B_4C改性Cu基刹车片配...-SiC的摩擦学行为及机理_罗勇.pdf

第 28 卷第 3 期 粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 Vol.28 No.3 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Jun.2023 DOI:10.19976/ki.43-1448/TF.2023026 B4C 改性 Cu 基刹车片配对 C/C-SiC 的 摩擦学行为及机理 罗勇，李专，吴佳琦 (中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083)摘 要：Cu 基刹车片在高速循环制动过程中存在基体软化和摩擦膜破裂的问题。采用粉末冶金法制备碳化硼(B4C)质量分数为 06%的 Cu 基刹车片，并选取 C/C-SiC 制动盘作为对偶件，研究制动过程中形成的 B2O3摩擦膜对摩擦磨损性能的影响，并分析磨损机制。结果表明，通过 B4C 改性可降低 Cu 基摩擦材料的密度，w(B4C)为 4%和 6%时，材料密度显著降低，强度大幅提高，并分别获得最优的抗热衰退性能和最低磨损率。制动过程中 B4C 氧化形成的 B2O3具有类似于 MoS2和石墨的层状晶体结构，在滑动界面处容易剪切，从而提高平均摩擦稳定系数并降低磨损率。在 B4C 表面形成的 B2O3与 Cu 基体结合良好。当 B4C 质量分数超过4%时，Cu 基刹车片的磨损机制从分层磨损为主转变为氧化磨损为主。关键词：B4C；B2O3；Cu 基刹车片；C/C-SiC；磨损机制 中图分类号：TB333 文献标志码：A 文章编号：1673-0224(2023)03-262-14 Tribological performance and mechanism of B4C modified Cu-based brake pads mated with C/C-SiC LUO Yong,LI Zhuan,WU Jiaqi (State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:Copper based brake pads have the problems of matrix softening and friction film breaking during high-speed cycle braking.Cu-based brake pads with boron carbide(B4C)mass fraction of 06%were prepared using powder metallurgy(PM)method,and C/C-SiC brake discs were selected as dual components to study the effect of B2O3 friction film formed during the braking process on friction and wear performance,and to analyze the wear mechanism.The results show that the density of copper based friction materials can be reduced by modifying with B4C.When the mass fraction of B4C is 4%and 6%,the material density significantly decrease and the strength increase,and the most excellent thermal degradation resistance and the lowest wear rate are obtained,respectively.During the braking process,B2O3 formed by B4C oxidation has a layered crystal structure similar to MoS2 and graphite,which is easy to shear at the sliding interface,thereby improving the mean friction stability coefficient and reducing wear rate.B2O3 formed on the surface of B4C combines well with the Cu matrix.When the mass fraction of B4C exceeds 4%,the wear mechanism of Cu-based brake pads shifts from delamination wear to oxidation wear.Keywords:B4C;B2O3;Cu-based brake pads;C/C-SiC;wear mechanism 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2021YFB3703803)收稿日期：20230324；修订日期：20230426 通信作者：李专，教授，博士。电话：0731-88879422；E-mail: 第 28 卷第 3 期 罗勇，等：B4C 改性 Cu 基刹车片配对 C/C-SiC 的摩擦学行为及机理 263随着高速列车对更高速度和更轻量化的需求日益增长，更安全、重量更轻的摩擦副已成为高速列车应用领域的研究热点。与 Cu 基刹车片配对锻钢制动盘组成的摩擦副相比，Cu 基刹车片配对C/C-SiC 制动盘组成的摩擦副具有耐高温、质量轻和摩擦稳定性高的优点12，ZHAO 等3在 80380 km/h 速度的制动实验结果表明 Cu 基刹车片配对C/C-SiC 制动盘的磨损率更低，总体摩擦因数更高。