添加FeSi75合金對C/C-SiC高速動車組摩擦制動材料性能的影響

焦標強

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2.北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京 100094）

0 引言

碳纖維增強碳化硅基（C/C-SiC）復合材料（簡稱碳/陶材料）是繼傳統(tǒng)鐵基材料、鋁基復合材料、碳/碳復合材料后，另一個引人關(guān)注的新型摩擦制動材料[1]。20世紀90年代初，德國宇航局（DLR）Krenkel 等[2]首次將其應(yīng)用在制動領(lǐng)域。與傳統(tǒng)摩擦制動材料相比，C/C-SiC復合材料具有低密度、低磨損、高強度、高壽命、摩擦性能穩(wěn)定、高服役溫度等特性[3-4]。該材料首先在汽車等低速運載工具領(lǐng)域得到應(yīng)用，其使用壽命比傳統(tǒng)鋼質(zhì)制動盤延長4倍以上[5]。

碳/陶材料相比其他傳統(tǒng)材料引入了硬質(zhì)顆粒SiC，由于SiC的高溫穩(wěn)定性較好，因此提升了摩擦副的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性[6]、材料的抗氧化性及對環(huán)境因素的敏感性[7]。目前碳/陶材料制動摩擦副三維針刺C/C-SiC復合材料已在飛機制動領(lǐng)域以及多家知名車企的新型轎車上使用。在軌道交通領(lǐng)域，鑒于高速動車組列車對大功率制動摩擦副有更高需求，三維針刺C/C-SiC復合材料也成為近年來動車組新型盤形制動摩擦副的研究熱點。C/C-SiC摩擦材料中通常會存在約8wt.%的殘余硅，殘余硅會使材料在高速制動時產(chǎn)生抖動進而影響制動平穩(wěn)性[6-7]，目前解決辦法是向材料中添加合金相以取代殘余硅[6]。在陶瓷基復合材料中，合金一般是以韌性相的角色存在且相比于其他相更不易發(fā)生斷裂，因此通過在陶瓷基材料中加入合金能夠顯著提高材料在摩擦過程中的穩(wěn)定性并降低磨損率。中南大學肖鵬等[8-9]對C/C-SiC中引入銅等金屬，改性的碳/陶剎車能夠有效改善摩擦性能的穩(wěn)定性。西北工業(yè)大學殷小偉等[10]向C/C引入TiC，最后液硅浸滲（LSI）過程使液Si與TiC原位反應(yīng)生成Ti3SiC2，試驗表明材料中殘余硅大量減少、摩擦穩(wěn)定系數(shù)有效提高，且材料的抗磨損性能明顯提升。

高速動車組摩擦制動材料是結(jié)構(gòu)-功能一體化材料，不僅要求具有良好的力學承載能力，還要求具有良好的摩擦磨損性能和熱力學性能。目前對合金改性C/C-SiC復合材料在摩擦制動特性上的研究主要集中在力學性能和干態(tài)摩擦性能上，而關(guān)于合金改性C/C-SiC復合材料在熱物理性能以及濕態(tài)環(huán)境的摩擦性能研究較少。因此，通過化學氣相滲透（CVI）結(jié)合RMI工藝制備FeSi2改性C/C-SiC復合材料，系統(tǒng)研究了干態(tài)摩擦過程后與未改性前C/C-SiC復合材料在摩擦性能上的區(qū)別，以及不同濕態(tài)環(huán)境下摩擦性能的區(qū)別。同時研究了C/C-SiC-FeSi2復合材料熱物理性能隨溫度變化的規(guī)律。

1 試驗過程

1.1 三維針刺C/C-SiC-FeSi2摩擦制動材料制備

三維針刺C/C-SiC-FeSi2高速動車組摩擦制動材料的制備流程見圖1。

采用日本東麗（Toray）公司生產(chǎn)的PAN型T-300（12K）碳纖維在三維針刺編織技術(shù)下將單層0°無維布、胎網(wǎng)、90°無維布、胎網(wǎng)依次循環(huán)，用帶倒鉤的針對無維布和胎網(wǎng)進行針刺（見圖2），形成三維針刺結(jié)構(gòu)后以天然氣和丙烷作為前驅(qū)體，采用CVI法在三維針刺預(yù)制體內(nèi)沉積熱解碳（Pyrolytic Carbon，PyC），最后對C/C預(yù)制體進行1 800～2 500 ℃高溫熱處理。隨后將成型的三維針刺C/C多孔預(yù)制體分別以FeSi75合金粉和Si粉采用反應(yīng)熔體浸滲（RMI-FeSi75）、液硅浸滲制備C/C-SiC-FeSi2復合材料和C/C-SiC復合材料。

1.2 熱物理性能測試

采用阿基米德排水法測試材料的體密度和開氣孔率，試樣尺寸為（10×10×20）mm。稱量設(shè)備為精度1×10-4g的電子分析天平（Mettler Teledo，AG204），采用稱重法測量試樣密度。試樣制備前后的密度和開氣孔率變化見表1。

