CN111041269B - 一种制备高速列车刹车片材料的方法 - Google Patents

一种制备高速列车刹车片材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备高速列车刹车片材料的方法，包括以下步骤：将以下重量百分含量的原料：铜粉50％‑70％、铁粉5％‑20％、鳞片状石墨粉10％‑30％、ZrO2粉1％‑2％、Al2O3粉1％‑2％、高碳铬铁粉1％‑15％、MoS2粉1％‑5％、铁钴铜预合金粉5％‑20％按比例混合均匀后加入润湿剂，混合均匀后装入模具冷压成型，将冷压成型的材料与镀铜钢背一起放入热压烧结机中，升温至烧结温度830～870℃后加压保温5～20min，压力为6‑15MPa，并保持恒温恒压；然后冷却至室温，即得到高速列车刹车片材料。相对于传统的钟罩炉，热压烧结机需要的烧结温度较钟罩炉低约100℃、烧结压力精准、烧结时间短、样品摩擦面的布氏硬度波动更小，产品性能更稳定。

Description

一种制备高速列车刹车片材料的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种制备高速列车刹车片材料的方法。
背景技术
从第一块以头发和棉线为增强纤维的树脂基刹车片问世，到现在的100多年间，刹车片经历了树脂基石棉材料、熔铸金属材料、粉末冶金材料、碳碳复合材料等几个阶段。树脂基石棉材料因为石棉对人体有害，且在高温下稳定性较差，逐渐被淘汰；熔铸金属材料闸片在温度达500℃时热衰退严重，且摩擦系数急剧降低、磨损量大大増大，致使制动失效；碳碳纤维复合材料因其密度低、耐磨性好、制动平稳、耐高温等优点受到广泛关注，但由于受到列车***结构的制约，在不改变制动盘的情况下磨损量大、在湿润环境下摩擦系数降低，而且碳纤维价格昂贵、制造周期长，现阶段很难大规模应用。
粉末冶金闸片制动功率大、耐热负荷、耐高温、耐潮湿，高速制动时摩擦系数稳定，制动平稳，磨耗低，已被广泛应用在各国高速列车上。其中，铁基粉末冶金制动闸片随制动速度升高，摩擦副摩擦表面温度升高，容易造成粘连现象，使摩擦系数不稳定，磨损量增大，而铜基粉末冶金闸片由于铜导热性好、摩擦系数稳定，除了拥有粉末冶金闸片的优良基本性能外，相较于铁基粉末冶金材料具有更好的综合性能。
鳞片状石墨作为铜基粉末冶金闸片的减磨剂，主要起固体润滑作用，它能提高铜基摩擦材料的工作稳定性、抗摩擦性、抗咬合性、抗粘接性和耐磨性。但是，由于石墨为非金属材料，质量轻，多种初始粉末混合时，容易不均匀，甚至断裂；烧结时，由于其非金属性，与金属基体的界面容易形成缝隙，结合不牢固；最终体现在性能上，闸片的强度不够，高速制动时容易剥落，导致摩擦系数不稳定，磨耗大。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种制备高速列车刹车片材料的方法。
本发明提供的技术方案具体如下：
一种制备高速列车刹车片材料的方法，包括以下步骤：将以下重量百分含量的原料：铜粉50％-70％、铁粉5％-20％、鳞片状石墨粉10％-30％、ZrO2粉1％-2％、Al2O3粉1％-2％、高碳铬铁粉1％-15％、MoS2粉1％-5％、铁钴铜预合金粉5％-20％按比例混合均匀后加入润湿剂，混合均匀后装入模具冷压成型，将冷压成型的材料与镀铜钢背一起放入热压烧结机中，升温至烧结温度830～870℃后加压保温5～20min，压力为6-15MPa，并保持恒温恒压；然后冷却至室温，即得到高速列车刹车片材料。
在上述技术方案的基础上，各组分的中位径分别为：铜包石墨粉300μm，铜粉75μm，铁粉48μm，ZrO2粉75μm，Al2O3粉75μm，高碳铬铁粉75μm，MoS2粉12μm，铁钴铜预合金粉4.5μm。
在上述技术方案的基础上，每千克原料中加入15～20mL润湿剂。
在上述技术方案的基础上，每千克原料中加入18mL润湿剂。
在上述技术方案的基础上，润湿剂为乙醇和丙三醇的混合溶液。
在上述技术方案的基础上，乙醇和丙三醇的体积比为1～3:1。
在上述技术方案的基础上，原料和润湿剂倒入360°立体式混料机的混料罐中，加入合适尺寸的弹簧，搅拌60min后取出装入模具。
在上述技术方案的基础上，冷压成型的压强为2～5t/cm2。
在上述技术方案的基础上，基材为钢背，其材料性能不低于GB/T 700-2006中的Q235-A钢种。
