CN110905954B - 一种增加轮轨粘着系数的闸瓦材料及其制备的闸瓦 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增加轮轨粘着系数的闸瓦材料及其制备的闸瓦。将纳米二氧化硅改性酚醛树脂、顺丁橡胶、纳米陶瓷颗粒、滑石粉、叶蛇纹石、硅藻土与铝矾土按比例顺序放入高速混料机中混合，最后加入开松的碳纤维与芳纶浆粕再混合，得到混合料；将瓦背、混合料置于模具中进行压制成型；将压制成型后毛坯放入烘箱中进行固化热处理，得到闸瓦。与现有技术相比，本发明是在配方中添加纳米陶瓷材料制得增粘闸瓦，纳米陶瓷颗粒尺寸较小，比表面积大，列车在制动过程中，闸瓦与车轮摩擦，磨下来的细小颗粒，附着在车轮上面，形成一层转移膜，转移膜是由许多微凸体组成的，微凸体有较大的接触面积，粘附在车轮踏面起到增粘作用。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦材料技术领域，尤其是涉及一种增加轮轨粘着系数的闸瓦材料及其制备的闸瓦。
背景技术
轮轨之间的粘着问题，是一个极为复杂的问题，影响因素非常多。它与轨面的状态、列车速度、蠕滑率等因素有关。列车在高湿度、雨雪、高密度污染物等恶劣天气，或者车轮踏面上存在尘埃、锈迹、油脂等，车轮与钢轨之间的粘着系数就会降低，车轮出现空转与打滑，擦伤钢轨或车轮，严重情况下会造成车轮镟轮。为了保证轮轨表面的良好状态，防止车轮的空转与打滑，减少车轮镟轮次数，缩短制动距离，保证列车安全运行，急需发明一种增粘轮轨粘着系数的闸瓦。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种增加轮轨粘着系数的闸瓦材料及其制备的闸瓦。
本发明采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备闸瓦，该闸瓦磨耗率低，大大减少镟轮次数，降低使用和维护成本，车轮踏面无损伤，散热性好，无金属镶嵌，使用寿命长。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种增加轮轨粘着系数的闸瓦材料，包括以下组分及重量百分含量：
本发明提供采用所述闸瓦材料制备闸瓦的方法，包括以下步骤：
(1)纤维开松：将碳纤维与芳纶浆粕放入开松机内进行纤维开松；
(2)原料混合：将纳米二氧化硅改性酚醛树脂、顺丁橡胶、纳米陶瓷颗粒、滑石粉、叶蛇纹石、硅藻土与铝矾土按比例顺序放入高速混料机中混合，最后加入开松的碳纤维与芳纶浆粕再混合，得到混合料；
(3)热压成型：将瓦背、混合料置于模具中进行压制成型；
(4)固化热处理：将步骤(3)压制成型后毛坯放入烘箱中进行固化热处理，得到闸瓦。
在本发明的一个实施方式中，进行纤维开松的时间可以选择为5-8min。
在本发明的一个实施方式中，原料混合过程中，将纳米二氧化硅改性酚醛树脂、顺丁橡胶、纳米陶瓷颗粒、滑石粉、叶蛇纹石、硅藻土与铝矾土按比例顺序放入高速混料机中混合15-20min，最后加入开松的碳纤维与芳纶浆粕再混合5-8min。
在本发明的一个实施方式中，热压成型过程中，模具温度120-140℃，成型压力15-20MPa，保压20-30min。
在本发明的一个实施方式中，固化热处理中，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为30min。
在本发明的一个实施方式中，固化热处理中，具体固化温度与固化时间为：固化温度为140℃时，固化时间为4-5h，固化温度为150℃时，固化时间为1-2h，固化温度为155℃时，固化时间为3-5h，固化温度为160℃时，固化时间为7-8h。
