Evolution of Tribological Behavior and Wear Life of Brake Pads for High-Speed Trains
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摘要:
采用高速销-环式摩擦磨损试验机，对燕尾I-C型闸片在350 km/h速度水平下的摩擦学行为、闸片各组元的损伤机制和磨损寿命进行了系统的分析. 闸片平均摩擦耗散能为0.113 cm3/MJ，接近1:1制动试验台的测试结果0.14 cm3/MJ. 不同循环次数下的高速摩擦磨损试验中，主要发生磨粒磨损和黏着磨损，平均摩擦系数呈现一定波动性，介于0.4~0.44. 循环试验次数增加，闸片表面摩擦层的厚度和连续性增强，80次循环摩擦试验后环表面存在厚度不均的富Cu-Cr摩擦层. 经拟合计算，350 km/h速度水平的紧急制动工况下，闸片的磨损寿命大约为341次. 闸片半原位磨损试验表明：增强组元易于破碎脱落，特别是紧邻石墨组元的部分；磨屑可能会脱离摩擦界面、储存在闸片表面低洼处或压实成摩擦层；在剪切力、磨屑的犁削以及摩擦副的黏着作用下，表面的摩擦层会经历去除和生成的过程.
Abstract:With the continuous improvement of high-speed train running speed and heavy load technology, the energy dissipation density and thermal shock between the braking pads- braking discs friction pair have also increased significantly, which undoubtedly constitutes a serious challenge for the friction and wear performance of the disc braking system, especially the braking pads material as a wearable and necessary part. In this paper, from the perspective of energy dissipation, the friction and wear behavior characteristics and wear life of dovetailed I-C type braking pads at a speed level of 350 km/h with different cumulative cycle times (service cycles) were thoroughly investigated using a high-speed pin-ring friction and wear tester instead of a 1:1 brake bench test equipment based on the principle of specific experimental parameter selection. In addition, semi-in-situ wear experiments were carried out in order to characterize in detail the damage mechanism of each component in the braking pads. The conclusions of this paper were as follows. The average friction coefficient of the pin-ring friction pair under different number of cyclic experiments was mainly distributed between 0.4 and 0.44, with certain fluctuation. 40 and 80 cyclic experiments resulted in similar wear surface morphology of the pin, with a large number of plow grooves, craters, fragmentation of reinforcing components, oxide adhesion, and edge spalling phenomena. The thickness and continuity of the friction layer on the wear surface of the pins (braking pads) increased with the growing number of cycles, and after 80 cycles, there were uneven thicknesses of friction layers enriched with Cu and Cr, bar attachments along the frictional sliding direction, and a large number of furrows on the ring surface. The 350 km/h condition of the braking pads was mainly characterized by abrasive and adhesive wear, and the reinforcing elements were fragmented and detached under cyclic shear and compressive stresses, especially the reinforcing elements immediately adjacent to the graphite elements. A large number of abrasive particles existed between the friction interfaces, resulting in severe abrasive wear. The abrasive particles may detach from the friction interface, be stored in the low-lying areas on the surface of the braking pads, or be compacted into a friction layer. The friction layer on the surface experienced a process of removal and generation under shear, plowing of the abrasive chips, and adhesion of the friction pair. The use of small-scale (laboratory-level) equipment and the adoption of certain experimental parameter selection principles could make the experimental results comparable with those of the 1:1 braking test bench. The average frictional dissipation energy of the braking pads at the speed level of 350 km/h was 0.113 cm3/MJ, which was close to that of the 1:1 braking test bench provided by the iron academy of science with the test result of 0.14 cm3/MJ. The wear life of the braking pads was 192 times, which corresponded to 341 times of emergency braking under the actual working condition of 350 km/h speed. The results of this paper could provide a reference for the improvement of the safety of the braking system and the development of new material systems for high-speed railroads from the point of view of tribological research.
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Keywords:
- wear lifetime /
- friction and wear /
- brake pad /
- wear mechanism /
- material tribology
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作为高速铁路发展的核心技术之一，制动系统直接影响着高速列车的运行安全性、稳定性和舒适性[1-2]. 随着我国高速列车向更高速化、安全化、智慧化、经济化和舒适化等目标发展，对高速列车盘式制动系统，尤其是作为易损件、必备件的闸片材料的摩擦系数稳定性、摩擦行为的可预测性及服役寿命等构成了严峻的挑战[3].
目前，研究者对不同工况参数下闸片的基本摩擦磨损规律进行了深入探索，得到了大量具有参考性的结果. 例如，制动速度主要影响摩擦界面温度、微凸体所受冲击力的大小以及摩擦膜的形成和附着[4-7]，温度主要影响闸片氧化行为、闸片基体力学性能的衰退和润滑组元的失效等[8-10]，从而在不同方面影响闸片的制动行为. 此外，对于闸片材料，已经形成了较为成熟的性能优化途径，例如，对非金属组元进行表面包覆金属处理改善其与基体之间润湿性[11-14]，闸片基体合金化来提高闸片的强度和硬度等[15-16]. 然而，值得注意的是研究者较少关注材料在同一试验条件下的摩擦磨损行为演变，或对闸片材料不同寿命周期下的摩擦磨损行为及服役寿命预测计算较少. 此外研究者更多关注摩擦副的磨损机制，对闸片中各组元的损伤行为分析不够深入，试验结果的参考价值存在一定的限制.
