粉末冶金摩擦材料在高速列车制动中的应用.pdf

第1 7 卷第4 期2 0 0 7 年8 月粉束冶童I 业P o W D E RM E T A L L U R G YI N D U S T R YV 0 1 1 7N o 4A u g 2 0 0 7粉末冶金摩擦材料在高速列车制动中的应用王广达方玉诚。罗锡裕(钢铁研究总院，北京1 0 0 0 8 1)摘要：本文介绍了高速列车摩擦制动和粉末冶金闸瓦及闸片材料的成份、性能和国内外研究概况，并对我国高速列车制动材料的发展提出了建议。关键词：列车制动；粉末冶金；闸瓦；闸片中图分类号：T F l 2 5 9文献标识码：A文童编号：1 0 0 6 6 5 4 3(2 0 0 7)0 4 0 0 3 8 0 5A P P U C A n O NO FP MF R I C n O NM A T E R I A L SI NB R A K I N GO FH I G HS P E E DT R A I NW 州GG u 帅g _ 凼。E 邺Y 止d 瑚L U oX 班(c e n t m ll r o n&S c e e lR e s 曲r c hI r B t h u t e，B e i j i n g，1 0 0 0 8 1 C h i 士l aA l 聒t r a 吐：H i g hs p e e dt 商n 矗c t i 帆b r a k i n gi si n t m d u c e dT h ec D r n p o s i d sa n dt h ep r o p e r t i 髓o fP Mb r a k es h o ea n db r a k ep a da r es u m m 撕z e d 诵t hr e 3 u l t so f，d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s 朗r c ha n dd e-v e l o p r n e n tp r o j 毗1 no r d e rt ok e 印u pw i t hm ed e v e l o p r r 坨n to fh j g hs p e e dt r a i n，s u g g e s t i a n sf o rd e v d o p m t0 fb r a k i n gm a t 商a l sf o rl l i g hs P e e dt r a i ni nC h i t l aa r e 百v e nK e yw o r d s t r a i nb r a k i l g；p o w d e rt n e t a l l u r g y b r a k es h o e b r a k。p a d长期以来，我国列车一直在低速状态下运行。从1 9 9 7 年开始，经过全国范围内的几次大提速，目前已达到了1 6 0 2 0 0k m h。早在9 0 年代初，日、法、德等国就已开通了最高速度达3 0 0k m h 的高速列车，相比而言，我国现在的列车时速只能算是。中速”，离高速还有一段距离。为此，国家在“十一五”计划纲要中指出，要逐步实现客运专线高速化，列车时速要提高到2 0 0 2 5 0 公里，最高时速应大于3 0 0 公里。随着列车的不断高速化，对其制动性能也提出了越来越严格的要求。这样，一方面列车速度的提高，对列车制动装置及其制动系统提出了更高要求；同时，对制动材料的制各技术和性能也提出了更加严格的要求“。1列车摩擦制动列车的制动方式有很多种，如摩擦制动、动力制动、电磁轨道制动以及轨道涡流制动等。摩擦制动分为踏面制动和盘形制动两种。前者制动元件是车轮和闸瓦，后者则为制动盘与闸片。踏面制动作为一种古老的制动方式，目前在普通列车上仍为广泛使用。从国外高速列车制动系统的实际情况来看，踏面制动很少被采用，并且有逐渐被淘汰的趋势。不管是日本的动力分散式高速动车组、德国的I C E 动力集中式高速列车，还是意大利的E T R 高速列车，都没有采用踏面制动方式。传统的踏面制动由于对车轮踏面存在热损害隐患，经国际铁路联盟(U C)研究只能适用于速度低于1 6 0k r n h 的场合，因此一般作为盘形制动的补充形式而应用。