CN107460362A - 一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法，属于粉末冶金摩擦材料技术领域。该制动闸片材料是通过将原料粉干燥筛分后投入混料机，喷入粘结剂，混料后置于钢制模具中压制，然后在还原气氛下烧结，再在还原气氛下进行热处理制成的；其中，所述原料粉为铜粉、铁粉、Ti2AlC粉、铬粉、镍粉、锰粉、二氧化硅、石墨、氮化硼和二硫化钼。本发明还提供了该制动闸片材料的制备方法。本发明以通过Ti2AlC获得的原位TiC为主要摩擦组元，制备原位纳米TiC片层骨架的材料，进而以铜为基体，添加少量其他金属，调节石墨等润滑组元的含量，最终获得制动效果优良、磨损率低的新型材料。适用于作为高速铁路列车用制动闸片材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法，属于粉末冶金摩擦材料技术领域。
背景技术
列车的基础制动方式很多，如摩擦制动、电阻制动、磁轨涡流制动等，其中以摩擦制动应用较广。摩擦制动又可分为踏面制动与盘形制动两种，前者制动元件为闸瓦，后者则为制动圆盘/闸片摩擦副。随着国民经济的快速发展，铁路运输的高速化已成为必然趋势，特别是时速在300km及以上的高速铁路的正获得长足发展，而列车速度的不断提高对其制动性能也提出了越来越严格的要求。踏面制动的制动效能已经不能满足需要，闸瓦在高速列车上难以发挥作用，制动闸片材料就成为高速列车摩擦制动的核心一环。
制动圆盘/闸片摩擦制动方式要求闸片材料摩擦系数高，耐磨损性能优良。经历了铸铁、合成闸片、铁基和铜基烧结闸片阶段，并已向其他新型复合材料及C/C复合材料闸片/瓦阶段发展，其中铸铁材料最严重的缺点是与对偶材料具有亲和性，磨损严重；有机合成材料长期使用会将对偶磨得非常光滑，降低摩擦系数，同时难以适应高温高压工况；碳碳复合材料成本过高，常用于飞机制动；目前只有粉末冶金材料既能满足使用性能要求，又具有经济适用性。
粉末冶金材料又称烧结金属材料，是以金属及合金为基体，添加其他组元，用粉末冶金技术制成的复合材料，是一种含有金属非金属多组元的假合金，包含基体组元，摩擦组元和润滑组元。自1929年出现以来，经过多年研究开发，粉末冶金材料已经成为一种重要的工程材料。
粉末冶金材料摩擦组元的选择对材料整体性能的影响至关重要，因为摩擦组元起到提高摩擦系数的作用，作为材料在摩擦过程中的主要硬质相，其对材料的制动效能及摩擦平稳性影响巨大。传统的摩擦组元有氧化物如二氧化硅等；碳化物陶瓷如碳化钛等；硬质金属如钨、钼等。但这些传统摩擦组元存在着不同的问题，如氧化物、碳化物陶瓷存在硬度过高，损伤配副双方导致磨损率高的问题；硬质金属材料存在摩擦系数不足，制动效能差的问题。新型组元如Ti3AlC2等三元层状陶瓷也被添加在铜基体中用作摩擦材料，但其本身作为摩擦组元硬度较低，在高速列车摩擦制动过程中难以独立作为硬质增摩相起到显著提高摩擦系数的作用，反而因其具备一定的自润滑性能而被用作受电弓等的颗粒强化材料。
铜是导电性仅次于银的金属材料，广泛应用于电摩擦领域，但强度较低耐磨性差；而碳化钛具备高强度、硬度和高导热、导电特性，是金属的理想增强相。因此结合二者优势的碳化钛增强铜基材料在电摩擦领域具备广阔的应用前景。与铜基体中直接添加碳化钛相比，原位碳化钛增强铜基复合材料因为润湿性好、界面结合力强，其各方面性能均超过直接添加碳化钛制备的其与铜的复合材料，因而原位碳化钛增强铜基复合材料的研究价值和应用前景都更为重要和广阔。
常见的原位碳化钛添加方式主要是通过化学合成内反应法，常见的Ti源有Ti粉、TiO2等，C源有炭黑、碳纳米管等，这种添加方式主要是通过原料添加铜基体中高温下Ti源与C源反应制得。但也存在很多问题如原料反应不完全、生成TiC形态尺寸难以控制等问题。近年来的研究发现三元层状化合物在铜中高温环境下可发生分解，已经有关于利用Ti3AlC2、Ti2AlC等的分解制备原位TiC增强铜基材料的报道，多通过简单的热压工艺制备，分解产物及组织仍多以球状颗粒存在，不涉及对组织和摩擦性能的详细论述，更没有在高速摩擦领域的相关性能报道。
