CN109469697B - 高速列车用纤维增强铜基制动闸片及制备和摩擦制动性能 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高速列车用纤维增强铜基制动闸片及制备和摩擦制动性能，包括质量百分比为80‑98.5％的金属粉末，质量百分比为1‑15％的非金属粉末，质量百分比为0.5‑5％的纤维组元；非金属粉末中粒状石墨粉与鳞片石墨粉和金属粉末中的铬粉与高碳铬铁粉均按照比例添加，纤维组元为不同性质纤维混合使用。将上述粉末按比例混合均匀，冷压成形后热压烧结，得到铜基粉末冶金闸片。所得闸片按照低压低速，高压高速，高压高速连续紧急制动三阶段制动程序进行摩擦制动性能检测，检测方法能够反映出高速列车制动用铜基粉末冶金闸片的摩擦制动性能。该闸片在高速下具有较高的摩擦系数，摩擦系数稳定、衰减小，磨损量低以及对制动盘的损伤小优点。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金摩擦材料制备技术领域，尤其涉及一种高速列车用纤维增强铜基制动闸片及制备和摩擦制动性能。
背景技术
高速列车基础制动装置一般采用盘形制动，利用闸片与制动盘相接触产生的摩擦力实现减速或停车。闸片与制动盘构成摩擦副，其中制动闸片是保证高速列车运行安全的关键部件，其性能优劣直接影响高速列车的制动性能、制动盘和闸片本身的使用寿命及列车的运行安全。随着列车运行速度的提高和载荷的增大，其对制动闸片的性能要求也越来越高。德国高铁ICE的最高速度达到406.9km/h,法国高铁TGV的V150超高速列车的试验行驶速度达到578.4km/h,日本高速列车稳定运行速度为300km/h，中国的复兴号高速列车组的稳定运行速度更是达到了350km/h。
目前，高速列车制动用闸片主要是铜基粉末冶金闸片，这是由于铜基闸片具有优异的摩擦性能、优异的制动效果、以及良好的导热性能。但是，随着列车高速化，制动负荷越来越大，制动时产生的热能及热冲击也大大增加。摩擦表面铜在高挤压压力和高的温度下发生软化流动，造成摩擦系数在制动过程中产生较大的波动和明显的热衰退。此外，现有闸片对制动盘的损伤较大。提高摩擦系数的稳定性、降低摩擦系数的热衰退以及更好的保护制动盘是开发高性能铜基粉末冶金闸片的三个重要方面。
铜基闸片的性能很大程度上受组元性质和含量的影响。目前减缓铜基体在高温下的软化，阻碍其流动的方法主要是通过在铜基体中添加强化组元来实现，比如铁，二氧化硅，碳化硅，氧化铝等颗粒。这种强化作用主要来自于颗粒在铜基体中的均匀分布。另外，存在于摩擦表面的硬质颗粒本身强度就比铜基体大，在摩擦过程中当较软的基体磨损软化后，颗粒突出于摩擦表面,直接与对偶表面相接触，提高摩擦阻力。但是高温下铜基闸片材料的软化主要发生在摩擦表层，一旦表层软化，在剧烈的循环热应力与压力的条件下，突出的硬质颗粒由于颗粒状形貌特点以及与铜基体较弱的界面结合，不足以承载过高的载荷，容易从基体中脱落甚至破碎，这样会大幅度降低硬质颗粒对软化流动的摩擦膜的钉扎和保护作用，从而使闸片材料摩擦表层不能形成稳定的摩擦膜。摩擦表层的软化和流动是造成高速下摩擦系数的衰退和磨损量剧烈升高的主要原因。因此，本发明通过调节添加组元的种类、含量及比例来控制摩擦膜的性质，进而调控摩擦系数的大小、提高摩擦系数的稳定性、降低磨损量，使其适合更高速度等级的高速列车。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有高速列车制动用铜基制动闸片高温摩擦系数波动较大、摩擦系数衰退较大、耐磨性能较低以及现有闸片对制动盘的损伤较大的问题，提供了一种通过多组元协同配合来提高铜基闸片摩擦制动性能的方法。通过添加柔性纤维状组元(碳纤维)或刚性纤维状摩擦组元(氧化铝纤维或碳化硅纤维)对铜基体进行强化。此外，为了提高闸片的成分均匀性，减小密度差异较大的组元的偏析，采用喷雾喷洒的方式添加粘结剂，使低密度的石墨或纤维组元均匀粘附在基体粉末颗粒表面，从而获得成分均匀，无偏析的铜基混合粉末。在压制成形过程中，由于摩擦块的厚度较大，采用双向压制保证压坯密度的均匀性，并采用复压复烧的方法来提高闸片的密度和剪切强度，最终制备出在高速下具有较高的摩擦系数，且摩擦系数稳定、磨损量低、对制动盘损伤小的高速列车制动闸片。
为实现本发明的目的，采用以下制备技术方案：一种高速列车用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，