鉴于以上研究背景，本研究从能量耗散的角度出发，使用高速销-环式摩擦磨损试验机代替1:1制动台架试验设备，在350 km/h的速度水平下基于特定的试验参数选择原则，对燕尾I-C型闸片不同累计循环试验次数(服役周期)下摩擦磨损行为特征和磨损寿命进行了深入研究. 此外，为了详细表征闸片中各组元的损伤机制，开展了半原位磨损试验. 本文中的研究结果可从摩擦学研究的角度，为高速铁路制动系统安全性的提高和新材料体系的开发提供参考.
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料
本文中的试验材料分别为中国铁道科学研究院提供的在役(商业)闸片和制动盘加工而来. 其中闸片为铜基粉末冶金材料(燕尾I-C型)，制动盘为铸钢，制动盘的成分(质量分数，w)列于表1中.
表 1 制动盘材料的成分Table 1. Braking disc material compositionw (Fe)/% w (C)/% w (Cr)/% w (Si)/% w (Mo)/% w (V)/% w (Mn)/% Balance 0.27~0.33 1.0~1.3 0.4~0.7 0.2~0.5 0.3~0.4 0.5~0.8 铜基粉末冶金材料闸片主要由铜合金基体添加一定的润滑组元和增强组元等组成，由于个别组元尺寸较大，形状不规则且分布均匀性的限制，难以对闸片成分做精确的表征. 为此，我们对闸片材料在40倍数下进行了10次能谱分析，对每一次的检测结果中各元素含量取平均值并计算误差，来提升结果的可信程度，检测结果列于表2中. 闸片的密度为5.41 g/cm3，剪切强度为22 MPa，硬度为18HBW，制动盘硬度为42HRC.
表 2 闸片材料的成分Table 2. Braking pad material compositionw (C)/% w (Cu)/% w (Fe)/% w (O)/% w (Cr)/% w (Si)/% w (S)/% w (Mo)/% w (Zr)/% 34.31±3.90 37.23±2.26 16.73±1.73 5.29±0.68 3.75±0.48 1.22±0.22 0.28±0.04 0.33±0.04 0.84±0.24 1.2 试验方法
1.2.1 试验设备
为了评价闸片在350 km/h速度水平下的摩擦磨损行为和磨损寿命，针对在役燕尾I-C型闸片(刹车片)和铸钢制动盘摩擦副，使用自研高速销-环式摩擦磨损试验机等效1:1制动试验台进行了不同循环次数的摩擦试验，试验设备如图1所示. 试验机由试验部分、加载部分、润滑系统(可满足常温和高温润滑)和红外测温系统等组成，此外为了等效1:1制动试验台设备的动能耗散大小，设备添加了摩擦功实时计算模块. 试验机高速电主轴转速最高可达22 000 r/min，最大线速度为100 m/s. 设备通过闭环的伺服机械系统实现恒力加载，切向力和法向力传感器范围为0.5~500 N. 为了实时监测试验过程中的摩擦温度变化，设备还装配了Fluke Ti32红外热像仪，温度测量范围−20~600 ℃.
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图 1 高速销-环式摩擦磨损试验机主要结构Figure 1. Main structure of high-speed pin-ring friction and wear tester1.2.2 试验参数
高速销-环摩擦磨损试验参数的选取原则中，试验速度选取原则参考国标规定的台架试验不同速度条件下的制动能量密度；试验时间的选择主要参考台架试验中不同速度下消耗的动能大小，结合高速销-环试验设备中的摩擦功实时计算模块，实现等能量消耗的循环摩擦试验；试验过程中摩擦副间的压力水平与台架试验保持一致，以实现相同的能量耗散功率.
为等效燕尾I-C型闸片(轴装)1:1制动试验台350 km/h速度水平下的制动，参考铁总标准TJ/CL 307–2019动车组闸片暂行技术条件附录中C.6测试程序，计算动能耗散大小以及制动能量密度. 1:1制动试验台设备轴重5 700 kg，其能量耗散大小Ek可由公式(1)计算：
$$ {E}_{\mathrm{K}}=\frac{1}{2}m{v}^{2} $$ (1) 其中，Ek为1:1制动试验台的能量耗散大小，单位J；m代表1:1制动试验台轴重，单位kg；v代表1:1制动试验台的制动盘外沿线速度，单位m/s. TJ/CL 307–2019动车组闸片暂行技术条件标准附录C.6中规定试验摩擦半径为247 mm，制动能量密度为摩擦界面的动能与接触面积之间的比值，计算方法如公式(2)所示：
$$ \mathrm{B}\mathrm{E}\mathrm{D}=\frac{\dfrac{m{v}_{1}^{2}}{2}}{S} $$ (2) 其中，v1代表摩擦半径上的线速度，单位m/s；BED为制动能量密度，单位J/cm2，S代表1:1制动试验台中燕尾I-C型闸片的有效摩擦面积，大小为550 cm2. 本文中的高速销-环摩擦磨损试验中对应1:1制动试验台同等速度水平下的能量耗散大小Ek1可由公式(3)计算：
$$ {E}_{\text{k1}}={E}_{\mathrm{K}}\times \frac{{S}_{1}}{S} $$ (3) 其中，S1代表本文中的高速销-环试验中的摩擦接触面积，按预磨后85%的贴合水平，大小为0.43 cm2. 结合公式(1~3)，燕尾I-C型闸片(轴装)应用1:1制动试验台时，350 km/h试验速度下的动能耗散大小为26 938 657.41 J，对应高速销-环摩擦磨损试验中20 916.15 J的动能耗散大小；制动能量密度为14 121.85 J/cm2，对应高速销-环摩擦磨损试验中54.91 m/s.
