粉末冶金摩擦材料在高速列车上的应用

王梦洁

摘 要：高速列车制动用刹车片是关系到车辆制动安全性的关键部件。高铁刹车片的质量如何，直接关系到高速运行的列车能否及时减速和停下来。基于此，本文主要对列车制动用刹车片的材料进行研究，首先阐述摩擦材料国内外研究现状，然后分析摩擦材料的类型及优缺点，最后探讨粉末冶金摩擦材料及其主要组成，以期研制出具有社会效益和经济效益的摩擦材料。

关键词：刹车片；粉末冶金；摩擦；磨损；高速列车

中图分类号：TF125.9 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0109-02

Application of Powder Metallurgy Friction Material on High Speed Train

WANG Mengjie

（Zhengzhou No. 1 Middle School，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Brake block for high-speed train braking is a key component related to vehicle braking safety. The quality of high-speed rail brake is directly related to whether the high-speed running train can slow down or stop in time. Based on this， this paper mainly studied with brake materials of train braking， first described the research status of friction materials at home and abroad， and then analyzed the types of friction materials and the advantages and disadvantages， finally discussed the powder metallurgy friction material and its main components， in order to develop friction materials with economic and social benefits.

Keywords： brake pad；powder metallurgy；friction；wear；high speed train

隨着我国中长期铁路建设发展规划的发布，我国高速铁路进入一个快速发展的时代。2017年，我国高速铁路总里程已经超过了2.2万km，占全球高速铁路总里程的65%，并计划在2025年建设完成“八横八纵”计划，总里程将超过3.8万km。高速重载成为当前铁路发展的主旋律。高速列车制动用刹车片是关系到车辆制动安全性的关键部件，高铁刹车片的质量如何，直接关系到高速运行的列车能否及时减速和停下来。因此，加强列车制动刹车片研究尤为重要。

目前，时速为200km/h的列车在紧急制动下的刹车距离为2km，时速为300km/h的列车紧急制动距离为37km。既要刹车距离短，又要刹车平稳，这就对制动系统和刹车片提出了较高的要求：刹车材料需要具有稳定的摩擦性能，不受压力、速度、温度的影响，又要有较高的耐磨损性能、耐疲劳性能及抗热裂纹扩展性能等。

1 摩擦材料国内外研究现状

20世纪90年代初，发达国家铁路运输的最高铁路时速就已达到300km/h以上，对刹车片材料的研制也经历了铸铁闸片、合成闸片、铁基和铜基粉末冶金闸片等研究过程，其中运用最广泛且技术最为成熟的是铜基粉末冶金闸片。日本高速列车所采用的铜基粉末冶金闸片以铜、铁、镍为基体，通过添加陶瓷和石墨提高了材料的耐磨性、耐热性和润滑性，可用于时速300km/h以上列车，摩擦系数稳定。日本新干线采用的铜基粉末冶金摩擦材料是以铜、锡为基体，通过添加适量的摩擦稳定剂烧结而成，硬度为45±10HB，密度为5 600～5 800kg/m3。法国TGV-A列车采用的闸片材料是以铁、铜为基体，通过添加碳化物等来调节石墨、硅酸盐、Sn等的含量。

国内近几年也开始系统研究铁基、铜基、铁铜基粉末冶金摩擦材料。周海滨[1]等研究了SiC含量对铜基粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能的影响；盛洪超[2]等对铜基航空摩擦材料的制备进行了系统研究；姚萍屏[3，4]等研究分析了不同组元、制备工艺、组元含量及粒度对材料的组织和摩擦磨损性能的影响规律，为制备新型摩擦材料提供了理论基础。

2 摩擦材料的类型及优缺点

常用制动闸片材料有树脂基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料和陶瓷复合材料。早期被广泛使用的是石棉摩擦材料，不仅成本低，而且摩擦性能非常稳定，但由于石棉具有致癌性，便逐渐被树脂基摩擦材料取代。树脂基摩擦材料具有性能调节容易、使用面广、生产工艺简单和成本低廉等优点，其应用温度不能超过275℃，若温度过高，会使耐热性低的树脂和橡胶发生碳化，降低摩擦性能的稳定性，难以满足时速为300km/h以上列车的盘形制动需求。陶瓷复合材料具有重量轻、热膨胀系数小和良好的耐高温性能，但其生产成本高、性能不稳定，所以难以应用于高速列车上。粉末冶金摩擦材料在高速列车制动中单位体积温度达500℃以上，闪点温度达1 000℃时，仍能保持良好的刹车性能，在耐热和导热性方面具有显著优势，因而被广泛应用于各国高速列车上。