发明内容
为解决传统闸片材料为了增加摩擦系数添加硬质陶瓷颗粒等，但存在界面结合强度不足等问题，界面结合强度不足则硬质颗粒脱落，导致磨损率升高，同时因硬质颗粒逐渐脱落导致摩擦系数下降等问题出现。本发明提供了一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法，涉及一种具有特殊组织且摩擦性能优良的原位碳化钛增强铜(铁)基复合材料及其制备方法，用于高速铁路列车的摩擦制动。采用的技术方案如下：
本发明的目的在于提供一种高速铁路列车用制动闸片材料，该材料是通过将原料粉干燥筛分后投入混料机，喷入粘结剂，混料后置于钢制模具中压制，然后在还原气氛下烧结，再在还原气氛下进行热处理制成的；其中，所述原料粉为铜粉、铁粉、Ti2AlC粉、铬粉、镍粉、锰粉、二氧化硅、石墨、氮化硼和二硫化钼。
进一步地，所述Ti2AlC粉的化学计量比为2:1:0.7。
进一步地，铜粉45％～73％、铁粉2％～18％、Ti2AlC粉1％～12％、铬粉2％～10％、镍粉0.2％～3％、锰粉0.2％～3％、二氧化硅0.2％-2％、石墨6％～19％、氮化硼0.2％～2％、二硫化钼0.2％～2％。
更进一步地，铜粉57％～62％、铁粉2％～12％、Ti2AlC粉7％～12％、铬粉5％～8.5％、镍粉0.5％～3％、锰粉0.5％～3％、二氧化硅1％-2％、石墨6％～12％、氮化硼1％～2％、二硫化钼1.5％～2％。
更进一步地，所述原料粉中各成分的质量百分含量为：铜粉57％、铁粉12％、Ti2AlC粉7％、铬粉5％、镍粉0.5％、锰粉0.5％、二氧化硅2％、石墨12％、氮化硼2％、二硫化钼2％。
本发明还提供了一种上述制动闸片材料的制备方法，其特征在于，是按照以下步骤进行制备的：
1)混料：将原料粉经过干燥、筛分、称重后投入混料机，喷入粘结剂，混料2h-5h；
2)预制压坯：将经过步骤1)混合后的原料放入钢制磨具中压制，载荷300MPa～500MPa；
3)烧结：在还原气氛下，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至烧结温度850℃～980℃，同时加压至30MPa～50MPa，保温1h-2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa～5MPa，保温结束后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力；
4)热处理：在还原气氛下，以20℃/min～30℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h-1h，按照上述热处理方法热处理5次～10次。
进一步地，步骤1)所述的粘结剂由95％(质量)的煤油和5％(质量)的二烷基磷酸酯组成。
进一步地，步骤1)所述的粘结剂按照原料粉总质量的1％-5％(质量)添加。
进一步地，步骤2)所述的载荷为400MPa。
进一步地，步骤3)是在还原气氛下，以10℃/min的升温速率升温至烧结温度980℃，同时加压至30MPa，保持温度2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa，保温结束后后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力。
进一步地，步骤4)是在还原气氛下，以20℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h，按照上述热处理方法热处理5次。
本发明原理：