本发明中，所述纳米二氧化硅改性酚醛树脂可以采用已有的技术手段获得，如专利CN201710127324.5、专利CN201510439876.0中都有介绍。所述纳米二氧化硅改性酚醛树脂发挥粘结剂作用，纳米二氧化硅是无定型白色粉末，颗粒尺寸小，比表面积大，表面能高，采用改性的酚醛树脂，二氧化硅与大分子结合成立体网状结构，从而提高材料的耐热性、耐磨性、强度和弹性。
本发明中，纳米陶瓷颗粒克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性，使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，显著降低材料的烧结温度、节省能源。纳米颗粒具有表面效应，小尺寸效应，宏观量子效应和隧道效应等，这些效应是常规材料不具有的。纳米颗粒直径越小，比表面积越大，颗粒表面具有很高的活性，产生一系列特殊的光学，热学，磁学和力学性质。
进一步，纳米陶瓷颗粒材料选自纳米氧化铝，纳米碳化硅，纳米二氧化硅，纳米碳化锆，纳米氮化硼，纳米氮化硅或纳米碳化硼中的一种或几种。
纳米氧化铝，为α-Al2O3，纯度99.9％，粒径30-40nm，纯度高，晶相稳定，硬度高，导热系数高，可以降低烧结温度。
纳米碳化硅，为β-SiC，纯度99.9％，粒径30-50nm，具有抗磨，耐高温，耐腐蚀，具有很好的韧性、优越的磨削性能、优良的导电散热性能。由于β-SiC的活性高，可以降低烧结温度，从而减少生产成本。
纳米二氧化硅，俗称白炭黑，粒径20-40nm，微结构为球形，有更好分散性、能较大地提高树脂的拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率和热稳定性等。
纳米碳化锆，ZrC，灰色金属状粉末，粒径小，分布均匀，比表面积大，高表面活性，松装密度低，具有耐高温，抗氧化，强度高，硬度高，韧性好，导热性良好。
纳米氮化硼，白色粉末，纯度99.9％，粒径30-50nm，比表面积大，高表面活性，松散，润滑，质量轻，化学性质稳定，膨胀系数低，高温下导热性良好。
纳米氮化硅，白色粉末，纯度99.9％，粒径20-30nm，粒径小、分布均匀，比表面积大，表面活性高，松装密度低，尺寸稳定性好，机械强度高，耐化学腐蚀性能好，有自润滑性能。
纳米碳化硼，黑色粉末，纯度99.9％，粒径40-50nm。
本发明中，顺丁橡胶为增韧组分，由丁二烯聚合而成结构规整的合成橡胶，其顺式结构含量在95％以上，在摩擦材料中改善酚醛树脂的性能，使得产品的冲击强度高，摩擦系数稳定，抗热衰退性好。
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维，具有密度低、比性能高、耐超高温、耐腐蚀的优良特性。
所述碳纤维优先选用美国杜邦碳纤维，长度5-6mm。用量太大混料时易结团，用量少不能保证增强作用。
所述芳纶浆粕，优选芳纶1414浆粕。其为浅黄色絮花状，强度高、尺寸稳定性好，无脆性、耐高温、耐腐蚀、有韧性、收缩率小、耐磨性好、表面积大，能很好的与其它物质结合，是一种补强材料，平均长度为4-6mm。芳纶浆粕与碳纤维混合使用，起到纤维混杂增强的作用。
滑石粉，密度为2.6g/cm3，白色粉末，粒度为200-300目，用作润滑剂。
叶蛇纹石，在低温和高温阶段都有良好表现，是优良的摩擦调节剂，具有增强、减摩效果。
硅藻土，作为摩擦材料的填料，可有效降低摩擦噪音和产品的热衰退。
铝矾土，白色粉末，粒度为200-350目。
本发明在配方中添加纳米陶瓷颗粒，制得增粘闸瓦，纳米陶瓷颗粒尺寸较小，比表面积大，颗粒表面具有很高的活性，产生一系列特殊的光学，热学，磁学，力学性质。列车在制动过程中，闸瓦与车轮摩擦，磨下来的细小颗粒，附着在车轮上面，形成一层转移膜，转移膜是由许多细小微凸体组成的，微凸体有较大的接触面积，粘附在车轮踏面起到增粘作用，保证轮轨表面的良好状态，防止车轮的空转与打滑，减少车轮镟轮次数，缩短制动距离，保证列车安全运行。增粘闸瓦可以降低烧结温度，节省能源，节约成本。
