高速铁路刹车片的研究与展望

高速铁路刹车片的研究与展望

作者：张兴旺刘佳玲梁建全王明智

来源：《中国化工贸易·下旬刊》2017年第01期

摘要：本文介绍了我国高速铁路刹车片的现状及研究方向，探讨了当前刹车材料中存在的问题，并且研究了Ti3SiC2新材料的一些性能，展望了以Ti3SiC2替代片状石墨成为我国高速铁路刹车片新型润滑剂的可能性。

关键词：高速铁路；刹车片；粉末冶金；Ti3SiC2

自从日本建立起世界上第一条高速铁路开始，世界发达国家进入了高速铁路发展的新时期。1981年法国TGV列车在巴黎东南线、1991年德国的ICE列车都相继投入运行，现在高速铁路已经发展到意大利、西班牙和英国。在世界高速铁路总里程碑中，日、法、德三国共占84%，是高速铁路技术最先进、运营经验最丰富的国家。就高速列车的运行速度而言，法国TGV的317.5km/h位列首位，日本希望者号261.8km/h列第二位，德国LCE列第三位。若就最高速度利用率而言，日本希望者号以87.2%领先，法国第二，德国第三[1]。

进入新世纪之后，我国高速铁路同样取得了突飞猛进的发展。从引进时速两百公里高速铁路技术，到自主开发时速三百多公里“和谐号”动车组，从京津城际铁路到京沪高速铁路的开通，我国高速铁路的发展震惊了世界，并迅速跨入引领世界的“高铁时代”！从高铁技术性能上，在系统吸收掌握动车组技术之后，全面构建了设计、制造、维修体系。在这个基础上，结合中国的国情，自主研发了提升到时速350公里的列车。中国已发展成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力之最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家[2]。中国正在引领世界高速铁路的发展。

1 国内刹车片材料的研究

1.1 国内刹车片材料的概述

目前，我国高速铁路刹车片主要采用了粉末冶金摩擦材料。与其他摩擦材料相比，粉末冶金摩擦材料具有很高的机械强度，能够在工作温度下适应弯、剪等不同性质的载荷；另外，粉末冶金摩擦材料的比热容和密度都比较大，并且基体材料主要采用铜、铁等金属，具有非常好的导热性能，摩擦材料能够在很短的时间内将摩擦产生的热量吸收并且传递出去，摩擦表面的温度能够维持在允许的范围内；最重要的是，粉末冶金摩擦材料具有非常好的摩擦稳定性，当摩擦面温度升高时，摩擦系数和耐磨性都不会明显下降，冷却后再使用时的回复能力强。基体金属通常采用Cu、Sn、Fe、Ni、Mn、Ti及其合金，由于单一金属基体的强度不高，因此大多数粉末冶金摩擦材料基体金属中都添加有合金元素，用以形成固溶体来强化基体。在摩擦剂方面，由于摩擦剂参与摩擦表面膜形成时的物理-化学反应，反应生成的表面膜厚度、种类、力学和物理-化学性能在很大程度上决定了粉末冶金摩擦材料的摩擦学行为，因此，摩擦剂的选

择尤为重要。常用的摩擦剂为SiO2和SiC，并且添加SiO2、SiC、B4C作为摩擦剂的材料比单独添加SiO2、SiC或SiO2+SiC的材料，综合性能更优异[3]。润滑组分方面，首选材料为石墨、MoS2，其次是氮化硼。片状石墨是我国高铁刹车片材料中最常用的固体润滑剂，由于其层状结构，在切向摩擦力作用下能获得非常低的摩擦系数（0.015-0.05）。片状石墨通常在摩擦过程中参与构成表面的工作膜时，其作为固体润滑剂的作用才表现出来。

1.2 当前刹车片材料的研究方向

由于高速铁路速度的不断提很高，高铁巨大的动能转化成制动刹车片的摩擦热能，摩擦副表面温度会急剧上升，对刹车制动装置要求也越加苛刻。这就需要不断的探讨和开发出高性能的刹车材料。

当前我国刹车材料的主要研究方向是改进材料的高温抗氧化性和提高并稳定摩擦系数两个方面。在高温下，材料受到强烈氧化时，由于氧化膜通常力学强度比金属基体低，容易破裂和剥落，从而引起材料很快磨损。通常人们采用耐热强度较高的合金作为基体材料，因为耐热强度较高的合金具有较高的抗氧化能力。目前，为了达到更高的工作温度，已向更难熔的金属和更复杂的合金化过渡，用铝代替锡合金化，提高铜基体的工作温度和力学强度极限。而要提高和稳定摩擦系数，就需要探讨新的摩擦组元和润滑组元，并处理好二者的配比问题。在摩擦材料中加入比纯碳化物或纯氮化更为稳定、强度更高的复式化合物，摩擦系数和耐磨性均得到提高。同时，不稳定的石墨也日益趋向于采用惰性的抗卡剂来代替[4]。