传统的Ti2AlC粉的化学计量比是2:1:1，而本发明中制备闸片材料所用的Ti2AlC粉体系通过自蔓延工艺合成，并且通过调整原料钛粉、铝粉、炭黑的摩尔比例为3:1.4:0.8，经过自蔓延工艺获得了化学系数比为Ti：Al：C＝2:1:0.7的C化学计量比缺位的Ti2AlC粉体，本发明的发明人在实验过程中发现：原位TiC在形成生长过程中，其C的化学计量比越低，TiC越倾向于形成片层状，C的化学计量比越高或到达完全化学计量比1时，其形态越接近于球体，这就是本发明中原位TiC为片层状的主要原因，此外本发明中所用的闸片烧结工艺和热处理工艺也促进了这种片层状TiC组织的形成，保温阶段较大的烧结压力以及在烧结完毕反复的热处理过程明显促进了Ti2AlC向片层状TiC的转化，并稳定了这种片层状组织。
其他工艺采用的原位TiC合成技术或利用与Ti2AlC相似的一类化合物(如Ti3AlC2)分解制备的原位TiC，其C原子的缺位程度较低，同时缺少工艺来稳定这个组织，导致其它专利中少见这种组织的产生，或即使有类似组织也没有好的工艺来对其稳定并获得好的性能。
本发明形成的这种原位TiC片层近乎纳米尺寸，构成弥散颗粒的纳米强化效果，同时Ti2AlC中的Al固溶到Cu基体中，形成固溶强化，双重强化效果同时提升了材料的强度和塑韧性，纳米片层状组织在摩擦磨损过程中其破损机理与颗粒状碳化钛不同，不会整体脱落，不会产生大颗粒的第三体磨粒，降低磨损率，同时因为其脱落程度降低，能维持较高的摩擦系数。
本发明以通过Ti2AlC获得的原位TiC为主要摩擦组元，提供了一种通过特定的加压烧结、挤压和热处理工艺，获得原位纳米TiC片层骨架的方法(图1)。进而以铜为基体，添加少量其他金属，调节石墨等润滑组元的含量，最终获得制动效果优良、磨损率低的新型高速铁路制动闸片材料(图2)。
与已有的三元层状陶瓷(Ti3AlC2，Ti3SiC2等)增强Cu基材料相比，本发明是利用三元陶瓷为原料制备原位TiC增强Cu基材料。与已有的原位碳化物增强铜基材料相比(包含以三元陶瓷Ti3AlC2、Ti2AlC等为原料添加)，通过本专利工艺制备的原位碳化钛在分解区域分布呈现纳米片状分布而非常见的球状分布(图1中较深色细条所示为TiC片层，较浅色区域为Cu基体)，这种纳米片层在原始Ti2AlC的分解区域大量分布并构成纳米骨架，且通过在范围内对所述工艺的调整，特别是通过热处理升降温次数和温度的控制可以调节这种纳米片层组织的片层大小和间距进而调控性能。这种纳米骨架在摩擦过程中的性能也与传统的大块聚集的硬质颗粒也大为不同(图3)，在高温高速摩擦条件下，碳化钛片层只会破碎变形而非如传统增强相那样整体脱落并造成严重的磨粒磨损，这种纳米骨架可以有效的降低磨损率，特别是避免配副钢盘的划伤，在多次1:10台架模拟350km/h制动条件测试下，闸片平均磨损率只有0.08cm3/MJ，配副钢盘表面无明显划痕，只有国家标准0.35cm3/MJ的1/3不到，性能优异。
本发明的最主要优势在于：1、获得了一种新型原位碳化物增强金属基材料的组织、通过特殊的烧结和热处理工艺，利用Ti2AlC的分解在其原始颗粒分布区域获得了大面积原位纳米尺度的TiC片层骨架(图1)。2、这种组织的形态和性能可控，通过改变烧结压力、热处理的温度及次数等参数可以控制原位TiC的片层厚度和间距进而控制TiC片层骨架的硬度，从而影响摩擦系数和摩擦稳定性等其他摩擦磨损性能。3、磨损率低，以原位TiC片层增强区域为增摩相，在摩擦过程中只会变形和微观破碎不会整体脱出(图3)，巧妙的解决了传统增强相硬度过高、变形能力差、与基体结合力弱的问题，同时具备高的导热率。4、作为高速铁路制动闸片材料各项性能优良，抗压强度在110MPa以上、剪切强度在20MPa以上、摩擦系数在0.31以上(在1:10高速铁路制动模拟台架测试结果如图4所示，制动初始速度为350km/h，经过Y轴100＝0.9摩擦系数计算可知，全程瞬时摩擦系数在0.31以上)，且控制在规定可变范围之内，比较平稳、磨损率为0.08cm3/MJ，远超于0.35cm3/MJ的国家标准。
专利CN 103302283A中公开了一种高速铁路用Ti3ALC2增强青铜基制动闸片材料及其制备方法，其获得的闸片材料的增强相为颗粒状，不具备本发明所获得的片层状的原位TiC组织结构，与发明的闸片材料相比较摩擦系数较低，磨损率较高，界面结合较差。
本发明有益效果：
