“高鐵”是我們?nèi)粘Ｖ凶畛Ｓ玫某鲂蟹绞街唬^200km/h的速度及密布全國(guó)的鐵路網(wǎng)使得人們可以用很短的時(shí)間就到達(dá)目的地。而為了確保高鐵的行駛安全，決定了列車的行駛速度、緊急制動(dòng)能力的“剎車片”的制定一直都是列車設(shè)計(jì)方案中的重中之重。

　　按國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)規(guī)定：機(jī)械摩擦制動(dòng)必須保證高速列車在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車，以確保列車運(yùn)行的安全。由于列車的車速與制動(dòng)功率呈3次方關(guān)系。即列車速度提高一倍，它的制動(dòng)功率就需要增加八倍。因此在列車速度提高的同時(shí)，列車的制動(dòng)裝置也必須具有更大的制動(dòng)能力，所以剎車片性能的好壞成為了關(guān)鍵。

　　01好的剎車片是什么樣的?

　　具體來說，可以分為以下幾點(diǎn)：

　　①高的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性：在高的溫度、壓力和速度情況下，需要閘片的摩擦系數(shù)足夠高，并且有足夠的穩(wěn)定性。

　　②高的抗粘結(jié)性：不與摩擦副工作表面發(fā)生粘結(jié)，不產(chǎn)生摩擦表面的剝落、擦傷、焊結(jié)及其他毀壞性的破壞。

　　③高的耐熱性：要能保持瞬時(shí)摩擦升溫到900～1000℃和長(zhǎng)時(shí)間摩擦升溫到300～400℃時(shí)，其機(jī)械性能和摩擦性能基本保持不變。

　　④高的熱物理穩(wěn)定性：摩擦材料應(yīng)當(dāng)能承受頻繁的熱變化，即能抗熱疲勞，同時(shí)還應(yīng)具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱值和盡可能小的線性膨脹系數(shù)。

　　⑤足夠的機(jī)械強(qiáng)度：材料不應(yīng)產(chǎn)生破裂、分層、深裂紋、剝落和與鋼背剝離的情況;保證可行的磨損速率。

　　⑥高的耐磨性：耐磨性主要取決于閘片的工況條件。對(duì)于粉末冶金材料閘片，UIC允許的磨耗量是0.35cm2/MJ，以保證動(dòng)車組閘片有足夠長(zhǎng)的壽命。

　　⑦高的環(huán)境友好性：制動(dòng)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)、噪音低;材料中不能加入不利于環(huán)保的石棉、鉛;應(yīng)能長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境下和溫度范圍在～60～+50℃下具有較強(qiáng)的抗腐蝕性。

　　02剎車片對(duì)原材料的要求

　　顯然，高速列車剎車片的制備是一項(xiàng)難度很高的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展至今主要經(jīng)歷了鑄鐵材料、合成材料、碳/碳復(fù)合材料、粉末冶金材料等幾類。其中，粉末冶金摩擦材料具有足夠的強(qiáng)度，合適而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，工作平穩(wěn)可靠，耐磨及污染少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各國(guó)的高速列車上，是現(xiàn)代摩擦材料家族中應(yīng)用面最廣、量最大的材料。

　　粉末冶金摩擦材料得制作主要包括以下工序：對(duì)粉末原材料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)、粉料混合、模壓成形、加壓燒結(jié)和后續(xù)機(jī)械加工等。由于在組分的設(shè)計(jì)上極具靈活性，因此對(duì)于粉末冶金摩擦材料來說，起跑線“成分的選擇”是非常關(guān)鍵的，主要可分為以下三大部分：基體組元、摩擦組元和潤(rùn)滑組元。

