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1 前言
高速列车是世界上先进国家铁路发展的方向,日本在1964年开通了东京———大阪新干线,时速突破了200ｋｍ,在此期间法国开通了巴黎———里昂新干线,俄罗斯、瑞典、研制的高速列车也投入了商业运营。
我国把发展高速铁路列入“十五”规划,并正在投巨资改造和建设高速铁路。铁道部把“200ｋｍ/ｈ电动车组研制”项目列入国家重点科技攻关计划,并在1999年租用了瑞典样车进行试验,目前,该车正在广———深线上运营。
200ｋｍ/ｈ高速列车半金属制动片是制动系统的关键部件,它的性能优劣对高速列车高速行驶的安全性起着举足轻重的作用,因此,对研制的200ｋｍ/ｈ高速列车半金属制动材料需达到的性能指标为:摩擦表面温度低于500℃的情况下,摩擦系数为0.35±0.04;摩擦性能曲线满足线性要求;摩擦表面不能有裂纹及材料不能有掉块;磨损率达到国际铁路联盟标准ＵＩＣ514-4。
2 实验方法
2.1 原材料成分及粒度与配比见表1
表1 原材料成分、粒度与配比
2.2 制造工艺
2.2.1 混粉
将原材料按配比称料,然后在高速混料机中混粉2ｈ。
2.2.2 热压成型
将混合粉称重放入模具内,在100吨热压机上热压成形。
工艺参数:热压温度180℃±5℃,热压压力12～16ＭＰａ,保温时间8～10ｍｉｎ,放气3～5次。
2.2.3 固化处理
在鼓风干燥箱中固化处理。
工艺参数:210℃±5℃,固化处理时间15～18ｈ。
2.2.4 工艺路线
原材料→过筛→称重→混粉→热压成形→固化处理
2.3 试验室检测
在Ｄ-ＭＳ定速试验机上检测摩擦磨损性能。在1:1制动动力试验台上检测摩擦磨损性能。
3 结果和讨论
3.1 原材料的选择
3.1.1 增强纤维
半金属制动材料中加入纤维可以起到增强作用及改善摩擦磨损性能[1\〗。常用的增强纤维有石棉纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、硅酸铝纤维和钢棉。石棉纤维具有柔韧性、摩擦系数高、价格低廉等特性,但在制作和使用过程中污染大气及致癌。碳纤维和凯夫拉纤维具有强度高、耐热、耐磨、耐腐蚀等一系列优异性能是一种比较理想的增强纤维材料,但价格非常昂贵。硅酸铝纤维具有耐热、摩擦系数高、价格低等特性,但导热性差,易使半金属制动材料出现裂纹。
钢棉具有强度高、耐热、导热性好,摩擦系数高,且来源广泛价格低廉。故采用钢棉做为增强纤维。
3.1.2 树脂
树脂性能的好坏直接影响半金属制动材料的各种性能。树脂成分选用不当,会降低材料强度、耐热性。树脂含量过低,磨损增加;树脂含量过高会影响摩擦系数的稳定性。
通常采用的树脂为酚醛改性树脂,由于其使用温度为350℃,超过此温度树脂碳化,难以保证半金属制动材料的使用工况要求。为保证材料具有足够高的强度、耐热性、故采用了高温树脂。
3.1.3 增塑剂
半金属制动材料中加入增塑剂可以提高韧性、稳定摩擦性能。通常使用的增塑剂为轮胎粉、丁腈橡胶片及丁腈橡胶粉。通过反复试验,选用了丁腈橡胶粉做为半金属制动材料的增塑剂。
3.1.4 摩擦组元
为了提高摩擦系数达所要求的水平,材料中需加入摩擦组元[2]。对于摩擦组元应具有足够高的机械强度和硬度。以保证摩擦过程中大量能量消耗于摩擦组元的破损上,但也不能过高,否则固体颗粒的强度和硬度太高,破坏的将不是摩擦组元本身,而在很大程度上磨损了对偶材料。
摩擦组元还应具有与基体材料的湿润性或与它牢固的粘附,在这种情况下,要从基体分离出固体颗粒,将消耗很大的摩擦功,因而促进耐磨性提高。金属氧化物、某些碳化物、硼化物和难熔金属,可完全满足上述要求,并通常做为摩擦组元。
3.1.5 润滑组元
加润滑组元的目的是减少内外摩擦、降低单位压制压力和防止粉末松散[3]。有很多物质,将它们加入摩擦材料可改善抗卡滞性能,提高材料的耐磨性,促进摩擦性能稳定,但降低摩擦系数。金属中有铅、铋、锑等低熔点金属;非金属有石墨、二硫化钼、二硫化钨、硫化亚铜、某些金属氧化物、硫酸钡、硫酸亚铁等。
金属润滑组元铅来源广泛且属塑性金属,在配料中能改善压缩性,提高材料密度,降低材料磨损和摩擦系数并起到稳定摩擦性能的作用。但是,由于铅在制作和使用过程中,污染大气,故本材料用其它金属氧化物和硫化物来取代。
3.2 钢棉含量对摩擦磨损性能的影响
