铜基粉末冶金刹车闸片磨损形貌演变研究_申长慧.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.011文献引用:申长慧，米雪，彭金方，等铜基粉末冶金刹车闸片磨损形貌演变研究 J 润滑与密封，2023，48(2):7582Cite as:SHEN Changhui，MI Xue，PENG Jinfang，et alStudy on wear morphology evolution of copperbased powder metallurgy brake pads J Lubrication Engineering，2023，48(2):7582*基金项目:四川省科技计划项目(2019ZDZX0001)收稿日期:20211203;修回日期:20221208作者简介:申长慧(1997)，女，硕士研究生，研究方向为载流摩擦磨损。Email:272216149 。通信作者:彭金方(1984)，男，博士，副研究员，研究方向为载流摩擦磨损。Email:pengjinfang 。铜基粉末冶金刹车闸片磨损形貌演变研究*申长慧1，2米雪3彭金方1，2唐攀1杨文贤2方婧婷2黄银2朱旻昊2(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都 610031;2.西南交通大学材料科学与工程学院四川成都 610031;3.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室四川成都 610213)摘要:采用多功能销盘摩擦磨损试验机，开展铜基粉末冶金/Q235B 摩擦副的摩擦磨损试验，在载流和无载流的工况下，研究接触压力(0.4、0.7、1.0 和 1.3 MPa)对铜基粉末冶金材料闸片磨损表面形貌的影响。结果表明:在无载流工况下，随着接触压力的增大，摩擦因数和磨损率均缓慢上升，试样表面损伤加剧，粗糙度升高，主要的损伤机制为磨粒磨损和剥层;在载流工况下，0.4 MPa 时的摩擦因数和磨损率最大，损伤最严重，粗糙度最高，当接触压力增大到 0.7 MPa 后，表面形貌损伤的变化趋势与无载流工况一致，磨损机制在磨粒磨损和剥层的基础上增加了电弧烧蚀;载流工况下材料表面的粗糙度普遍高于无载流工况下，表面损伤更为严重。关键词:铜基粉末冶金材料;接触压力;载流磨损;磨损机制;电弧烧蚀中图分类号:TH117.1Study on Wear Morphology Evolution of CopperbasedPowder Metallurgy Brake PadsSHEN Changhui1，2MI Xue3PENG Jinfang1，2TANG Pan1YANG Wenxian2FANG Jingting2HUANG Yin2ZHU Minhao2(1.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;2.School of MaterialsScience and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China;3.Science and Technology oneactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu Sichuan 610213，China)Abstract:The friction and wear tests of Copperbased powder metallurgy/Q235B friction pair were carried out byusing a multifunctional pin disk friction and wear testerThe effects of contact pressure(0.4 MPa，0.7 MPa，1.0 MPa and1.3 MPa)on the wear surface morphology of Copperbased powder metallurgy brake pads were studied under current car-rying and no current carrying conditionsThe results show that under nocurrent carrying condition，with the increase ofcontact pressure，the friction coefficient and wear rate increase slowly，the surface damage and roughness of the sample in-crease，and the main damage mechanisms are abrasive wear and delaminationUnder the current carrying condition，the fric-tion coefficient and wear rate are the largest，the damage is the most serious and the roughness is the highest at 0.4 MPaWhen the contact pressure increases to 0.7 MPa，the change trend of surface morphology damage is consistent with that un-der no current carrying conditionIn addition to abrasive wear and delamination，there is also arc ablationThe surfaceroughness under current carrying condition is generally higher than that under no current carrying condition，and the sur-face damage is more seriousKeywords:Copperbased powder metallurgy materials;contact pressure;current carrying wear;wear mechanism;arcablation刹车闸片是磁悬浮列车制动系统中的关键性零部件，其摩擦磨损性能对列车的正常运行起到重要作用。