总结而言，由表3中所列数值可知，本文中试验选取更为苛刻的单次能量耗散(摩擦力做功)，大小为37 195 J对应于1:1制动试验台350 km/h速度条件下制动1.78次；试验速度为54.91 m/s对应1:1制动试验台的350 km/h试验速度；载荷0.6 MPa对应1:1制动试验台的中等载荷大小；循环试验次数包括10、14、20、40、60和80次.
表 3 高速销-环滑动磨损试验参数Table 3. Test parameter of the high-speed pin-ring wear testNumber of cycles Normal load/MPa Speed/(m/s) Energy dissipation/J 10 0.6 54.91 37 195 14 20 40 60 80 1.2.3 试验步骤
高速销-环摩擦磨损试验中，环外径为108 mm，厚16 mm，由在役制动盘机加工而成；销直径为8 mm，长度为15 mm，由在役闸片机加工而成.
对于闸片的高速摩擦磨损行为，本文中使用高速销-环摩擦磨损试验机，开展闸片-制动盘摩擦副350 km/h速度水平下不同循环次数下的摩擦试验，循环试验次数包括10、14、20、40、60和80次. 如1.2.2节所描述的，单次循环试验中试验时间这一参数用试验过程中设备实时计算的摩擦力做功代替，每次循环试验摩擦力做功大小一致，单次试验中一旦达到所设定的摩擦功阈值时试验停止，待样品冷却至室温再进行下一循环试验.
正式开始试验之前，销和环样品首先经历适当的预磨，使闸片与制动盘贴合面积超过85% (42.704 mm2)，预磨结束后对销样品(闸片)称重，使用2 000目砂纸清理环(制动盘)表面. 随后设定转速、载荷和摩擦功阈值参数，开启红外测温设备. 试验开始后高速电主轴带动环样品达到设定的转速，随后，加载装置带动销样品进行加载，试验开始进行. 当到达设定的摩擦功阈值时，电主轴停止转动，1个循环试验结束. 进行目标循环摩擦次数后更换新的销样品进行试验，盘样品由于服役寿命较长，对其表面的摩擦层进行清理，便可开展下一循环次数的试验.
众多研究者通常对磨损试验之后的闸片或制动盘进行表征，根据其损伤形貌去推测材料的磨损机制. 但值得注意的一点是，闸片作为多组元复合材料，其中各组元的损伤行为分析也是必要的. 为此文本中不同累计能量耗散下，开展了闸片固定磨损区域的半原位观察试验，以进一步分析各组元在服役过程中的损伤行为. 因此我们重新制作了销样品，试验中单次能量耗散阈值选择5 kJ，预磨程度、试验速度和试验载荷等与之前的循环高速摩擦磨损试验相同，每次5 kJ能量耗散试验结束后，将夹具卸下进行同一区域各组元形态的场发射扫描电子显微镜(SEM)观察，随后将夹具安装回原始位置，进行下一次5 kJ的能量截止试验，共进行5次.
1.3 分析与表征
采用KEYENCE VHX-
6000 光学显微镜观察了制动盘的光学显微组织，样品采用机械研磨法制备，然后在体积分数为4%的硝酸酒精溶液中腐蚀. 磨损三维形貌通过KEYENCE VR-3200 轮廓测量仪采集，同时使用RTEC公司的白光干涉仪对环的磨损形貌进行了精细表征. 通过场发射扫描电子显微镜(SEM，Zeiss Sigma 500，Germany)观察磨损形貌和微观结构，该仪器集成了能量色散X射线光谱(EDS)分析系统来确定化学成分. 此外该设备也集成了和电子背散射衍射(Symmetry，Oxford)分析系统. 为了确定物相组成，采用D/Max-2500PC型X射线衍射仪(XRD，日本RIKEN公司)，在Cu Kα辐射(0.154 18 nm)下，以3 (°)/min的扫描速率从20°扫描到60°.2. 试验结果与讨论
2.1 闸片和制动盘的组织结构
2.1.1 闸片的组织结构
当下商业闸片通常以铜合金为基体，添加润滑组元和增强组元来获得理想的摩擦学性能[17]. 图2所示为闸片的显微结构，其中润滑组元(如石墨和MoS2)可以缓解摩擦过程中闸片与制动盘之间的异常接触现象，以保证制动平稳性，并提高复合材料的耐磨性能. 而增强组元(如SiO2、ZrO2、Fe和CrFe)作为复合材料中的硬质点，可补偿固体润滑剂带来的过度减摩作用，抑制黏着并有利于摩擦表面的最佳啮合[18]. 此外，基体中适量的增强组元在摩擦过程中还可起到“钉扎”作用，防止基体迁移和流失，改善耐磨性能. 闸片的截面形貌和能谱面分布结果表明，石墨形貌由于其易于滑动的晶体结构，在压制过程中与摩擦表面平行[1].
