申長(zhǎng)慧 米 雪 彭金方 唐 攀 楊文賢 方婧婷 黃 銀 朱旻昊

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031;2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川成都 610031；3.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610213)

剎車閘片是磁懸浮列車制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵性零部件，其摩擦磨損性能對(duì)列車的正常運(yùn)行起到重要作用。國(guó)內(nèi)某磁懸浮列車服役過程中，由于其車輛和線路接地出現(xiàn)問題，導(dǎo)致列車制動(dòng)閘片監(jiān)測(cè)到電流通過，閘片表面因而發(fā)生了劇烈磨損，這嚴(yán)重降低了閘片的使用壽命，威脅列車整體運(yùn)行的安全[1-3]。因此，對(duì)磁浮列車剎車閘片材料進(jìn)行摩擦磨損性能研究具有非常重要的工程價(jià)值。

目前，磁懸浮列車制動(dòng)閘片普遍應(yīng)用的材料為銅基粉末冶金材料，其具有良好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的摩擦性能[4-6]。針對(duì)銅基粉末冶金材料，目前的研究熱點(diǎn)主要集中在影響制動(dòng)性能的相關(guān)因素上，包括速度、接觸壓力以及各種濕度或特定氣氛環(huán)境等，其中接觸壓力是主要影響因素[7-10]。曾鑫和李峰[11]、朱旭光等[12]認(rèn)為在制動(dòng)速度一定時(shí)，制動(dòng)壓力的增大使得Cu基粉末冶金閘片摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而磨損量一直呈上升趨勢(shì)。王立全等[13]通過進(jìn)行球-盤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓力的增加使得鋼-銅基粉末冶金材料摩擦副的摩擦因數(shù)降低，磨損量增大。對(duì)于銅基粉末冶金閘片在載流工況下的制動(dòng)性能研究，劉敬超等[14]發(fā)現(xiàn)電流的介入會(huì)產(chǎn)生電弧損傷，使得磨損加劇甚至出現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象，惡化了材料的摩擦磨損性能。YANG 等[15]認(rèn)為碳含量的增加使得銅基復(fù)合材料摩擦因數(shù)和磨損率降低，并且磨損表面出現(xiàn)機(jī)械磨損區(qū)和電弧侵蝕區(qū)。

綜上，現(xiàn)有的研究工作發(fā)現(xiàn)接觸壓力對(duì)閘片的摩擦因數(shù)和磨損率產(chǎn)生影響，載流工況下閘片產(chǎn)生電弧侵蝕，但是針對(duì)載流條件下接觸壓力對(duì)銅基粉末冶金閘片的摩擦磨損性能影響的研究并不充分。為此，本文作者以銅基粉末冶金/Q235-B摩擦副為研究對(duì)象，在載流(100 A)和無載流2種工況下，研究不同接觸壓力(0.4、0.7、1.0和1.3 MPa)對(duì)銅基粉末冶金材料閘片摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1所示為多功能銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。該試驗(yàn)機(jī)主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)量及采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其加載系統(tǒng)通過電磁閥間接控制氣缸的加載與卸載，可實(shí)現(xiàn)0～500 N的任意壓力；通過力補(bǔ)償彈簧和滑塊Ⅱ之間的S型壓力傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量法向壓力；通過滑塊Ⅰ上方的拉壓式膜盒傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量摩擦力；通過編寫上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸壓力及摩擦力的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。對(duì)于不同電流條件下的試驗(yàn)，利用SDC-10可編程直流電源對(duì)銷試樣夾具以及電刷裝置施加正負(fù)極電壓，當(dāng)銷-盤試樣接觸時(shí)形成電流回路，通過電流源可任意改變加載的電流值。

圖1 多功能銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of multifunctional pin disk friction and wear tester

利用該試驗(yàn)機(jī)可以模擬列車制動(dòng)閘片的運(yùn)行工況，并能實(shí)現(xiàn)不同接觸壓力和載流條件下的摩擦磨損試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)材料及制備

銷試樣選擇國(guó)內(nèi)某磁懸浮列車銅基粉末冶金材料(型號(hào)：YFC255B)閘片，其尺寸為13 mm×9 mm×10 mm，其力學(xué)性能見表1。摩擦盤試樣為φ400 mm的Q235-B鋼軌材料，其力學(xué)性能見表2。

表1 銅基粉末冶金材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of Copper- based powder metallurgy materials

表2 Q235-B材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of Q235-B material

