张兴旺，王明智，陈澍军

（1 中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心，河北唐山 063035；2 燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛 066004）

随着我国高速铁路的不断发展，列车的提速对制动材料提出了更高的要求。目前，高速列车基础制动装置通常采用盘形制动，利用制动闸片与制动盘摩擦产生的制动力实现减速或停车。在制动过程中，制动闸片不仅要承受高温、高压、冲击载荷和交变应力等综合作用，同样需要有足够的机械性能和稳定的摩擦系数；并且随着列车速度的提升，制动负荷也越来越大，制动时产生的热能及热冲击也大大增加［1］。这对制动闸片摩擦材料带来严峻的考验：传统材料逐渐无法满足当前轨道交通发展带来的需求，轨道交通新材料的应用已经成为发展趋势。开展新材料的研究，突破复兴号动车组的核心技术和关键部件、加快关键部件的创新深化研究成为当务之急。

图1 高速列车制动闸片外形

1 传统粉末冶金制动闸片

1.1 材料组成

高速列车制动闸片为铜基粉末冶金摩擦材料。粉末冶金摩擦材料由基体组元、润滑组元和摩擦组元3 部分组成［2］。

基体组元对于材料的力学性能和摩擦性能至关重要；粉末冶金摩擦材料中，基体组元保证了材料的承载能力、热稳定性及耐磨性，其作用机理是以机械结合方式将摩擦颗粒和润滑剂保持于其中，形成具有一定力学性能的整体。另外，基体作为承受载荷和传导热量主体，还为摩擦热的逸散提供了主要通道。由于单一的铜基体力学强度不高，摩擦性能不稳定，因此在实际运用中通常使用合金基体，在基体组元中添加强化元素，如Ni、Fe、Sn、Ti 等形成金属固溶强化，能够增强基体，稳定摩擦因数，改善热传导性能［3］。

润滑组元主要用来起固体润滑的作用，它可以提高粉末冶金材料的工作稳定性、减小材料的磨损。虽然它们使摩擦力减弱，但是可降低摩擦表面的摩擦热，以避免产生高温。通常选用具有层状结构的物质作为固体润滑剂，首选的有石墨、MoS2，其次还有六方氮化硼。摩擦材料中的润滑组元一般占摩擦材料质量的5%～25%，含量越多，材料的耐磨性能越好，摩擦系数也越小，但过量的润滑组元则会使得材料的摩擦系数和机械强度降低［4］。

摩擦组元的主要作用是补偿固体润滑剂的影响及在不损害摩擦表面的前提下增加滑动阻力，提高摩擦系数。摩擦组元能切削转移到对偶面上的堆积物和氧化物，保持对偶表面的清洁，稳定摩擦系数。摩擦组元应具有硬度高、热稳定性好以及对摩擦表面的擦伤小等特点，常用的摩擦组元有高熔点金属（如Cr 及Mo）粉末、金属氧化物（如Al2O3、TiO2及ZrO2）、氮化物（TiN）、碳化物（TiC）、SiO2以 及SiC 等。

1.2 存在的问题

随着列车速度的提升，进行有效制动时带来的制动热量很高。这部分热量作用到制动闸片上，闸片表面瞬态温度有时可达1 000 ℃。传统的铜基粉末冶金摩擦材料，以石墨作为润滑组元，在高速时能够起到稳定摩擦系数的作用；但是石墨的高温抗氧化能力较差，在450 ℃左右开始氧化，并且随着温度的升高氧化加剧。

另外，制动热负荷及能量负荷对基体的高温强度提出更高的要求。由于粉末冶金摩擦材料中通常含有大量的非金属颗粒，这些非金属颗粒与金属基体的相互作用较小，结合强度不高，润湿性较差，使得基体金属之间的连接不完整，基体强度无法得到有效保证。在超高热负荷的冲击下，摩擦材料金属基体和硬质的陶瓷颗粒结合力降低，在摩擦过程中颗粒就会从材料表面脱落，脱落下来的颗粒夹在摩擦面上产生磨粒磨损，造成摩擦材料磨损加剧。