　　1.基體組元

　　粉末冶金摩擦材料的強(qiáng)度、耐磨性在很大程度上取決于基體的組織結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)，常用基體組元有Cu、Ni、Fe、Al、Zn、Sn、Mn、Ti等金屬或其合金，最常用的金屬基體為Fe粉和Cu粉，但單一金屬基體的力學(xué)強(qiáng)度不高，表面易氧化，摩擦性能不穩(wěn)定，因此，在實(shí)際運(yùn)用中通常使用合金基體，在基體組元中添加強(qiáng)化元素，如Ni、Fe、Sn、Zn、Mo等形成金屬固溶強(qiáng)化，能夠增強(qiáng)基體，穩(wěn)定摩擦因數(shù)，改善熱傳導(dǎo)性能。

　　Cu基粉末冶金摩擦材料具有高的導(dǎo)熱率、良好的塑性、易燒結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，但是其力學(xué)性能較低，價(jià)格相對(duì)較高，因此必須進(jìn)行合金化。常用的有Cu-Sn合金、Al-Cu合金、Cr-Cu合金等，同時(shí)還要添加其他微量元素如Zr、Ni、Zn、W等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　2.潤(rùn)滑組元

　　潤(rùn)滑組元的主要作用是改善摩擦性能，減小粉末之間的摩擦阻力，增強(qiáng)壓制過程中粉末的流動(dòng)性，提高材料的耐磨性和抗咬合性，減小摩擦面之間的黏結(jié)和卡滯作用。粉末冶金材料中常用的潤(rùn)滑組元有Pb、Bi、Sb等低熔點(diǎn)金屬，石墨，MoS2等固體潤(rùn)滑劑，某些氧化物、磷化物以及BN等。

　　其中，鱗片狀石墨與MoS2最常被用作潤(rùn)滑組元。石墨熔點(diǎn)高達(dá)4000℃，因此其耐高溫性能極為優(yōu)良，分為天然鱗片石墨和人造顆粒石墨。粉末冶金摩擦材料一般使用中粗石墨。Cu基材料中加入石墨，能提高材料的耐磨性能，有利于摩擦平穩(wěn)，改進(jìn)摩擦性能。在低摩擦因數(shù)要求的材料中一般只加入鱗片石墨即可，而在對(duì)摩擦因數(shù)要求較高的高鐵制動(dòng)材料中，要減少鱗片石墨的用量，增加顆粒石墨的加入。MoS2通常與石墨進(jìn)行混合使用，MoS2在低速摩擦?xí)r起潤(rùn)滑作用，石墨在高速摩擦?xí)r起潤(rùn)滑作用，從而保證粉末冶金摩擦材料的摩擦因數(shù)穩(wěn)定，磨損率低。

　　3.摩擦組元

　　摩擦組元主要是改善摩擦材料的摩擦性能，增加摩擦因數(shù)，也稱增摩劑。摩擦組元可以由多種熔點(diǎn)較高的金屬、金屬化合物或陶瓷顆粒組成，它們能夠與基體結(jié)合，均勻分布在其中，起到增摩、耐磨、耐熱、減少摩擦面黏結(jié)等作用，特別是在高溫下與基體合金化，可阻止基體流動(dòng)，增強(qiáng)耐磨性。

　　為了保證摩擦副表面達(dá)到最好的嚙合程度，必須采用良好的摩擦組元，摩擦組元對(duì)材料的摩擦因數(shù)和磨損率均有很大的影響作用，其含量和粒度是摩擦組元的基本特性，粒度偏大或者含量偏高均會(huì)造成磨粒磨損而使得磨損加劇，擦傷對(duì)偶件，造成磨損量較高。常用的摩擦組元有TiC、SiC、TiN、高熔點(diǎn)金屬(Ni、Fe、Mo)粉末、金屬氧化物(Al2O3、SiO2、Fe2O3)以及莫來石、硼化物等，通常使用的摩擦組元是以組合的形式添加到材料中，比添加單獨(dú)的摩擦組元綜合性能更好。

　　資料來源：

　　粉末冶金摩擦材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及對(duì)原材料的要求，王秀飛，尹彩流。

　　高鐵制動(dòng)用粉末冶金摩擦材料的制備及性能研究，王曄。

　　高速列車粉末冶金制動(dòng)閘片的制備與摩擦磨損性能研究，趙翔。

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