车轮在轨道上运行的工况比较复杂，车轮在轨道上滚动的同时，会有微小的轮轨间的纵向与横向滑动，轮轨接触面不是纯粹的静摩擦状态，这种静中有微动的状态称为粘着状态。粘着状态下轮轨间最大切向力称为粘着力，粘着力与轮轨间垂直载荷之比称为粘着系数。实际上粘着力比轮轨间最大静摩擦力要略小，在实际中，为了测试方便，往往通过测试最大静摩擦力代替粘着力进行粘着系数测试。车轮与轨道材质不同，闸瓦的粘着系数也不同，在MM-1000摩擦性能试验机上通过测试静摩擦系数来进行粘着系数测试，测试时，车轮材质是R9T，轨道材质是PD3 60kg/m。
制得的增粘闸瓦，通过粘着系数测试，干燥状态，闸瓦的粘着系数在0.27-0.30之间；潮湿状态，闸瓦的粘着系数在0.21-0.23之间。不添加纳米陶瓷材料，其余配方组成、生产工艺完全同增加轮轨粘着系数的闸瓦材料，制得的闸瓦记为X，干燥状态，闸瓦的粘着系数为0.21；潮湿状态，闸瓦的粘着系数为0.16。可见增粘闸瓦的粘着系数较高。
本发明所得粘着闸瓦：闸瓦磨耗为0.90-1.10mm/万公里，轮对磨耗为0.08-0.10mm/万公里。进口闸瓦：闸瓦磨耗为4.50mm/万公里，轮对磨耗为0.40mm/万公里。粘着闸瓦的磨耗较低，轮对磨耗也较低，可以有效保护车轮，延长闸瓦使用寿命。
本发明是在配方中添加纳米陶瓷材料制得增粘闸瓦，纳米陶瓷颗粒尺寸较小，比表面积大。列车在制动过程中，闸瓦与车轮摩擦，磨下来的细小颗粒，附着在车轮上面，形成一层转移膜，转移膜是由许多微凸体组成的，微凸体有较大的接触面积，粘附在车轮踏面起到增粘作用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1.科学合理选用原材料。本发明纳米二氧化硅改性酚醛树脂，由于二氧化硅与酚醛树脂结合成立体网状结构，材料的耐热性提高，耐磨性增强。碳纤维与芳纶浆粕纤维混杂使用，达到混杂增强效果，既保证了材料强度又能确保产品的摩擦磨损性能。顺丁橡胶为增韧组元，在摩擦材料中改善酚醛树脂的性能，使得产品的冲击强度高，摩擦系数稳定，抗热衰退性好。滑石粉、叶蛇纹石、硅藻土与铝矾土为摩擦性能调节剂，调节摩擦性能。
2.本发明采用纳米陶瓷颗粒，再结合其它原材料，制得增粘闸瓦，纳米陶瓷颗粒尺寸较小，比表面积大，颗粒表面具有很高的活性，列车在制动过程中，闸瓦与车轮摩擦，磨下来的细小颗粒，附着在车轮表面，形成一层转移膜，转移膜是由许多细小微凸体组成的，微凸体有较大的接触面积，粘附在车轮踏面起到增粘作用。制得的增粘闸瓦粘着系数较高，保证轮轨表面的良好状态，防止车轮的空转与打滑，减少车轮镟轮次数，缩短制动距离，保证列车安全运行。
3.本发明通过优化配方，采用纳米陶瓷颗粒，制得增粘闸瓦，固化热处理温度较低，节省能源，节约成本。纳米陶瓷颗粒尺寸较小，有很高的活性，具有优良的导热散热性能，可以将摩擦产生的热量传递出去，改善热衰退，稳定高温摩擦系数，降低踏面温度，减少对车轮的损伤。粘着闸瓦的磨耗较低，轮对磨耗也较低，可以有效保护车轮，延长闸瓦使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种增粘轮轨粘着系数的闸瓦，包括以下组分及重量百分含量：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备，包括如下步骤：
纤维开松：将碳纤维与芳纶浆粕放入开松机内进行纤维开松，时间5min。
原料混合：上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合15min，最后加入开松的纤维再混合5min，得到混合料；
热压成型：将瓦背，混合料置于磨具中进行压制成型，模具温度120℃，成型压力15MPa，保压20min。
固化热处理：放入烘箱中加热固化，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为30min。