1.3 刹车片材料的问题研究

分析以往我国刹车片材料的研究过程：为了提高摩擦系数，防止金属的转移和镶嵌，往往在闸片中添加不同程度的磨料，但是降低了材料的导热性，产生热衰，造成高速制动摩擦系数降低，产品致密度下降，自身损耗增大，磨损制动盘；磨料的加入和金属粉末的合金化使铜基闸片的硬度较高（HB>40），不但影响产品的摩擦系数，还加大了闸片自身以及制动盘的磨耗，同时产生制动噪声[5]。

高速列车的运行速度高、惯性大，进行有效制动时需要很高的制动能量，闸片温升很高，瞬态温度有时可达1000℃，要求闸片具有更高的力学强度、稳定的摩擦系数、优良的耐磨性和抗高温氧化性[6]。而传统的铜基摩擦材料，以片状石墨作为润滑剂。但是片状石墨的高温抗氧化能力较差，在450℃开始氧化，并且随着温度的升高氧化急剧增加。因此，在这样高的温度下，摩擦材料中石墨的氧化会降低列车制动力、增加闸片的磨损，影响到列车的安全。同时，石墨和基体的粘结力很小，可以把石墨当作孔隙对待。在刹车材料中，一定孔隙量的存在有利于改善其磨损性能，特别是在有固体润滑剂存在的条件下，有利于储存固体润滑剂而改善磨损性能；但是过量的孔隙会降低材料的连续性，对摩擦产生不利影响。

2 Ti3SiC2材料的研究

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，更重要的是它具有优于片状石墨的抗热震性和高温抗氧化性[8]。刘光明等人[9]研究了Ti3SiC2在1100℃空气中的循环氧化行为，其氧化层主要由TiO2和SiO2组成，氧化产物的外层为较完整致密的TiO2，内层为SiO2和TiO2的混合氧化物，在内层氧化物中存在贯穿性裂纹，显示出了非常好的高温抗氧化能力。

在Ti3SiC2和Cu的研究中，我们发现在二者的烧结中（如图1），850℃时，试样中出现了较多的TiSi2相，900℃时，TiSi2相减少，同时出现了Ti3Cu相，到了950℃则完全变为

Ti3Cu相，另外TiC的量大量增加。由此可见，Ti3SiC2和Cu在高温下发生了界面反应，金属Cu在高温下局部率先熔融为液态，在850℃时，Cu的扩散会导致Ti3SiC2的分解，生成TiSi2相。随着温度的提高，高温Cu液作用使得TiSi2晶体结构中的Ti-Si键断裂，Si原子游离出来，扩散到Cu里面，形成Ti（Si）固溶体，Ti3SiC2界面上则剩下更稳定的Ti-C八面体。这种扩散会增强Cu和Ti3SiC2的界面结合能力，提高Ti3SiC2和Cu的润湿性。

在刹车片材料的研究中（如图2），采用Cu为基体，以Ni、Fe和微量金属作为基体增强相，摩擦剂采用SiO2，同时加入Ti3SiC2颗粒作为润滑剂。经高温烧结后，试样在高速高比压的条件下进行摩擦磨损试测试，结果在试样的摩擦表面检测到了SiO2、TiO等物质。这说明，Ti3SiC2参与了试样摩擦过程，磨损产物参与了表面膜的形成，同时当摩擦表面温度达到一定程度后，表面开始氧化。Ti3SiC2在高温摩擦过程中发生了分解、氧化，生成了Ti和Si 的氧化物，这些氧化物具有一定的黏性和流动性，参与了润滑膜的形成。同时，SiO2、TiO的产生能够很好的阻断Ti3SiC2和空气的接触，避免更多的Ti3SiC2产生氧化，起到了很好的高温抗氧化的能力。

3 展望

研究发现，Ti3SiC2在高温下和Cu会发生双向的扩散反应，这增强了Ti3SiC2和Cu基体的结合强度，提升了铜基摩擦材料整体的高温抗软化能力。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很高的温度下摩擦稳定。因此，在我国高速铁路不断发展的今天，Ti3SiC2有能力替代片状石墨成为新的润滑剂应用到高速铁路刹车材料中，以适应我国刹车材料的研究方向和发展现状。

参考文献：

[1]李世珷.世界高速铁路发展的动向[J].新技术应用，2007，35（1）：35.

[2]冯晓芳.中国高速铁路的发展与展望[J].Science&Technology Information， 2009，1（29）：129-130.

[3]白新桂，李明，许明等. 金属陶瓷成分对其摩擦磨损性能影响研究[J].机械工程材料，1997，21（4）：13-15.