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摘 要:未来的TGV高速列车线路将提高列车运行速度以增加客流量。在这种情况下应提出新的设计原则以推动制动系统的发展。设计原则之一是采用圆盘摩擦制动,即采用能够吸收大量制动能和制动功率的喷涂涂层制动盘。这些解决方案都要求采用具有高热机械性能的摩擦材料。瓦郎斯大学的LAMIH实验室(自动化、工业机械和人力实验室)和HTI工厂研制了用热喷涂涂层获得与基体金属形成冶金结合的致密涂层。已经对一些涂层进行了优化,并在保压制动情况下,用LAMIH实验室的摩擦阻力系数测量计对几种不同类型涂层作了检测。试验证实了高能制动的优越性,并对一些研究方案的效果作了比较。
1 引言
法国国营铁路短期内涉及TGV高速列车的一个主要目标是提高列车运行速度,增加线路客流量。实现这个目标要求重新调整,甚至重新设计列车的某些零部件,特别是列车的制动装置,即盘形制动装置。构成簧下质量一部分的制动盘,有减小质量的潜力,成为外廓尺寸、质量和耗散能量等方面优化的对象。“要耗散的能量很多,又要减小质量”,对制动装置来说,一开始就是一个难于解决的课题。这样,摩擦材料的选择和优化就成为焦点。
2 技术条件
目前的安全制动装置(大西洋TGV)由每轴4个直径为640mm、总质量为380kg的钢制动盘和由9个直径为40mm铁铜圆柱形烧结制动闸片(在制动盘的两侧,与其相互摩擦)组成。在这样一种构造中,制动时热能主要蓄积在制动盘内,然后,慢慢地通过散热和自然对流耗散掉。因此,制动装置的性能主要取决于摩擦材料的物理性能。实际上,为了取得上述效果,我们已经阐述过,制动盘质量应相对较小,具有良好的热机械性能和声学性能,同时应有很好的耗散热量的能力。制动盘的摩擦磨损性能应满足下述相当矛盾的标准,即在变化的气候条件下摩擦因数稳定、具有较好的耐热机械强度(不裂)和匹配摩擦件的磨耗强度。因此,摩擦材料(涂层)的选择和优化是相当难的。
3 采用的涂层
基本原则是在钢制动盘(C38钢)上喷涂具有耐磨损和耐高温的高强度低热扩散率的摩擦涂层。采用吹喷等离子喷涂(déposéparplasmasoufflé)的NiCr-Cr3C2粉末冶金和采用等离子转移弧(PTA)喷涂的镍基或钴基高级合金涂层,在和LAMIH实验室开发的钛酸铝闸片匹配时,其摩擦因数很稳定,其性能令人满意。粉末冶金最初在基体金属表面形成薄层组织的沉积层,随后又与基体金属形成机械结合,高级合金涂层和基体热影响区内的结合是金相组织结合。
就上述喷涂技术而言,本文介绍的采用丝弧喷涂(projectionpararcfil)是一种有潜力的有利选择,在涂层的制备费用和质量之间不失为一种好的折衷方案。我们可以从该项技术的优点中列出如下一些优点:
（1）材料的利用率很高;
（2）与PTA相比,表面状态限制了机加工前的厚度余量;
(3)成本更低;
(4)限制了处理零部件的发热。
与PTA法相比,与基体是机械结合。这是一个缺点,但可以通过后处理(扩散)予以补救。
因此,我们的研究就是完成钴基和镍基高级合金涂层的制备、优化和鉴定。这是一些耐热合金,具有适合高能制动的热机械性能,制动盘的表面温度可达到1000℃。除摩擦性能外,这些合金还具有下述性能:(1)良好的耐蠕变性和耐裂性;(2)优良的耐腐蚀性。
4 涂层的研制
4.1 方法
采用丝弧喷涂技术必须控制许多参数。为了优化涂层的性能,必须了解各种不同热喷涂参数的影响。这些参数是:(1)喷涂风压;(2)二次风压;(3)弧的强度;(4)喷嘴类型。用于比较参数的影响的性能是指硬度、孔隙率和涂层与基体的结合力。
所采用的喷涂设施由TAFA8850MHU丝弧喷涂系统组成,安装在6轴机械手(ABBIRB1400)上。
4.1.1 试验计划制定的试验计划
考虑了下述参数:(1)有2级变化的“喷嘴型号”;(2)有3级变化的“弧密度”;(3)有3级变化的“喷涂风压”;(4)有3级变化的“二次风压”。
每一次喷涂都是同时在4个试样上完成的,试样安装在直径70mm的试样架上。这些A37钢试样( 25.7mm)预先采用三氯乙烯进行脱脂处理,然后再采用金刚砂进行喷砂处理。根据所采用的弧密度(和材料流量成正比)和要求喷涂500μm左右的厚度选定了喷涂次数。所有试验的喷涂距离都定为90mm。该试验计划能优化喷涂条件。
4.1.2 涂层性能
孔隙率