具体固化温度与固化时间为：固化温度为140℃时，固化时间为4h，固化温度为150℃时，固化时间为2h，固化温度为155℃时，固化时间为3h，固化温度为160℃时，固化时间为8h。
本实施例中纳米陶瓷颗粒材料选自质量比为1:1的纳米氧化铝与纳米碳化硼。
实施例1制得的闸瓦，干燥状态，闸瓦的粘着系数为0.27；潮湿状态，闸瓦的粘着系数为0.21，闸瓦磨耗为1.10mm/万公里，轮对磨耗为0.08mm/万公里。
实施例2
一种增粘轮轨粘着系数的闸瓦，包括以下组分及重量百分含量：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备，包括如下步骤：
纤维开松：将碳纤维与芳纶浆粕放入开松机内进行纤维开松，时间6min。
原料混合：上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合18min，最后加入开松的纤维再混合6min，得到混合料。
热压成型：将瓦背，混合料置于磨具中进行压制成型，模具温度130℃，成型压力17MPa，保压25min。
固化热处理：放入烘箱中加热固化，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为30min。
具体固化温度与固化时间为：固化温度为140℃时，固化时间为4.5h，固化温度为150℃时，固化时间为1.5h，固化温度为155℃时，固化时间为3.5h，固化温度为160℃时，固化时间为7.5h。
本实施例中纳米陶瓷颗粒材料选自质量比为1:1的纳米碳化硅与纳米碳化锆。
实施例2制得的闸瓦，干燥状态，闸瓦的粘着系数为0.28；潮湿状态，闸瓦的粘着系数为0.23，闸瓦磨耗为0.9mm/万公里，轮对磨耗为0.09mm/万公里。
实施例3
一种增粘轮轨粘着系数的闸瓦，包括以下组分及重量百分含量：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备，包括如下步骤：
纤维开松：将碳纤维与芳纶浆粕放入开松机内进行纤维开松，时间7min。
原料混合：上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合20min，最后加入开松的纤维再混合7min，得到混合料。
热压成型：将瓦背，混合料置于磨具中进行压制成型，模具温度135℃，成型压力20MPa，保压28min。
固化热处理：放入烘箱中加热固化，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为30min。
具体固化温度与固化时间为：固化温度为140℃时，固化时间为4h，固化温度为150℃时，固化时间为1h，固化温度为155℃时，固化时间为4h，固化温度为160℃时，固化时间为8h。
本实施例中纳米陶瓷颗粒材料选自质量比为1:1的纳米氮化硼与纳米二氧化硅。
实施例3制得的闸瓦，干燥状态，闸瓦的粘着系数为0.30；潮湿状态，闸瓦的粘着系数为0.22，闸瓦磨耗为1.00mm/万公里，轮对磨耗为0.10mm/万公里。
实施例4
一种增粘轮轨粘着系数的闸瓦，包括以下组分及重量百分含量：
(1)原料的配制，包括以下组分及重量百分含量：
(2)制备，包括如下步骤：
纤维开松：将碳纤维与芳纶浆粕放入开松机内进行纤维开松，时间8min。
原料混合：上述各个原料按比例顺序放入高速混料机中混合16min，最后加入开松的纤维再混合8min，得到混合料；
热压成型：将瓦背，混合料置于磨具中进行压制成型，模具温度140℃，成型压力18MPa，保压30min。
固化热处理：放入烘箱中加热固化，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为30min。
