CN107824783B - 一种高速列车制动用铜铁基粉末冶金摩擦材料及制备方法 - Google Patents
一种高速列车制动用铜铁基粉末冶金摩擦材料及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种高速列车制动用铜铁基粉末冶金摩擦材料于包括原料质量百分组成是：铜粉35‑65wt%，铁粉15‑45wt%，石墨粉6‑17wt%，二硫化钼2‑5wt%，钨铁合金粉2‑6 wt%，氧化锆粉1‑8wt%，氧化铝粉0‑2 wt%，氧化硅粉0‑1wt%，铬粉0.5‑6wt%。本发明具有在硬度、磨损量、剪切强度、摩擦系数等性能指标方面都能达到时速300～350km及以上高速列车的制动要求，且具有制动平稳、磨损量小、对对偶盘损伤小等优点。
Description
技术领域
本发明属于一种高速列车闸片和粉末冶金技术领域，尤其涉及一种高速列车制动用铜铁基粉末冶金摩擦材料及制备方法。
背景技术
随着高速铁路运输速度的不断提高，制动***作为安全运行最后保障，对其要求愈来愈高，闸片作为制动***最关键和最核心的材料和部件，其产品性能和制动效果也需要逐步提高。中铁铁路产品认证中心（CRCC）的认证标准（TB/T3470-2016）中对用于高速列车的粉末冶金闸片摩擦材料的元素含量和具体性能列出了明确规定，主要要求有：Si元素含量不大于1％，且Al+Si元素的总含量不应超过1％，Cr+Zr+W元素含量总和不应超过10％；磨耗量不应超过0 .35 cm3/MJ，硬度10-30HB，摩擦体剪切强度大于6MPa，静摩擦系数大于0.32。
但目前国内所申请的高铁制动闸片专利在材料元素含量上大都不能满足CRCC认证标准的要求，存在规定元素含量超过规定范围的问题，或者硬度、磨损量等一些关键指标不能满足要求的问题。
专利（CN101280374）一种高速动车组用粉末冶金制动闸片材料及其制备工艺，配方中碳化硅1-3%，氧化铝1-4%，硅铁粉2-8%；专利（CN102011043A）一种列车闸片用粉末冶金材料的制备方法，配方中氧化硅2-7%，氧化铝2-8%，硅铁粉2-8%；专利（CN101493127A）铜基粉末冶金高速闸片，配方中氧化硅3-8%，氧化铝2-6%；专利（CN103244586）用于高速列车的金属基粉末冶金制动闸片及其制备方法，配方中刚玉粉1-3%，硅砂1-3%。专利（CN1995436A）一种铜基粒子强化摩擦材料，配方中氧化硅2-15%，氧化铝2-15%，铝1-15%。以上专利中硅和铝元素的总含量远远大于规定中1%的上限，不能满足认证标准的要求，也容易造成对偶制动盘的损伤和高速下摩擦性能的衰减。且专利（CN102011043A）硬度为53-58HB，超出了规定硬度范围10-30 HB；专利（CN1995436A）磨损量0.41-0.65 cm3/MJ超出了规定中0.35 cm3/MJ的上限。
专利（CN105506346A）粉末冶金制动闸片摩擦材料及其制备方法，配方中铬铁粉25-35%；专利（CN106399743A）一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料，配方中铬铁粉6--15%，氧化锆1-10%，这两个专利中铬和锆元素含量元素总含量大于规定中10%的上限，也易造成对制动对偶盘的损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种制动平稳、磨损量小、对偶盘损伤小的高速列车制动用铜铁基粉末冶金摩擦材料及制备方法。
本发明一种高速列车制动用铜铁基粉末冶金摩擦材料，包括原料质量百分组成是：铜粉35-65wt%，铁粉15-45wt%，其中铜粉和铁粉重量之和占铜铁基粉末冶金摩擦材料的64.5-80wt%；石墨粉6-17wt%，二硫化钼2-5wt%，其中石墨粉和二硫化钼重量之和占铜铁基粉末冶金摩擦材料的8-22 wt%；钨铁合金粉2-6 wt%，氧化锆粉1-8wt%，其中钨铁合金粉和氧化锆粉重量之和占铜铁基粉末冶金摩擦材料的5-11wt%；氧化铝粉0-2 wt%，氧化硅粉0-1wt%，其中氧化铝粉和氧化硅粉重量之和占铜铁基粉末冶金摩擦材料的0.5-2wt%；铬粉0.5-6wt%。
