钢纤维含量对城轨列车合成闸片性能影响研究

Study on Effect of Steel Fiber Content on Performance of Synthetic Brake Pads for Urban Rail Transit Trains

摘要

钢纤维是合成闸片的主要增强纤维，研究钢纤维含量对合成闸片物理力学性能、摩擦磨损性能、导热性能及制动温度的影响，探究不同钢纤维含量的合成闸片摩擦磨损机理。结果表明：在一定范围内提高钢纤维含量可以提高合成闸片的力学性能和摩擦系数。当钢纤维的质量分数为36%~48%时，闸片高速摩擦系数的衰退明显改善。钢纤维含量高的合成闸片导热系数大，制动过程中摩擦界面温度较低，有利于高温环境下摩擦系数的稳定，在一定范围内提高钢纤维的含量会减小闸片的磨损率。综合分析，钢纤维的质量分数为36%左右时，合成闸片综合性能最佳。

Abstract

Steel fibers served as the primary reinforcing fibers in synthetic brake pads. The study investigated the effect of steel fiber contents on the physical and mechanical properties, friction and wear performance, thermal conductivity, and braking temperature of synthetic brake pads, and to explore the friction and wear mechanisms of synthetic brake pads with varying steel fiber contents. The results showed that increasing the steel fiber content within a certain range could improve the mechanical properties and friction coefficient of the synthetic brake pads. When the mass fraction of steel fibers ranged from 36% to 48%, the degradation of the friction coefficient at high speeds was significantly alleviated. Synthetic brake pads with higher steel fiber contents exhibited greater thermal conductivity, resulting in lower friction interface temperatures during braking, which was conducive to stabilizing the friction coefficient under high-temperature conditions. Increasing the steel fiber content within a certain range also reduced the wear rate of the brake pads. Based on a comprehensive analysis of the experimental data, the synthetic brake pad achieved optimal overall performance when the mass fraction of steel fibers was approximately 36%.

Graphical abstract

关键词

钢纤维 / 合成闸片 / 制动温度 / 摩擦机理

Key words

Steel fiber / Synthetic brake pad / Braking temperature / Friction mechanism

合成闸片是三元共混体系的复合摩擦材料，以橡胶弹性体改性酚醛树脂为黏结剂基体，耐热复合增强纤维为骨架，石墨、金属粉和无机矿物填料为摩擦性能调节剂，经混合、压制成型及热处理后制得成品。合成闸片中可用的增强纤维主要为无机矿物纤维、高强度有机纤维和金属纤维。目前国内外合成闸片均采用多种纤维混合使用以协同提高基体强度，达到耐热补强的目的^[1-5]。其中，钢纤维力学性能和导热性能优良，与橡胶树脂界面相容性好，且性价比高，在合成闸片中得以大量添加。YANAR等^[6]利用销盘试验机研究钢纤维对无石棉复合刹车片材料摩擦磨损特性和力学性能的影响，证明提高钢纤维含量有利于提高摩擦系数及其稳定性。HE等^[7]研究钢纤维不同方向取向，包括随机分散、平行于滑动方向和垂直于滑动方向对有机摩擦材料摩擦磨耗性能的影响及其磨损机理。MONREAL-PÉREZ等^[8]研究钢纤维长度对铁路用闸瓦摩擦性能及磨损机理的影响。城轨列车速度高，对运营安全要求严苛，合成闸片需要在不同工况下保持稳定的摩擦系数，以保证制动距离精准，在使用过程中不能出现影响运营安全的掉块及裂纹；同时闸片应具有较高的使用寿命，不应导致制动盘热损伤和异常磨耗。城轨列车使用的合成闸片摩擦体添加大量钢纤维，由于钢纤维的材料特性，大量添加容易引起制动盘过度磨损及制动噪声^[9-10]。

本文研究钢纤维含量对城轨合成闸片物理力学性能、摩擦磨损性能及制动温度的影响，探究不同钢纤维含量的城轨合成闸片摩擦磨损机理，为城轨合成闸片的配方设计提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

酚醛树脂，3650，江门市昆益树脂材料科技有限公司；丁腈橡胶，N220，住友橡胶(中国)有限公司；鳞片石墨，5303N，烧失量大于85%，20~40目，聚能石墨有限公司；钢纤维，DF1-3.5，南阳市军龙实业总公司；矿物纤维，LCF101，丹麦Lapinus公司；还原铁粉，铁质量分数大于98%，150目，唐山丰南奥盛商贸有限公司；氧化铝，质量分数大于75%，800目，中国长城铝业有限公司；硫酸钡，质量分数大于99%，325目，安亿纳米材料有限公司。