1.原料：粉末状原料：铜粉：48-75μm；铁粉：45-150μm；片状石墨粉：180-380μm；粒状石墨粉：106-300μm；二氧化钛粉：<10μm；二硫化钼：45-150μm；铬粉：10-48μm；高碳铬铁：10-48μm；
纤维状组元：氧化铝纤维：直径5-20μm，长度10-100μm；碳化硅纤维：直径0.1-0.5μm，长度10-50μm；碳纤维：直径0.2-0.6μm，长度5-50μm；
刚性的氧化铝纤的长径比为5:1-20:1，刚性的碳化硅纤维和柔性的碳纤维的长径比为10:1-100:1。
所述的粘结剂成分质量配比为：40-70wt.％乙撑双硬脂酰胺(EBS)；10-20wt.％石蜡；15-30wt.％聚酰胺蜡；2-5wt.％月桂酸；20-40wt.％硬脂酸；2-5wt.％异辛酸；5-10wt.％聚丙烯酸甲脂。所述的溶剂为正庚烷；所述的粘结剂溶液中粘结剂的含量为0.1～0.7wt％，粘结剂的溶解温度为60℃-100℃。
铜基闸片的制备包括以下步骤：
2.配料：根据铜基闸片的配方进行称量配料。铜基闸片的配方：铜粉：45-65wt.％；铁粉：15-30wt.％；片状石墨粉：1-10wt.％；粒状石墨粉：1-10wt.％；二氧化钛粉：1-10wt.％；二硫化钼粉：1-5wt.％；铬粉：1-10wt.％；高碳铬铁粉：1-10wt.％；氧化铝纤维：1-5wt.％；碳化硅纤维：0.5-3wt.％；碳纤维：0.5-3wt.％。
优选地，所述粒状石墨粉与鳞片状石墨粉按质量百分数比例添加：粒状石墨粉与鳞片状石墨粉的比例为1:1～1:1.5。
优选地，所述铬粉与高碳铬铁粉末按质量百分数比例添加：铬粉与高碳铬铁粉的比例为1:1～1:1.5。
优选地，所述的氧化铝纤维、碳化硅纤维和碳纤维采用化学镀的方法包覆铜或镍，铜或镍包覆层的厚度为1-3μm。
优选地，所述的氧化铝纤维、碳化硅纤维和碳纤维采用化学镀的方法。
3.粉末的混合：将不同组合配比的原料粉末加入双锥喷雾混料器中。开启导热油泵，将混料筒加热到80-140℃之间。混合粉末在双锥喷雾混料器中进行粘结化处理，首先将粘结润滑剂在60-100℃的温度下溶于溶剂中，形成粘结剂溶液，粘结剂溶液被加热到80-120℃，然后在0.1MPa-1MPa高压气体的携带下进入双锥喷雾混料器中，粘结剂溶液被雾化并均匀喷洒在不断翻滚的物料上，混合6-10h，得到粘结化处理粉末；
4.粉末的压制：采用双向压制，将混合均匀的铜基粉末冷压成形，压制压力为400～500MPa；
5.闸片的烧结：将冷压坯体在热压烧结炉中烧结，加热至850℃～950℃，保温60-120分钟，热压压力为2MPa～4MPa，保持恒定，烧结气氛为氢氮混合气氛；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
6.摩擦制动性能检测：摩擦制动性能的检测包括三个阶段：
第一阶段(低压低速阶段)：制动压力<0.35MPa，制动速度为0-200km/h，速度每隔20-50km/h取一个实验测试速度，每个制动速度下重复进行至少3次，起始温度小于60℃。
第二阶段(高压高速阶段)，增大制动压力到0.35-0.6MPa，制动速度为200-400km/h，每个制动速度下重复进行至少3次，起始温度不超过60℃。
第三阶段在最大制动压力和最高制动速度下连续10次紧急制动，制动间隔不超过1min。记录每一次制动的平均摩擦系数及整个测试结束后总的磨损量。
本发明采用了以纯电解铜粉为基体，没有添加固溶强化元素，这样能够保证铜基闸片材料的高导热性；粒状石墨具有导热高，强度高，与鳞片石墨按照一定比例配合使用，能够提高基体的强度，并且降低鳞片石墨对基体的分割作用，从而降低磨损量，提高摩擦系数；通过添加具有高强度和高耐磨性的铬和高碳铬铁取代传统闸片中的陶瓷颗粒，铬与氧具有较高的亲和力，在烧结过程中容易被氧化形成氧化铬颗粒。此外铬和铁之间存在明显的互扩散，提高了铬和基体之间的界面结合，并且在铬颗粒内部形成柯肯达尔孔。在制动过程中多孔铬颗粒逐步破碎，为摩擦膜的形成提供细小的氧化铬颗粒，提高了摩擦膜的强度。铬铁合金颗粒作为硬质相，对摩擦膜起支撑保护作用。因此，二者按照一定比例添加能够发挥协同作用，提高表面摩擦膜的完整性从而提高铜基闸片材料的摩擦制动性能；通过添加较小粒径的锐钛矿型二氧化钛颗粒，能够起增强闸片材料的强度，并且在摩擦表面弥散强化摩擦膜的作用。