图3所示为闸片和制动盘的XRD图谱. 铜基闸片中出现了有关石墨相和Cu相的强烈衍射峰. 在2θ为44.55°左右出现了CrFe相，与Peng等[19]的研究结果相似. Cu在2θ为43.40°和50.46°时的主峰与Cr2Fe14C相主峰位置重叠，XRD图谱难以区分. 高强度的Fe相衍射峰出现在制动盘的XRD图谱中2θ为44.67°的位置.
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图 3 闸片和制动盘原始表面的XRD图谱Figure 3. XRD patterns of the original surface of the braking pad and disc2.1.2 制动盘的组织结构
对于特定成分的耐磨、润滑材料，利用热处理和表面工程技术等手段能够实现材料的微观组织结构调控，进而优化摩擦学性能[20]. 本文中的制动盘显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体，如图4(a)和图4(b)所示. 样品的反极图[图4(c)]表明索氏体组织的晶粒没有明显的择优取向. 此外，根据Schmid因子图[图4(d)]，没有发现明显的Schmid因子差异. 图4(e)给出了晶界(GB)图，其中绿线代表小角度晶界(LAGB，2°~15°)，而黑线代表大角度晶界(HAGB，>15°). 可以明显看出，HAGB的含量(约69.7%)多于LAGB的含量(约30.3%).
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图 4 制动盘的组织结构(a)制动盘的光学显微镜照片，(b)图像质量(IQ)图，(c)反极图(IPF)图，(d) Schmid因子分布图，(e)晶界图Figure 4. The organizational structure of the braking disc (a) optical microstructure of braking disc, (b) the image quality (IQ) map, (c) inverse pole figure (IPF) map, (d) Schmid factor distribution, (e) grain boundary map2.2 闸片的高速摩擦磨损行为
2.2.1 摩擦系数
图5所示为销(燕尾I-C型闸片)与环(铸钢制动盘)摩擦副，在等效1:1制动试验机350 km/h速度条件下不同循环摩擦试验次数(服役周期)下的平均摩擦系数. 试验结果表明，不同循环试验次数下的摩擦系数具有一定的波动性. 随着循环次数的增加，未发现明显的摩擦系数衰退行为，摩擦系数主要分布在0.4~0.44之间，这表明目标闸片制动性能稳定，在高速制动条件下仍保有优异的制动性能.
2.2.2 磨损表面形貌
图6所示为40和80次循环摩擦试验后，销(闸片)的三维磨损形貌，沿着销的滑动磨损方向，分布着大量犁沟和部分凹坑，此外图6中销的上下边缘处以及右侧边缘部分存在部分剥落，这可能是由于试验过程中应力集中导致的. 40次循环下磨痕的最深处为139.16 μm，80次循环下磨痕的最深处为150.28 μm.
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图 6 不同循环次数下闸片的三维磨损形貌：(a) 40次循环，(b) 80次循环Figure 6. Three-dimensional wear morphology of braking pads with different cycles: (a) 40 cycles, (b) 80 cycles图7和图8所示分别为40和80次循环试验后，销的磨损表面形貌和成分特征. 结果表明40和80次循环试验后，销的磨损表面形貌基本相同，因此对于本研究中选用的商用闸片材料，不同服役周期下具有稳定的摩擦磨损性能. 具体而言，不同循环试验次数下，闸片表面均存在犁沟和部分的剥落坑，这可能与石墨的氧化以及磨料颗粒的脱落有关[21]；此外，能谱面分布结果表明，闸片表面均存在部分氧富集特征区域，有可能与摩擦膜的覆盖有关；此外闸片表面均存在破碎的CrFe磨料颗粒、浅灰色的Fe-Cu氧化物摩擦膜和深灰色的Fe氧化物；如图7(d)、图8(e)和图8(d)所示，闸片表面的ZrO2和SiO2在制动过程中也发生了破碎.