无论是润滑组元石墨的氧化还是金属基体强度的降低，都会削弱粉末冶金闸片的摩擦性能，增加闸片的磨耗，影响列车行驶安全。

2 新材料的研究

2.1 Ti3SiC2 新材料

分析我国以往的粉末冶金闸片研究，我们可以发现，对于传统的铜基摩擦材料来说，基体组元含量控制着摩擦材料的机械性能，基体金属含量高，有利于增加材料的韧性，但是由于高速列车紧急制动造成的摩擦表面温度常常高于600 ℃，使得基体金属发生高温软化，容易在摩擦表面形成黏着，造成磨损加剧、摩擦系数波动程度大；通过高硬度的粒子在摩擦表面阻磨作用，可以产生高的摩擦系数，但是对于高阻摩材料，摩擦组元含量的提高会使材料孔洞、微裂纹、非焊合颗粒界面等缺陷增加，降低了材料的韧性；对于润滑组元来说，高的含量能够使得高速列车制动闸片的摩擦系数稳定在一个很大的速度范围内，但是G、MoS2等润滑剂一方面自身强度很低，另一方面不利于材料间的焊合，降低了材料的力学性能。因此，如何调整基体金属的比例，改善基体金属合金化，使基体具有抗高温软化能力；如何调整摩擦剂和润滑剂的比例，以获得高而稳定并且较低磨损率的摩擦材料，成为当今高速列车制动闸片的研究重点。

三元层状化合物Ti3SiC2是新型可加工陶瓷材料MAX 相的典型代表，具有与石墨类似的层状结构和自润滑性，其导热性能优异；更重要的是，它具有很好的抗热震性和优于片状石墨的高温抗氧化能力［5］。Ti3SiC2材料的断口形貌如图2 所示，从图2 中可以看出明显的片层状Ti3SiC2晶粒。图2（a）中能够看到结晶良好的Ti3SiC2晶体，晶体为板状结构。基于Ti3SiC2化合物的优异性能，结合当前铜基粉末冶金摩擦材料的研究方向，设想如果将MAX 相化合物颗粒添加到铜基粉末冶金闸片材料中，一方面可以起颗粒增强作用，另一方面还可以起到固体润滑剂的作用。因此，以Ti3SiC2替代石墨在高温摩擦工况下具有很好的应用前景。

图2 Ti3SiC2 断口形貌

2.2 Ti3SiC2 制作粉末冶金闸片研究

2.2.1 Ti3SiC2 与Cu 的 结 合

铜基粉末冶金摩擦材料作为一种复杂的多元复合材料，探究其中某一组元对其整体性能的影响比较困难，其中涉及到多组分的物理及化学反应。作为传统润滑组元的石墨和铜基体没有反应，石墨与基体的连接很差，另外，石墨和铜粉的密度相差很大。因此，为了排除复合材料中其他组元的干扰，以润滑组元为研究重点，研究将Ti3SiC2作为润滑组元对铜整体性能的影响，从而为进一步研究添加Ti3SiC2的铜基摩擦材料性能提供必要依据。

选取Ti3SiC2颗粒（200～400 μm）按照体积分数25%和Cu 粉进行混合，放入热压烧结设备中进行烧结，烧结温度为900 ℃，制得Cu-Ti3SiC2复合材料。

对Cu-Ti3SiC2复合材料进行金相显微镜观察可以了解Ti3SiC2和Cu 的结合情况以及分布状态，如图3 所示。Ti3SiC2呈不规则颗粒状均匀分布在纯铜基体中，随着温度升高到900 ℃，Ti3SiC2颗粒周围与铜基界面清晰，Ti3SiC2和Cu 界面结合良好，通过其放大照片能够看出无明显的裂纹。

在Ti3SiC2和Cu 复合材料界面处进行EDS 能谱分析，如图4 所示，Ti3SiC2和Cu 在高温下发生了界面反应，通过能谱分析可以看出，在反应层中靠近Ti3SiC2的一侧，富含大量的Ti、Si、C 元素，同时也有一定量的Cu，可见Cu 向Ti3SiC2中发生了扩散，而在反应层靠近Cu 的一侧除了含有大量的Cu元素外，同时还聚集了部分的Si 和C 元素，原Ti3SiC2中的Si 元素从Ti3SiC2中抽离出来，不断的向Cu 中转移，进入到了Cu 晶格 中，形成了Cu（Si）固溶体。这种双向扩散会增强Cu 和Ti3SiC2的界面结合强度。改善了Ti3SiC2和Cu 的润湿性，增强了基体强度。