此外，锐钛矿型二氧化钛颗粒与金红石型二氧化钛、碳化硅或氧化铝颗粒相比，具有较低的硬度，能够有效减少硬质相对制动盘的损伤；单种或多种纤维组元存在于基体中能够强化基体，由于其长径比大，摩擦表面的纤维往往一部分镶嵌在基体中，一部分参与摩擦膜的形成。高的弹性模量使纤维在高压下不容易破碎，能够承载载荷，而且对摩擦膜起到锚定或钉扎的作用。这种作用能阻碍高速下摩擦膜因软化造成的流动，保护摩擦膜在高的剪应力下不被破坏，从而促进连续稳定摩擦膜的形成。摩擦膜的稳定对减小摩擦系数的衰退，降低磨损量有重要作用。此外，纤维组元在铜基闸片中起到弹性组元的作用，使闸片在大的制动压力或反复的制动过程中具有一定的弹性，对大应力有一定的缓冲作用，有助于降低闸片摩擦系数的衰减。为了克服铜基闸片中不同组元之间密度差异大造成的基体组元分布不均匀的问题，在双锥喷雾混料器中采用喷雾喷洒粘结剂的方式对原料粉末进行粘结化处理，有效减小了低密度组元的偏析，提高了闸片产品的一致性。另外，本发明制定了一种简便的高效率的铜基闸片材料的摩擦制动性能的检测方法，能更好的反映制动闸片在低压低速、高压高速、高压高速连续紧急制动条件下的摩擦制动性能。
在附图和下面的具体实施方式中将对一个或多个实例的细节进行阐明。从具体实施方式和附图，以及从权力要求中将明白本公开的其他特征、目的和优势。
附图说明
图1为本发明制动闸片制备流程图。优化设计铜基制动闸片的成分，接着进行原料粉末的粘结化处理、压制、烧结，最后对制动闸片的摩擦制动性能进行测试。
图2是实施例1-9中样品检测后的总磨损量。实施例2，3表现出低的磨损量,说明粒状石墨与鳞片石墨，铬粉与高碳铬粉按一定比例添加能够提高铜基闸片的耐磨性实施例6-9表现出较低的磨损量表明添加纤维状组元的样品也能提高铜基闸片的耐磨性，其中添加碳纤维的表现出最低的磨损量。
图3为实例1-2所述闸片材料的摩擦系数随制动次数的变化。全部含有片状石墨的摩擦系数在整个制动过程中都较稳定，但是摩擦系数较小。加入粒状石墨以后，虽然在制动后期摩擦系数出现小幅度衰退，但是摩擦系数明显增大。
图4是实例1-2的所述闸片材料的瞬时摩擦系数随制动转速的变化。两种样品瞬时摩擦系数变化趋势基本相同，但是在转速小于6000r/min时瞬时摩擦系数开始上升，加入粒状石墨的闸片样品摩擦系数上升高于只含片状石墨的样品。
图5是一系列制动实验完成以后，摩擦表面及摩擦膜横截面显微组织：(a，b)12％片状石墨；(c,d)7％片状石墨+5％粒状石墨。从图中可以看出含有粒状石墨的闸片材料摩擦后表面形成的摩擦膜连续完整，表面质量较好，而从横截面可以看出，在纵截面中发现石墨处形成的脱落坑由大面积的鳞片状石墨的脱落逐渐转变为小面积的粒状石墨的接触。由于人造石墨的强度显著高于鳞片石墨，在摩擦过程中，在摩擦表面的粒状石墨起硬质相的作用，参与摩擦，承载载荷并且钉扎第三体，阻碍制动盘转动从而提高摩擦系数。此外，摩擦过程中还能减少剥层磨损的产生，增大摩擦系数并且降低磨损量。由于粒状石墨与鳞片石墨搭配使用，沿着鳞片石墨拓展的裂纹遇到粒状石墨后会被阻碍停止拓展或者发生偏折，这都会降低磨损，提高摩擦表面质量。
图6是实例3-5所述闸片材料的摩擦系数随制动次数的变化。添加7％CrFe的闸片材料从低速到高速一直表现出较低且平稳的摩擦系数，但是磨损量较大。添加7％Cr的闸片材料，在低速下表现出较高的摩擦系数，在高速下摩擦系数较低并且在制动测试的最后阶段摩擦系数出现衰退，磨损量仍然偏高。而添加4％CrFe和3％Cr的闸片材料在整个制动阶段均保持了相对稳定且较高的摩擦系数，并且磨损量较低，说明铬和铬铁的协同作用能够显著提高材料的制动性能。
图7是实施例3-5闸片材料制动实验之后的摩擦表面形貌。从图7(a)可看出含有7％Cr的闸片材料表面出现较多的犁沟以及垂直于摩擦方向的疲劳裂纹，图7(b)可以看出破裂的铬导致摩擦膜的破坏。图7(e)则表明闸片表面有较多的剥落坑，图7(f)可以看到破碎的铬铁颗粒。图7(c)和(d)表现出完整较好的摩擦膜。在闸片材料烧结时，铬与基体中的铁以及气氛中的氧反应形成强度低的多孔颗粒，在摩擦过程中多孔铬作为摩擦膜中细小氧化物的来源，对摩擦膜起弥散强化作用，铬铁合金作为硬质相，在摩擦过程中起支撑氧化膜的作用，二者按照一定比例添加能够实现良好的协同作用以保证较好的摩擦膜。因此，含有4％CrFe和3％Cr的闸片材料具有良好的摩擦磨损性能。
