集高速列車粉末冶金制動材料的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過磨損量估算技術(shù)的研究，建立了一種材料磨耗量估算模型。磨損圖的建立可成為預(yù)測給定服役條件下高速列車粉末冶金制動材料壽命的重要工具，將材料摩擦磨損性能的信息簡單直觀地呈現(xiàn)于圖中，有效評判材料在不同制動條件下的摩擦磨損性能[76]。

3.4 摩擦磨損機(jī)理

制動材料的磨損伴隨摩擦存在，有摩擦就有磨損，有磨損并不意味磨損失效，從磨損到磨損失效是一個(gè)由量變到質(zhì)變及存在著磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變的過程。高速列車粉末冶金制動材料的磨損失效分析是研究和解決磨損問題的前提和關(guān)鍵，首先必須揭示造成材料磨損的原因，即研究摩擦磨損機(jī)理。董守軍[77]探討了制動速度對銅基制動材料摩擦磨損機(jī)理的影響，制動速度較低時(shí)，材料表面溫度低，表面組織基本沒有變化，摩擦作用主要以克服嚙合為主，摩擦因數(shù)較高；當(dāng)制動速度提高，表面材料因溫度升高而塑性變形及磨料的壓入，摩擦接觸面積增大，磨損機(jī)理以磨粒為主，摩擦因數(shù)降低；進(jìn)一步提高制動速度，摩擦表面溫度升高，材料產(chǎn)生氧化，氧化膜破裂而新生表面又產(chǎn)生氧化，材料的硬質(zhì)相脫離并參與摩擦，磨損機(jī)理轉(zhuǎn)為氧化磨損、材料剝落及磨粒磨損。Peng等[71]研究表明，當(dāng)制動速度低于250 km/h時(shí)，銅基制動材料的磨損機(jī)理以磨粒磨損、材料犁削及氧化磨損為主，當(dāng)制動速度達(dá)到380 km/h時(shí)，材料表面溫度急劇升高，材料發(fā)生軟化及熔化，表面形成一層金屬熔化膜，摩擦因數(shù)降低。Xiao等[3]采用1∶1制動動力試驗(yàn)臺測試銅基制動材料的制動性能并分析了材料的摩擦磨損機(jī)理，在制動過程中摩擦表面產(chǎn)生了大量的摩擦熱，導(dǎo)致材料氧化，并在熱-力耦合作用下，材料產(chǎn)生裂紋，裂紋向材料表面擴(kuò)展，導(dǎo)致材料剝落，材料的磨損機(jī)制主要為氧化磨損和剝層磨損(如圖4所示)。

圖4 粉末冶金制動材料摩擦表面 (a) 及亞表面 (b，c) SEM照片[3]Fig.4 SEM images of the worn surface (a) and the subsurface regions (b, c)[3]

針對材料摩擦磨損機(jī)理的研究，1984年Godet引入了第三體的概念[78]，提出的第三體為覆蓋于摩擦表面的磨屑所形成的摩擦膜或摩擦轉(zhuǎn)移膜。目前，研究第三體的組織特征、第三體與摩擦磨損性能的關(guān)系等成為揭示銅基制動材料摩擦磨損機(jī)理的重要研究方向。Peng等[79]研究發(fā)現(xiàn)銅基制動材料的制動穩(wěn)定性與表面第三體的產(chǎn)生和消耗有關(guān)，當(dāng)?shù)谌w減少時(shí)，材料表面缺少摩擦膜的保護(hù)，材料的摩擦因數(shù)不穩(wěn)定且磨損量高。韓曉明等[80]研究了制動壓力、第三體與摩擦性能的關(guān)系，制動壓力的提高有利于形成緊密的第三體，材料的磨損量變化不明顯。符蓉等[81]的研究表明，當(dāng)制動速度降低時(shí)，表面第三體產(chǎn)生破碎、剝落，銅基制動材料的機(jī)械嚙合力增加，摩擦因數(shù)升高。采用仿真技術(shù)獲得銅基制動材料在制動過程中的溫度場和應(yīng)力場分布規(guī)律，可分析制動過程的穩(wěn)定性，有利于揭示材料的失效機(jī)制。夏毅敏等[82]利用ANSYS軟件建立了高速列車制動閘片的熱-力耦合三維仿真模型，得到了制動過程中閘片的應(yīng)力場和溫度場分布規(guī)律。王磊等[83]通過1∶1制動動力試驗(yàn)臺的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了采用ANSYS軟件建立的高速列車制動閘片循環(huán)對稱有限元三維模型的正確性。王峰[84]利用ABAQUS/Standard模塊，采用熱-機(jī)耦合法計(jì)算了摩擦副界面溫度場的分布，研究了摩擦界面摩擦與振動行為，探討了摩擦界面行為的變化規(guī)律，進(jìn)一步闡述了摩擦特性及機(jī)理的變化。

4 結(jié) 語

隨著高速列車行駛速度和人們對安全、舒適、環(huán)保要求的不斷提高，只有強(qiáng)化粉末冶金制動材料基礎(chǔ)理論的研究，發(fā)展新材料、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)才能適應(yīng)高速列車發(fā)展的需要。為跟上高鐵裝備的現(xiàn)代化步伐，近年來在高速列車粉末冶金制動材料研究領(lǐng)域已取得了系列進(jìn)展，加深了材料組元的基礎(chǔ)研究，從微觀角度研究組元的影響，提出了組元復(fù)合化、環(huán)?；昂喴谆牟牧显O(shè)計(jì)理念，從設(shè)計(jì)源頭實(shí)現(xiàn)工藝可控性和低成本化；結(jié)合加壓燒結(jié)與連續(xù)燒結(jié)的優(yōu)勢，優(yōu)化制備技術(shù)，不斷提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；為保證制動系統(tǒng)的可靠性，研究了閘片/制動盤的匹配性，前瞻性地開展了粉末冶金制動材料與其它新型材料的匹配研究；由縮比試驗(yàn)到1∶1制動動力試驗(yàn)，深層次地分析了復(fù)雜服役條件對摩擦磨損性能的影響，揭示了摩擦磨損機(jī)理；開展了材料壽命預(yù)測模型的研究，為規(guī)范材料性能的一致性、穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性等要求，建立了科學(xué)的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，且標(biāo)準(zhǔn)緊跟高速列車新技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。