在抛光的试样切面上,借助Matrox检查软件(logicielMatroxInspector),通过图象扫描测定孔隙率。这些试样是采用环氧树脂冷覆膜制备的。然后,用能同时做4个试样准备工作的自动抛光机,采用2μm金刚石砂将试样涂层抛光。
显微硬度
在2.94N的负荷下测定每个试样的维氏显微硬度。
结合力
借助维氏压痕(indentationVickers)计测定界面的结合力。施加的负荷为19.6N(某些试样要求施加49N的负荷)。这种方法比较简单,其结果,即使未给出绝对值,但可以用于比较结合力的大小。
4.1.3 后处理
评价了各种不同类型的后处理以便优化涂层和界面的热机械性能。
4.2 涂层的优化
这里介绍的是钴基高级合金涂层的试验结果,镍基高级合金涂层也已取得了类似的结果。表1（略）为涂层在后处理前、后的硬度、孔隙率及界面上的裂纹长度。
从涂层孔隙率的减少(平均减少28%)和硬度约增加24%,就可以看出扩散处理的效果,证明涂层和基体金属的结合力明显提高了。实际上,在大多数情况下,在19.6N或更高的负荷(喷涂1、2、7和8,负荷为49N)时,压痕试验不会引起任何裂纹。界面扩散区的存在说明了表面强度的增加。由扩散处理产生的这种物理—化学结合加强了喷砂处理后已经获得的机械结合。扩散区可以通过Nital化学腐蚀(2%的硝酸溶液和乙醇溶液)显示出。从图3（略）显微组织图上,可以很清楚地发现后处理过程中出现的涂层/基体金属界面扩散区。
5 保压制动时的性能试验
根据在喷涂和后处理优化阶段(针对硬度、密度和结合力)所获得的结果,有4个制动盘喷涂了2种类型的涂层(钴基和镍基),这4个制动盘中,有进行后处理的,也有不作后处理的。
在LAMIH实验室的试验方案中,制动盘直径为160mm,厚度为22.5mm,圆柱形陶瓷制动闸片的直径为40mm,以便考虑几何相似因素和18的热学因素(温度余数)(与1∶1的TGV列车用制动装置相比)。这种水平轴式的“凸缘/盘”或布置(参见图4（略）),允许无论是在干燥气候条件下还是在潮湿气候条件下,进行保压制动试验(120s)和耐久性制动试验(20min)。其设计符合铁路设备标准的洒水装置能在制动盘的一个摩擦面上喷洒6cm3/(cm2·h-1),即0.7L/(cm2/h-1)。制动压力为0～0.6MPa,滑动速度为0～15m/s。
试验时,借助设置在盘的传动中心线上的扭矩计可测定平均制动力矩,据此,还可以推导出平均摩擦因数。制动盘背面和闸片内部的温度分别采用光学高温计及热电偶测定。闸片的磨耗通过测量其质量损失,再计算其厚度损失来测定。
因为有2种涂层,这使我们能对它们作出比较,能确定后处理对每一种涂层的影响。铁路运输设备高能制动应用的主要特点是:
(1) 随滑动速度变化的摩擦因数要稳定,对气候的变化不敏感;
(2) 限制制动盘热梯度(热点);
(3) 表面抗损伤性能好(磨损,裂纹)。
在干燥气候条件下进行保压制动试验取得的试验结果,包括平均摩擦因数、最高接触温度和制动盘背面的最高温度以及闸片的磨耗。
5.1 摩擦因数
图5（略）为2种类型的涂层,在给定的接触压力下,后处理明显提高了随滑动速度变化的平均摩擦因数的稳定性。特别是在小于和等于平均压力情况下,镍基涂层具有很好的稳定性。要指出的是,和金属陶瓷涂层或PTA高级合金涂层(试验条件相同)相比, 总体上摩擦因数更高一些。
5.2 接触温度和制动盘背面温度
涂层经后处理后,接触温度会显著降低(参见图6（略）)。在相同的试验条件下,其最高温度远比金属陶瓷基或采用PTA法喷涂的高级合金涂层的最高温度要低。
5.3 闸片的磨损
进行后处理未使闸片的磨损值发生显著变化(参见图7（略）)。所测得的磨损值与在相同试验条件下从金属陶瓷涂层和采用PTA法喷涂的高级合金涂层上测得的磨损值类似。
6 结论
在试样上调试了镍基和钴基高级合金涂层的制备条件。论证了后处理对涂层性能,尤其是对提高涂层结合力(附着力)、减少孔隙率的作用。试验结果证明,后处理能在许多方面提高模拟保压制动的制动盘的性能。实际上,后处理明显提高了摩擦因数,改善了摩擦因数的稳定性,进而提高了制动功率。此外,我们还观察到:从镍基高级合金涂层得到的试验结果好于从钴基高级合金涂层得到的试验结果,尤其是在制动盘/制动闸片接触时的发热和摩擦因数的稳定, 性方面。这些初步试验,即在缩小了比例的摩擦阻力因数测量装置上进行的(在干燥条件下)保压制动试验,证实了这些结果符合铁路运输设备高能制动要求的优良性能。
在潮湿条件下的保压制动试验和耐久性制动试验还将继续。
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