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《北京科技大学》 2016年
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高速列车粉末冶金制动闸片的制备与摩擦磨损性能研究

赵翔  
【摘要】:为解决300km/h以上高速列车核心部件刹车片目前在我国仍依赖进口的现状,本文通过对摩擦材料的基体、摩擦组元、润滑组元以及制备工艺的设计,进行了对高速列车制动闸片耐磨性、摩擦系数及稳定性、导热性等关键技术指标的系统研究,成功制备出了满足时速380km/h高速列车制动要求的铜基粉末冶金刹车片,进行了1:1台架试验,结果完全满足国际铁路联盟(UIC)及中铁认证中心(CRCC)的要求。基体组分中添加不同种类、粒度及含量的Fe粉强化基体时,添加粒度为dso=75μm的雾化铁粉含量为22wt%左右时的摩擦材料微观结构致密,强度高,耐磨性好,但是随Fe粉含量增加,材料导热性下降。由于A1203弥散强化铜导热性好、高温强度好及耐磨性好,材料中加入适量A1203弥散强化铜粉可提高基体的耐磨性,且当A1203弥散强化铜含量小于30wt%时,基体连续性好,基体与摩擦组元和润滑组元的结合界面孔隙少,超过30%时颗粒之间孔隙明显增加,含量为10wt%~30wt%时剪切强度最高为25MPa、导热系数最高为48.1W/m·K、摩擦系数最高为0.256,磨损量最低达0.009mm/次·面,此时主要以氧化磨损为主,表面氧化膜较完整。不同摩擦组元对摩擦材料摩擦系数及稳定性有较大影响,传统的陶瓷摩擦组元A1203与基体金属润湿性差,结合不牢固,容易从基体中脱落,A1203粉表面镀铜后,A1203颗粒与基体间的结合紧密,不容易脱落,提高了材料的摩擦系数及稳定性,但颗粒与基体的结合仍是机械结合,高速下仍会脱落,导致摩擦系数仍较低。加入不同碳含量的CrFe,发现其与基体间均存在一定固溶度,结合紧密,在高速摩擦时仍结合牢固不易脱落,摩擦系数随转速提高先降低后增加,且与镀铜A1203粉相比,以高碳CrFe为摩擦组元的材料摩擦系数提高12%以上,摩擦系数稳定性提高10%以上,最佳含量为6wt%。石墨具有良好的高温润滑作用,在摩擦材料中是必不可少的,但是石墨与铜基体润湿性较差,随石墨含量增加摩擦材料宏观疏松程度增加,耐磨性先增加后降低,研究表明石墨含量为11wt%~13wt%时综合性能最好,但材料导热性、力学性能降低。经理论分析与模拟计算对摩擦材料的导热性进行了研究,结果表明石墨垂直于摩擦表面取向分布可使材料导热性明显提高,表面温度明显降低。首次针对高铁刹车片表面温升的问题,对石墨取向性进行了实验研究,结果表明:石墨沿垂直于摩擦面方向取向后,材料基体连续性提高,摩擦表面上无暴露大片石墨,且表面石墨分布均匀,材料导热系数提高了1倍以上,表面最高温度平均降低了60℃,摩擦系数降低1%但仍符合要求,摩擦系数稳定性提高了14%以上,线磨损量降低10%以上通过对压制压力、烧结温度和烧结压力的设计,得出了最优制备工艺。根据成分研究结果制定的配方,制得的摩擦材料硬度(HRR)为62(进口件56),剪切强度为43.2MPa(进口件22.4),导热系数为122.4W/m·K(进口件44.2)。经中铁检验认证(常州)机车车辆配件检验站有限公司1:1台架试验检测,结果表明:所制备高铁刹车片平均磨损量为0.05cm3/MJ小于国外样品(0.133cm3/MJ);摩擦系数高且稳定,380km/h制动时仍在规定范围内;表面最高温度612℃:坡道连续制动摩擦系数比进口件高,且连续制动时表面温度比进口件低;所有测试数据均满足CRCC大纲要求,结果表明研制出的刹车片具备CRH380A型车的装车条件。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:U270.35;TF125.9

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