采用激光閃爍法測量試樣的熱擴散系數(shù)與比熱容，所用設(shè)備為德國Netzsch公司LFA 427熱擴散儀。試樣尺寸為（12.7×2.0）mm，取平行于摩擦面與垂直于摩擦面2種試樣，分別表征垂直摩擦面方向（⊥）與平行摩擦面方向（∥）導熱率與熱容。測試過程中以Ar為保護氣體，測量溫度范圍為20～1 200 ℃，升溫速率為5 ℃/min。采用德國Netzsch公司DIL 402C型熱膨脹儀測量試樣的線膨脹系數(shù)。取平行于摩擦面方向（∥）與垂直于摩擦面方向（⊥）2種試樣，試樣尺寸為（25×4×3）mm。測試過程中以Ar為保護氣體，測量溫度范圍為20～1 200 ℃，升溫速率為 5 ℃ /min。

圖1 三維針刺C/C-SiC-FeSi2摩擦制動材料的制備流程

圖2 C/C-SiC-FeSi2結(jié)構(gòu)示意圖

表1 RMI前后的密度、氣孔率

制動摩擦磨損測試設(shè)備示意見圖3，其中慣量為0.235 kg·m2，剎車比壓為0.8 MPa。試驗前首先在1 440～7 200 r/min制動速度下進行磨合試驗，使摩擦面接觸面積達80%以上。試驗過程中通過計算機記錄制動力矩、速度、壓力、摩擦系數(shù)和制動時間曲線。其中摩擦系數(shù)μ計算公式為：

式中：M為制動力矩，kN·m；P為制動壓力，MPa；R為制動盤摩擦半徑，mm。

圖3 MM-1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗機示意圖

潮濕工況制動試驗參考UIC 541-3試驗程序，在此僅進行中低速制動試驗。

1.3 組成與結(jié)構(gòu)分析

采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4700型掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分析材料微結(jié)構(gòu)。采用背散射電子（BSE）顯微圖像觀察試樣的物相分布。能譜分析（Energy Dispersive Spectrometer,EDS）用于對材料表面元素進行分析，所用設(shè)備為美國伊達克斯公司Genesis型能譜分析儀。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 FeSi75合金粉對C/C-SiC相組成和結(jié)構(gòu)的影響

圖4（a）、（b）顯示了C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2的相分布情況，可以看出C/C-SiC-FeSi2相對于C/C-SiC在RMI處理后胎網(wǎng)區(qū)域和針刺區(qū)域中存在FeSi2相。通過BSE可以看出C/C-SiC-FeSi2復合材料中共存在4種不同顏色的相，結(jié)合EDS分析可知，圖（b）中白色相是FeSi2，灰色相是Si，深灰色相是SiC，黑色相是C。由于C與Si的潤濕性很好，所以在反應(yīng)熔體浸滲過程中Si和C能夠快速反應(yīng)生成SiC，外殼將殘余Si與FeSi2包裹其中。從X射線衍射（XRD）曲線（見圖5）可以看出，與C/C-SiC相比，改性后的C/C-SiC-FeSi2并沒有新物質(zhì)生成，只是引入了FeSi2。

2.2 C/C-SiC-FeSi2摩擦材料干燥工況的摩擦性能

C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2在干態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)曲線見圖6，可以看出，C/C-SiC-FeSi2比C/C-SiC在干燥工況的摩擦系數(shù)低，隨著轉(zhuǎn)速增加摩擦系數(shù)差異也逐漸增加。整體而言C/C-SiC-FeSi2的剎車曲線較平穩(wěn)，尤其在高速制動過程中期曲線較平穩(wěn)，有利于提高在制動過程中的乘坐舒適度。

C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2在干態(tài)不同速度下的線磨損率見圖7，可以看出，C/C-SiC-FeSi2在干燥工況高速制動時有明顯的抗磨損優(yōu)勢，相比于C/C-SiC，C/C-SiC-FeSi2在高速情況下線磨損率甚至能夠下降1個數(shù)量級。主要因為FeSi2相對于SiC和Si是較軟質(zhì)的，在摩擦過程中FeSi2可以減少硬質(zhì)顆粒對材料的磨損，并且在制動過程中產(chǎn)生的高溫使FeSi2發(fā)生塑性延展平鋪在材料表面，在摩擦過程中對材料起到了保護作用。

