高铁粉末冶金制动闸片成分对其性能的影响

高铁粉末冶金制动闸片成分对其性能的影响
摘要：我国高速列车制动闸片长期以来依赖进口。

本文介绍了粉末冶金制动闸
片的特点与材料组成，研究了材料中的成分对闸片性能的影响，对自主研制国产
高铁粉末冶金制动闸片具有一定的指导意义。

关键词：高铁；粉末冶金；闸片；材料
近年来，随着我国工业化进程的不断加快，高速列车产业得到了飞速发展。

但由于相关技术领域起步相对较晚，部分关键零部件依然依赖进口。

高铁制动闸
片从最早的铸铁间瓦，经过合成阐片，发展为目前高速列车应用最为广泛的铁基、铜基粉末冶金闸片。

最为先进的C/C复合材料闸片正处于研究与试验阶段。

在早
期的很长一段时间里，列车闸片一直由铸铁闸瓦主导。

铸铁材料闸片虽然具有成
本低廉、强度高等优点，但热传导性能较差，因此随着列车的多次提速而逐渐被
淘汰。

碳纤维复合材料闸片正处于研究与试验阶段。

实验证明，碳纤维复合闸片
在250km/h速度以下制动时，能表现出良好的综合性能，但随着列车速度的进一
步提高，制动温度随之升高，闸片表面摩擦系数出现急剧增大的现象，并产生更
大的热量。

此外，碳纤维复合闸片的磨耗量均较大，其性能对盐雾、潮湿环境非
常敏感，不符合我国高速列车全天候运行环境要求。

1粉末冶金闸片的特点
高铁粉末冶金闸片是由多种原料粉末混合后，经压制、烧结制成。

其特点是
拥有良好的导热性、耐磨性及良好的摩擦系数，在列车制动时，制动闸片温度瞬
间上升至500℃，最高温度可接近1000℃，粉末冶金制动闸片始终保持良好的摩
擦系数曲线。

并且，摩擦系数受湿度等条件的影响极小。

为使粉末冶金闸片获得良好的导热性能，原料粉末中以热导率较高的铜为基体。

因此，铜基粉末冶金闸片成为粉末冶金制动材料的主流。

2材料的组成
铜基粉末冶金闸片材料组成主要包括：基体组元、润滑组元及摩擦组元。

⑴基体组元：通常以铜或其合金作为基体材料，拥有一定的金属特性。

闸片
的摩擦性能、磨损性能、力学性能、导热性及热稳定性等物理特性与基体材料的
化学性能、物理性能及其组织结构具有密切关系。

基体的主要作用是将润滑剂和
摩擦颗粒等混合物与自身结合为一体，以机械结合的形式形成具有一定物理特性
的整体，在这个整体中，每种添加物各自发挥其特长，从而形成具有全新综合性
能的材料。

其中基体材料主要作用是负责热传导和承受载荷。

以单一的纯铜作为
基体时所制成的闸片强度较低，所以要向基体材料中添加其它合金材料，在压制、烧结过程中生成固溶体，以强化基体强度。

⑵润滑组元：其作用是提高粉末冶金闸片的稳定性、抗粘接性、抗咬合性、
耐磨性及抗擦伤性，因此又称为减摩剂。

润滑材料对于提高闸片的抗磨损性能起
着决定性作用，润滑组元含量越高，闸片的抗磨损性能越好，但摩擦系数会随之
降低。

⑶摩擦组元：又称作摩擦剂，其作用是清洁摩擦偶合面上的氧化物、污染物
和粘结物，确保闸片保持稳定的摩擦系数。

摩擦组元是由硬度较高的添加剂构成，均匀分布在基体中可有效防止基体材料磨损，增加闸片的抗磨损性能。

摩擦组元
材料要求包括：①具有较高的溶点和离解热；②闸片烧制温度和工作温度下无
多品转变；③具有较高的强度和硬度，同时又不能过高（通常不高于偶合面硬度）；④化学性能相对稳定，不与其他组分产生化学反应；⑤基体晶粒不易长
大；⑥在基体合金的作用下具有较高的润湿性。