1、本发明所用的Ti2AlC粉体系通过自蔓延工艺合成，并且通过调整原料钛粉、铝粉、炭黑的比例获得了化学系数比为Ti：Al：C＝2:1:0.7的C化学计量比缺位的Ti2AlC粉体，该粉体在生成原位TiC的过程中，形成了一种片层状结构，这种片层状结构这种片层状组织区别于单纯的原位碳化钛(颗粒状或球形)，其摩擦磨损性能更加优良，在摩擦磨损过程中其破损机理与颗粒状碳化钛不同，不会整体脱落，不会产生大颗粒的第三体磨粒，降低磨损率，同时因为其脱落程度降低，能维持较高的摩擦系数。
2、此外本发明中所用的闸片烧结工艺和热处理工艺也促进了这种片层状TiC组织的形成，保温阶段较大的烧结压力以及在烧结完毕反复的热处理过程明显促进了Ti2AlC向片层状TiC的转化，并稳定了这种片层状组织。
3、本发明形成的这种原位TiC片层近乎纳米尺寸，形成纳米强化，同时Ti2AlC中的Al固溶到Cu基体中，形成固溶强化，双重强化效果同时提升了材料的强度和塑韧性，纳米片层状组织在摩擦磨损过程中其破损机理与颗粒状碳化钛不同，不会整体脱落，不会产生大颗粒的第三体磨粒，降低磨损率，同时因为其脱落程度降低，能维持较高的摩擦系数。
4、本发明采用的粘结剂，解决了铜石墨密度不均导致的混料困难的问题，同时在高温下挥发几乎无残留。其中煤油的作用是粘结剂，二烷基磷酸酯的作用是进一步提高粘度，混合效果更好，同时加热过程中粘结剂挥发更彻底。
5、本发明独创了利用三元陶瓷材料制备原位TiC增强铜基体材料的一种制备工艺，其与其他类似原位法生成TiC的区别在于，通过本发明的特殊工艺和原材料的使用，可获得如图1所示组织形貌，这种形貌对强化效果和摩擦性能提升有双重优势。本发明获得的材料作为闸片材料的优势在于：1、解决了闸片材料基体强度不足的问题，其他专利的闸片材料也意图通过各种方法方式强化基体，但存在增强相与基体结合不牢，强化效果较弱的问题，本发明的这种原位TiC因为是材料内生成的，天然地具备界面结合强度高的优势，也带来了强化效果的提升；2、这种片层状组织如图1，也带来了摩擦磨损性能的提升，这种片层组织可产生硬质颗粒增摩的效果，同时由于其破坏形式区别于传统硬质颗粒脱落，在提升摩擦系数的同时，避免了磨损率的升高，同时有稳定摩擦系数的作用，台架测试结果如图4也表明，所研制闸片材料摩擦系数已经满足250—350km/h时速制动条件的摩擦系数要求，同时摩擦系数波动很小，综合磨损率为0.08cm3/MJ，也完全满足要求。其他闸片材料一般存在摩擦系数达标，但摩擦系数波动大或磨损率较高的情况，本发明研制的闸片材料，很好的平衡了摩擦系数、磨损率、摩擦系数稳定性的问题，实现了摩擦磨损性能的综合提升。3、同时这种组织可以通过工艺进行控制，因而其性能也是可以适度调节的，高铁车型众多，这种通过工艺可调性能的特性也比较重要。
附图说明
图1为原位TiC片层骨架；
(A，透射电镜；B，扫描电镜)。
图2为制动闸片材料成品图。
图3为原位TiC颗粒摩擦工作原理。
图4为闸片材料台架测试摩擦系数曲线。
图5为实施例1中对照实验制备的闸片材料的原位TiC增强Cu基体区域的扫描电镜图(增强相为颗粒状而非片层)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一、Ti2AlC粉的制备方法
将钛粉、铝粉和炭黑按照摩尔比3:1.4:0.8进行混合，然后在无加压、惰性气体保护点燃经过自蔓延工艺合成化学计量比为2:1:0.7的Ti2AlC粉。
二、粘结剂的制备方法
粘结剂由95％(质量)的煤油和5％(质量)的二烷基磷酸酯组成。粘结剂按照原料粉总质量的1％-5％(质量)添加。
经试验发现：按照原料粉总质量的5％(质量)添加效果最好。按照上述比例制备的粘结剂，解决了铜石墨密度不均导致的混料困难的问题，同时在高温下挥发几乎无残留。其中煤油的作用是粘结剂，二烷基磷酸酯的作用是进一步提高粘度，混合效果更好，同时加热过程中粘结剂挥发更彻底。
三、一种具有片层状结构的高速铁路列车用制动闸片材料制备方法(原位生成TiC)：
本实施例的制动闸片材料是通过将原料粉干燥筛分后投入混料机，喷入粘结剂，混料后置于钢制模具中压制，然后在还原气氛下烧结，再在还原气氛下进行热处理制成的；其中，所述原料粉为铜粉、铁粉、Ti2AlC粉、铬粉、镍粉、锰粉、二氧化硅、石墨、氮化硼和二硫化钼。