在上述技术方案的基础上，将冷压成型的材料与镀铜钢背一起放入热压烧结机中后：先500℃保温30s，再840℃保温30s，最后850-860℃保温2-15min，保温阶段开始加压，压力为10-15MPa。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明用热压烧结机替代钟罩炉，采用感应加热，升温速度快，且烧结温度较钟罩炉降低约100℃，使整个烧结时间减少了6-8倍，烧结压力更加稳定。
(2)本发明用热压烧结机烧结压力分布均匀，样品摩擦面的布氏硬度波动更小，产品性能稳定。
附图说明
图1为钟罩炉的烧结工艺温度随时间的变化曲线。
图2为实施例1热压烧结机的烧结工艺温度随时间的变化曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
对比例
将16重量份铜包石墨粉(中位径为300μm)、51重量份Cu粉(中位径为75μm)、12重量份Fe粉(中位径为48μm)、2重量份ZrO2粉(中位径为75μm)、2重量份Al2O3粉(中位径为75μm)、5重量份高碳铬铁粉(中位径为75μm)、2重量份MoS2粉(中位径为12μm)、7重量份铁钴铜预合金粉(中位径为4.5μm)，倒入混料盘中简单搅拌，加入18mL/kg的润湿剂；将混合粉末倒入360°立体式混料机的混料罐中，加入合适尺寸的弹簧，搅拌60min后取出；将混合均匀后的粉末装入冷压模具中冷压成型，冷压成型压力为3.5t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；将底部含有镀铜钢背的生坯放入钟罩炉中，先900℃保温10min，再950℃保温5min，最后965℃保温60min，保温阶段开始加压，压力为17.5MPa，并保持恒定；保压结束后，冷却到室温取出。
实施例1
将16重量份铜包石墨粉(中位径为300μm)、51重量份Cu粉(中位径为75μm)、12重量份Fe粉(中位径为48μm)、2重量份ZrO2粉(中位径为75μm)、2重量份Al2O3粉(中位径为75μm)、5重量份高碳铬铁粉(中位径为75μm)、2重量份MoS2粉(中位径为12μm)、7重量份铁钴铜预合金粉(中位径为4.5μm)，倒入混料盘中简单搅拌，加入18mL/kg的润湿剂；将混合粉末倒入360°立体式混料机的混料罐中，加入合适尺寸的弹簧，搅拌60min后取出；将混合均匀后的粉末装入冷压模具中冷压成型，冷压成型压力为3.5t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；将底部含有镀铜钢背的生坯放入热压烧结机中，先500℃保温30s，再840℃保温30s，最后850℃保温2min，保温阶段开始加压，压力为10MPa，并保持恒定；保压结束后，冷却到室温取出。
实施例2
将16重量份铜包石墨粉(中位径为300μm)、51重量份Cu粉(中位径为75μm)、12重量份Fe粉(中位径为48μm)、2重量份ZrO2粉(中位径为75μm)、2重量份Al2O3粉(中位径为75μm)、5重量份高碳铬铁粉(中位径为75μm)、2重量份MoS2粉(中位径为12μm)、7重量份铁钴铜预合金粉(中位径为4.5μm)，倒入混料盘中简单搅拌，加入18mL/kg的润湿剂；将混合粉末倒入360°立体式混料机的混料罐中，加入合适尺寸的弹簧，搅拌60min后取出；将混合均匀后的粉末装入冷压模具中冷压成型，冷压成型压力为3.5t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；将底部含有镀铜钢背的生坯放入热压烧结机中，先500℃保温30s，再840℃保温30s，最后850℃保温8min，保温阶段开始加压，压力为10MPa，并保持恒定；保压结束后，冷却到室温取出。
实施例3
将16重量份铜包石墨粉(中位径为300μm)、51重量份Cu粉(中位径为75μm)、12重量份Fe粉(中位径为48μm)、2重量份ZrO2粉(中位径为75μm)、2重量份Al2O3粉(中位径为75μm)、5重量份高碳铬铁粉(中位径为75μm)、2重量份MoS2粉(中位径为12μm)、7重量份铁钴铜预合金粉(中位径为4.5μm)，倒入混料盘中简单搅拌，加入18mL/kg的润湿剂；将混合粉末倒入360°立体式混料机的混料罐中，加入合适尺寸的弹簧，搅拌60min后取出；将混合均匀后的粉末装入冷压模具中冷压成型，冷压成型压力为3.5t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；将底部含有镀铜钢背的生坯放入热压烧结机中，先500℃保温30s，再840℃保温30s，最后860℃保温8min，保温阶段开始加压，压力为10MPa，并保持恒定；保压结束后，冷却到室温取出。