為保證銷-盤試樣面接觸的實(shí)際接觸率大于90%，采用砂紙對(duì)銷試樣的接觸面進(jìn)行打磨，并對(duì)盤試樣接觸表面進(jìn)行車削、打磨。試驗(yàn)開始前對(duì)銷試樣進(jìn)行超聲波清洗，去除其表面污漬與灰塵雜質(zhì)，然后稱量試樣并記錄其質(zhì)量。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)地研究考察發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)某磁懸浮列車常在7、17、27、和37 km/h下開始機(jī)械制動(dòng)，并且常用制動(dòng)AW0載荷下制動(dòng)載荷為0.5 MPa，緊急制動(dòng)AW3載荷下制動(dòng)載荷為1.3 MPa，監(jiān)測(cè)到通過閘片的最大電流約為500 A。結(jié)合試驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)尺寸以及設(shè)備的性能，設(shè)定滑動(dòng)速度v為30 km/h，接觸壓力p為0.4、0.7、1.0和1.3 MPa，銷試樣固定，銷-盤接觸點(diǎn)距離旋轉(zhuǎn)中心的距離為390 mm。由以上參數(shù)可計(jì)算出試驗(yàn)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速n和接觸載荷Fn。電流強(qiáng)度為0和100 A，單次滑動(dòng)時(shí)間為3 min，每個(gè)工況累計(jì)時(shí)間為1 h，可由此計(jì)算出摩擦行程S。具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。試驗(yàn)結(jié)束后通過體式顯微鏡SM(OLYMPUS-DSX100)和掃描電子顯微鏡SEM(JSM-6610)對(duì)材料表面磨損形貌進(jìn)行宏觀和微觀分析，通過白光干涉儀 (Contour GT)對(duì)磨損表面進(jìn)行二維及三維形貌表征，獲得其二維輪廓、三維形貌及表面粗糙度，最后利用電子天平再次稱量試樣質(zhì)量。

表3 試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Test parameters

選取任一銷試樣，通過掃描電子顯微鏡(SEM)和白光干涉儀觀察其磨損前的局部形貌。圖2(a)所示為SEM觀測(cè)到的銅基粉末冶金閘片磨損前的表面形貌，可以看到整個(gè)形貌較為平滑且存在3種不同顏色的區(qū)域。對(duì)圖中A、B、C區(qū)域分別進(jìn)行能譜分析，可知 A區(qū)域中黑色片狀為石墨層，B區(qū)域中與鱗片狀石墨層分布相似的灰色塊狀物質(zhì)為Cr-Fe合金，C區(qū)域中基體物質(zhì)主要為銅的固溶合金。圖2(b)所示為白光干涉儀觀測(cè)到的銅基粉末冶金磨損前的表面三維形貌，可見磨損前材料表面光滑平整。

圖2 銅基粉末冶金磨損前SEM形貌和三維形貌Fig.2 SEM morphology(a)and three-dimensional morphology(b) of Copper-based powder metallurgy before wear

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)和磨損率

材料的摩擦磨損性能用摩擦因數(shù)和磨損率表征，摩擦因數(shù)的計(jì)算公式如式(1)所示，其中Fmi為試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集的摩擦力(N)，F(xiàn)ni為正壓力(N)，N為穩(wěn)定階段采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

(1)

利用電子天平對(duì)磨損前后的銅基粉末冶金試樣進(jìn)行稱量獲取磨損量以計(jì)算磨損率，磨損率ΔV的計(jì)算公式如式(2)所示，其中S代表材料相對(duì)滑動(dòng)的總距離(km)，m0i表示磨損前的試樣質(zhì)量(mg)，m1i表示磨損后的試樣質(zhì)量(mg)。

(2)

圖3所示為銷試樣摩擦因數(shù)和磨損率在不同接觸壓力下的變化趨勢(shì)。

圖3 摩擦因數(shù)和磨損率隨接觸壓力的變化Fig.3 Variation of friction coefficient(a) and wear rate(b) with contact pressure

