压制压力对铜基粉末冶金闸片材料的摩擦特性的影响

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Influence of Compaction Pressure on Tribological Properties ofCopper-based Powder-metallurgy Brake MaterialsWang Pei Chen Yue Zhang Yongzhen(Henan Province Key Laboratory of Tribological Materials，School of Materials Science and Engineering，Henan University of Science and Technology。Luoyang Henan 47 1003，China)Abstract：The influences of compaction pressure on the density and hardness copper-based powder-metallurgy brake ma-terials were studied.The tribological behavior of brake material against 1 5 CrMo disc was investigated，and the metallo-graphic micromorphology and the worn surface morphology were observed by photomicrograph and scanning electron micro-scope.The results show that the density and hardness of the brake materials are increased firstly then decreased along withthe increase of compaction pressure.The brake materials prepared under the compaction pressure of 900 MPa have hi ghdensity and hardness，big and stable friction coeficient，and little wear loss。

Keywords：compaction pressure；hardness；friction and wear；powder-metallurgy material随着高速列车的不断提速，高速列车制动安全的问题变得更为重要，研究性能较好的、经济实惠的高速列车闸片材料是当务之急。高速列车闸片材料由于工况条件恶劣，对其性能有较高的要求。高速列车闸片材料应该满足以下6个方面的要求： (1)足够的抗冲击强度； (2)较高摩擦力，优良的耐磨性能；(3)受气候影响孝摩擦因数稳定；(4)导热性好；(5)-定 的经济性 ； (6)便于成型和实现轻量化等 。

铜基粉末冶金刹车材料由于具有良好的导热性、基金项目：国家自然科学基金项目 (50975078)；国家重点联合 基 金 项 目 (U1034002)；973 计 划 前 期 研 究 专 项(2010CB635113)。

收稿日期：2012-10-15作者简介：王培 (1986-)，男，硕士研究生，从事材料干摩擦学研究 .E-mail：wangpeidewang###163.corn。

通讯作者：陈跃 (1957-)，男，教授，目前主要从事材料摩擦学方面研究 .E-mail：chenyue###mail.haust.edu.cn。

较强的抗腐蚀能力、散热良好、不易与对偶件发生粘结等特点，能较好地满足上述要求 。影响铜基粉末冶金材料性能的工艺条件主要有压制压力、烧结温度、烧结时间和烧结压力等，其中压制压力是关键因素之- - 。本文作者制备了铜基粉末冶金材料，研究了压制压力对材料摩擦磨损特性的影响。

1 试验条件与方法1.1 试样的制备铜基闸片材料配方如表 1所示。

表 1 铜基闸片材料配方Table 1 Chemical composition of Cu-based brakematerial %润滑与密封 第 38卷按表 1配方称取各种粉末，混合均匀后，在 V型混料机中混料 16 h，然后将材料分 5组分别在500，600，700，800，900 MPa压力下压制成型。成型料在加压烧结炉进行烧结，烧结保温温度为 865℃ ，保温时间为 3 h，烧结压力为 0.6 MPa，保护气氛为氢气和氮气，最后随炉冷至 100℃以下出炉。

1.2 性能检测 方法按照 GB/T 1033.1986测定烧结试样的密度，使用 HB-3000B型布氏硬度计检测试样的硬度，每组选取3个试样并求其平均值。在 JSM-5610LV型扫描电子显微镜 (SEM)下观察试样的显微形貌和组织。

摩擦磨损试验在 MMS-1G高速摩擦试验机上进行 ，试验机的最大滑动速度为 100 m/s，最大载荷为3 MPa。采用线切割法将试样制成 614 mm×11 mm的销试样。配副材料选用 15CrMo，硬度为 HRC35～37。

闸片材料试件的端面与制动盘表面压紧，制动半径为160 mm。摩擦制动的制动初速度与高速列车的运行速度有关，以拖车为例，车轮踏面直径为 915 mm，摩擦制动直径为500 mm，当行车速度为 250 km/h时，试验所选取的速度为 37.5 m/s，载荷为 0.6MPa。每次试验前对销试样先进行预摩，直至销试样端面与盘试样圆周面接触 良好为止。每组选取 3个试样进行摩擦试验，每次试验前后用感量为 0.1 mg的BS210S电子分析天平测定出销试样磨损前后的质量损失，然后取3个试样磨损量的平均值。

试验时，通过试验机上的扭矩传感器测得销试样与磨盘之间的摩擦力矩，然后利用下式计算摩擦因数：F M 1、丽 L式中： 为摩擦因数；F为摩擦力；M为摩擦力矩；，J为摩擦力臂；N为正压力。

按下列公式计算磨损率 ： - (2)2 ” rRtntxN 、其物理意义为单位摩擦功的磨损量 。

式中：R为平均摩擦半径，即销试样摩擦表面与盘试样旋转轴中心的距离 (m)；t为摩擦时间 (s)；n为盘试样的转速 (r/min)；N为施加在销试样上的法向压力 (N)；/.t为摩擦因数；AW为销试样磨损前后的质量损失。

2 试验结果与分析2.1 压制压力对烧结体密度和硬度的影响图1示出了不同压力下烧结试样的布氏硬度和密度∩以看出，压制压力为 500～900 MPa时，烧结体的密度和硬度先上升后下降，而后上升。其中，压制压力为500～600 MPa时，试样密度大幅提高，从4.19 g/cm 上升到4.29 g/cm ；压制压力为 700～800MPa时，试样的密度反而大幅下降；继续增大压制压力，试样的密度又再次提高，900 MPa时密度达到4.33 g/cm ，但与 800 MPa时密度相差不大。试样的硬度变化趋势与密度-样，且随密度的变化而变化，当试样密度升高时，硬度变大，试样密度降低时，硬度变校Compacting pressurep/MPa图 1 不同压力下烧结试样的布氏硬度和密度Fig 1 Density and Brinel hardness of the samples preparedunder diferent compaction pressures利用扫描电子显微镜对不同压制压力下制备的烧结试样的显微结构进行分析，结果如图2所示。在压制压力为 500 MPa时，铜基体颗粒之间间隙较大，空隙较多，这是烧结体的密度和硬度相对较低的主要原因；压制压力在500-600 MPa之间时，铜基体的颗粒间间隙变小 ，试样的密度增加 ，孔隙度降低，烧结体基体与摩擦组元结合强度大幅提高；压制压力在700～800 MPa之间时，试样性能变化不大；压制压力到900 MPa时，颗粒间的间隙进-步减小，这是由于在此压力下，克服了烧结体的屈服强度和加工硬化，使烧结体的致密度进-步增加。在烧结时发现，压制压力为700～800 MPa时的试样有相对较多的低熔点材料 sn和 zn蒸发析出，这可能是引起烧结体的硬度和密度都大幅下降，造成基体颗粒的结合能力差的原因