本发明方案中，基体组元为铜粉和铁粉，其中的铜粉为电解铜粉或雾化铜粉，铁粉为雾化铁粉或还原铁粉，基体组元粉体颗粒尺寸小于250μ。
本发明方案中，润滑组元为石墨粉和二硫化钼粉，其中石墨为天然鳞片石墨，润滑组元粉体颗粒尺寸小于150μ。
本发明方案中，摩擦组元以钨铁合金粉和氧化锆粉为主，采用少量硅和铝的陶瓷粉为辅，其中钨铁合金中钨含量70-80 wt%，氧化铝为α- Al2O3，摩擦组元粉体颗粒尺寸小于200μ。
本发明方案中，基体增强组元铬粉的粉体颗粒尺寸小于100μ。
本发明方案中，采用传统的粉末冶金制备工艺，具体包括混料、压制成型和加压烧结，混合时间0.5-24小时，成型压力500-900 MPa，烧结温度800-1050℃，烧结时间1-4小时，烧结压力0.5-3 MPa。
本发明方案中，混料设备可选用V型混料机、三维混料机或高速混料机。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明专利在满足各种规定元素含量要求的同时，在硬度、磨损量、剪切强度、摩擦系数等性能指标方面都能满足认证要求；以铜、铁两种元素为基体的铜铁基粉末冶金材料，相对于大部分铜基粉末冶金高铁闸片材料，兼具了铜基材料的高导热性和铁基材料的耐高温性。使得所制备闸片的各项性能达到时速300～350km及以上高速列车的制动要求，满足（CRCC）的认证标准中的各项指标规定。
2、本发明配方中不含锌、铅等对环境有害的金属，金属基体由铜和铁共同组成，硅和铝元素的总含量不超过1%，铬、锆、钨的总含量小于10%，完全符合CRCC的规定，且具有制动平稳、磨损量小、对对偶盘损伤小等优点。
附图说明
图1是实施例1摩擦材料的摩擦系数曲线图。
图2是实施例2摩擦材料的摩擦系数曲线图。
图3是实施例3摩擦材料的摩擦系数曲线图。
图4是实施例4摩擦材料的摩擦系数曲线图。
图5是实施例5摩擦材料的摩擦系数曲线图。
具体实施方式
实施例1
原料组分配比为：雾化铜粉35 wt%（D97为245μ）、还原铁粉45 wt%（D97为200μ）、钨铁粉2 wt%（钨含量70wt%，D97为180μ）、氧化锆粉3 wt%（D97为195μ）、鳞片石墨粉6 wt% (D97为130μ)、二硫化钼粉2 wt% (D97为100μ)、铬粉6 wt% (D97为90μ)、氧化硅粉1 wt% (D97为100μ)；将上述粉料在V型混料机中混合24小时，在500 MPa进行成型得到素坯，将素坯固定在钢背上，放入钟罩式烧结炉，在1050℃、0.5MPa下烧结1小时，得到高铁制动用摩擦材料。按照上述工艺制备的材料的硬度25HB，抗压强度160 MPa，剪切强度25 MPa，静摩擦系数0.42，磨损量0.16cm3/MJ，摩擦系数曲线如图1所示。
实施例2
原料组分配比为：电解铜粉37 wt%（D97为200μ）、雾化铁粉27.5 wt%（D97为150μ）、钨铁粉3 wt%（钨含量80wt%，D97为190μ）、氧化锆粉8 wt%（D97为110μ）、鳞片石墨粉17 wt%(D97为120μ)、二硫化钼粉5 wt% (D97为50μ)、铬粉0.5 wt% (D97为30μ)、氧化铝粉2 wt%（α-Al2O3，D97为150μ）；将上述粉料在三维混料机中混合6小时，在900 MPa进行成型得到素坯，将素坯固定在钢背上，放入钟罩式烧结炉，在800℃、3MPa下烧结4小时，得到高铁制动用摩擦材料。按照上述工艺制备的材料的硬度12HB，抗压强度90 MPa，剪切强度15MPa，静摩擦系数0.33，磨损量0.08cm3/MJ，摩擦系数曲线如图2所示。
实施例3