具体固化温度与固化时间为：固化温度为140℃时，固化时间为5h，固化温度为150℃时，固化时间为2h，固化温度为155℃时，固化时间为5h，固化温度为160℃时，固化时间为7h。
本实施例中纳米陶瓷颗粒材料选自纳米氮化硅。
实施例4制得的闸瓦，干燥状态，闸瓦的粘着系数为0.29；潮湿状态，闸瓦的粘着系数为0.22，闸瓦磨耗为0.95mm/万公里，轮对磨耗为0.10mm/万公里。
对比例1
不添加纳米陶瓷材料，其余配方组成、生产工艺完全同实施例1，制得的闸瓦记为X，干燥状态，闸瓦的粘着系数为0.21；潮湿状态，闸瓦的粘着系数为0.16。可见增粘闸瓦的粘着系数较高。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备得到的闸瓦，其特征在于，所述增加轮轨粘着系数的闸瓦材料包括以下组分及重量百分含量：
所述闸瓦干燥状态下的粘着系数在0.27-0.30之间；潮湿状态下的粘着系数在0.21-0.23之间；
所述闸瓦使用在列车上后，列车在制动过程中，闸瓦与车轮摩擦，磨下来的细小颗粒，附着在车轮表面，形成一层转移膜，转移膜是由许多细小微凸体组成的，微凸体有较大的接触面积，粘附在车轮踏面起到增粘作用。
2.根据权利要求1所述采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备得到的闸瓦，其特征在于，闸瓦制备方法包括以下步骤：
(1)纤维开松：将碳纤维与芳纶浆粕放入开松机内进行纤维开松；
(2)原料混合：将纳米二氧化硅改性酚醛树脂、顺丁橡胶、纳米陶瓷颗粒、滑石粉、叶蛇纹石、硅藻土与铝矾土按比例顺序放入高速混料机中混合，最后加入开松的碳纤维与芳纶浆粕再混合，得到混合料；
(3)热压成型：将瓦背、混合料置于模具中进行压制成型；
(4)固化热处理：将步骤(3)压制成型后毛坯放入烘箱中进行固化热处理，得到闸瓦。
3.根据权利要求2所述采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备得到的闸瓦，其特征在于，纤维开松的时间为5-8min。
4.根据权利要求2所述采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备得到的闸瓦，其特征在于，原料混合过程中，将纳米二氧化硅改性酚醛树脂、顺丁橡胶、纳米陶瓷颗粒、滑石粉、叶蛇纹石、硅藻土与铝矾土按比例顺序放入高速混料机中混合15-20min，最后加入开松的碳纤维与芳纶浆粕再混合5-8min。
5.根据权利要求2所述采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备得到的闸瓦，其特征在于，热压成型过程中，模具温度120-140℃，成型压力15-20MPa，保压20-30min。
6.根据权利要求2所述采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备得到的闸瓦，其特征在于，固化热处理中，进行程序式升温固化热处理，其中每两个区间温度的升温时间为30min。
7.根据权利要求6所述采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备得到的闸瓦，其特征在于，固化热处理中，具体固化温度与固化时间为：固化温度为140℃时，固化时间为4-5h，固化温度为150℃时，固化时间为1-2h，固化温度为155℃时，固化时间为3-5h，固化温度为160℃时，固化时间为7-8h。
8.根据权利要求1所述采用增加轮轨粘着系数的闸瓦材料制备得到的闸瓦，其特征在于，所述闸瓦磨耗为0.90-1.10mm/万公里，轮对磨耗为0.08-0.10mm/万公里。
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