高速列车粉末冶金制动材料的研究进展论文_孙鑫

高速列车粉末冶金制动材料的研究进展论文_孙鑫

承德天大钒业有限责任公司 河北承德 067000

摘要:目前,我国的综合国力在快速的发展,社会在不断的进步,为适应高速列车更快速、更安全、更舒适、更环保的发展需求,高速列车制动材料应具备合适且稳定的摩擦因数、优良的耐磨性、高的耐热性与抗热疲劳性、足够的机械强度、与制动盘匹配良好、良好的环境适应性及环境友好性等特性。由于在制动方面具有不可替代的优越性,目前300km/h及以上的高速列车均采用粉末冶金制动材料。从材料设计、制备技术、摩擦磨损性能与机理及性能评价等方面,对近年来高速列车粉末冶金制动材料的研究进展进行了综述。首先,阐述了材料中基体组元、润滑组元及摩擦组元的基础研究,以及材料的环保化、组元简易化发展趋势;其次,探讨了制备工艺参数对摩擦磨损性能的影响,简述了制备技术的发展;再次,分析了服役条件对摩擦磨损性能的影响规律,介绍了闸片/制动盘匹配性的研究;最后,归纳了摩擦磨损性能的评价与预测方法,总结了摩擦磨损机理的最新研究进展目前,我国的综合国力在快速的发展,社会在不断的进步,为适应高速列车更快速、更安全、更舒适、更环保的发展需求,高速列车制动材料应具备合适且稳定的摩擦因数、优良的耐磨性、高的耐热性与抗热疲劳性、足够的机械强度、与制动盘匹配良好、良好的环境适应性及环境友好性等特性。由于在制动方面具有不可替代的优越性,目前300km/h及以上的高速列车均采用粉末冶金制动材料。从材料设计、制备技术、摩擦磨损性能与机理及性能评价等方面,对近年来高速列车粉末冶金制动材料的研究进展进行了综述。首先,阐述了材料中基体组元、润滑组元及摩擦组元的基础研究,以及材料的环保化、组元简易化发展趋势;其次,探讨了制备工艺参数对摩擦磨损性能的影响,简述了制备技术的发展;再次,分析了服役条件对摩擦磨损性能的影响规律,介绍了闸片/制动盘匹配性的研究;最后,归纳了摩擦磨损性能的评价与预测方法,总结了摩擦磨损机理的最新研究进展。

关键词:高速列车;制动材料;粉末冶金;研究进展;摩擦磨损

引言

长期以来,我国列车一直在低速状态下运行。从1997年开始,经过全国范围内的几次大提速,目前已达到了160~200km/h。早在90年代初,日、法、德等国就已开通了最高速度达300km/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。

1材料设计及制备技术的研究现状

1.1基体组元

铜基体将摩擦组元和润滑组元保持其中而结为一体,为载荷和制动能量的主要载体,其结构和性能较大程度上决定了铜基制动材料的物理机械性能和摩擦磨损性能。通过研究铜粉特性、合金元素固溶强化及第二相强化等,可改善铜基体性能。采用粒度为106μm的铜粉,制备的铜基制动材料表现出良好的综合性能,摩擦因数稳定、磨损率低。研究表明,以氧化铝弥散强化铜粉为基体的材料展现出良好的摩擦因数稳定性,但磨损量较大;采用铁钴铜预合金化铜粉可避免单质粉末混合时的成分偏析,所制备的材料能形成稳定的氧化膜,磨耗量低而稳定。通常可以通过添加Sn,Ni,Al,Cr,W等合金元素来强化铜基体。Ni的添加不仅可以有效提高材料的硬度及强度,还可增加摩擦因数稳定性,减小磨损。W的添加可以提高材料的热容量、显著改善材料的摩擦磨损性能,添加含量小于3%(质量分数,下同)的W可小幅提高材料的硬度。近年来,又采用新型合金元素强化铜基体。Ti的添加引起铜基体晶格畸变,材料硬度及强度提高,减轻了材料的犁削,有利于提高材料的耐磨性。稀土元素La可细化铜基体晶粒,产生固溶强化及弥散强化,改善材料的微观结构,提高了材料的摩擦学性能和力学性能。Fe来源广泛,常作为关键组元添入铜基体,一方面起强化作用,同时又可调节摩擦因数及摩擦稳定性,大多数高速列车粉末冶金制动材料中添加了Fe。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆证实Fe可显著提高铜基制动材料的硬度、抗弯强度和抗压强度,Fe含量为15%的铜基制动材料具有高摩擦因数、制动稳定性及较低的磨损量。发现小粒度铁粉可显著提高材料的强度和硬度,但材料表现出低而不稳定的摩擦因数;含大粒度铁粉的材料剪切强度和硬度较低,但摩擦因数稳定。

