銅基粉末冶金摩擦材料粘接層失效機理研究

賈潞

（中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860）

高速列車制動技術(shù)關(guān)系著列車運營的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，是決定列車行駛速度與緊急制動能力，確保列車運行安全的關(guān)鍵技術(shù)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與戰(zhàn)略規(guī)劃需求，我國高速鐵路的運營速度也不斷提高，這對列車的基礎(chǔ)制動系統(tǒng)，特別是閘片的性能提出了更高要求［1-4］。當列車電制動故障或者施加緊急制動時，機械摩擦制動必須保證高速列車在規(guī)定的制動距離內(nèi)停車，以確保列車運行安全［5-6］。由于列車制動能量與速度呈二次方正比關(guān)系，因此列車速度越高，制動時閘片承受的能量越大，摩擦材料的溫升越高［7-8］。

高速列車上普遍使用的閘片為銅基粉末冶金閘片。閘片的摩擦塊由摩擦體、粘接層和背板3 部分組成，其中摩擦體是閘片制動性能的主體來源，背板作為增強支撐結(jié)構(gòu)通過粘接層材料與摩擦體燒結(jié)在一起［9-11］。這種異質(zhì)件連接結(jié)構(gòu)的界面處通常強度較低，在實際車輛運營中偶有摩擦體材料脫落現(xiàn)象發(fā)生，造成了一定安全隱患。

目前，鮮有針對閘片使用過程中摩擦體材料脫落原因的分析研究。文中通過制備不同厚度的摩擦塊，模擬了車輛運營過程中不同磨耗程度的閘片狀態(tài)。以制動溫度對材料性能的影響為出發(fā)點，進行不同速度等級1∶1 制動動力試驗。通過測試不同厚度摩擦塊溫度數(shù)據(jù)，分析制動溫升對摩擦材料粘接層微觀形貌和力學強度的影響。

1 試驗過程

1.1 試驗原料與樣品制備

銅基閘片采用粉末冶金方法制備，摩擦體的主要原料有電解銅粉、還原鐵粉、鉻鐵顆粒、石墨和碳化硅顆粒。粘接層的材料為電解銅粉，背板材料為鍍銅的45#鋼。粉末原料在V 型混粉器中混合2 h，之后在400 MPa 壓力下壓制成型。背板放在壓制生坯上，在高純氫氣氣氛中進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950 ℃，壓力為3 MPa，保溫時間為2 h。

1.2 試驗方法及數(shù)據(jù)記錄

將燒結(jié)后的摩擦塊按厚度分成3檔，采用燕尾型粉末冶金閘片裝配方式進行裝配，得到摩擦塊厚度分別為21、15、9 mm的閘片各1 副。閘片在進行1∶1 制動動力試驗前，在不同位置的摩擦塊上打孔，如圖1 所示。打孔位置涵蓋了摩擦半徑的內(nèi)、中、外位置，在打孔位置處安裝熱電偶，對制動過程中摩擦塊粘接層進行溫度測試，熱電偶安裝方式如圖2 所示。

圖2 熱電偶安裝位置圖示

閘片按照TJ/CL 307-2019《動車組閘片暫行技術(shù)條件》中的C.6 程序在1∶1 制動動力試驗臺進行測試，試驗過程中記錄單個摩擦塊的溫度—時間曲線和最高溫度值，以及閘片所有摩擦塊測點平均溫度最高值和打孔摩擦塊的溫度最高值。

采用ZEISS-EVO 18 掃描電子顯微鏡觀察摩擦材料和粘接層的微觀形貌，采用MTS 材料試驗機檢測摩擦塊粘接面的剪切強度。

2 試驗結(jié)果

2.1 相同制動工況下不同厚度摩擦塊溫度分析

不同厚度摩擦塊制動溫度分布情況如圖3 所示，圖3 中的柱狀圖標高度表示制動的初速度，柱狀圖標顏色代表不同的制動壓力。圖中代表9 mm厚度摩擦塊的黃色星標溫度在各制動工況下始終高于15 mm 和21 mm 厚度的摩擦塊。當制動初速度和制動壓力都較低時，15 mm 和21 mm 摩擦塊的最高平均溫度較為接近。隨著制動初速度和制動壓力的提高，15 mm 和21 mm 摩擦塊最高平均溫度的差值也逐漸加大，在300 km/h 及以上的制動速度時形成顯著的梯度分布。試驗結(jié)果說明，摩擦塊厚度越薄，摩擦塊粘接面處的溫度越高。

在速度350 km/h、壓力32 kN的制動工況下，摩擦塊厚度為9、15、21 mm的閘片最高平均溫度分別為815、751、679 ℃，見表1。將摩擦塊厚度差值和溫度差值進行對比，在摩擦塊厚度差值均為6 mm的情況下，21 mm 厚度摩 擦塊與15 mm 厚 度摩擦塊的最高平均溫度差值為72 ℃，比15 mm 厚度摩擦塊與9 mm 厚度摩擦塊的最高平均溫度差值高了8 ℃。以上結(jié)果說明，制動時摩擦塊粘接層位置的溫度隨摩擦塊厚度的變化呈非線性趨勢。閘片厚度減薄后，隨著制動溫度的提高，閘片厚度方向上的熱阻減小，散熱速率更快，使厚度較薄的摩擦塊粘接層溫升減緩。