起着改善踏面粘着的作用。盘形制动有着动能转移能力大、制动效率高、可实现摩擦副元件的可设计性和充分利用轮轨粘着等优点o 。现在，大功率盘形制动器已成为高速列车必备的制动装置。盘形制动有轴装式和轮装式两种，每收穑日期j 2 0 0 6 1 0 一2 6作者简介：王广迭(1 9 7 9 一)t 男(投)河北省新河县人顿士研究生，主要从事粉末冶金摩擦材料的研究与开发工作 万方数据万方数据第4 期王广选等：粉末冶金摩擦材料在高速列车制动中的应用3 9 轴上可装有2 4 个制动盘，结构如图1 所示。圈1制动盘安装2 摩擦制动材料长期以来，踏面制动一直是列车摩擦制动的主要方式，因而相应的闸瓦材料得到了各国铁路部门的重视，并进行了详细而充分的研究。闸瓦材料由最先的铸铁材料，逐步发展到合成材料和粉末冶金材料。闸瓦制动方式是把车轮作为一个摩擦部件来使用，由于轮轨间粘着系数会随着列车速度的提高而降低，因此在高速列车的料动中很少使用。表1 为各种常用制动材料的特性比较。表1 制动材料的特性比较注：各项性能，以铸铁作蓥比制动盘和闸片是盘形制动系统的摩擦副元件，其制动性能主要取决于闸片和制动盘的材质和性能。制动闸片有合成闸片、粉末冶金闸片和目前正在研发的碳纤维复合材料闸片，以及陶瓷复合材料闸片等 3 。由于高速列车制动时，制动盘及闸片的温度很高(5 0 0 以上，瞬时可达1o o o)，合成闸片难以承受。碳纤维复合材料闸片和陶瓷复合材料闸片具有重量轻、热膨胀系数小和良好的耐高温性能等优良的技术潜力，但其高昂的生产成本和性能的不稳定使其目前难以应用在高速列车上D 3 。而粉末冶金闸片由于其稳定的摩擦系数、良好的耐磨性和耐热性，已被广泛应用在各国高速列车上。3粉末冶金摩擦材料采用粉束冶金技术生产闸瓦或闸片材料，不但在性能上具有明显的优点，产品的多样化上也非常具有灵活性。采用粉末冶金技术可以在大范围内改变材料的组分，可以避免传统制造工艺中的疏松、缩孔、材料组织的枝晶偏析及晶粒长大等缺陷，因而可提高零件的力学性能及摩擦磨损性能。3 1 粉末冶金闸瓦和闸片粉末冶金闸瓦和闸片的生产工艺相似，均是先把混合好的金属和非金属粉末压制成形，然后在分解氨气氛中进行加压烧结。粉末冶金闸瓦既具有铸铁闸瓦的摩擦系数不受天气气候影响的优点，又具有有机合成闸瓦的摩擦系数不随列车速度变化的优点，并且耐磨性和导热性都好。瑞典、加拿大等国的高速列车，大功率机车和法国T G V 高速列车等均曾使用这种闸瓦，且都取得了一定的制动效果。但粉末冶金闸瓦对车轮的磨损较为严重，成本比铸铁及有机合成闸瓦高，因此使其难以大量使用“J。粉末冶金闸片分有铁基和铜基两种。铁基粉末冶金闸片在高温高负荷下有着优良的摩擦性能，机械强度高，可在4 0 0 1o o o 范围内使用，但在低速时磨损量相当大。铁基的热稳定性比铜基的高，缺点是与对偶(如铸铁或钢)具有亲和性，容易产生粘着胶合，摩擦系数波动较大，容易出现异常磨损，产生噪声等。铜基粉末冶金闸片的摩擦系数在低速时高，高速时低，磨损量在高速时不增加。故虽然铜基闸片成本较高，但由于其制动性能稳定，对制动盘的热影响小，且磨合性好，因而受到广泛应用 5 。日本的新干线、法国的T G V 和德国的I C E 高速列车均采用了铜基粉末冶金闸片日本研制的一种铁基粉末冶金闸片 万方数据万方数据4 0 粉束冶金工业第1 7 卷配方为：铁4 5 6 0，铜7 8，石墨1 0 1 5、以及铜和陶瓷成分等。最近日本某公司新开发的一种闸片材料其成分为：C u F e+N i+C r Z r Q+M 9 0 一M o S n，可以适用于最高速度为3 2 0k m h 的列车制动“，产品如图2 所示。圈2 日本公司研制的闸片3 2 国内研究状况国内有多家大学院校参与研究了粉末冶金闸片，文献”1 3 研制了以F e 为基体的烧结阉片材料，其摩擦系数为O 3 l，磨损率o 0 0 2 2m m 面次。文献“”3 等研制了一种在3 0 0k n l h 制动时闸片的摩擦系数为o 3 2，磨损率较小的铜基烧结闸片。