1.2 仪器与设备

预混设备，100 L犁耙式混料机，郑州金和粉体科技有限公司；终混设备，10 L加大型密炼机，佰弘机械(上海)有限公司；热压设备，300T液压成型机，南通巨能锻压机床有限公司；烘箱，GT-7017-ELU，高特威尔科学仪器(青岛)有限公司；全自动洛氏硬度计，Gemini 6000G2，轶诺仪器(上海)有限公司；电子万能材料试验机，3345，英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司；电子天平，AT201，梅特勒托利多科技(中国)有限公司；摆锤式冲击试验机，CEAST 9050，英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司；导热仪，LFA467激光导热仪，耐驰科学仪器商贸(上海)有限公司；金相显微镜(OM)，XJL-03，上海光学仪器厂；扫描电镜(SEM)，NIMTE SEM-1000，中国科学院宁波材料技术与工程研究所；能量色散X射线光谱仪(EDS)，Quantax EDS，布鲁克(上海)科技有限公司；高速1∶1制动动力试验台，3646型，林科交通测试技术(上海)有限公司。

1.3 样品制备

为了研究钢纤维含量对合成闸片性能的影响，以钢纤维的含量做变量设计4组配方。表1为4组样品的配方。按照表1进行配料，将钢纤维及矿物纤维用犁耙式混料机预混，料筒50 r/min，飞刀800 r/min。终混采用密炼混料，密炼时间20 min，密炼温度不超过80 ℃。热压成型，压制压力20 MPa，压制温度(150±5) ℃，压制时间25 min。由于树脂在高温高压下会发生交联反应释放气体，为防止摩擦材料内部产生气孔等缺陷，压制20 s后需要进行排气。固化程序设置为室温至180 ℃阶梯升温，升温速率5 ℃/min，在160 ℃和180 ℃各保温2 h，随炉降温自然冷却到室温后取出成品。

1.4 性能测试与表征

密度测试：按GB/T 1033.1—2008中的A法-浸渍法进行测试，试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm。

压缩强度测试：按GB/T 1041—2008进行测试，速度为1 mm/min，试样尺寸为10 mm×10 mm×20 mm。

压缩模量测试：按GB/T 1041—2008进行测试，速度为1 mm/min，取值范围为应变0.05%~0.25%，试样尺寸为10 mm×10 mm×20 mm。

冲击强度测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，试样尺寸为50 mm×6 mm×4 mm。

洛氏硬度测试：按GB/T 3398.2—2008进行测试，试样尺寸为45 mm×45 mm×20 mm。

导热系数测试：按GB/T 22588—2008进行测试，试样尺寸为10 mm×10 mm×2.5 mm。

摩擦磨损性能测试：按T/CAMET 04004.9—2018进行测试，利用高速1∶1制动动力试验台，用于试验的闸片是实物，不能使用缩小比例闸片样品用于试验，对偶制动盘材质为蠕墨铸铁，制动试验模拟地铁列车实际轴重8 t，常用制动压力设置为38 kN，紧急制动压力设置为46 kN，分别在时速40、60、80、120、135 km/h下测试合成闸片干燥工况的平均摩擦系数。磨耗量按称重法称量确定，称量器具精度不低于0.2 g。

摩擦表面温度测试：在样品的摩擦体上打热电偶孔，靠近样品摩擦表面1 mm处安装热电偶，利用摩擦磨损试验台采集制动过程中的最高温度。

微观组织形貌观察和EDS分析：用金相显微镜和扫描电镜观察合成闸片摩擦面的微观组织形貌，用能量色散X射线光谱仪分析摩擦面元素成分及分布。通过对比4组样品摩擦试验前后的摩擦面微观组织和元素分布，研究不同钢纤维含量合成闸片的摩擦磨损机理。