原料组分配比为: 电解铜粉65 wt%（D97为100μ）、还原铁粉15 wt%（D97为240μ）、钨铁粉6 wt%（钨含量72wt%，D97为100μ）、氧化锆粉1 wt%（D97为180μ）、鳞片石墨粉9 wt% (D97为80μ)、二硫化钼粉2.5 wt% (D97为60μ)、铬粉1 wt% (D97为70μ)、氧化铝粉0.5 wt%（α-Al2O3，D97为120μ）；将上述粉料在高速混料机中混合0.5小时，在600MPA进行成型得到素坯，将素坯固定在钢背上，放入钟罩式烧结炉，在920℃、2MPa下烧结3小时，得到高铁制动用摩擦材料。按照上述工艺制备的材料的硬度18HB，抗压强度120MPa，剪切强度20MPa，静摩擦系数0.36，磨损量0.12cm3/MJ，摩擦系数曲线如图3所示。
实施例4
原料组分配比为: 雾化铜粉40 wt%（D97为200μ）、雾化铁粉30 wt%（D97为200μ）、钨铁粉4 wt%（钨含量76wt%，D97为90μ）、氧化锆粉5 wt%（D97为190μ）、鳞片石墨粉10 wt%（D97为80μ）、二硫化钼粉4 wt% (D97为140μ)、铬粉5.5 wt% (D97为80μ)、氧化铝粉1 wt%（α- Al2O3，D97为180μ）、氧化硅粉0.5 wt% (D97为50μ)；将上述粉料在V型混料机中混合15小时，在750MPA进行成型得到素坯，将素坯固定在钢背上，放入钟罩式烧结炉，在1000℃、1MPa下烧结2小时，得到高铁制动用摩擦材料。按照上述工艺制备的材料的硬度22HB，抗压强度135MPa，剪切强度18MPa，静摩擦系数0.38，磨损量0.15cm3/MJ，摩擦系数曲线如图4所示。
实施例5
原料组分配比为: 电解铜粉55 wt%（D97为100μ）、雾化铁粉15 wt%（D97为200μ）、钨铁粉3 wt%（钨含量78wt%，D97为120μ）、氧化锆粉6 wt%（D97为160μ）、鳞片石墨粉14 wt%（D97为50μ）、二硫化钼粉2 wt% (D97为130μ)、铬粉3 wt% (D97为50μ)、氧化铝粉1 wt%（α- Al2O3，D97为190μ）、氧化硅粉1 wt% (D97为150μ)；将上述粉料在三维混料机中混合10小时，在850MPA进行成型得到素坯，将素坯固定在钢背上，放入钟罩式烧结炉，在860℃、3.5MPa下烧结2.5小时，得到高铁制动用摩擦材料。按照上述工艺制备的材料的硬度15HB，抗压强度110MPa，剪切强度22MPa，静摩擦系数0.35，磨损量0.10cm3/MJ，摩擦系数曲线如图5所示。
上述内容仅是本发明较佳的具体实施例，本发明的保护范围并不仅限于此，所有该领域的技术人员在本发明公开技术范围内，根据本发明的精神及构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高速列车制动用铜铁基粉末冶金摩擦材料,其特征在于包括原料质量百分组成是：铜粉35-65wt%，铁粉20-45wt%，其中铜粉和铁粉重量之和占铜铁基粉末冶金摩擦材料的64.5-80wt%；石墨粉6-17wt%，二硫化钼2-5wt%，其中石墨粉和二硫化钼重量之和占铜铁基粉末冶金摩擦材料的8-22 wt%；钨铁合金粉2-6 wt%，氧化锆粉1-8wt%，其中钨铁合金粉和氧化锆粉重量之和占铜铁基粉末冶金摩擦材料的5-11wt%；氧化铝粉0-2 wt%，氧化硅粉0-1wt%，其中氧化铝粉和氧化硅粉重量之和占铜铁基粉末冶金摩擦材料的0.5-2wt%；铬粉0.5-6wt%；
基体组元为铜粉和铁粉，其中的铜粉为电解铜粉或雾化铜粉，铁粉为雾化铁粉或还原铁粉，基体组元粉体颗粒尺寸小于250μm；
润滑组元为石墨粉和二硫化钼粉，其中石墨为天然鳞片石墨，润滑组元粉体颗粒尺寸小于150μm；
摩擦组元以钨铁合金粉和氧化锆粉为主，采用少量硅和铝的陶瓷粉为辅，其中钨铁合金中钨含量70-80 wt%，氧化铝为α- Al2O3，摩擦组元粉体颗粒尺寸小于200μm；
基体增强组元铬粉的粉体颗粒尺寸小于100μm；
粉末冶金制备工艺包括混料、压制成型和加压烧结，混合时间0.5-24小时，成型压力500-900 MPa，烧结温度800-1050℃，烧结时间1-4小时，烧结压力0.5-3 MPa；
混料设备选用V型混料机、三维混料机或高速混料机。
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