实施例4
将16重量份铜包石墨粉(中位径为300μm)、51重量份Cu粉(中位径为75μm)、12重量份Fe粉(中位径为48μm)、2重量份ZrO2粉(中位径为75μm)、2重量份Al2O3粉(中位径为75μm)、5重量份高碳铬铁粉(中位径为75μm)、2重量份MoS2粉(中位径为12μm)、7重量份铁钴铜预合金粉(中位径为4.5μm)，倒入混料盘中简单搅拌，加入18mL/kg的润湿剂；将混合粉末倒入360°立体式混料机的混料罐中，加入合适尺寸的弹簧，搅拌60min后取出；将混合均匀后的粉末装入冷压模具中冷压成型，冷压成型压力为3.5t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；将底部含有镀铜钢背的生坯放入热压烧结机中，先500℃保温30s，再840℃保温30s，最后860℃保温15min，保温阶段开始加压，压力为10MPa，并保持恒定；保压结束后，冷却到室温取出。
实施例5
将16重量份铜包石墨粉(中位径为300μm)、51重量份Cu粉(中位径为75μm)、12重量份Fe粉(中位径为48μm)、2重量份ZrO2粉(中位径为75μm)、2重量份Al2O3粉(中位径为75μm)、5重量份高碳铬铁粉(中位径为75μm)、2重量份MoS2粉(中位径为12μm)、7重量份铁钴铜预合金粉(中位径为4.5μm)，倒入混料盘中简单搅拌，加入18mL/kg的润湿剂；将混合粉末倒入360°立体式混料机的混料罐中，加入合适尺寸的弹簧，搅拌60min后取出；将混合均匀后的粉末装入冷压模具中冷压成型，冷压成型压力为3.5t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；将底部含有镀铜钢背的生坯放入热压烧结机中，先500℃保温30s，再840℃保温30s，最后860℃保温15min，保温阶段开始加压，压力为15MPa，并保持恒定；保压结束后，冷却到室温取出。
表1实施例1-5制备的刹车片的部分实验性能参数
Figure BDA0002300943170000061
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实施例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种制备高速列车刹车片材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：将以下重量百分含量的原料：铜粉50%-70%、铁粉5%-20%、铜包石墨粉10%-30%、ZrO2粉1%-2%、Al2O3粉1%-2%、高碳铬铁粉1%-15%、MoS2粉1%-5%、铁钴铜预合金粉5%-20%按比例混合均匀后加入润湿剂，混合均匀后装入模具冷压成型，将冷压成型的材料与镀铜钢背一起放入热压烧结机中，先500℃保温30 s，再840℃保温30s，最后850-860℃保温2-15 min，保温阶段开始加压，压力为10-15 MPa，并保持恒温恒压；然后冷却至室温，即得到高速列车刹车片材料。
2.根据权利要求1所述的制备高速列车刹车片材料的方法，其特征在于：各组分的中位径分别为：铜包石墨粉300μm，铜粉75μm，铁粉48μm，ZrO2粉75μm，Al2O3粉75μm，高碳铬铁粉75μm，MoS2粉12μm，铁钴铜预合金粉4.5μm。
3.根据权利要求1所述的制备高速列车刹车片材料的方法，其特征在于：每千克原料中加入15~20mL润湿剂。
4.根据权利要求1所述的制备高速列车刹车片材料的方法，其特征在于：每千克原料中加入18mL润湿剂。
5.根据权利要求3或4所述的制备高速列车刹车片材料的方法，其特征在于：所述润湿剂为乙醇和丙三醇的混合溶液。
6.根据权利要求5所述的制备高速列车刹车片材料的方法，其特征在于：所述乙醇和丙三醇的体积比为1~3:1。
7.根据权利要求1所述的制备高速列车刹车片材料的方法，其特征在于：原料和润湿剂倒入360°立体式混料机的混料罐中，加入合适尺寸的弹簧，搅拌60min后取出装入模具。
8.根据权利要求1所述的制备高速列车刹车片材料的方法，其特征在于：冷压成型的压强为2~5 t/cm2。
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