韩晓明 王长峰 杨俊英 高 飞

(大连交通大学连续挤压教育部工程研究中心 辽宁大连 116028)

铜基粉末冶金摩擦材料的耐热性和耐磨性好，同时具有高的摩擦因数，成为目前高速列车制动闸片的主要材料。铜基粉末冶金摩擦材料由基体组元、摩擦组元和润滑组元3部分组成，石墨几乎是粉末冶金摩擦材料中必不可少的润滑组元[1]，认识其在摩擦材料中的作用对改善摩擦材料的摩擦性能具有重要的意义。实验研究表明，石墨促进了摩擦过程平稳，但在摩擦速度等条件发生变化时，石墨对摩擦因数和磨损的影响是不同的[2-9]。

列车制动时，摩擦速度是一个逐渐降低的过程，因此需掌握各个阶段的摩擦性能变化及其影响因素。模拟制动过程的惯性摩擦实验也表明，形成含有石墨组元的连续固体润滑膜(第三体)，可以降低摩擦因数和磨损量，但是只研究了平均摩擦因数和平均磨损量，而对瞬时摩擦性能缺少详细分析。

针对上述问题，本文作者采用惯性摩擦试验，制定不同速度区间，测试材料的瞬时摩擦因数、瞬时磨损率，并观察摩擦表面形貌的变化，探究石墨对铜基摩擦材料瞬时摩擦性能的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料：电解铜粉，粒度为300目，纯度w≥99.7%；SiO2，粒度为300～400 μm，纯度w≥95%；石墨，粒度为300～400 μm，纯度w≥95%。

1.2 铜基摩擦材料的制备

铜基摩擦材料各组分的配比(质量分数)如表1所示。将原材料混合后，在400～600 MPa的压力下压制成型；在钟罩烧结炉中加压烧结，烧结压力为1.61 MPa，烧结温度为800～850 ℃，保温1 h，制成尺寸为φ17 mm×15 mm的试样。

表1 材料组成及质量分数

1.3 摩擦试验

摩擦磨损试验在销盘式摩擦试验机上进行，对偶盘材质为H13，摩擦半径为150 mm，摩擦压力为0.51 MPa。试验在6个始末速度不同的制动区间进行，分别为3 000～2 500 r/min，2 500～2 000 r/min，2 000～1 500 r/min，1 500～1 000 r/min，1 000～500 r/min和500～200 r/min。每次摩擦的起始温度为室温，对偶盘清盘。采用精度为万分之一的电子天平称量磨损前后铜基摩擦材料试样的质量，并计算磨损量。

1.4 表面形貌分析

采用OLMPUS光学显微镜和SEM对铜基摩擦材料试样表面形貌进行观察分析。利用激光共聚焦显微镜计算试样摩擦表面粗糙度，每个试样表面采集8个点，重复6次以上取平均值。

2 试验结果及讨论

2.1 摩擦磨损性能

图1所示为不同制动区间下瞬时摩擦因数的变化情况，可以看出，在制动区间3 000～2 500 r/min和2 500～2 000 r/min，铜-石墨-SiO2试样的摩擦因数值高于铜-SiO2试样；随着制动初速度降低，二者的摩擦因数差别不大。从整体趋势上看，铜-石墨-SiO2试样的摩擦因数变化幅度小，表明添加石墨后试样瞬时摩擦因数稳定性明显提高，这与SU、MAHDAVI等[5,10]的研究结论一致，且在低速制动区间稳定性更好。

图1 不同制动区间下的瞬时摩擦因数Fig 1 Instantaneous friction coefficient of different braking range

图2所示为铜-SiO2和铜-石墨-SiO2试样不同制动区间下磨损率的变化情况。可以看出，当制动速度大于2 000 r/min时，铜-石墨-SiO2试样的磨损率小于铜-SiO2试样的磨损率；当制动速度小于2 500 r/min时，铜-石墨-SiO2试样的磨损率大于铜-SiO2试样的磨损率。这表明高速制动条件下，石墨降低磨损率的效果更明显;当制动速度较低时，石墨的存在反而提高了磨损率。

图2 不同制动区间的磨损率Fig 2 The wear rate on different braking range

2.2 摩擦表面形貌

图3所示为铜-石墨-SiO2试样摩擦表面形貌，在3 000～2 500 r/min区间，摩擦表面存在细小犁沟和少量剥落坑；随着制动速度降低，摩擦表面上出现了严重的剥落现象，犁沟被剥落坑打断。

图3 铜-石墨-SiO2试样的摩擦表面形貌Fig 3 Friction surface morphology of Cu-graphite-SiO2samples (a)from 3 000 to 2 500 r/min;(b) from 1 000 to 500 r/min