文献o”则研制出了一种铜基粉末冶金闸片材料，成分配比为：铜6 5 6 8、铁5 8 锡4 7、石墨加铅8 n 和步量石英等，其材料的配方和工艺已申请了国家专利。另外，大连交通大学以铜做基体研制出一种粉末冶金闸片，该闸片可使列车在紧急制动时，速度从每小时3 0 0 公里到零，只需要8 0 多秒，且闸片的磨损量小于国际先进闸片的磨损量，而成本也比国外同类产品低。除大学院校参与研究外，国内的摩擦材料生产厂家也积极进行研发。图3 为华夏友联公司研制的粉末冶金闸片产品，该闸片热容量高，可适用于2 7 0k n h 的列车制动，并曾在秦皇岛一沈阳客运专线上进行过制动实验。4 粉末冶金材料成分选择一般的粉末冶金摩擦材料是由金属基体，摩擦组元和澜滑组元等组成的多元复合材料。其中金属基体的主要作用是以机械结合方式将陶瓷成分和润滑剂保持在其中。形成有一定强度的整体。基体具有金属性，其组织结构、物理化学性能在很大程度上决定围3 国内公司研制的粉末冶金帛片了金属陶瓷的摩擦磨损性能及热稳定性，力学性能及导热性能 1“。4 1 基体成分在铁基基体中一般添加一定量的合金元素C u、w、N I，P、c r、M o 和s i 等来提高基体的性能。添加的合金元素会同基体中的F e 形成合金珠光体，并形成碳化物相或金属间化合物相，从而提高了基体的高温强度和抗氧化能力，并可大大降低材料的磨损量 1 5 1“。铜基粉末冶金刹车材料基体中加入合金元素有z n、N i、A l、T i、M o 和S n 等。4，2 摩擦组元摩擦材料中常用的摩擦组元有S i Q、A k Q、S i c、B 4 C 等，加人摩擦组元的主要目的就是要提高基体材料的摩擦系数，增强基体的强度。一般认为。在c u 基摩擦材料中加人s n 作摩擦剂较为合适。s n 对提高摩擦系数，降低磨损有一定作用，但也有研究表明，S i Q 由于被还原和溶解于铁而引起碳化铁含量减少从而降低摩擦性能o“。s l c 硬度很高，熔点高，高温下不与基体发生化学反应。研究表明，随着S i c 含量的增加，摩擦系数增加，适当的含量可以降低磨损量，过量的S i c 会破坏基体的强度，易发生剥落从而加剧材料的磨损。A k q 可稳定摩擦系数，烧结时无晶形转变，能提高材料的热稳定性“。B c 在铁基摩擦材料加压烧结过程中，能与F e作用，生成一种新相F e 2 B。在摩擦磨损过程中，并不是岛C 直接起到摩擦组元的作用，而是通过加压烧结过程中F e 与马c 反应生成的F 龟B 起到摩擦组元的作用。在一般负荷工作条件下，F e 2 B 主要起摩擦组 万方数据万方数据第4 期壬广达等：粉末冶盒摩攘材瓣在高建捌车棚动中的应用4 1 元的作用，在重负荷工作条件下，当工作温度超过11 0 0 以上时，F I F 吃B 共晶体还可起到润滑组元的作用“”43 润滑组元为了提高材料的抗擦伤性和耐磨性，需要在材料成分中加入润滑组元，通常加人的润滑组分有：低熔点金属(P b、S b、B i)，非金属固体润滑剂(石墨、M o 岛)，六方B N 和B a s q 等等。石墨是粉末冶金材料中起固体润滑作用的主要组元之一，对材料的耐磨性及刹车平稳性起着很重要的作用。石墨在材料中以化合态和游离态两种形式存在，部分和F e 形成碳化物或金属阅化合物，部分和其它台金元素形成化合物；片状游离石墨具有层状六方晶体结构，层间原子间结合键能低，易滑移，而层内原子问结合力强，滑移时平面层不会剥落，由于石墨能在金属表面形成牢固的转移膜，因此具有优良的润滑性”。石墨与c u、F e、S n 间不互溶，它基本均匀分布于金属基体之间。烧结过程中石墨对金属原子间的扩散起阻碍作用，阻碍烧结颈的形成，增大材料的孔隙度。孔隙常出现在石墨与金属的界面处，且呈狭长的扁孔，易引起应力集中。作为润滑组元的易熔金属如P b、B i 等一般以游离态存在于材料中。在干摩擦条件下，当摩擦表面温度超过易熔金属的熔点时，易熔金属将发生熔化，在于摩擦表面生成润滑膜。润滑膜降低了摩擦系数，同时也降低了表面温度。而随着摩擦表面温度的降低，熔融的金属凝固，摩擦系数恢复到原来水平。表面液体润滑膜的形成促使滑动平稳，这一点可用于减轻高温下金属基体的粘结和卡滞倾向 1”。M o s=作为固体润滑剂广泛应用于粉末冶金摩擦材料中。