2 结果与讨论

2.1 合成闸片的物理力学性能

表2为4组样品的力学性能。从表2可以看出，随着钢纤维含量的增加，合成闸片的密度和洛氏硬度呈线性增大。这是因为钢纤维的硬度和密度较大，随着钢纤维含量的增加，钢纤维在基体组织中均匀分布，使闸片密度和洛氏硬度呈线性增大。合成闸片的冲击强度和压缩强度在一定范围内(钢纤维质量分数12%~36%)随着钢纤维含量的提高基本呈线性提高，说明在此含量范围内钢纤维与树脂基体的界面黏结作用较好，在树脂的包覆作用下，钢纤维在基体组织中起到增强金属骨架的作用。继续提高钢纤维的质量分数至48%时，冲击强度和压缩强度不再随钢纤维含量的提高而增大，闸片的洛氏硬度和密度持续增大，合成闸片硬度高会加剧对制动盘的磨损及制动过程中噪声的产生。不同钢纤维含量的闸片力学性能变化说明在一定范围内钢纤维含量的提高有助于提高合成闸片摩擦体的韧性和强度，使摩擦体能承受制动过程中的冲击、剪切及压力，在制动过程中不会出现裂纹、掉块等异常状况^[11]。当基体酚醛树脂和丁腈橡胶的含量固定，钢纤维含量超过一定限值，继续增加钢纤维含量会使钢纤维与橡胶树脂的界面结合变差，从而影响摩擦体的力学性能提高^[12-13]。

2.2 合成闸片的摩擦性能

图1为4组样品的平均摩擦系数。从图1可以看出，合成闸片的摩擦系数随着速度及压力的提高而降低，这是因为在高速和大压力级别的制动工况下，制动温度升高，摩擦热使摩擦界面温度达到或超过聚合物基体的热分解温度，基体受热变形分解在摩擦界面形成复杂气膜及焦油状液态物质，起到润滑作用^[14]。同时摩擦热增多聚合物基体分解导致界面键合断裂，增磨组分从摩擦面脱落，降低摩擦面剪切强度，导致摩擦系数降低^[15-16]。闸片摩擦面的钢纤维作为硬质凸点且材质和制动盘接近，在摩擦过程中会对制动盘产生犁沟及黏着效应，增加制动过程的剪切力，因此提高钢纤维含量闸片摩擦系数会增大。4组合成闸片样品在低速段(40、60、80 km/h)时，合成闸片摩擦系数的提高与钢纤维含量的增加基本呈线性关系。当制动速度提高至100 km/h以后，钢纤维含量低的样品1(钢纤维质量分数12%)和样品2(钢纤维质量分数24%)高速摩擦系数衰退明显；而样品3(钢纤维质量分数36%)和样品4(钢纤维质量分数48%)高速摩擦系数的衰退明显改善。这是因为钢纤维作为金属纤维导热快，制动过程中摩擦表面积聚的热量可快速消散，保障增磨组分与基体的结合，提高摩擦材料的耐热性能，同时在高温下钢纤维微凸点与铁基制动盘产生较多的黏着点，导致制动过程剪切力增加，表现为摩擦系数稳定性提高^[17]。

2.3 合成闸片的导热性及制动过程温度

在高速和大压力级别制动工况下合成闸片摩擦界面处会产生大量热量，由于合成闸片本身导热性差，闸片表面温度会急剧升高，因此在制动过程中，需要快速消散摩擦界面处产生的大量热量来保障摩擦系数的稳定。图2为4组样品的摩擦表面制动温度。从图2可以看出，随着速度的提高，4组样品的摩擦表明制动温度均升高，随着钢纤维含量的提高闸片摩擦面温度降低，相同工况下最大温差可达50 ℃左右。

将4组样品分别进行导热系数测试，从材料本身属性解释钢纤维含量对制动过程温度的影响。图3为4组样品的导热系数。从图3可以看出，钢纤维含量高的合成闸片导热系数大。这有利于摩擦表面热量快速传递，具体表现为制动过程温度较低，闸片摩擦系数稳定^[18]。

2.4 合成闸片的摩擦面微观组织

图4为4组样品摩擦试验前后摩擦面的OM照片。从图4b和图4d可以看出，钢纤维含量低的闸片摩擦试验后摩擦表面均出现明显的犁沟状磨痕和材料脱落形成的凹坑。钢纤维含量低的合成闸片制动过程摩擦面会产生瞬间热量积聚和温度升高，加速有机基体分解，闸片摩擦面微凸体受到剪切力作用时，产生的摩擦阻力大于微凸体与基体的结合力，微凸体被剪切、剥离形成凹坑。同时脱落的硬质组元在制动过程中充当磨粒，在摩擦表面犁削形成磨痕。从图4f和图4h可以看出，摩擦面有大量钢纤维分布。钢纤维含量高，摩擦面产生的热能迅速传递，有机基体热分解程度小，摩擦组元不易被剪切剥离，钢纤维在剪切应力的作用下发生塑性变形^[19]。从图4f可以看出，摩擦面光滑平整，无明显犁沟状磨痕，说明钢纤维含量达到36%时更容易形成稳定摩擦层，稳定的摩擦层有利于摩擦系数的稳定。从图4h可以看出，有犁沟状磨痕，说明继续提高钢纤维含量，钢纤维与基体之间的界面结合作用减弱，导致钢纤维磨损加剧，出现犁沟状磨痕。