3 粉末冶金摩擦材料及其主要组成

一般情况下，粉末冶金摩擦材料是由金属基体、摩擦组元和润滑组元等组成的多元复合材料。其中，金属基体的组织结构、物理性能和化学性能等决定了摩擦材料的摩擦磨损性能、热稳定性、力学性能和导热性能等。金属基体通过机械结合的方式将摩擦组元和润滑组元颗粒固定起来，形成具有一定强度的整体。粉末冶金摩擦材料根据基体金属不同分为铁基和铜基材料，还有铁-铜基、镍基、陶瓷基、铝基和钨基等。

铁基粉末冶金在家用器具、农业机械、电动工具和文体休闲器材等领域被广泛使用。铁基粉末冶金摩擦材料具有优良的摩擦性能，适用于400℃到1 000℃的温度。但是，与对偶（如铸铁或钢）具有亲和性，摩擦系数波动较大，容易产生黏着胶合问题和噪声。其被广泛应用于汽车行业和普通列车的摩擦制动中。

铜基粉末冶金材料具有较好的耐蚀性、表面光潔和无磁性等优点，被广泛应用于摩擦材料、过滤器、电刷、机械结构零件、电工零件、铁粉添加剂、催化剂及油漆和颜料等领域。铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦系数在低速时高，高速时低，磨损量在高速条件下不受影响，而且具有制动性能稳定、对制动盘的热影响小、磨合性好等优点。在日本的新干线、法国队TGV和德国的ICE等高速列车中，都采用的是铜基粉末冶金摩擦材料。

粉末冶金摩擦材料是利用粉末冶金技术，以金属粉末为基体，通过添加摩擦组元和润滑组元来改善材料的摩擦性能，在均匀混合后通过压制、烧结而成的。其通过改变材料组分和制造工艺，提高材料的力学性能和摩擦磨损性能。

摩擦组元的主要作用是提高材料的摩擦系数，增强基体的强度。

润滑组元的作用是提高材料的耐磨性和抗擦伤性，降低材料的磨损量，保证摩擦副之间能稳定工作。在粉末冶金摩擦材料中常用的润滑组元有：固体润滑剂（如石墨、云母、CuS、MoS2、SbS和WS2）、低熔点的金属（如Bi、Sn、Pb等）、某些氧化物、金属的磷化物和氮化物等。石墨和MoS2是铜基粉末冶金摩擦材料中最常用的润滑组元。

石墨对减少材料的磨损量、提高材料的耐磨性能具有重要作用。石墨在铜基材料中主要以游离态形式存在，一部分石墨与铁粉形成碳化物或者金属间化合物，一部分石墨与其他合金元素形成化合物。片状游离态石墨具有层状六方晶体结构，层间原子间的结合键能低，因此各层间的抗压能力很强，但容易产生滑动偏移，所以石墨能在金属表面形成牢固的转移膜，具有良好的润滑性。

黏结剂作为摩擦材料中的重要组成部分，其性能直接影响摩擦材料的热衰退性能、磨损性能和力学等性能，但目前采用的黏结剂普遍存在耐热性差的问题，不能满足苛刻的制动工况条件，所以研制出具有较高耐热性能的黏结剂是一个比较重要的发展方向。

上述是粉末冶金摩擦材料的基本组成，根据目前国内研究现状，我们有能力使刹车片取代进口产品，实现国产化。

4 结语

我国粉末冶金摩擦材料的研究水平不断提升，研发生产的铜基粉末冶金摩擦材料已经基本满足时速300km/h以下速度的紧急制动要求，但当速度超过300km/h时，就会出现粘连、过量磨损、疲劳及环境因素导致的刹车片开裂等问题，使刹车片的使用寿命降低。因此，研制出高性能的摩擦材料，实现我国刹车片的国产化具有重要意义。

参考文献：

[1]周海滨，姚萍屏，肖叶龙，等.SiC颗粒强化铜基粉末冶金摩擦材料的表面形貌特征及磨损机理[J].中国有色金属学报，2014（9）：2272-2279.

[2]熊翔，盛洪超，姚萍屏.铜基航空刹车材料的烧结温度与烧结压力[J].中南大学学报（自然科学版），2007（2）：206-212.

[3]袁国洲，姚萍屏，樊毅.SiO2和B4C组合对铁铜基摩擦材料性能的影响[J].非金属矿，1999（4）：47-49.

[4]陈洁，熊翔，姚萍屏，等.摩擦面温度对铁基摩擦材料摩擦磨损性能影响机理的研究[J].粉末冶金技术，2004（4）：223-227.