去年冬天, 前往山东金麒麟股份进行调研, 车间当中, 有一排自动化压机, 正将黑灰色的粉末压制成刹车片毛坯, 粉末于模具里, 被几百吨压力压实, 出来的毛坯, 其表面光滑如同石材, 且带着压制后的余温, 技术副总从成品架上, 拿下一片刚下线的刹车片递给我, 此刹车片沉甸甸的, 表面镶着一层深灰色的摩擦材料, 他说道, 这是给复兴号用的粉末冶金刹车片, 以前高铁刹车片全都从德国Knorr-Bremse进口, 一片价值好几万块, 如今我们也已做出来了, 性能并不比他们差。
他将刹车片翻转过来, 让我瞧背面钢背与摩擦层之间的结合面, 结合面如同把金属跟陶瓷焊接在一起那般, 不存在丝毫缝隙。“这种铜基粉末冶金刹车片, 在时速350公里制动时, 需承受上千度的高温, 且摩擦系数不能随温度而衰减。以前德国人讲, 中国人二十年也做不来。”他停顿了一下后说道, “我们做了八年。”。
列车当中, 高铁刹车片属于最核心部分其中之一的易耗件, 时速三百五十公里的复兴号, 在紧急制动时, 刹车片跟制动盘会产生极为剧烈的摩擦, 刹那间温度会迅猛飙升至超过上千度, 这般状况之下, 刹车片的表面几近于呈现白热化。在这样的极端工况情形下, 刹车片得同时达成几件相互矛盾的事情, 摩擦系数得足够高并且稳定, 低温时不能刹不住, 高温时又不能抱死, 耐磨性得极其良好, 一片刹车片要能跑上百万公里才进行更换, 导热性得非常强, 摩擦产生的热量必须快速导出, 不能致使制动盘热裂, 最后还不能伤害对偶, 不能把制动盘磨坏, 因为更换制动盘比更换刹车片昂贵得多。
涉及全球范围的高铁粉末冶金刹车片市场, 在其处于巅峰状态之际, 是被德国的Knorr - Bremse以及日本的Fine Sinter这两家公司严格把控着的, 而在咱们中国市场, 更是呈现出一家占据主导地位的态势。在国内, 高铁所使用的全部刹车片, 曾经一度几乎完全都要从这两家公司进行进口, 一片进口的刹车片, 其报价是极为高昂的, 要是将整列车的刹车片都更换一遍, 那花费的金额可达大几百万呢。
粉末冶金刹车片为何这般困难, 它实际上是一种金属基复合材料。将铜粉、铁粉、石墨、陶瓷颗粒以及固体润滑剂依照精确配方进行混合, 压制成为形状后在氢气保护气氛当中进行高温烧结, 使得铜基体熔化并浸润其他部件, 从而形成致密的摩擦层。这个配方属于核心机密。铜基体能够提供导热性以及韧性, 陶瓷颗粒能够提供耐磨性以及高温硬度, 石墨和二硫化钼起到固体润滑的作用, 以此降低对制动盘的磨损。可是各组分比例相差零点几个百分点, 摩擦系数就极有可能跟着温度大幅衰减, 又或者对偶磨损急剧增多。克诺尔 - 布雷姆斯在这一套配方之上积攒了接近半个世纪的时间, 从来都不对外面进行公开。
除配方外, 烧结工艺也是极难的存在, 粉末冶金刹车片需在氢气保护条件下进行高温烧结, 烧结温度、保温时间以及升温降温速率, 每一项参数都会对摩擦层的孔隙率、硬度还有结合强度产生影响。要是烧结温度过高, 就会致使石墨烧损、铜液流失以及摩擦系数不稳定；而要是烧结温度过低, 结合强度就会不足, 刹车的时候摩擦层有可能从钢背上剥落。这可是极为精细的工艺控制, 是需要大量正交试验以及失效分析数据积累的。
山东金麒麟是最先向这座堡垒发起冲锋的中国企业之一, 它以做刹车片起家, 最初做的是卡车以及乘用车的鼓式刹车片衬片, 其技术门槛相对较低, 然而创始人孙忠义始终朝着高端迈进, 在2008年前后决定切入高铁刹车片领域, 那时几乎没人相信一家民营企业能够做成，因为高铁刹车片的配方与工艺壁垒实在太高, Knorr-Bremse已耕耘了半个世纪, 国内几家大型粉末冶金企业也曾尝试但都未能突破。
从事金麒麟研发工作的团队, 是由那些从最基础的配方试验着手开展工作的人员所构成 , 他们会把铜粉、铁粉、石墨以及陶瓷颗粒按照不同的比例去做正交试验 , 针对每一个配方都需要进行烧结、还要进行测试、最后遭受被淘汰的命运。他们同国内多所思及高校的摩擦材料实验室展开合作 , 运用扫描电镜对每一个被烧结之后配方所呈现出的微观结构以及磨损形貌实施具体分析 , 逐步在摸索之中找出铜基体与陶瓷颗粒之间的最佳配比。最为困难的一个方面是高温摩擦系数稳定性 , 在于高铁的刹车片在三百度以及八百度时的摩擦系数一定要存在极小的差别 , 不然司机就没有办法对制动距离进行精确控制。花费了将近六年时间, 金麒麟反复去调整石墨以及固体润滑剂的种类与用量, 才终于将摩擦系数全温度段那波动控制在极为狭窄的范围之内。在2017年前后, 金麒麟的高铁刹车片经由中国铁路总公司严格认证, 进而开始批量装车。截止到2025年, 其粉末冶金刹车片已然覆盖复兴号系列全部主力车型, 并且还出口至欧洲以及东南亚。
除了上述情况外, 还有一条战线处于杭州, 杭州前进齿轮箱集团旗下设有粉末冶金事业部, 这个事业部在铜基和铁基粉末冶金刹车片领域同样深切钻研多年, 其生产的产品在城轨以及地铁刹车片市场当中占据着很高的占有率。北京天宜上佳专门致力于碳陶刹车片的研究与生产, 所谓碳陶刹车片就是运用碳纤维增强碳化硅陶瓷制成的, 这种刹车片具有耐温更高、重量更轻的特点, 它是下一代高速列车刹车片的技术发展方向。天宜上佳所研发生产的碳陶刹车片已经在多条高速列车运行线路上完成装车考核工作, 其表现与进口的同类产品不相上下。
截至2025年, 国产高铁粉末冶金刹车片于国内市场的占有率显著提升, 金麒麟以及前进齿轮等企业能够批量供应各类动车组刹车片, Knorr-Bremse在中国市场的部分刹车片型号报价出现变动, 供货周期也相应缩短, 依我之见, 一个被垄断长达三十年之久的市场出现价格与交期的松动, 缘由颇为简单——中国刹车片不但能够使用, 而且性能良好。
当然差距得诚实地去面对, 在最顶尖用于超高速动车组的制动系统集成以及制动控制算法方面, Knorr - Bremse依旧有着历经数十年积累而成的系统优势, 全球高铁制动市场关于品牌信任度这一块, 金麒麟需要花费更长的时间去进行积累, 不过我觉得方向已然不可逆转。
走出车间, 金麒麟的那位技术副总, 朝着厂区对面, 一片正在施工的工地，指向我, 说道, 那是我们的新试验中心, 里面设有全尺寸高铁制动试验台, 它能够模拟四百公里时速下的紧急制动情况, 等建成以后, 我们就无需再将刹车片送往德国去进行极限测试了。