原料粉中各成分的质量百分含量为：铜粉45％～73％、铁粉2％～18％、Ti2AlC粉1％～12％、铬粉2％～10％、镍粉0.2％～3％、锰粉0.2％～3％、二氧化硅0.2％-2％、石墨6％～19％、氮化硼0.2％～2％、二硫化钼0.2％～2％。
进一步优选范围为：铜粉57％～62％、铁粉2％～12％、Ti2AlC粉7％～12％、铬粉5％～8.5％、镍粉0.5％～3％、锰粉0.5％～3％、二氧化硅1％-2％、石墨6％～12％、氮化硼1％～2％、二硫化钼1.5％～2％。
制动闸片材料可以按照以下步骤进行制备：
1)混料：将原料粉经过干燥、筛分、称重后投入混料机，喷入粘结剂，混料2h-5h；
2)预制压坯：将经过步骤1)混合后的原料放入钢制磨具中压制，载荷300MPa～500MPa；
3)烧结：在还原气氛下，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至烧结温度850℃～980℃，同时加压至30MPa～50MPa，保温1h-2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa～5MPa，保温结束后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力；
4)热处理：在还原气氛下，以20℃/min～30℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h-1h，按照上述热处理方法热处理5次～10次。
实施例2
通过以下实验说明本发明的效果：
本实施例分别按照如下具体配方和最佳实施方式制备闸片材料，具体配方如表1所示。
实施例1中闸片材料的制备方法的最佳实施方式为：
1)混料：将原料粉经过干燥、筛分、称重后投入混料机，喷入粘结剂，混料2h；
2)预制压坯：将经过步骤1)混合后的原料放入钢制磨具中压制，载荷400MPa；
3)烧结：在还原气氛下，以10℃/min的升温速率升温至烧结温度980℃，同时加压至30MPa，保持温度2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa，保温结束后后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力；
4)热处理：在还原气氛下，以20℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h，按照上述热处理方法热处理5次。
表1原料配方
对照实验：与实验2的区别在于Ti2AlC粉的制备方法不同，Ti2AlC粉采用传统方法制备，具体方法如下：将钛粉、铝粉和炭黑按照质量比为3:1.4:0.8进行混合，然后在无加压惰性气体条件下进行自蔓延工艺合成Ti2AlC粉。其他原料组分和含量，以及闸片材料的制备方法均与实验1相同。
将按照实验1、实验2、实验3和对照实验制备的制动闸片材料进行性能和结构比对，结果如表2所示。
表2实验1、实验2、实验3和对照组的性能和结构比对
| 抗压强度MPa | 摩擦系数 | 磨损率cm3/MJ | 原位TiC结构 | |
| 实验1 | 125 | 0.33 | 0.18 | 片层状 |
| 实验2 | 130 | 0.34 | 0.10 | 片层状 |
| 实验3 | 127 | 0.34 | 0.13 | 片层状 |
| 实验4 | 110 | 0.32 | 0.16 | 片层状 |
| 对照实验 | 90 | 0.28 | 0.31 | 颗粒状 |
通过表2可知实验2为最优实施例，实验3次之，实验1再次之，按照实验2的配方和制备方法获得的制动闸片材料成品图如图2所示。图3为原位TiC颗粒摩擦工作原理图，本发明获得的制动闸片材料磨损率低，以原位TiC片层增强区域为增摩相，在摩擦过程中只会变形和微观破碎不会整体脱出(图3)，巧妙的解决了传统增强相硬度过高、变形能力差、与基体结合力弱的问题，同时具备高的导热率。