同石墨类似，其结构为六方晶系层状结构，层与层之间相对位移时所需切向应力不大，易于滑动 1“。在H 2 气氛保护下烧结的粉末冶金铁基摩擦材料中，作为润滑组元加入的M o S，在烧结过程中发生了分解反应。M D S 分解后的s，一部分与保护气氛H：发生反应生成H。S 气体排出，一部分s 与F e生成了瞄硫化物，对材料起润滑作用。分解后的M o，一部分溶人基体F e 形成n 固溶体，一部分溶人渗碳体中形成(F e，M。)。c 等合金渗碳体。分解后的M o、s 活性很大，通过与基体中其他组元的相互作用，或产生液相，加速扩散、位移等过程的进行，降低烧结活化能，促进烧结致密化过程，提高烧结产品的综台性能”“。六方B N 作为润滑组元在烧结过程中可以很好地与基体相结合，并且在摩擦过程中拖敷形成润滑层，降低了刻划、耕犁作用的程度。六方B N 比二硫化钼和石墨具有更好的热稳定性，因而在高温工况下具有更优良的润滑性能”。5 结语针对我国的铁路现状和发展高速列车的追切性，以及我国的国情，现阶段除了引进国外整车车辆之外，应对以粉末冶金摩擦材料为主的闸片制动材料进行系统的研究，研制出可媲美或取代进口闸片的产品，并尽快实现产业化。同时，可进行c c 复合材料和陶瓷摩擦材料的深入研究，为我国铁路的进一步提速和向高速化发展，做好充足的技术准备。参考文献 1 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月2 日至4 日在上海市召开。这是继P MA 5 i a2 0 0 5 后召开的又一次同类型的会议。这两次会议为中国和国际粉末冶金界之问提供了信息交流、合作、交易的机会，受到业内的普遍欢迎。参加这次会议的有来自欧、美、俄等以及日本、印度、韩国等亚洲国家的专家、企业家1 s o 余名代表。中国参会的正式代表4 8 名，还有许多我国的粉末冶金工作者参观了展览，并进行了交流。会议的第一天上午由我国6 位专家介绍了中国粉末冶金科研及产业概况。报告指出，自改革开放以来，我国粉末冶金快速发展，但技术水平、生产管理等方面与世界先进水平之间尚存在较大差距，希望与世界同行加强合作。会上共发表了口头报告4 3 篇、海报6 篇，内容涉及粉末制备和生产技术，高强度粉末冶金零件、高性能粉末冶金材料、硬质材料等。还专门组织了半天的金属注射成形研讨会报告。大会提供了效果颇佳的同声传译。这些报告密切结合工业生产技术。介绍了各种新工艺、新材料的现状及发展趋势。这对我国粉末冶金的发展颇有裨益。举行学术报告会的同时，在会场侧厅还举办了展览会，共有4 8 个展位，包括一些世界知名的粉末冶金厂商和我国南京东部精密机械有限公司、钢铁研究总院等静压工程中心、湖南顶立科技有限公司等3 个展位。展览对外开放，不限于参会代表，参观者众多。参展单位展出的精美实物、图片、样本和热情讲鳃，得到大家好评。(春雨)奥地利M b a 公司在苏州投资建厂中图分类号：T F l 2 文献标识码；D位于奥地利L a a k i r c h e T l 的粉末冶金制品生产企业M i b a 公司上个月在中国苏州工业园建立了M|b a 精密器件有限公司。M i b a 精密器件有限公司将面向亚洲市场生产轴承和粉末冶金零件制品，其产品将销往中国的汽车制造企业、日I 擎生产企业，以及欧美汽车制造和零部件生产企业。为了建设这个新工厂，奥地利M i b a 公司已经投资了lo o o 万欧元，新工厂最初的雇员数约为4 0 人。M i b a 公司有关人员表示那里的雇员人数将会有显著的增长。苏州工业园距离上海约5 0 公里。M i b a 公司的首席执行官P e t e r M i t t 目b a u e r 说：。珏b a 公司进入中国市场已经有2 0 年了，建立新厂可以加强我们与客户的联系，更好地满足市场需求，同时也可以增强我们在奥地利本国企业的实力”。信息摘译自金属粉末报告网站h t t p：w w w m e t a l p o w d e Ln e t n e W s 2 0 0 7 1 3 0 4 0 7 一m i hh t“2 0 0 7 4 2 0(路讯)万方数据万方数据