由圖3 (a)可知，無論載流與否，摩擦因數(shù)均隨著接觸壓力的增大呈上升趨勢(shì)，但載流時(shí)摩擦因數(shù)小于無載流。這是因?yàn)殡娏鞯慕槿胧沟媚Σ粮苯佑|面間有電弧產(chǎn)生，電弧燃燒引起的高溫使得試樣表面材料發(fā)生局部熔化，起到潤(rùn)滑作用使得摩擦因數(shù)偏小[16]。由圖3 (b)可知，載流時(shí)的磨損率整體大于無載流工況下的磨損率。這是由于電流的介入使得接觸表面溫度上升，不僅會(huì)造成試樣表面局部軟化，硬質(zhì)顆粒的切削作用增強(qiáng)，還會(huì)減弱材料之間的結(jié)合強(qiáng)度，在較大剪切力的作用下材料易于脫落，從而使得磨損率增大。隨著接觸壓力的增大，無載流時(shí)和載流時(shí)的磨損率呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，無載流時(shí)磨損率持續(xù)上升，而載流時(shí)的磨損率先減小后緩慢增大。試樣磨損率的大小受到機(jī)械磨損和電弧燒蝕兩方面的影響：接觸壓力為0.4 MPa時(shí)，接觸面間接觸不夠緊密頻繁產(chǎn)生電弧，材料表面在電弧燒蝕的作用下?lián)p傷加劇，導(dǎo)致磨損率較大；接觸壓力為0.7 MPa時(shí)，接觸面間變得緊密，電弧產(chǎn)生的頻率下降，電弧燒蝕作用降低[17]，導(dǎo)致磨損率有所下降；隨著接觸壓強(qiáng)的進(jìn)一步增大，摩擦力增大導(dǎo)致機(jī)械損傷增加[18]，磨損率緩慢增大。

2.2 表面磨損形貌

圖4所示為無載流和載流2種工況下不同接觸壓力時(shí)銅基粉末冶金材料的SM形貌。由圖4(a)、(b)、(c)和(d)可知，無載流時(shí)材料磨損表面有明顯的犁溝存在，這是由于在摩擦磨損過程中，材料表面的微凸體在剪切力的作用下發(fā)生破碎并被壓入材料表面，造成磨粒磨損；隨著壓力增大，材料表面形貌整體上差異不大。在載流工況下，材料磨損表面形貌相對(duì)于無載流工況發(fā)生了明顯的變化。如圖4(e)所示，接觸壓力為0.4 MPa時(shí)，電流的介入使得材料表面出現(xiàn)了大量電弧燒蝕區(qū)，摩擦表面難以觀察到犁溝存在；如圖4(f)、(g)所示，接觸壓力為0.7和1.0 MPa時(shí)，電弧燒蝕區(qū)的面積減小，犁溝開始出現(xiàn)在材料表面；如圖4(h)所示，在接觸壓力為1.3 MPa時(shí)，材料表面幾乎看不到電弧燒蝕區(qū)，表面犁溝現(xiàn)象明顯。以上現(xiàn)象表明，磨粒磨損是閘片材料的機(jī)械磨損損傷機(jī)制之一，而在載流工況下發(fā)生了明顯的電弧燒蝕作用。

圖4 銅基粉末冶金磨損表面形貌SM圖Fig.4 SM diagram of wear surface morphology of Copper-based powder metallurgy：(a)0.4 MPa-0 A；(b)0.7 MPa-0 A；(c)1.0 MPa- 0 A；(d)1.3 MPa-0 A；(e)0.4 MPa-100 A；(f)0.7 MPa-100 A；(g)1.0 MPa-100 A；(h)1.3 MPa-100 A

圖5所示為無載流與載流2種工況下不同接觸壓力時(shí)銅基粉末冶金材料的典型SEM微觀形貌。可以看出，無載流和0.4 MPa接觸壓力下的磨損表面存在剝落坑，磨屑堆積在剝落坑內(nèi)(見圖5(a))；無載流和接觸壓力為1.3 MPa時(shí)的磨損形貌，相較于0.4 MPa時(shí)，磨損表面出現(xiàn)大量的片狀和顆粒狀磨屑(見圖5(b))，這是因?yàn)閴毫υ龃蠛竽Σ粮敝g的磨屑排除難度增加，累積在接觸面間，一部分顆粒狀磨屑堆積在剝落坑中，另一部分磨屑在反復(fù)碾壓下，形成了致密的磨屑層[19]，剝層是無載流時(shí)的損傷機(jī)制之一。

圖5 銅基粉末冶金磨損表面形貌SEM圖Fig.5 SEM images of wear surface morphology of Copper-based powder metallurgy:(a)0.4 MPa-0 A; (b)1.3 MPa-0 A;(c)0.4 MPa-100 A;(d)1.3 MPa-100 A

如圖5(c)所示，載流和0.4 MPa接觸壓力下試樣表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的電弧燒蝕現(xiàn)象，溫度升高使得材料表面呈現(xiàn)出明顯的熔融狀痕跡，同時(shí)局部材料強(qiáng)度下降，損傷表面產(chǎn)生了開裂[20-21]；如圖5(d)所示，載流和接觸壓力為1.3 MPa時(shí)，表面的損傷特征與無載流時(shí)的相似，表面覆蓋有大量的顆粒狀和片層狀磨屑，這說明電流的作用減弱。電弧燒蝕和剝層是載流時(shí)的損傷機(jī)制之一，低接觸壓力時(shí)，電弧燒蝕的作用大于剝層，高接觸壓力時(shí)，剝層的作用大于電弧燒蝕。