圖4 FeSi合金粉對C/C-SiC相組成和結(jié)構(gòu)的影響

圖 5 C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2的XRD曲線

C/C-SiC-FeSi2摩擦材料在制動過程中的磨屑分析見圖8。磨屑是材料在剎車過程中由于材料相互嚙合、擠壓、硬質(zhì)顆粒碰撞所剝落下來的物質(zhì)。低轉(zhuǎn)速時磨屑大多是材料本體剝落的；高轉(zhuǎn)速時由于制動能量較大，對剝落下的大顆粒磨屑有充分研磨作用，使高速下的磨屑顆粒粒徑變小。同時高能載剎車時產(chǎn)生的高溫使小顆粒磨屑產(chǎn)生尺寸效應(yīng)引起高活性反應(yīng)生成新物質(zhì)。從圖8（a）和（b）可以看出，低速下磨屑主要是本體材料相互擠壓碰撞所剝落下的物質(zhì)，其中分布的大顆粒磨屑能夠達到微米級（約6 μm），但同時存在納米級小顆粒磨屑；隨著制動速度增加，大尺寸微米級磨屑逐漸減少且尺寸變?。s3 μm），磨屑整體尺寸呈現(xiàn)均一化趨勢；制動能量達到一定程度時，磨屑全部轉(zhuǎn)化為納米級尺寸（約500 nm），主要由于高速制動能量大，對大尺寸剝落下的磨屑有充分碾壓、研磨作用。EDS結(jié)果顯示，不同制動速度下均有C、Si、O、Fe元素分布，中低速度下O元素含量沒有隨制動速度增加而增加，表明磨屑并未發(fā)生氧化。EDS結(jié)果中存在的O元素是因為磨屑產(chǎn)生的小尺寸效應(yīng)中C元素對O的吸附作用，形成C-O和O-C=O懸掛鍵。圖8（d）和（e）中O元素在高轉(zhuǎn)速下明顯增多，說明磨屑發(fā)生氧化。在制動過程中由于磨屑尺寸較小，因此小尺寸效應(yīng)帶來的高反應(yīng)活性往往使磨屑優(yōu)先于摩擦面發(fā)生氧化。此外，從圖中可以看出在20 m/s制動之后磨屑中出現(xiàn)了晶粒物質(zhì)，在25 m/s制動之后磨屑中出現(xiàn)了直徑約500 nm的棒狀物質(zhì)，這些新物相可能是在Fe的高溫催化作用下產(chǎn)生的新物質(zhì)，有待進一步鑒定。

圖7 C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2在干態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的線磨損率

圖6 C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2在干態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)曲線

圖8 C/C-SiC-FeSi2材料在制動過程中的磨屑分析

2.3 C/C-SiC-FeSi2摩擦材料潮濕工況的摩擦特性

作為高速動車組摩擦制動材料，必須克服不同的極端使用環(huán)境。在沿海城市潮濕氣候以及暴雨天氣環(huán)境中運用時，要求濕態(tài)摩擦性能不能出現(xiàn)明顯衰減。以往C/C剎車材料在潮濕環(huán)境中的摩擦衰減比為30%～50%，性能從濕態(tài)恢復到干態(tài)需要進行多次制動，因此C/C摩擦制動材料不能使用在目前軌道交通車輛制動摩擦副產(chǎn)品中，所以研究摩擦材料在潮濕環(huán)境中的制動性能尤其重要。

C/C-SiC-FeSi2和C/C-SiC材料在潮濕工況下的摩擦系數(shù)以及多次制動恢復后的摩擦系數(shù)見表2，結(jié)果顯示C/C-SiC-FeSi2材料均未出現(xiàn)明顯摩擦系數(shù)衰減趨勢，且只需1次恢復便可達到干態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 潮濕制動試驗及干燥恢復制動試驗?zāi)Σ料禂?shù)（淡水）

C/C-SiC-FeSi2和C/C-SiC材料在潮濕制動工況下的摩擦系數(shù)特性曲線以及多次恢復過程中的摩擦系數(shù)特性曲線見圖9。結(jié)果表明，C/C-SiC的摩擦曲線波動較大，但只需要1次干燥恢復制動也可達到穩(wěn)定狀態(tài)。而C/C-SiC-FeSi2摩擦系數(shù)未出現(xiàn)明顯波動，在制動過程中整體表現(xiàn)出狀態(tài)平穩(wěn)。

圖9 潮濕工況制動試驗曲線

3 結(jié)論

（1）C/C-SiC-FeSi2在干燥工況制動時，摩擦系數(shù)低于C/C-SiC，更接近既有高速動車組鋼質(zhì)盤形制動摩擦副摩擦系數(shù)特性，易于實現(xiàn)與既有摩擦副進行互換。

（2）C/C-SiC-FeSi2表現(xiàn)出較好的抗磨損性，線磨損率在7 200 r/min高速制動時比C/C-SiC約低1個數(shù)量級；在干燥工況制動時磨屑尺寸先變小后變大；在高速制動時觀測到磨屑中存在被氧化的現(xiàn)象。

（3）C/C-SiC-FeSi2在潮濕試驗條件下其摩擦性能未出現(xiàn)衰減，主要由于C/C-SiC-FeSi2通過機械作用提供了摩擦力。