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图 7 40次循环试验后闸片磨损形貌的SEM照片及成分特征：(a) 40次循环试验后闸片的典型磨损形貌的SEM照片和能谱面分布结果，(b)区域1的三维磨损形貌，(c)、(d)和(e) 区域2、3和4的详细放大图，(f)典型磨损碎屑形态Figure 7. SEM micrographs of the wear morphology and composition characteristics of the braking pad after 40 cyclic tests: (a) typical wear morphology and EDS mapping of the pad after 40 cycles tests, (b) three-dimensional wear morphology of area 1. (c), (d) and (e) detail magnifications of areas 2,3 and 4, (f) typical morphology of wear debris![]()
图 8 80次循环试验后闸片磨损形貌的SEM照片及成分特征：(a) 80次循环试验后衬垫的典型磨损形貌和EDS面扫描，(b)区域1的三维磨损形貌，(c)、(d)、(e)、(f)和(g)区域2、3、4、5和6的细节放大，(h)典型的磨屑形貌Figure 8. SEM micrographs of the wear morphology and composition characteristics of the braking pad after 80 cyclic tests: (a) typical wear morphology and EDS mapping of the pad after 80 cycles tests, (b) three-dimensional wear morphology of area 1, (c), (d), (e), (f) and (g) detail magnifications of areas 2, 3, 4, 5 and 6, (h) typical morphology of wear debris值得注意的是，不同循环试验次数下，闸片表面磨料颗粒中存在部分区域的严重氧化，如图7(e)和图8(d)所示. 图7(e)和图8(f)的研究结果表明，不同循环试验次数下销磨损表面存在白色粒状MoS2，图8(c)的能谱面分布图中可以看出硬质Cr-Fe颗粒周围存在S元素富集，这是因为Cr会在烧结过程与MoS2分解生成的S的反应优先于Cu或Fe与S的反应，可能生成了复杂结构的CrxSy[22]. 本节中仅说明闸片中各组元的损伤形貌，对于各组元的损伤机制具体见2.3节.
图9所示为80次循环试验后，环(制动盘)磨损形貌的SEM照片及成分特征. 图9(a)的研究结果表明，环磨损表面分布着沿摩擦滑动方向的犁沟. 能谱的面分布结果表明，环表面存在大量铜的转移. 图9(b)所示为area 1的放大图，其能谱面分布结果进一步证明了环摩擦表面的材料转移，表面部分区域存在Cu和Cr元素的富集. Point 1的能谱分析结果表明，环磨损表面存在未严重氧化的区域，Fe和O含量的原子比分别为76.21%和17.39%. Point 2的能谱结果表明，环表面存在Cu-Fe氧化物的覆盖. Point 3的能谱结果表面，环表面的深灰色区域存在Cr、Fe、O和Cu的富集. 图9(d)的能谱线扫描结果同样证明了深灰色区域相同的元素富集特征.
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图 9 循环试验后制动盘磨损形貌的SEM照片及成分特征：(a)制动盘的低放大倍数磨损形态和能谱面分布图；(b)制动盘的高放大倍数磨损形态和EDS面分布图；(c)点1、2、3和4的EDS分析结果；(d) line 1的EDS线扫描结果Figure 9. SEM micrographs of the wear morphology and composition characteristics of the braking disc after cyclic tests: (a) the low magnification wear morphology and EDS mapping of the braking disc; (b) the high magnification wear morphology and energy spectrum surface distribution map of the braking disc; (c) EDS analysis results of points 1, 2, 3 and 4, (d) EDS line scan results of Line 1图10所示为环(制动盘)磨损表面的白光干涉仪扫描结果，研究结果表明，环磨损表面沿着摩擦滑动方向存在条形附着物以及大量的犁沟. 因此结合销和环的磨损形貌，在350 km/h速度水平下，同时发生磨料磨损和黏着磨损.
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图 10 制动盘磨损表面的白光干涉仪扫描结果Figure 10. White light interferometer scanning results of braking disc wear surface2.2.3 磨损截面形貌
图11所示为不同循环试验次数下销(闸片)的光学磨损截面形貌，对于14次循环试验下的销样品，其摩擦界面未见明显的摩擦层附着特征. 40次循环试验下的样品[图11(b)]表面存在摩擦层的附着，如区域1所示，但是摩擦层较薄且连续性较差. 80次循环试验下的样品[图11(c)]表面存在明显的摩擦层，如区域2所示，摩擦层的连续性较好.
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图 11 不同循环试验次数下闸片的光学磨损截面形貌照片：(a) 14次循环试验；(b) 40次循环试验；(c) 80次循环试验Figure 11. The optical wear cross-section morphology of the braking pad under different cycle test times: (a) 14 cycle tests; (b) 40 cycle tests; (c) 80 cycle tests图12所示为80次循环试验后，环(制动盘)的磨损截面形貌的SEM照片与成分特征，图12(a)的研究结果表明，环磨损表面存在厚度不均的摩擦层，环亚表面未发生组织转变，还为保持马氏体位向的回火索氏体. 能谱面分布图表明，摩擦层主要富集Cu，其内部还存在一些Cr富集，结合图12(b)图的研究结果，摩擦层表面可能存在Fe-Cu氧化物. 图12(c)的研究结果表明，摩擦亚表层存在1 μm厚的变形层.