通过采用本发明方法制备的闸片材料，最终形成的结构呈片层状(图1为原位TiC片层骨架图，其中A为透射电镜；B为扫描电镜)，图1B中清楚显示了该种结构大范围存在，图1A清楚展现了原位TiC片层骨架，图1A中片层的厚度低于100nm，片层之间的间距低于100nm，产生了纳米片层强化效果。而对照实验是通过传统方法制备的Ti2AlC粉，通过采用本发明的方法制备闸片材料，最终形成的TiC形态越接近于球体(如图5所示)，增强相呈颗粒状，而非是片层状，该种颗粒状的结构不具备片层状TiC所具备的一系列优良特性，颗粒状结构与片层状相比，界面结合差，导致摩擦系数不足，磨损率过高等问题，强化效果也不如片层状TiC，力学性能较差，整体上性能明显弱于本专利中片层状TiC组织的闸片材料。其未能形成片层状结构的主要原因在于选用的原材料Ti2AlC化学计量比接近于2:1:1，C原子缺位不足，同时没有采用本专利所述烧结和热处理工艺，所以没有片层状TiC生成。
本发明获得的材料(实验1-3)作为高速铁路制动闸片材料各项性能优良，抗压强度在110MPa以上、剪切强度在20MPa以上、摩擦系数在0.31以上(在1:10高速铁路制动模拟台架测试结果如图4所示，制动初始速度为350km/h，经过Y轴100＝0.9摩擦系数计算可知，全程瞬时摩擦系数在0.31以上)，且控制在规定可变范围之内，比较平稳、磨损率为0.08cm3/MJ，远超于0.35cm3/MJ的国家标准。
实施例3
本实施例与实施例2中实验2的区别在于：制动闸片材料的制备方法不同，其他均与实验1相同，具体制备方法为：
1)混料：采用湿法混料，将原料粉体干燥、筛分后称重，并将原料粉体投入混料机，喷入粘结剂，混料2h；
2)预制压坯：将经过步骤1)混合后的原料放入钢制磨具中压制，载荷300MPa；
3)烧结：在还原气氛下进行烧结，以10℃/min的升温速率升温至烧结温度850℃，同时加压至30MPa，保温1h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa，保温结束后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力；
4)热处理：在还原气氛下，以20℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h，按照上述热处理方法热处理5次。
实施例4
本实施例与实施例2中实验2的区别在于：制动闸片材料的制备方法不同，其他均与实验1相同，具体制备方法为：
1)混料：采用湿法混料，将原料粉体干燥、筛分后称重，并将原料粉体投入混料机，喷入粘结剂，混料5h；
2)预制压坯：将经过步骤1)混合后的原料放入钢制磨具中压制，载荷500MPa；
3)烧结：在还原气氛下进行烧结，以20℃/min的升温速率升温至烧结温度980℃，同时加压至50MPa，保温2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至5MPa，保温结束后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力；
4)热处理：在还原气氛下，以30℃/min的升温速率升温至600℃，保温1h，按照上述热处理方法热处理10次。
针对实施例2、实施例3和实施例4的闸片材料的加工工艺分析，通过实验发现：步骤1)中混料时间以2h为最佳，此时已能混合均匀，时间过长会导致导致石墨粉碎裂成粒度更小的颗粒。步骤2)中预制压坯压力以400MPa为最优，此时压坯强度较高，烧结后闸片孔隙率适中，闸片摩擦磨损性能最优。步骤3)和4)以实施例2中的各工艺参数为最优(即：步骤3)是在还原气氛下，以10℃/min的升温速率升温至烧结温度980℃，同时加压至30MPa，保持温度2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa，保温结束后后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力；步骤4)是在还原气氛下，以20℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h，按照上述热处理方法热处理5次)，在两个工艺步骤的共同作用下形成的纳米片层组织最适应于摩擦磨损的工作条件，摩擦系数高，磨损率低，且力学性能优良。