CHEN 等4进一步研究表明，当制动能量密度为 120 J/mm2时，Cu 基刹车片配对 C/C-SiC 制动盘的磨损率和制动时间分别比 Cu 基刹车片配对锻钢制动盘减少 31.0%和 29.5%。因此，Cu 基刹车片配对C/C-SiC 制动盘在高速列车制动系统中具有广阔的应用前景。然而，Cu 基刹车片的硬度(0.6 GPa)远低于 C/C-SiC 复合材料的硬度(5.6 GPa)，导致制动过程中的磨损主要由 Cu 基刹车片承担3。此外，在高速制动过程中 Cu 基刹车片存在基体软化、热衰退和异常磨损等问题56。为解决这些问题，研究人员添加 Cr、Sn、Fe、Ni、Zr、Si、Ag、Zn、W等合金元素，通过固溶强化或沉淀强化来提高 Cu基体的强度710。但目前很少有人采用高熔点和高硬度陶瓷颗粒改善 Cu 基体的强度和耐磨性能。B4C 具有很多优异的性能，如低密度(2.5 g/cm3)、高熔点(2 350)、高弹性模量(400 GPa)、高硬度(莫氏硬度为 9.3)、优异的耐腐蚀性能和耐高温氧化性能11，并且 B4C 在 600 以上氧化生成B2O3膜，可阻止 B4C 进一步氧化12，已广泛应用于耐磨工具材料领域。在高温滑动摩擦条件下，B4C表面上形成的 B2O3薄膜可以提供较低的摩擦因 数1314。此外，B4C 能和金属氧化物反应生成高显微硬度的金属硼化物来提高摩擦膜的耐磨性 能1517，同时 B4C 的密度(2.5 g/cm3)低于 Al2O3(密度为3.63.9 g/cm3)和 SiC(密度为 3.123.28 g/cm3)等陶瓷材料。因此，B4C 的引入能提高 Cu 基刹车片的硬度和高温承载能力，降低刹车副的重量，满足摩擦副轻量化的要求，并显著降低 Cu 基刹车片的磨损率。本文作者采用粉末冶金方法制备 B4C 质量分数为 06%的 Cu 基刹车片，并选取 C/C-SiC作为对偶件，研究 B4C 含量对 Cu 基刹车片物理性能和摩擦磨损性能的影响。为陶瓷材料作为摩擦组元改性 Cu 基刹车片在高能制动领域的应用提供理 论依据。1 实验 1.1 Cu 基刹车片和 C/C-SiC 复合材料的制备 制备 Cu 基刹车片的原材料包括 Cu 粉(粒径为3075 m)，Fe 粉(粒径为 3075 m)、石墨(粒径为 3075 m)、h-BN 粉(粒径为 12 m)、Sn 粉(粒径为 3075 m)、Ni 粉(粒径为 3075 m)、W 粉(粒径 3075 m)和 B4C 粉(粒径 3050 m)等粉末。表 1 所列为 Cu 基刹车片的编号和原料配比，制备过程如下：首先按照表 1 称量原料粉末，用滚筒混合器混合 9 h，然后在常温下将混合料装入模具中，压制成环状和块状两种生坯，压制压力为 600 MPa，保压时间为 15 s。将环状压坯放置在打磨光滑的钢背上(块状压坯无需放置在钢背上)，使用钟罩式加压烧结炉进行加压烧结，得到环状 Cu 基摩擦材料刹车片(外径为 75 mm，内径为 53 mm，厚度为 20 mm)和块状 Cu 基摩擦材料(尺寸为 70 mm 30 mm20 mm)。烧结气氛为 N2和 H2，烧结温度为930、烧结压力和烧结时间分别为 5 MPa 和 7 h。采用化学气相沉积与液态硅渗透相结合的方法制备 C/C-SiC 复合材料。制备流程如下：1)预制件的编织。采用三维针刺法制备编织物预制件，将短碳纤维网胎、0无纺布、短碳纤维网胎、90无纺布依次叠加后反复针刺形成预制体。2)C/C 复合材料制备。采用化学气相渗透法(CVI)在碳纤维预制件中沉积热解炭(pyrolytic carbon,PyC)，获得多孔 C/C 复合材料。沉积气氛为氩气(Ar)，沉积温度为(9805)，沉积时间为 200500 h，系统总压力约为 0.1 MPa，同时通入丙烯(作为碳源)和氢气(作为载体和稀释气体)。3)液 态 硅 的 浸 渗(liquid silicon infiltration,LSI)。将多孔C/C复合材料和Si粉放置在石墨盒中，在真空炉中于 1 600 保温 1.5 h，使 Si 粉熔化并渗入到多孔 C/C 复合材料中。液态 Si 的渗入不仅可进一步提高多孔 C/C 复合材料的致密度，而且 Si与少量的 C 反应生成 SiC 陶瓷基体，从而得到C/C-SiC 复合材料。测得 C/C-SiC 复合材料的密度、开孔率和硬度(HRC)的近似值分别为 2.076 g/cm3、5%和 122.1。粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 264表 1 Cu 基刹车片的原料配比 Table 1 Chemical composition of the Cu-base brake pads(mass fraction,%)Brake pad No.Cu B4C W SnNi Fe Graphite h-BNBC0 58 0 3 45 18 8 4 BC2 56 2 3 45 18 8 4 BC4 54 4 3 45 18 8 4 BC6 52 6 3 45 18 8 4 1.2 摩擦磨损实验 选取 Cu 基摩擦环作为静环，C/C-SiC 作为动环，环的外径、内径和厚度分别为 75、53 和 20 mm，实际摩擦接触面积(S)为 2 210 mm2。采用 MM-3000摩擦磨损实验机，环环接触模式进行循环制动实验，测试 B4C 改性 Cu 基刹车片的摩擦学性能。制动实验条件如下：室温，初始制动速度分别为3 000、4 500 和 6 000 r/min，分别对应于 12、18 和 24 m/s，对应实际制动能量密度分别为 800，1 800 和 3 200 J/cm2。制动压力和惯量分别为 0.6 MPa 和 0.35 kgm2。为了确保动环与静环的良好接触，在制动测试之前以相应的速度运行 15 次。每次制动实验重复 10 个循环。用摩擦实验机记录制动扭矩和瞬时摩擦因数，并同时计算出单次制动过程的平均摩擦因数和摩擦稳定系数(摩擦因数最小值与最大值之