由图1、图2可看出,随着钢棉含量的增加,摩擦系数增加,磨损率增大,当钢棉含量达到40%(体积百分比)时,摩擦系数趋于稳定,而摩损率急骤增大;当钢棉含量低于25%时,摩擦系数急骤降低,达不到制动系统所要求的摩擦性能指标。
通过1∶1制动动力台架试验可看出,当钢棉含量超过40%时,材料的磨损量增大且伴有火花飞出,同时对偶盘也出现了划伤现象;当钢棉含量低于30%时,材料出现裂纹。因此,钢棉含量应在30%～40%。
图1 摩擦系数与钢棉含量的关系 图2 磨损率与钢棉含量的关系
3.3 丁腈橡胶粉含量对摩擦性能的影响
由表2可看出,随着丁腈橡胶粉含量的增加,在低速下的摩擦系数升高,当含量增加到6%(体积百分比)时,在各种时速下的摩擦系数达到了制动系统所提出的摩擦性能指标,且材料具有柔韧性,而且还消除了材料的微裂纹。
表2 在不同速度下摩擦系数与丁腈橡胶含量关系
3.4 二氧化硅和铸石粉对摩擦磨损性能的影响
二氧化硅和铸石粉都是摩擦组元。通过实验发现,随着二氧化硅含量的增加,摩擦系数升高,当二氧化硅含量超过一定量时,材料强度急骤下降,磨损增加,对偶材料出现划伤现象且有噪音。铸石粉是由二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁等金属氧化物组成,该材料具有高而稳定的摩擦系数,而且还具有润滑性能。通过反复试验,调整到这二种摩擦组元的合理配比,达到了所要求的摩擦性能。
3.5 石墨和二硫化钼对摩擦磨损性能的影响
石墨和二硫化钼是具有层状结晶构造的固体润滑剂,在石墨各个原子层之间、在二硫化钼各个分子层之间的结合力非常弱[4]。由于石墨和二硫化钼层与层之间相对位移所必需的切向应力不大,因而摩擦系数是低的,而且对材料起润滑作用。通过试验发现,随着石墨含量的增加,摩擦系数降低,耐磨性提高。当石墨含量达到一定量时,材料强度降低,表面出现微裂纹,而且有石墨粉尘飞出。随二硫化钼含量的增加,摩擦系数降低,耐磨性提高,而且二硫化钼与基体材料的浸润性优于石墨(因为选用的石墨是磷片状石墨),所以,材料表面光滑未见异常。但是,由于二硫化钼价格昂贵,混粉时工艺复杂,故以石墨为主,二硫化钼为铺。通过反复试验,调整到它们合理的配比,达到了稳定材料摩擦磨损性能的作用,而且材料表面光滑未出现裂纹等异常现象。
3.6 硫酸钡对摩擦磨损性能的影响
硫酸钡是润滑组元,它对摩擦性能也有好的影响[2]。通过试验发现,当硫酸钡含量为一定量时,摩擦性能曲线平滑,摩擦磨损性能稳定,能达到制动系统所要求的摩擦磨损性能指标。当硫酸钡含量过低,摩擦磨损性能稳定性差;反之不但摩擦系数低、材料出现微裂纹,而且给混粉造成困难,使其难以均匀分布。
3.7 热压成型工艺参数对材料成型的影响
通常采用的热压温度是160℃±5℃,压力8～12ＭＰａ,保温6～8ｍｉｎ。由于本材料采用的是高温树脂,使用该工艺,造成材料成型困难,这是因为树脂固化反应不完全,当调整热压温度为200℃±5℃、压力8～12ＭＰａ、保温6～8ｍｉｎ时,材料表面起泡,有微裂纹,这是由于材料过热,造成短时产生了大量气体且又不能及时完全排出。故采用的热压成型工艺参数为:热压温度为180℃±5℃、压力12～16ＭＰａ、保温8～10ｍｉｎ,放气3～5次。
3.8 固化处理工艺参数对摩擦磨损性能的影响
通常的固化处理温度是180℃±5℃,保温时间12ｈ。通过1∶1制动动力台架试验发现,采用此工艺,同一材料的摩擦系数,在制动比压、速度不变的情况下,随着时间的延长,摩擦系数逐渐增加,磨损量增大,而且材料出现微裂纹。这表明,树脂未充分固化,还有残余的低分子物,材料中的内应力未消除。为保证材料强度及摩擦磨损性能的稳定性,故采用了固化处理温度是210℃±5℃,保温时间15～18ｈ。
3.9 成分的确定
通过材料配方筛选、工艺试验、Ｄ-ＭＳ定速试验机试验及1∶1制动动力台架试验,研制成功了ＳＭＭ-94半金属制动材料,其成分配比见表1。
4 结论
1)通过材料配方筛选、工艺试验、Ｄ-ＭＳ定速试验机试验及1:1制动动力台架试验,研制成功了ＳＭＭ-94半金属制动材料。
2)1:1制动动力台架试验结果表明:ＳＭＭ-94半金属制动材料的摩擦系数为0.35±0.04,摩擦磨损曲线满足了线性要求,摩擦表面没有裂纹、材料没有掉块,磨损率达到国际铁路联盟标准ＵＩＣ514-4。
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