图5为4组样品摩擦试验前后摩擦面的SEM照片。从图5b和图5d可以看出，钢纤维含量低的合成闸片制动试验后摩擦面凹凸不平，有材料脱落形成的小坑，说明在制动过程中硬质颗粒容易从摩擦基体脱落，导致高速制动摩擦系数衰退。从图5e可以看出，钢纤维被基体包覆，与基体界面结合强度高。从图5f可以看出，在制动试验后大量钢纤维在剪切力作用下发生塑性变形，同时存在对偶材质转移现象，制动试验后摩擦面平整光滑形成稳定的摩擦层，磨屑主要呈片状脱落。从图5g可以看出，钢纤维与基体材料之间边界清晰，说明钢纤维与基体界面结合强度低。从图5h可以看出，制动试验后钢纤维发生严重的塑性变形，基本观察不到纤维形貌，对偶材质转移增多，摩擦面有组分脱落形成的凹坑同时形成一定的摩擦层，说明钢纤维质量分数提高至48%会加剧对闸片和制动盘的磨损。综上所述，钢纤维质量分数在36%左右时，合成闸片的摩擦面容易形成稳定的摩擦层，即摩擦第三体。第三体是受高剪切力变化及温度影响的相对稳定的接触区域，第三体形成可以稳定摩擦系数减小磨耗^[20-21]。

图6为4组样品摩擦试验前后摩擦面的C元素分布，图7为4组样品摩擦试验前后摩擦面的Fe元素分布。从图6和图7可以看出，制动试验前后摩擦面C和Fe元素的含量变化较大。制动试验前可以看到摩擦表面有大量C元素的富集区，其成分主要是橡胶、树脂及石墨等含C量较高的组分，Fe元素富集区可以观察到明显的钢纤维形貌。制动试验后摩擦表面C元素含量减少，说明高温条件下有机基体橡胶树脂分解，Fe元素含量增多且分布面积变大。可以看出，制动过程钢纤维发生明显的塑性变形，同时摩擦过程伴随着对偶材料转移，钢纤维含量越高对偶材料转移现象越明显，说明提高钢纤维含量会加剧对偶制动盘的磨损。

2.5 合成闸片的磨耗量

表3为4组样品的磨耗量。从表3可以看出，钢纤维质量分数在12%~36%范围内时，随着钢纤维含量的提高，闸片的磨耗量呈降低趋势。这是由于钢纤维含量高的合成闸片有机基体不易分解失效，能够更好地抓附钢纤维及其他增磨组分，稳定摩擦系数的同时减小磨耗量。同时钢纤维含量高的闸片摩擦面在高温下容易形成一层金属保护膜，起到润滑作用抑制磨损，从而降低磨耗量^[22]。当钢纤维含量超过阈值上限，与有机基体的界面结合变差，高温下钢纤维与有机基体界面之间容易形成热裂纹加剧疲劳磨损。因此，当钢纤维的含量超过一定的临界值后，磨粒、黏着和疲劳几种类型的磨损同时发生导致闸片磨耗量增大。

3 结论

本文通过研究不同钢纤维含量对合成闸片物理力学性能、摩擦磨损性能、制动过程中的温度影响以及对摩擦面微观组织及成分进行分析，探究不同钢纤维含量闸片的摩擦磨损机理。结果表明：合成闸片钢纤维质量分数在12%~36%之间时，合成闸片摩擦体的洛氏硬度、密度、冲击强度、压缩强度、压缩模量随着钢纤维含量的增加而提高。继续提高钢纤维质量分数至48%时，闸片密度、洛氏硬度增大，摩擦体压缩强度和冲击强度降低。提高钢纤维含量可以整体提高闸片的摩擦系数，当钢纤维的质量分数为36%~48%时，闸片高速摩擦系数衰退减小。钢纤维含量高的合成闸片导热系数大，在制动过程中能够使热量尽快消散传递消散，摩擦界面温度较低，有利于高温环境下摩擦系数的稳定。钢纤维质量分数在12%~36%范围内时，提高合成闸片中钢纤维的含量会减小闸片的磨耗量，当钢纤维含量超过一定限值后磨耗量增大，同时提高钢纤维含量会加剧对制动盘的磨损。综合以上试验数据，合成闸片中钢纤维的质量分数为36%时性能最佳，闸片摩擦体强度高，摩擦系数稳定且磨耗量小。

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基金资助

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