表1 摩擦塊厚度差值與溫度差值對比

2.2 制動壓力對溫度增長系數(shù)的影響分析

將相同制動條件下制動過程中閘片的平均溫度以及不同位置摩擦塊的最高溫度進行數(shù)據(jù)擬合，得到溫度增長系數(shù)，即制動初速度每增加1 km/h 時的溫度增加值。不同厚度閘片上不同位置摩擦塊在相同制動速度和不同制動壓力下的溫度增長系數(shù)分布如圖4 所示，溫度增長系數(shù)值見表2。從圖4 中可看出，當摩擦塊厚度為15 mm 與21 mm時，閘片在各個制動壓力下溫度增長系數(shù)的均值小于摩擦塊厚度為9 mm的閘片。在32 kN 大壓力工況下，摩擦塊厚度為9 mm的閘片平均溫度的溫度增長系數(shù)高達2.5 ℃/（km?h-1），即初始制動速度每增加100 km/h，閘片平均溫度將上升250 ℃，該溫度增長系數(shù)值約為同種工況下摩擦塊厚度15 mm和21 mm 閘片的1.25 倍。

表2 不同厚度摩擦塊閘片在不同制動壓力下的溫度增長系數(shù) 單位：℃/(km·h-1)

圖4 制動過程中閘片溫度增長系數(shù)分布

結(jié)合圖4 和表2 數(shù)據(jù)可知，當摩擦塊厚度9 mm時，所有測點粘接面溫度增長系數(shù)的平均值在各個制動壓力下都是最高的，但閘片上不同測點位置摩擦塊的溫度增長系數(shù)最大差值僅在制動壓力為14 kN 和23 kN 時最高。其中，9 mm 厚度摩擦塊在14 kN 制動壓力下的溫度增長系數(shù)最大差值分別是15 mm 和21 mm 厚度摩擦塊的3.3 倍和2.6倍。這是因為當制動壓力較小時，閘片浮動結(jié)構(gòu)調(diào)整將導(dǎo)致摩擦塊與制動盤貼合面不穩(wěn)定，閘片上不同位置摩擦塊與制動盤的接觸力值不同，制動能量和溫升速度也不同。而較薄的摩擦塊因為溫升速度快而放大了這一特征，導(dǎo)致不同位置摩擦塊的溫度增長系數(shù)差值較大。以上結(jié)論表明，9 mm 厚度的摩擦塊在小壓力制動時也存在局部溫升明顯的情況，摩擦塊的厚度對粘接面的溫度值影響顯著。

2.3 溫度對摩擦體脫落機理的影響分析

摩擦塊由背板、粘接層和摩擦體3 部分組成，如圖5 所示。其中，背板是鍍銅的沖壓金屬件，粘接層由純銅組成，摩擦體是銅基半金屬壓形件。在熱壓燒結(jié)過程中，摩擦塊背板、粘接層及摩擦體三者之間通過銅的相互擴散作用產(chǎn)生結(jié)合，這種相互擴散作用為本征擴散，主要依賴于熱缺陷進行。摩擦塊背板、粘接層及摩擦體3 種介質(zhì)的致密度各不相同，表現(xiàn)為高溫條件下具有不同濃度的熱點缺陷。在高溫高壓作用下，銅原子會從熱缺陷濃度低的介質(zhì)向熱缺陷濃度高的介質(zhì)中擴散，填充點缺陷，使3 種介質(zhì)在視覺上成為一體，達到如圖6 所示的界面狀態(tài)。

圖5 摩擦塊結(jié)構(gòu)圖

圖6 燒結(jié)后摩擦塊粘接面的微觀形貌

使用掃描電鏡分別對制動試驗后的不同厚度摩擦塊粘接界面進行微觀形貌分析，如圖7 所示。厚度為21 mm 和15 mm的摩擦塊經(jīng)過制動試驗后，粘接面及臨近區(qū)域組織結(jié)合良好，如圖7（a）和圖7（b）所示。厚度為9 mm的摩擦塊經(jīng)過制動試驗后，在摩擦體距粘接層約200～300 μm 位置處出現(xiàn)了長約1 mm的細長裂紋，如圖7（c）所示。

摩擦塊在每次制動過程中都經(jīng)歷快速升溫和降溫的過程，背板、粘接層和摩擦體受溫度影響發(fā)生膨脹和收縮。背板鍍銅層和粘接層材料均為純銅，熱膨脹系數(shù)相近。而粘接層與摩擦體的組分差異較大，制動和冷卻過程中的熱膨脹系數(shù)不匹配，在反復(fù)的熱應(yīng)力作用下容易引發(fā)熱疲勞裂紋。摩擦體材料為半金屬復(fù)合材料，其強度明顯低于由純金屬組成的粘接層。因此，熱疲勞裂紋首先出現(xiàn)在粘接層與摩擦體結(jié)合界面靠近摩擦體內(nèi)的一側(cè)。厚度為9 mm的摩擦塊粘接面處在制動時的溫度最高且溫升最快，在熱應(yīng)力作用下最先出現(xiàn)疲勞裂紋。分別對制動試驗后不同厚度的摩擦塊進行粘接面剪切強度測試，測試結(jié)果見表3。

表3 粘接面剪切強度測試數(shù)據(jù)

表3 中數(shù)據(jù)表明，制動試驗后摩擦塊粘接面的剪切強度隨摩擦塊厚度的減小而降低，厚度為9 mm的摩擦塊粘接面剪切強度僅為厚度21 mm的摩擦塊的一半，在車輛運行的過程中更容易發(fā)生脫落。

3 結(jié)論

（1）因材料熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致銅基粉末冶金摩擦材料粘接層失效的主要原因。

（2）閘片摩擦塊的厚度越薄，制動時粘接層位置的溫度越高且溫升越快，在粘接面附近產(chǎn)生熱疲勞裂紋導(dǎo)致摩擦塊粘接層的剪切強度降低。

（3）閘片服役過程中，接近磨耗到限的摩擦塊更容易出現(xiàn)摩擦體脫落現(xiàn)象，應(yīng)著重關(guān)注此類閘片狀態(tài)的跟蹤維護。