图8是实施例6-8含有不同纤维的闸片材料的平均摩擦系数随制动次数的变化。三种材料的摩擦系数均较高且平稳，基本处于0.36-0.42之间，在高速下没有出现明显的衰退。其中添加氧化铝纤维的摩擦系数最高，添加碳纤维的摩擦系数最低。
图9是实施例7含氧化铝纤维闸片在350km/h制动时的瞬时摩擦系数。从高速到低速瞬时摩擦系数随转速降低先缓慢增长后保持相对平稳，说明含有氧化铝纤维闸片在高速时紧急制动具有稳定的摩擦系数。
图10是实施例7中含有的氧化铝纤维及闸片材料在制动实验后的摩擦膜形貌。在闸片材料中添加适量的纤维，能够强化材料的力学性能。除此之外，表面存在氧化铝纤维，在摩擦过程中阻碍表面物质的流动，能够在摩擦表面稳定摩擦膜，从而稳定摩擦系数和降低磨损量。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明一种高速列车用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，该铜基粉末冶金制动闸片的组成成分包括金属粉末、非金属粉末和纤维组元；
其中，所述金属粉末的质量百分比为80-98.5％，
非金属粉末的质量百分比为1-20％，
纤维组元的质量百分比为0.5-5％。
所述金属粉末的各个组分的质量百分比为：铜粉：45-65％；铁粉：15-30％；锐钛矿型二氧化钛粉：1-10％；二硫化钼粉：1-5％；铬粉：1-10％；高碳铬铁粉：1-10％。所述铜粉的粒径为48-75μm，所述铁粉的粒径为45-150μm，所述二氧化钛粉的粒径为<10μm，所述二硫化钼粉的粒径为45-150μm，所述铬粉的粒径为10-48μm，所述高碳铬铁粉的粒径为10-48μm。
所述非金属粉末的各个组分质量百分比为：片状石墨粉：1-10％；粒状石墨粉：1-10％。所述片状石墨粉的粒径为180-380μm，所述粒状石墨粉的粒径为106-300μm。
所述纤维组元为氧化铝纤维、碳化硅纤维或碳纤维中的一种：其中，当选用氧化铝纤维时，质量百分比为：1-5％；当选用碳化硅纤维或碳纤维时，质量百分比为：0.5-3％。当混合使用刚性纤维和柔性纤维时，刚性的氧化铝纤维或者碳化硅纤维与柔性的碳纤维的比例为1:0.5-1:1.
所述氧化铝纤维的直径5-20μm，长度10-100μm；所述碳化硅纤维直径0.1-0.5μm，长度10-50μm；所述碳纤维直径0.2-0.6μm，长度5-50μm。
刚性的氧化铝纤维的长径比为5:1-20:1，刚性的碳化硅纤维或柔性的碳纤维的长径比为10:1-100:1。
所述粒状石墨粉与鳞片石墨粉的比例为1:1～1:1.5；
所述铬粉与高碳铬铁粉的比例为1:1～1:1.5。
本发明另一目的是提供一种上述的高速铁路用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一，粉末的混合：按照设计成分配比的原料粉末加入双锥喷雾混料器中，开启导热油泵，将混料筒加热到80-140℃之间；将粘结剂在60-100℃的温度下溶于溶剂中，形成粘结剂溶液，粘结剂溶液被加热到80-120℃，然后在压力为0.1MPa-1MPa气体的携带下进入双锥喷雾混料器中，将粘结剂溶液以喷雾喷洒的方式加入不断翻滚的物料中，混合6-10h，得到粘结化处理粉末；
步骤二，粉末的压制：将混合均匀的粉末在400～500MPa的压力下冷压成形，得到冷压坯体；
步骤三，闸片的烧结：将冷压坯体在热压烧结炉中进行烧结，烧结温度为至850℃-950℃，保温60-120分钟，热压压力为2MPa-4MPa，烧结气氛为氢氮混合气氛；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定，得到烧结坯；
所述的粘结剂的成分质量配比为40％-70％乙撑双硬脂酰胺；10％-20％石蜡；15％-30％聚酰胺蜡；2％-5％月桂酸；20％-40％硬脂酸；2％-5％异辛酸；5％-10％聚丙烯酸甲脂。
所述的溶剂为正庚烷；所述的粘结剂溶液中粘结剂的含量为0.1wt％-0.7wt％，粘结剂的溶解温度为60℃-100℃。
本发明另一目的是提供一种上述的高速铁路用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片的摩擦制动性能的检测方法，具体包括以下步骤：
第一阶段(低压低速阶段)：制动压力<0.35MPa，制动速度为0-200km/h，速度每隔20-50km/h取一个实验测试速度，每个制动速度下重复进行至少3次，起始温度小于60℃。