国内某磁悬浮列车服役过程中，由于其车辆和线路接地出现问题，导致列车制动闸片监测到电流通过，闸片表面因而发生了剧烈磨损，这严重降低了闸片的使用寿命，威胁列车整体运行的安全13。因此，对磁浮列车刹车闸片材料进行摩擦磨损性能研究具有非常重要的工程价值。目前，磁悬浮列车制动闸片普遍应用的材料为铜基粉末冶金材料，其具有良好的导热性和稳定的摩擦性能46。针对铜基粉末冶金材料，目前的研究热点主要集中在影响制动性能的相关因素上，包括速度、接触压力以及各种湿度或特定气氛环境等，其中接触压力是主要影响因素710。曾鑫和李峰11、朱旭光等12 认为在制动速度一定时，制动压力的增大使得Cu 基粉末冶金闸片摩擦因数呈现先增大后减小的趋势，而磨损量一直呈上升趋势。王立全等13 通过进行球盘试验发现压力的增加使得钢铜基粉末冶金材料摩擦副的摩擦因数降低，磨损量增大。对于铜基粉末冶金闸片在载流工况下的制动性能研究，刘敬超等14 发现电流的介入会产生电弧损伤，使得磨损加剧甚至出现异常磨损现象，恶化了材料的摩擦磨损性能。YANG 等15 认为碳含量的增加使得铜基复合材料摩擦因数和磨损率降低，并且磨损表面出现机械磨损区和电弧侵蚀区。综上，现有的研究工作发现接触压力对闸片的摩擦因数和磨损率产生影响，载流工况下闸片产生电弧侵蚀，但是针对载流条件下接触压力对铜基粉末冶金闸片的摩擦磨损性能影响的研究并不充分。为此，本文作者以铜基粉末冶金/Q235B 摩擦副为研究对象，在载流(100 A)和无载流 2 种工况下，研究不同接触压力(0.4、0.7、1.0 和 1.3 MPa)对铜基粉末冶金材料闸片摩擦磨损性能的影响。1试验部分1.1试验设备图 1 所示为多功能销盘摩擦磨损试验机的结构示意图。该试验机主要包括传动系统、加载系统、测量及采集系统和控制系统，其加载系统通过电磁阀间接控制气缸的加载与卸载，可实现 0 500 N 的任意压力;通过力补偿弹簧和滑块之间的 S 型压力传感器可实时测量法向压力;通过滑块上方的拉压式膜盒传感器可实时测量摩擦力;通过编写上位机软件可实现对接触压力及摩擦力的实时采集和存储。对于不同电流条件下的试验，利用 SDC10 可编程直流电源对销试样夹具以及电刷装置施加正负极电压，当销盘试样接触时形成电流回路，通过电流源可任意改变加载的电流值。利用该试验机可以模拟列车制动闸片的运行工况，并能实现不同接触压力和载流条件下的摩擦磨损试验。图 1多功能销盘摩擦磨损试验机结构示意Fig.1Structure of multifunctional pin disk friction and wear tester67润滑与密封第 48 卷1.2试验材料及制备销试样选择国内某磁悬浮列车铜基粉末冶金材料(型号:YFC255B)闸片，其尺寸为 13 mm9 mm10mm，其力学性能见表 1。摩擦盘试样为 400 mm 的Q235B 钢轨材料，其力学性能见表 2。表 1铜基粉末冶金材料的力学性能Table 1Mechanical properties of Copperbased powder metallurgy materials参数密度/(gcm3)硬度横向断裂强度b/MPa摩擦体剪切强度bc1/MPa黏结面剪切强度bc2/MPa数值553332HBW677187253表 2Q235B 材料的力学性能Table 2Mechanical properties of Q235B material参数硬度屈服强度s/MPa抗拉强度b/MPa数值142HBW310445为保证销盘试样面接触的实际接触率大于90%，采用砂纸对销试样的接触面进行打磨，并对盘试样接触表面进行车削、打磨。试验开始前对销试样进行超声波清洗，去除其表面污渍与灰尘杂质，然后称量试样并记录其质量。1.3试验方法根据实地研究考察发现，国内某磁悬浮列车常在7、17、27、和 37 km/h 下开始机械制动，并且常用制动 AW0 载荷下制动载荷为 0.5 MPa，紧急制动AW3 载荷下制动载荷为 1.3 MPa，监测到通过闸片的最大电流约为 500 A。结合试验样品的结构尺寸以及设备的性能，设定滑动速度 v 为 30 km/h，接触压力p 为 0.4、0.7、1.0 和 1.3 MPa，销试样固定，销盘接触点距离旋转中心的距离为 390 mm。由以上参数可计算出试验机的主轴转速 n 和接触载荷 Fn。电流强度为 0 和 100 A，单次滑动时间为 3 min，每个工况累计时间为 1 h，可由此计算出摩擦行程 S。具体试验参数如表 3 所示。试验结束后通过体式显微镜 SM(OLYMPUSDSX100)和扫描电子显微镜 SEM(JSM6610)对材料表面磨损形貌进行宏观和微观分析，通过白光干涉仪(Contour GT)对磨损表面进行二维及三维形貌表征，获得其二维轮廓、三维形貌及表面粗糙度，最后利用电子天平再次称量试样质量。表 3试验参数Table 3Test parameters序号p/MPaI/Av/(kmh1)n/(rmin1)Fn/NS/km试验环境1040207031004