因此，实施例2中的工艺为最优的实施方式，获得的产品各项性能最好。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种高速铁路列车用制动闸片材料，其特征在于，所述制动闸片材料是通过将原料粉干燥筛分后投入混料机，喷入粘结剂，混料后置于钢制模具中压制，然后在还原气氛下烧结，再在还原气氛下进行热处理制成的；其中，所述原料粉为铜粉、铁粉、Ti2AlC粉、铬粉、镍粉、锰粉、二氧化硅、石墨、氮化硼和二硫化钼。
2.根据权利要求1所述的制动闸片材料，其特征在于，所述Ti2AlC粉的化学计量比为2:1:0.7。
3.根据权利要求1所述的制动闸片材料，其特征在于，所述原料粉中各成分的质量百分含量为：铜粉45％～73％、铁粉2％～18％、Ti2AlC粉1％～12％、铬粉2％～10％、镍粉0.2％～3％、锰粉0.2％～3％、二氧化硅0.2％-2％、石墨6％～19％、氮化硼0.2％～2％、二硫化钼0.2％～2％。
4.根据权利要求1所述的制动闸片材料，其特征在于，所述原料粉中各成分的质量百分含量为：铜粉57％、铁粉12％、Ti2AlC粉7％、铬粉5％、镍粉0.5％、锰粉0.5％、二氧化硅2％、石墨12％、氮化硼2％、二硫化钼2％。
5.一种权利要求1所述的制动闸片材料的制备方法，其特征在于，是按照以下步骤进行制备的：
1)混料：将原料粉经过干燥、筛分、称重后投入混料机，喷入粘结剂，混料2h-5h；
2)预制压坯：将经过步骤1)混合后的原料放入钢制磨具中压制，载荷300MPa～500MPa；
3)烧结：在还原气氛下，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至烧结温度850℃～980℃，同时加压至30MPa～50MPa，保温1h-2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa～5MPa，保温结束后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力；
4)热处理：在还原气氛下，以20℃/min～30℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h-1h，按照上述热处理方法热处理5次～10次。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的粘结剂由95％(质量)的煤油和5％(质量)的二烷基磷酸酯组成。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的粘结剂按照原料粉总质量的1％-5％(质量)添加。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的载荷为400MPa。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3)是在还原气氛下，以10℃/min的升温速率升温至烧结温度980℃，同时加压至30MPa，保持温度2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa，保温结束后后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4)是在还原气氛下，以20℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h，按照上述热处理方法热处理5次。
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