第二阶段(高压高速阶段)，增大制动压力到0.35-0.6MPa，制动速度为200-400km/h，每个制动速度下重复进行至少3次，起始温度不超过60℃。
第三阶段在最大制动压力和最高制动速度下连续10次紧急制动，制动间隔不超过1min。记录每一次制动的平均摩擦系数及整个测试结束后总的磨损量。
实施例1：
本发明所述的一种高速列车用铜基粉末冶金闸片，对粒状石墨与鳞片状石墨的协同作用进行了强调，因此实施例将着重表明此作用。为了进行对比，按同样的方法制备了石墨全为片状石墨粉(12％的片状石墨粉(300μm)的闸片材料。将质量配比为59％的铜粉(62μm)，18％的铁粉(106μm)，12％的片状石墨粉(300μm)，1％的二氧化钛粉(6.5μm)，2％二硫化钼粉(106μm)，4％铬粉(45μm)，4％高碳铬铁粉(45μm)倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.5MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触，混料8小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为500MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至900℃，在氢氮混合气体中烧结，保温90分钟，热压压力为2.5MPa，保持恒定；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
实施例2：
将两种闸片材料进行摩擦制动性能检测。将质量配比为59％的铜粉(62μm)，18％的铁粉(106μm)，7％的片状石墨粉(300μm)，5％的粒状石墨粉(180μm)，1％的二氧化钛粉(6.5μm)，2％二硫化钼粉(106μm)，4％铬粉(45μm)，4％高碳铬铁粉(45μm)的粉末倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.5MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触，混料8小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为500MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至900℃，在氢氮混合气体中烧结，保温90分钟，热压压力为2.5MPa，保持恒定；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
对比实施例1、2，全部含有片状石墨的摩擦系数在整个制动过程中都较稳定，但是摩擦系数较小，磨损量较大。加入粒状石墨以后，虽然在制动后期摩擦系数出现小幅度衰退，但是摩擦系数明显增大，磨损量也明显减小。
实施例3：
本发明所述的一种高速列车用铜基粉末冶金闸片，对铬铁和铬的协同作用进行了强调，因此实施例将着重表明此作用。将质量配比为58％的铜粉(50μm)，18％的铁粉(100μm)，7％的片状石墨粉(400μm)，5％的粒状石墨粉(250μm)，3％的二氧化钛粉(6.5μm)，2％二硫化钼粉(100μm)，3％铬粉(40μm)，4％高碳铬铁粉(40μm)的粉末倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.1MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触；混料6小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为460MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至880℃，在氢氮混合气体中烧结，保温100分钟，热压压力为1.5MPa，保持恒定，冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
实施例4：