3材料成分对性能的影响
3.1铜基对闸片性能的影响
⑴铜基类型对闸片摩擦性能的影响
图1给出了在相同试验条件下不同铜类别摩擦样品的摩擦系数随制动初速度
的变化规律。

图中各数据点为该试验速度下的平均摩擦系数。

总体上，各样品的
摩擦系数均随制动初速度提高而降低。

制动速度的变化使摩擦界面剪切率发生改变，影响配副材料的力学性能。

对于金属材料而言，剪切率越大，表面强度就越大，从而使干摩擦下的实际接触面积和摩擦系数降低。

即产生动摩擦系数与滑动
速度的关系呈现负变化的状态。

图1 不同铜基类型闸片摩擦系数随制动速度变化曲线
⑵铜基类型对闸片磨损量的影响
随制动初速度的提高，电解铜基体样品和雾化铜基体样品的磨损量在160～200km/h范園内均有明显的增多，随后磨损量降低或基本保持恒定。

制动初速度
超过270km/h后，磨损量随制动初速度提高而呈逐渐增大趋势。

铬铜基体样品与
氧化铝铜基体样品的磨耗随制动初速度提高始终在增加，尤其在高速阶段（超过270km/h时）磨耗大幅增加。

铁钴铜基体样品的磨损量在低速制动时有少量增多，后续随制动初速度提高而无明显培多，几乎以恒定的质量发生磨损。

在制动速度
高于270km/h后铁钴铜基体样品的磨损量始终低于其他几种样品，具有很好的抗
磨损性能。

3.2铁粉类型对闸片性能的影响
⑴铁粉类型对摩擦系数的影响
由图2可以看出，随着制动速度的提高，铜-泡纤铁基体闸片的摩擦系数最为
平稳。

图2 不同铁粉类型闸片在不同制动速度下的摩擦系数曲线
⑵铁粉类型对闸片磨损量的影响
在铜-泡纤铁基、铜-羰基铁基、铜-还原铁基、铜-Fe3Al基闸片四种试样中，
铜-泡纤铁基闸片从一开始就出现快速磨损，这与该试样强度较低有直接关系。

其
余三个试样的磨损量随着制动速度的升高而缓慢增加，当速度超过270km/h后，
磨损量增加明显。

3.3 Al2O3弥散强化铜对闸片力学性能的影响
在铜基中加入适量的Al2O3弥散强化铜粉可有效提高闸片的硬度和剪切强度。

研究表明，当弥散铜逐渐达到30wt%时，闸片的硬度和剪切强度随之增加。

但随
着弥散铜含量的进一步增加，闸片硬度和剪切强度提升缓慢。

当含量超过30wt%后，闸片的剪切强度开始降低，硬度不再增加，同时导热性能明显降低。

3
3.4 Al2O3弥散强化铜对闸片摩擦系数的影响
随着闸片内弥散铜含量的增加，虽然可以提高闸片的摩擦系数，但效果并不
明显，当弥散铜含量达到10wt%时，摩擦系数提高了2%，当含量提高至30wt%时，摩擦系数提高3%。

3.5 Al2O3弥散强化铜对闸片摩损量的影响
随着弥散铜含量的增加，闸片磨损量逐渐减少，当含量超过10wt%后，磨损
量减少明显变缓，当含量增加至30wt%后，磨损量开始明显增加。

如图3所示。

图3 弥散铜对闸片摩擦系数及磨损量的影响
4 讨论
影响高铁粉末冶金制动闸片性能的因素还有很多，如合金化、CrFe、Al2O3粉镀铜等，文中只探讨了影响较为明显的几种因素，希望对未来国产高铁粉末冶金制动闸片的研制有所帮助。

参考文献：
[1]马大炜，林台平.关于高速列车制动距离的研究[J].中国铁道科学，1998，19（1）：40-48.
[2]宋宝韫，高飞等.速列车制动盘材料的研究进展[J].中国铁道科学，2004，25（4）：11-17.。