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图 12 循环试验后制动盘的截面形貌的SEM照片及成分特征：(a)循环磨损试验后制动盘的截面形貌和Area1的EDS面分布结果，(b) line 1的EDS线扫描结果，(c) area 2的高倍放大图Figure 12. SEM micrographs of the cross-section morphology and composition characteristics of the disc after the cyclic test: (a) the cross-section morphology of the braking disc after the cyclic wear test and the EDS surface distribution results of area 1; (b) the EDS line scan results of line 1; (c) the high magnification of area 22.3 闸片各组元损伤行为的半原位观察
图13所示为销的初始表面形貌和不同能量耗散下的三维磨损形貌和粗糙度演变. 图13(a)的研究结果表明，预磨后销表面存在轻微的犁沟，能谱面分布结果表明销表面存在部分氧化物的附着. 图13(b)完整记录了不同累计耗散能量条件下，area 1 [图13(a)]的三维磨损形貌演变. 图13(b)的研究结果表明，随着耗散能量的积累，区域1的表面粗糙度发生波动，这表明区域1表面可能存在表面凹坑的填充和材料的剥落或去除行为.
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图 13 不同累计能量下销的磨损形貌：(a)销的初始表面形貌的SEM照片和EDS面分布结果；(b)销表面的三维磨损形貌和粗糙度演变Figure 13. The wear morphology of the pin under different cumulative energies: (a) SEM micrographs and EDS analysis of the initial surface morphology of the pin; (b) the evolution of the 3D wear morphology and roughness of the pin surface对图13中区域2在不同能量耗散条件下的磨损形貌进行分析，如图14所示. 结合图14(a)和图14(b)图的研究结果可知，销摩擦表面存在大尺寸磨料颗粒SiO2的剥落，即图14(d)和图14(e)所对比展示的. 此外，图14(f)和图14(g)的研究结果表明销表面存在摩擦膜的涂抹覆盖. 在结合图14(h)和图14(i)可知，区域3位置存在磨屑颗粒的压实行为. 图14(c)的区域4位置在5 kJ的试验过后，紧邻石墨的Cr-Fe磨料颗粒发生了破碎和脱落行为. 图14(j)的区域5位置存在摩擦膜的去除以及磨屑颗粒的堆积过程，即图14(o)和图14(p)所对比展示的. 图14(k)中的区域6位置展示了紧邻石墨的增强相脱落行为，图14(l)中区域7展示了石墨润滑组元的磨损，这是由于石墨材料较软且容易被磨屑中的硬质颗粒犁削[23].
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图 14 不同累计能量下销的磨损形貌的SEM照片：(a)初始磨损形貌，(b)和(c) 5 kJ和1 kJ能量耗散后的磨损形貌，(d)和(e)、(f)和(g)、(h)和(i)区域1、区域2和区域3的5 kJ能量耗散前后的磨损形貌，(j)、(k)和(l) 15 kJ、20 kJ和25 kJ能量耗散后的磨损形貌，(m)和(n)、(o)和(p)区域4和区域55 kJ能量耗散前后的磨损形貌，(q)和(r)区域6、区域7的放大图Figure 14. SEM micrographs of the wear morphology of the pin under different cumulative energies: (a) initial wear morphology, (b) and (c) wear morphology after 5 kJ and 1 kJ energy dissipation, (d) and (e), (f) and (g), (h) and (i) wear morphologies of area 1, 2 and 3 before and after 5 kJ energy dissipation, and (j), (k) and (l) wear morphologies after 15 kJ, 20 kJ and 25 kJ energy dissipation, (m) and (n), (o) and (p) wear morphologies before and after energy dissipation in area 4 and 55 kJ, enlarged images of area 6 and 7 in (q) and (r)由半原位观察结果可知，闸片在350 km/h的高速摩擦磨损试验过程中，在循环剪切应力和压应力作用下硬质磨料颗粒发生破碎，摩擦界面之间存在大量粒状磨屑，造成严重的磨料磨损. 这些磨屑一部分脱离摩擦界面或储存在闸片表面低洼处，另一部分在摩擦界面压实成摩擦膜涂抹覆盖在闸片和盘的表面. 闸片在剪切力、磨屑的犁削以及摩擦副的黏着作用下，表面的摩擦层会经历去除和生成的过程. 值得注意的一点是，在高能摩擦过程中，紧邻石墨组元的大尺寸磨料颗粒更容易发生破碎和脱落，这可能与其周围的承载能力差异所导致的.
2.4 闸片的磨损寿命评价
对不同循环试验条件下销(闸片)样品的磨损质量、磨损高度以及摩擦耗散能量进行了统计，其结果列于表4中. 结果表明，不同循环试验下，销的摩擦耗散能在0.093~0.140 cm3/MJ间波动；随着高速摩擦磨损试验循环次数的增加，磨损质量和磨损高速逐渐上升. 不同循环次数下的总平均摩擦耗散能为0.113 cm3/MJ，接近于铁科院提供的1:1制动试验台的测试结果0.14 cm3/MJ. 不同循环试验下，销样品的平均单次质量损失25 mg，平均单次磨损高度为90 μm.
表 4 不同循环次数下的磨损Table 4. The wear under different cyclesCycle number Mass loss/mg Wear height/μm Friction dissipation/(cm3/MJ) 10 252 926 0.093 14 330 1 210 0.114 20 592 2 174 0.140 40 914 3 357 0.108 50 1 040 3 817 0.101 60 1 672 6 142 0.132 80 1 742 6 396 0.106 铁总标准TJ/CL 307–2019动车组闸片暂行技术条件中规定了燕尾I型和非燕尾型粉末冶金闸片摩擦体(包括与摩擦体粘结在一起的背板)允许磨耗到剩余厚度5 mm(最薄处). 经测量本文中的研究对象燕尾I-C型闸片厚度为21 mm，因此，其最大可磨耗高度为16 mm.