本发明所述的一种高速列车用铜基粉末冶金闸片，对铬铁和铬的协同作用进行了强调，因此实施例将着重表明此作用。将质量配比为58％的铜粉(58μm)，18％的铁粉(115μm)，7％的片状石墨粉(250μm)，5％的粒状石墨粉(250μm)，3％的二氧化钛粉(2.6μm)，2％二硫化钼粉(115μm)，7％铬粉(38μm)的粉末倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.1MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触；混料6小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为460MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至880℃，在氢氮混合气体中烧结，保温100分钟，热压压力为1.5MPa，保持恒定，冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
实施例5：
本发明所述的一种高速列车用铜基粉末冶金闸片，对铬铁和铬的协同作用进行了强调，因此实施例将着重表明此作用。将质量配比为58％的铜粉(58μm)，18％的铁粉(115μm)，7％的片状石墨粉(250μm)，5％的粒状石墨粉(250μm)，3％的二氧化钛粉(2.6μm)，2％二硫化钼粉(115μm)，7％高碳铬铁粉(38μm)的粉末倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.1MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触；混料6小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为460MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至880℃，在氢氮混合气体中烧结，保温100分钟，热压压力为1.5MPa，保持恒定，冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
对比实施例3-5，添加7％CrFe的闸片材料从低速到高速一直表现出较低且平稳的摩擦系数，但是磨损量较大。添加7％Cr的闸片材料，在低速下表现出较为较高的摩擦系数，在高速下摩擦系数较低并且在制动测试的最后阶段摩擦系数出现衰退，磨损量仍然偏高。而添加4％CrFe和3％Cr的闸片材料在整个制动阶段均保持了相对稳定且较高的摩擦系数，并且有低的磨损量，说明铬和铬铁的协同作用能够显著提高材料的制动性能。
实施例6：含2％碳化硅纤维增强的铜基粉末冶金刹车片
将质量配比为56％的铜粉(45μm)，18％的铁粉(48μm)，7％的片状石墨粉(250μm)，5％的粒状石墨粉(160μm)，3％的二氧化钛粉(6.5μm)，2％二硫化钼粉(48μm)，3％铬粉(45μm)，4％高碳铬铁粉(45μm)，2％碳化硅纤维(直径0.5μm，长度30μm)的粉末倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.5MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触；混料8小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为500MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至900℃，在氢氮混合气体中烧结，保温120分钟，热压压力为2.5MPa，保持恒定；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
实施例7：含1％氧化铝纤维增强的铜基粉末冶金刹车片
将质量配比为57％的铜粉(45μm)，18％的铁粉(48μm)，7％的片状石墨粉(250μm)，5％的粒状石墨粉(160μm)，3％的二氧化钛粉(6.5μm)，2％二硫化钼粉(48μm)，3％铬粉(45μm)，4％高碳铬铁粉(45μm)，1％氧化铝纤维(直径8μm，长度75μm)的粉末倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.1MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触；混料6小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为460MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至880℃，在氢氮混合气体中烧结，保温120分钟，热压压力为1.5MPa，保持恒定；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