圖6所示為無載流與載流2種工況下不同接觸壓力時(shí)銅基粉末冶金凹坑處的二維輪廓和摩擦表面三維形貌圖。由圖6(a)—(d)可知，無載流時(shí)，不同壓力下試樣磨損表面均出現(xiàn)明顯的犁溝，隨著接觸壓力的增大，材料表面的犁溝逐漸變淺，凹坑數(shù)量逐漸增多、深度逐漸變深。其中， 接觸壓力為0.4 MPa時(shí)犁溝深度最深，凹坑最少，凹坑深度為60 μm左右；1.3 MPa接觸壓力時(shí)的犁溝最淺，凹坑最多，凹坑深度達(dá)到100 μm，說明接觸壓力的增大會(huì)抑制磨粒磨損作用。這是由于壓力增大使磨損面結(jié)合得更緊，磨損產(chǎn)生的磨屑無法被排出接觸面，因而累積形成第三體層[22]，第三體層的存在會(huì)導(dǎo)致磨粒磨損的作用減弱，剝層的作用增強(qiáng)，這與SEM的測(cè)試結(jié)果相符。由圖6(e)—(h)可知，載流時(shí)，接觸壓力為0.4 MPa時(shí)材料表面凹坑深度最深，達(dá)到140 μm，這是由于電弧侵蝕作用導(dǎo)致材料性能下降，加劇了材料的損傷。接觸壓力p≥0.7 MPa時(shí)，犁溝現(xiàn)象同樣呈現(xiàn)減弱的現(xiàn)象并且凹坑深度逐漸加深，這是由于壓力增大到0.7 MPa后，間隙減小，產(chǎn)生電弧的區(qū)域減少，損傷表面呈現(xiàn)出與無載流相同的變化趨勢(shì)。

圖6 銅基粉末冶金磨損表面三維形貌及二維輪廓Fig.6 Three dimensional morphology and two-dimensional profile of Copper-based powder metallurgy wear surface：(a)0.4 MPa-0 A；(b)0.7 MPa-0 A；(c)1.0 MPa-0 A；(d)1.3 MPa-0 A； (e)0.4 MPa-100 A；(f)0.7 MPa-100 A；(g)1.0 MPa-100 A；(h)1.3 MPa-100 A

為進(jìn)一步證明上述銅基粉末冶金閘片損傷的演變特征，對(duì)試樣表面粗糙度進(jìn)行分析。圖7所示為銷試樣無載流和載流2種工況下不同接觸條件時(shí)的平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq?？芍?，無載流工況下，Ra和Rq整體上均隨著接觸壓力的增大而逐漸增大，在接觸壓力為1.0 MPa時(shí)出現(xiàn)略微下降，從整體上來看，接觸壓力的增大加劇了磨損，使得材料表面的完整性降低。載流工況下，由于電弧侵蝕降低了材料強(qiáng)度，可以看到在0.4 MPa接觸壓力下的Ra和Rq均為最大并且遠(yuǎn)大于無載流工況；當(dāng)接觸壓力增加到0.7 MPa時(shí)，載流和無載流時(shí)的Ra和Rq基本相等；接觸壓力進(jìn)一步增大，載流時(shí)的Ra和Rq均大于無載流，這與文中得到的磨損率和摩擦因數(shù)的結(jié)果相同，說明電流的介入加劇了磨損。

圖7 不同接觸壓力下銅基粉末冶金的表面粗糙度Fig.7 Surface roughness of Copper-based powder metallurgy at different contact pressure:(a)average roughness Ra ; (b)root mean square roughness Rq

3 結(jié)論

(1)無載流工況下，銅基粉末冶金與Q235-B的摩擦因數(shù)和磨損率隨接觸壓力的增大而增大，損傷機(jī)制主要為磨粒磨損和剝層，接觸壓力的增大會(huì)抑制磨粒磨損。

(2)載流工況下，損傷機(jī)制包括電弧侵蝕、磨粒磨損和剝層，接觸壓力的增大會(huì)抑制電弧的侵蝕作用，當(dāng)接觸壓力為0.4 MPa時(shí)，電弧侵蝕作用占主導(dǎo)地位，當(dāng)接觸壓力p≥0.7 MPa時(shí)，電弧的侵蝕作用減小。

(3)載流下的磨損相對(duì)于無載流時(shí)更加嚴(yán)重，材料表面的完整性更差，特別是在低接觸壓力的工況下。