为了计算销在等效1:1制动试验台350 km/h条件下的磨损寿命，如图15所示，我们对闸片磨损高度与循环次数之间的相关性进行了拟合. 结果表明，销的磨损高度和循环试验次数之间存在强烈的正线性关系，Pearson's r(皮尔逊相关系数)为0.97，R方为0.95证明拟合良好，拟合直线计算闸片的磨损寿命为192次. 由于本文中的高速销-环摩擦磨损试验中单次循环摩擦力做功能量为实际1:1制动试验台350 km/h下的1.78倍，因此根据拟合结果该闸片预计能够进行350 km/h速度条件下的紧急制动341次.
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图 15 销磨损高度与循环试验次数之间的相关性拟合Figure 15. Fitting of correlation between pin wear height and number of cycle tests3. 结论
本文中从能量耗散的角度出发，使用高速销-环式摩擦磨损试验机代替1:1制动台架试验设备，基于特定的试验参数选择原则，对燕尾I-C型闸片在350 km/h的速度水平下的不同累计循环试验次数(服役周期)下摩擦磨损行为特征和磨损寿命进行了深入研究. 此外，为了详细表征闸片中各组元的损伤机制，开展了半原位磨损试验. 本文中结论具体如下：
a. 销-环摩擦副在不同循环试验次数下的平均摩擦系数主要分布在0.4~0.44之间，具有一定的波动性. 40和80次循环试验后，销的磨损表面形貌相似，均存在大量犁沟、凹坑、增强组元破碎、氧化物附着和边缘剥落现象.
b. 随着循环试验次数的增加，销(闸片)的磨损表面摩擦层的厚度和连续性增强. 80次循环试验后，环表面存在富集Cu和Cr的厚度不均的摩擦层，沿着摩擦滑动方向存在条形附着物以及大量的犁沟.
c. 闸片350 km/h条件主要发生磨粒磨损和黏着磨损，在循环剪切应力和压应力作用下增强组元会发生破碎脱落，尤其是紧邻石墨组元的增强组元. 摩擦界面之间存在大量粒状磨屑，造成严重的磨料磨损. 磨屑颗粒可能脱离摩擦界面、储存在闸片表面低洼处或压实成摩擦层. 在剪切力、磨屑的犁削以及摩擦副的黏着作用下，表面的摩擦层会经历去除和生成的过程.
d. 使用小型(实验室级别)设备，采取一定的试验参数选取原则，可使其试验结果与1:1制动试验台之间具有一定的可对比性；闸片在350 km/h速度水平下平均摩擦耗散能为0.113 cm3/MJ，接近于铁科院提供的1:1制动试验台的测试结果0.14 cm3/MJ；经计算闸片的磨损寿命为192次，对应实际工况350 km/h速度条件下的紧急制动341次.
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图 1 高速销-环式摩擦磨损试验机主要结构
Figure 1. Main structure of high-speed pin-ring friction and wear tester
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图 3 闸片和制动盘原始表面的XRD图谱
Figure 3. XRD patterns of the original surface of the braking pad and disc
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图 4 制动盘的组织结构(a)制动盘的光学显微镜照片，(b)图像质量(IQ)图，(c)反极图(IPF)图，(d) Schmid因子分布图，(e)晶界图
Figure 4. The organizational structure of the braking disc (a) optical microstructure of braking disc, (b) the image quality (IQ) map, (c) inverse pole figure (IPF) map, (d) Schmid factor distribution, (e) grain boundary map
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图 6 不同循环次数下闸片的三维磨损形貌：(a) 40次循环，(b) 80次循环
Figure 6. Three-dimensional wear morphology of braking pads with different cycles: (a) 40 cycles, (b) 80 cycles
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图 7 40次循环试验后闸片磨损形貌的SEM照片及成分特征：(a) 40次循环试验后闸片的典型磨损形貌的SEM照片和能谱面分布结果，(b)区域1的三维磨损形貌，(c)、(d)和(e) 区域2、3和4的详细放大图，(f)典型磨损碎屑形态
Figure 7. SEM micrographs of the wear morphology and composition characteristics of the braking pad after 40 cyclic tests: (a) typical wear morphology and EDS mapping of the pad after 40 cycles tests, (b) three-dimensional wear morphology of area 1. (c), (d) and (e) detail magnifications of areas 2,3 and 4, (f) typical morphology of wear debris
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图 8 80次循环试验后闸片磨损形貌的SEM照片及成分特征：(a) 80次循环试验后衬垫的典型磨损形貌和EDS面扫描，(b)区域1的三维磨损形貌，(c)、(d)、(e)、(f)和(g)区域2、3、4、5和6的细节放大，(h)典型的磨屑形貌
Figure 8. SEM micrographs of the wear morphology and composition characteristics of the braking pad after 80 cyclic tests: (a) typical wear morphology and EDS mapping of the pad after 80 cycles tests, (b) three-dimensional wear morphology of area 1, (c), (d), (e), (f) and (g) detail magnifications of areas 2, 3, 4, 5 and 6, (h) typical morphology of wear debris
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图 9 循环试验后制动盘磨损形貌的SEM照片及成分特征：(a)制动盘的低放大倍数磨损形态和能谱面分布图；(b)制动盘的高放大倍数磨损形态和EDS面分布图；(c)点1、2、3和4的EDS分析结果；(d) line 1的EDS线扫描结果
Figure 9. SEM micrographs of the wear morphology and composition characteristics of the braking disc after cyclic tests: (a) the low magnification wear morphology and EDS mapping of the braking disc; (b) the high magnification wear morphology and energy spectrum surface distribution map of the braking disc; (c) EDS analysis results of points 1, 2, 3 and 4, (d) EDS line scan results of Line 1