实施例8：含2％碳纤维增强的铜基粉末冶金刹车片
将质量配比为56％的铜粉(45μm)，18％的铁粉(48μm)，7％的片状石墨粉(250μm)，5％的粒状石墨粉(160μm)，3％的二氧化钛粉(6.5μm)，2％二硫化钼粉(48μm)，3％铬粉(45μm)，4％高碳铬铁粉(45μm)，2％碳纤维(直径0.3μm，长度30μm)的粉末倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.5MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触；混料8小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为500MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至900℃，在氢氮混合气体中烧结，保温120分钟，热压压力为2.5MPa，保持恒定；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
实施例9：含1.5％氧化铝纤维和1％碳纤维增强的铜基粉末冶金刹车片
将质量配比为55.5％的铜粉(45μm)，18％的铁粉(48μm)，7％的片状石墨粉(250μm)，5％的粒状石墨粉(160μm)，3％的二氧化钛粉(6.5μm)，2％二硫化钼粉(48μm)，3％铬粉(45μm)，4％高碳铬铁粉(45μm)，1.5％氧化铝纤维(直径8μm，长度75μm)，1％碳纤维(直径0.3μm，长度30μm)的粉末倒入双锥喷雾混料器中，混料筒不断回转使物料翻动，高压气体压力在0.5MPa左右，喷射出的粘结润滑剂溶液形成雾状，与翻动的物料充分接触；混料8小时后将混合均匀的粉末冷压成形，压力为500MPa。将冷坯体在热压烧结炉中烧结，加热至900℃，在氢氮混合气体中烧结，保温120分钟，热压压力为2.5MPa，保持恒定；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。
本发明所述的一种高速列车用铜基粉末冶金闸片，对纤维的作用进行了强调，因此实施例6-8均将着重表明此作用。结果显示三种材料的摩擦系数均较高且平稳，基本处于0.36-0.42之间，在高速下没有出现明显的衰退。其中添加氧化铝纤维的摩擦系数最高，添加碳纤维的摩擦系数最低。但是添加碳纤维的闸片材料体现出最低的磨损量。以上实施例表明了该发明闸片成分设计以及制备流程的合理性，并且也充分展现了该材料体现出来的良好的摩擦磨损性能。
检测实施例1-8的铜基闸片成分如表1：
表1铜基本闸片材料的成分(重量百分含量)
由于实施例2和1对比，4，5和3为对比，因此只列举实施例2，3，6-8的物理性能。
表2上述各实施例1-5闸片的部分物理性能参数
*摩擦系数衰退计算是以紧急制动阶段第一次制动时摩擦系数与最后一次制动时摩擦系数差值来表示的。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种高速列车用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述铜基粉末冶金制动闸片的组成成分包括金属粉末、非金属粉末和纤维组元；
其中，所述金属粉末的质量百分比为80-98.5%，
非金属粉末的质量百分比为1-20%，
纤维组元的质量百分比为0.5-5%；所述金属粉末的各个组分的质量百分比为：铜粉：45-65%；铁粉：15-30%；锐钛矿型二氧化钛粉：1-10%；二硫化钼粉：1-5%；铬粉：1-10%；高碳铬铁粉：1-10%；
所述铜粉的粒径为48-75μm，所述铁粉的粒径为45-150μm，所述二氧化钛粉的粒径为<10μm，所述二硫化钼粉的粒径为45-150μm，所述铬粉的粒径为10-48μm，所述高碳铬铁粉的粒径为10-48μm；
所述非金属粉末的各个组分质量百分比为：片状石墨粉：1-10%；粒状石墨粉：1-10%；所述片状石墨粉的粒径为180-380μm，所述粒状石墨粉的粒径为106-300μm；