铜-SiO2试样摩擦表面形貌如图4所示，在3 000～2 500 r/min区间，摩擦表面的第三体光滑连续，覆盖良好，SiO2颗粒呈完全破碎状，破碎后的颗粒再次嵌入第三体中(见图4(b))；随着制动速度降低，摩擦表面上犁沟现象加剧。

瞬时摩擦因数的变化归因于制动力的改变。比较图3(a)和图4(a)，在3 000～2 500 r/min速度区间时，由于在制动的过程中，2种材料中的颗粒受到很大的切应力，明显破碎，石墨形成剥落坑，硬质SiO2破裂。此时，由于摩擦表面温度较高，表层材料延展性较好，可以包裹和覆盖破碎颗粒。铜-SiO2试样表面形成了致密的摩擦膜，起到覆盖的作用，从而使此速度区间下摩擦因数较低，但在破碎的过程中，较强的冲击载荷使摩擦表面的啮合作用不断波动，因此，相应的瞬时摩擦因数稳定性较差(见图1)。对于铜-石墨-SiO2试样，剥落的石墨颗粒一方面作为非金属元素，降低摩擦膜结合性，形成的摩擦层对颗粒的包裹度低，硬质微凸体较多；另一方面，石墨降低基体强度[11-12]，破损严重，从而导致高摩擦因数和高磨损率，同时剥落石墨颗粒参与形成摩擦膜，起到分隔、缓冲和保护作用[13]，冲击波动减弱，瞬时摩擦因数基本不变。

图4 铜-SiO2试样的摩擦表面形貌Fig 4 Friction surface morphology of Cu-SiO2 samples(a) from 3 000 to 2 500 r/min;(b)broken particles; (c)from 1 000 to 500 r/min

在1 000～500 r/min速度区间时，摩擦表面温度低，摩擦表面的硬度增加[10]，失去对颗粒的包裹和覆盖能力。铜-SiO2试样表面剥落的SiO2锐度高，对摩擦表面进行犁削，形成了大量犁沟，摩擦阻力增大，从而摩擦因数保持较高数值(见图1)。铜-石墨-SiO2材料表面有大量的石墨裸露在摩擦表面，缓解了SiO2的犁削，稳定了制动力，使瞬时摩擦因数处于定值。随着制动区间速度降低，稳定制动力的效果越好则归因于剥落的石墨越多，摩擦膜中相应的石墨含量增加[14-16]。

铜-SiO2和铜-石墨-SiO2试样不同制动区间下摩擦表面粗糙度统计结果如图5所示。2种试样随着制动速度的降低，摩擦表面粗糙度升高。比较而言，铜-石墨-SiO2材料粗糙度升高趋势更为明显。在3 000～2 500 r/min区间，二者数值相差不大；随着制动速度降低，铜-石墨-SiO2材料粗糙度数值显著高于铜-SiO2材料。较高的粗糙度源于大量剥落坑，这说明，石墨组元在摩擦过程中，易于发生破碎而剥落，并且这种机制在低速制动时严重。因此，石墨的存在引起低制动速度时较高的磨损率(见图2)。

图5 摩擦表面第三体粗糙度Fig 5 Friction surface third body roughness

3 结论

(1)高速制动条件下，铜-石墨-SiO2试样的摩擦因数值高于铜-SiO2试样；随着制动初速度降低，二者的摩擦因数差别不大。不同制动区间下铜-石墨-SiO2试样的摩擦因数变化幅度小，表明添加石墨后，试样瞬时摩擦因数的稳定性明显提高，且在低速制动区间稳定性更好。

(2)高速制动条件下，铜-石墨-SiO2试样的磨损率小于铜-SiO2试样，而低速制动条件下相反，表明高速制动条件下，石墨降低磨损率的效果更明显，而低速制动条件下石墨的存在反而提高了磨损率。高速制动条件下，铜-SiO2材料中的硬质颗粒(SiO2)受力破碎，嵌入致密表面层，较强的冲击载荷引起摩擦表面的啮合作用不断波动，瞬时摩擦因数低且稳定性差。

(3)3 000～2 500 r/min速度区间时，铜-石墨-SiO2中剥落的石墨颗粒降低摩擦层对颗粒的包裹和基体强度，导致高摩擦因数和高磨损率。同时剥落石墨颗粒缓解冲击波动，瞬时摩擦因数不变。随着制动区间速度降低，剥落的石墨越多，参与摩擦膜中的石墨含量增加，导致铜-石墨-SiO2材料磨损率增加，瞬时摩擦因数稳定性提高。