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图 10 制动盘磨损表面的白光干涉仪扫描结果
Figure 10. White light interferometer scanning results of braking disc wear surface
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图 11 不同循环试验次数下闸片的光学磨损截面形貌照片：(a) 14次循环试验；(b) 40次循环试验；(c) 80次循环试验
Figure 11. The optical wear cross-section morphology of the braking pad under different cycle test times: (a) 14 cycle tests; (b) 40 cycle tests; (c) 80 cycle tests
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图 12 循环试验后制动盘的截面形貌的SEM照片及成分特征：(a)循环磨损试验后制动盘的截面形貌和Area1的EDS面分布结果，(b) line 1的EDS线扫描结果，(c) area 2的高倍放大图
Figure 12. SEM micrographs of the cross-section morphology and composition characteristics of the disc after the cyclic test: (a) the cross-section morphology of the braking disc after the cyclic wear test and the EDS surface distribution results of area 1; (b) the EDS line scan results of line 1; (c) the high magnification of area 2
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图 13 不同累计能量下销的磨损形貌：(a)销的初始表面形貌的SEM照片和EDS面分布结果；(b)销表面的三维磨损形貌和粗糙度演变
Figure 13. The wear morphology of the pin under different cumulative energies: (a) SEM micrographs and EDS analysis of the initial surface morphology of the pin; (b) the evolution of the 3D wear morphology and roughness of the pin surface
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图 14 不同累计能量下销的磨损形貌的SEM照片：(a)初始磨损形貌，(b)和(c) 5 kJ和1 kJ能量耗散后的磨损形貌，(d)和(e)、(f)和(g)、(h)和(i)区域1、区域2和区域3的5 kJ能量耗散前后的磨损形貌，(j)、(k)和(l) 15 kJ、20 kJ和25 kJ能量耗散后的磨损形貌，(m)和(n)、(o)和(p)区域4和区域55 kJ能量耗散前后的磨损形貌，(q)和(r)区域6、区域7的放大图
Figure 14. SEM micrographs of the wear morphology of the pin under different cumulative energies: (a) initial wear morphology, (b) and (c) wear morphology after 5 kJ and 1 kJ energy dissipation, (d) and (e), (f) and (g), (h) and (i) wear morphologies of area 1, 2 and 3 before and after 5 kJ energy dissipation, and (j), (k) and (l) wear morphologies after 15 kJ, 20 kJ and 25 kJ energy dissipation, (m) and (n), (o) and (p) wear morphologies before and after energy dissipation in area 4 and 55 kJ, enlarged images of area 6 and 7 in (q) and (r)
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图 15 销磨损高度与循环试验次数之间的相关性拟合
Figure 15. Fitting of correlation between pin wear height and number of cycle tests
表 1 制动盘材料的成分
Table 1 Braking disc material composition
w (Fe)/% w (C)/% w (Cr)/% w (Si)/% w (Mo)/% w (V)/% w (Mn)/% Balance 0.27~0.33 1.0~1.3 0.4~0.7 0.2~0.5 0.3~0.4 0.5~0.8 
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表 2 闸片材料的成分
Table 2 Braking pad material composition
w (C)/% w (Cu)/% w (Fe)/% w (O)/% w (Cr)/% w (Si)/% w (S)/% w (Mo)/% w (Zr)/% 34.31±3.90 37.23±2.26 16.73±1.73 5.29±0.68 3.75±0.48 1.22±0.22 0.28±0.04 0.33±0.04 0.84±0.24
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表 3 高速销-环滑动磨损试验参数
Table 3 Test parameter of the high-speed pin-ring wear test
Number of cycles Normal load/MPa Speed/(m/s) Energy dissipation/J 10 0.6 54.91 37 195 14 20 40 60 80
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表 4 不同循环次数下的磨损
Table 4 The wear under different cycles
Cycle number Mass loss/mg Wear height/μm Friction dissipation/(cm3/MJ) 10 252 926 0.093 14 330 1 210 0.114 20 592 2 174 0.140 40 914 3 357 0.108 50 1 040 3 817 0.101 60 1 672 6 142 0.132 80 1 742 6 396 0.106
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