所述纤维组元为刚性的氧化铝纤维或碳化硅纤维，柔性的碳纤维中的一种：其中，当选用刚性的氧化铝纤维时，质量百分比为：1-5% ；当选用碳化硅纤维或柔性的碳纤维时，质量百分比为：0.5-3%。
2.根据权利要求1所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述纤维组元为刚性的氧化铝纤维或碳化硅纤维和柔性的碳纤维混合时：刚性的氧化铝纤维或者碳化硅纤维与柔性的碳纤维的比例为1:0.5-1:1，混合纤维的含量为1-4%。
3.根据权利要求2所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于，纤维状组元：氧化铝纤维：直径5-20μm，长度10-100μm；碳化硅纤维：直径0.1-0.5μm，长度10-50μm；碳纤维：直径0.2-0.6μm，长度5-50μm。
4.根据权利要求3所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于，其特征在于：刚性的氧化铝的长径比为5:1-20:1，刚性的碳化硅纤维或柔性的碳纤维的长径比为10:1-100:1。
5.根据权利要求1所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述粒状石墨粉与片状石墨粉的质量比为1:1-1:1.5。
6.根据权利要求1所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述铬粉与高碳铬铁粉的质量比为1:1-1:1.5。
7.一种制备如权利要求1-6任一项所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，粉末的混合：按照设计的成分配比，将原料粉末加入双锥喷雾混料器中，开启导热油泵，将混料筒加热到80-140℃之间；将粘结剂在60-100℃的温度下溶于溶剂中，形成粘结剂溶液，粘结剂溶液被加热到80-120℃，然后在压力为0.1MPa-1MPa气体的携带下进入双锥喷雾混料器中，将粘结剂溶液以喷雾喷洒的方式加入不断翻滚的物料中，混合6-10h，得到粘结化处理粉末；
步骤二，粉末的压制：将粘结化处理粉末在400~500MPa的压力下冷压成形，得到冷压坯体；
步骤三，闸片的烧结：将冷压坯体在热压烧结炉中进行烧结，烧结温度为850℃-950℃，保温60-120分钟，热压压力为2MPa-4MPa，烧结气氛为氢氮混合气氛；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定，得到烧结坯。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的粘结剂的成分质量配比为40%-70%的乙撑双硬脂酰胺；10%-20%的石蜡；15%-30%的聚酰胺蜡；2%-5%的月桂酸；20%-40%的硬脂酸；2%-5%的异辛酸；5%-10%的聚丙烯酸甲脂。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的溶剂为正庚烷；所述的粘结剂溶液中粘结剂的含量为0.1wt%-0.7wt%，粘结剂的溶解温度为60℃-100℃。
10.一种如权利要求1或7所得到的 列车用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片的摩擦制动性能检测方法，其特征在于，具体包括三个阶段：
第一阶段.低压低速阶段：制动压力<0.35MPa，制动速度为0-200km/h，速度每隔20-50km/h取一个实验测试速度，每个制动速度下重复进行至少3次，起始温度小于60℃；
第二阶段.高压高速阶段：增大制动压力到0.35-0.6MPa，制动速度为200-400km/h，每个制动速度下重复进行至少3次，起始温度不超过60℃；
第三阶段在最大制动压力和最高制动速度下连续10次紧急制动，制动间隔不超过1min，记录每一次制动的平均摩擦系数及整个测试结束后总的磨损量。
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| GR01 | Patent grant | ||
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