1.2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TGV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。

1.3制备技术

由于制备工艺成熟、简单,又可保证材料具备高的强度,大多数高速列车粉末冶金制动材料的制备采用钟罩炉加压烧结技术,其基本工序为:原料混合→混合料压制成型→压坯与镀铜钢背板加压烧结成一体→烧结产品机加工。目前,该制备技术的研究主要集中于工艺参数和方法的优化。为避免混合料成分偏析,采用粘结化工艺制备铜基制动材料,显著改善粉末混合的均匀性,有利于材料的成分与密度均匀分布。作为加压烧结技术的重要环节之一,粉末压制影响着压坯的密度及其分布,压坯密度的增加有助于提高铜基制动材料的各项性能。在压制过程,影响压坯密度的因素有压制压力、加压速度、模具表面粗糙度等。

2摩擦磨损机理

制动材料的磨损伴随摩擦存在,有摩擦就有磨损,有磨损并不意味磨损失效,从磨损到磨损失效是一个由量变到质变及存在着磨损机制转变的过程。高速列车粉末冶金制动材料的磨损失效分析是研究和解决磨损问题的前提和关键,首先必须揭示造成材料磨损的原因,即研究摩擦磨损机理。探讨了制动速度对铜基制动材料摩擦磨损机理的影响,制动速度较低时,材料表面温度低,表面组织基本没有变化,摩擦作用主要以克服啮合为主,摩擦因数较高;当制动速度提高,表面材料因温度升高而塑性变形及磨料的压入,摩擦接触面积增大,磨损机理以磨粒为主,摩擦因数降低;进一步提高制动速度,摩擦表面温度升高,材料产生氧化,氧化膜破裂而新生表面又产生氧化,材料的硬质相脱离并参与摩擦,磨损机理转为氧化磨损、材料剥落及磨粒磨损。

结语

随着高速列车行驶速度和人们对安全、舒适、环保要求的不断提高,只有强化粉末冶金制动材料基础理论的研究,发展新材料、新工艺、新标准才能适应高速列车发展的需要。为跟上高铁装备的现代化步伐,近年来在高速列车粉末冶金制动材料研究领域已取得了系列进展,加深了材料组元的基础研究,从微观角度研究组元的影响,提出了组元复合化、环保化及简易化的材料设计理念,从设计源头实现工艺可控性和低成本化;结合加压烧结与连续烧结的优势,优化制备技术,不断提升生产效率,降低生产成本;为保证制动系统的可靠性,研究了闸片/制动盘的匹配性,前瞻性地开展了粉末冶金制动材料与其它新型材料的匹配研究;由缩比试验到1∶1制动动力试验,深层次地分析了复杂服役条件对摩擦磨损性能的影响,揭示了摩擦磨损机理;开展了材料寿命预测模型的研究,为规范材料性能的一致性、稳定性及环境适应性等要求,建立了科学的性能评价标准,且标准紧跟高速列车新技术的进步而发展。

参考文献:

[1] 周继承,黄伯云.列车制动摩擦材料研究进展[J].材料科学与工程,1999,17(2):91-93.

[2] 石宗利,杜心康.高速列车制动闸片材料的现状与发展[J].兰州铁道学院学报,1997,16(4):48-52

论文作者:孙鑫

论文发表刊物:《防护工程》2019年9期

论文发表时间:2019/8/12

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