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高速列车刹车片用铜基粉末冶金复合材料设计、制备及其摩擦学性能研究

邹豪豪  
【摘要】:随着我国高速列车的快速发展,列车在运行当中的安全性问题日益被关注。高速列车刹车片用摩擦材料是高速列车制动系统的核心部件,尤其在紧急制动的过程中起着至关紧要的作用,其性能优劣直接影响了列车行驶速度和制动过程的安全性与稳定性,是高速列车制动系统的核心部件。然而,我国目前高铁制动用刹车片材料大部分依靠进口。因此,开展高速列车制动用铜基摩擦材料的深入研究,对我国高速列车制动技术的发展和经济效益的提高具有重要意义。本论文以高速列车刹车片用铜基粉末冶金摩擦材料为研究对象,通过对复合材料成分进行设计、对不同添加组元间的匹配问题进行探讨,对添加组元与基体的界面进行优化,以及对添加组元与复合材料摩擦学性能之间的关系及摩擦学机理进行研究,为我国高速列车刹车片的制备、性能上的提升及实际生产应用提供理论基础。使用粉末冶金技术制备不同组分的铜基粉末冶金摩擦材料,对复合材料的组织和结构进行观察,对复合材料的物理、力学及摩擦磨损性能等进行了测试,对复合材料摩擦学机理进行了探讨。本论文主要创新点及结论如下:(1)选取SiO_2作为复合材料中的硬质相,使用化学镀的方法在SiO_2颗粒表面镀Cu,以改善SiO_2颗粒与铜基体的界面润湿性。结果表明:SiO_2表面镀Cu可以有效减少SiO_2颗粒与铜基体界面处的孔隙,改善其与铜基体界面结合状态,从而提高复合材料的密度和硬度;SiO_2颗粒的加入还可以提高复合材料的摩擦系数和耐磨性,在其表面化学镀Cu后,可以进一步提高材料的的摩擦稳定性、摩擦系数和耐磨性;未添加SiO_2颗粒的复合材料在摩擦过程中主要磨损机制为严重的粘着磨损和剥层磨损,SiO_2颗粒的加入可以减轻复合材料的粘着磨损和剥层磨损,SiO_2颗粒表面镀铜的复合材料磨损机制为轻微的粘着磨损和剥层磨损。(2)采用化学镀的方法将金属铜沉积在鳞片石墨表面及层与层之间,成功制备了夹心三明治结构的铜包覆鳞片石墨结构,有效的提高了石墨与基体的结合强度以及复合材料的力学性能;相较于加入鳞片石墨和镀铜鳞片石墨的样品,加入夹心三明治结构的铜包覆鳞片石墨复合材料具有最高的摩擦系数和最低的磨损率;随着鳞片石墨含量的增加,材料的物理及力学性能下降,材料的摩擦系数也降低,然而材料的耐磨性能得到提高。加入10 wt.%夹心三明治结构的铜包覆鳞片石墨复合材料具有最佳的摩擦学性能。(3)使用CrFe合金颗粒代替传统的大尺寸陶瓷颗粒增强铜基复合材料。研究结果表明,CrFe颗粒与铜基体具有良好的界面结合,材料的硬度随着CrFe颗粒含量的增加出现先升高后降低的趋势,当CrFe颗粒质量分数为8 wt.%时,材料具有最高的布氏硬度(33.4 HBW);CrFe颗粒的加入可以稳定材料的磨损速率和摩擦系数,其原因是在磨擦实验过程中,CrFe合金颗粒可以限制材料表面的塑性变形;不加入CrFe颗粒的材料磨损方式主要为剥层磨损,CrFe颗粒的加入可以降低材料的剥层磨损,但是过量的CrFe颗粒会造成严重的磨粒磨损,当CrFe颗粒含量为8 wt.%时,材料具有最稳定的摩擦系数和最低的磨损率。(4)选取SiO_2颗粒(10-20μm)作为小尺寸硬质颗粒,CrFe颗粒(平均粒径200μm)作为大尺寸硬质颗粒,制备双尺寸硬质颗粒增强的铜基复合材料。研究结果表明,不同尺寸的硬质颗粒在复合材料摩擦磨损性能上起着不同的作用。小尺寸硬质颗粒主要作用为提高摩擦系数,强化基体;大尺寸硬质颗粒主要起到骨架作用,防止基体变形,稳定摩擦系数和磨损率;同时加入小尺寸硬质颗粒和大尺寸硬质颗粒的复合材料相较于只加入单尺寸硬质颗粒的材料具有更优异的摩擦学性能。(5)在不同温度下烧结制备了MoS_2增强的铜基复合材料。结果表明,材料的硬度及压缩强度随烧结温度的升高而增加,材料的摩擦系数随着烧结温度的升高而增大,磨损率随着烧结温度的升高而降低。当烧结温度为920℃时,材料具有最佳的摩擦学性能;烧结温度为720℃时,材料的磨损方式为严重磨粒磨损,随着烧结温度的升高,材料的磨粒磨损减轻,当烧结温度为920℃时,材料的磨损方式由严重磨粒磨损转变为轻微的粘着磨损。


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