图4 Ti3SiC2 和Cu 的 界 面EDS 图

2.2.2 Ti3SiC2 粉末冶金闸片的研究

为了进一步研究Ti3SiC2材料应用于高速列车粉末冶金闸片的可行性，本试验以Ti3SiC2作为润滑组元添加到铜基复合材料中制作成一种新型的粉末冶金制动闸片。该粉末冶金闸片采用Ni、Fe、Al 等，通过合金化来增强铜基体，Ni 和Cu 能形成连续固溶体，Al、Fe 与Cu 作用形成铝铁青铜，具有很高的强度，能够承受极高的热负荷和能量负荷。增摩剂采用SiO2等，具体配比见表1。将上述原料混合均匀后进行热压烧结，烧结温度900 ℃，压力30 MPa，保温15 min。

表1 铜基摩擦材料配比(质量分数) %

将制得的Ti3SiC2粉末冶金闸片在高温摩擦磨损试验机上进行测试，测试条件为500 ℃，1 000 r/min，压力为2.8 MPa。经过高温高压以及高转速的摩擦后，制动闸片的摩擦系数稳定，表现出了良好的摩擦性能。 整个过程闸片的平均摩擦系数为0.31。

粉末冶金摩擦材料经过500 ℃高温摩擦后的摩擦表面SEM 图如图5 所示。从图中可以看出摩擦表面较平整，没有较大的凹坑，摩擦表面能形成一层完整的润滑膜。由于Ti3SiC2和Cu 在高温下界面处原子间的相互扩散反应增强了两者的界面结合，在摩擦过程中Ti3SiC2颗粒被牢固的钉扎，不容易从基体中脱落，这是优于Cu 和石墨的地方。

图5 摩擦材料高温摩擦后的摩擦表面SEM

在摩擦过程中，破碎的颗粒分布在摩擦表面参与摩擦，在压力的作用下被挤压，磨屑层致密化，降低了试样的摩擦系数。随着温度的提高，磨碎的颗粒在摩擦表面形成了很好的覆盖，同时具有一定的流动性，起到了一定的润滑作用，最终在试样的摩擦表面形成了一层完整的润滑膜，表面膜的存在可以防止或减少黏着胶合现象的产生，从而降低了材料的磨损，并促进摩擦系数和摩擦力矩的稳定。希望表面膜比较软，有一定的变形能力，表面膜与金属有较强的连接力。

干摩擦副的摩擦过程就是表面膜生成和脱落的过程，假如表面膜塑性和机械强度比金属材料差，摩擦过程中，膜先破坏，表面不发生黏结，摩擦系数降低，磨损小。

如图6 所示，高温摩擦磨损下试样润滑膜的SEM 图。图中“I”代表了润滑膜的厚度情况。可以看到材料摩擦后润滑膜厚度基本在30～35 μm左右，润滑膜的连续性好，没有间断。这层膜能够很好的稳定摩擦，降低摩擦系数，同时减少了对偶件的磨损。整个摩擦过程，材料的摩擦磨损性能表现出很好的稳定性。

图6 摩擦材料高温摩擦后的润滑膜SEM

粉末冶金摩擦材料高温摩擦后表面的EDS 能谱图如图7 所示，由图中可以看出，摩擦材料经过高温摩擦后，表面除了Fe、Cu、O 元素外，还出现了Ti 和Si 元素，并且其含量较高，见表2。因此推断，摩擦材料表面的润滑膜除了含有Cu 和Fe 的氧化物，还含有Ti 和Si 的氧化物。这些氧化物的出现说明了Ti3SiC2在高温摩擦环境下表面发生分解，Ti 和Si 的氧化物能够覆盖在Ti3SiC2表面，阻碍了Ti3SiC2和空气的进一步接触，避免Ti3SiC2进一步被氧化［6］，表现出了很好的高温抗氧化能力。

图7 粉末冶金摩擦材料高温摩擦后表面的EDS

表2 摩擦表面各元素百分比含量

3 总 结

通过以上研究发现，以Ti3SiC2作为润滑组元制得的新型粉末冶金闸片，基体强度优于传统的粉末冶金制动闸片材料。更重要的是，Ti3SiC2良好的高温抗氧化能力能够保证摩擦材料在高温下稳定摩擦。由于试验设备的限制，该摩擦材料并没有在1∶1 试验台上进行测试验证，但是通过基础的测试已经表现出了非常优异的摩擦性能。因此，在我国高速铁路不断发展的今天，Ti3SiC2有能力成为新的润滑组元应用到高速铁路制动闸片材料中。