CN115013462B - 一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料及其造粒方法，属于制动摩擦材料及粉末冶金技术领域。本发明的高铁制动摩擦材料主要由铜包铁粉、鳞片石墨以及其它功能组元组成，其中铜包铁粉是将铜粉包覆在铁粉颗粒表面，从而将铁基摩擦材料的高温、高负荷下优良的摩擦学性能及铜基摩擦材料制动性能稳定、对制动盘的热影响小多项优异性能集于一体，提高摩擦材料的综合性能；优点是采用梯次喂料、低碳树脂粘结的方法对原料粉末进行混料造粒，使得不同组元以一定的排列方式均匀地分布在摩擦材料中，提高摩擦材料的综合性能；提供了一种摩擦因数较为稳定、磨损率较低、导热性能好、高温及高负荷工况下性能较为优良的高铁制动摩擦材料。
Description
技术领域
本发明属于制动摩擦材料及粉末冶金技术领域，具体涉及一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料及其制备方法。
背景技术
随着我国高速列车的快速发展了，列车在运行当中的安全性问题逐渐被关注。高速列车刹车片用摩擦材料是高速列车制动***的核心部件，尤其在紧急制动的过程中起着至关紧要的作用，其性能优劣直接影响了列车行驶速度和制动过程的安全性和稳定性，是高速列车制动***的核心部件。为了增加高速列车的运行安全性，我国对高速列车刹车片用摩擦材料的性能要求也越来越高。高速列车刹车片用摩擦材料需要同时兼具合适并且稳定的摩擦系数、高的耐磨性、对制动盘不能有过大损伤、高的耐热性和热稳定性、足够高的力学性能、高的环境友好性等一系列优点。
在各类摩擦材料中，铜基粉末治金复合材料具有良好的耐磨性，高的导热性，足够高且稳定的摩擦系数，以及较好的机械强度，使其在高速列车的发展中得到广泛的应用。为了促进我国高速列车产业的发展，提高列车制动的安全性，研究高性能铜基粉末冶金复合材料中的关键科学问题具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明旨在提供一种粉末冶金高铁制动摩擦材料及其制备方法。通过改性摩擦材料组分、优化组分结构、设计材料整体结构、改进工艺流程相结合的方式制备一种摩擦材料，兼具基体组元与润滑组元结合性良好、摩擦因数较稳定、磨损率较低、抗热衰退性能好、导热性能高等特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供的一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，由基材粉、润滑组元、摩擦组元、耐高温材料、粘结剂、陶瓷相组成，其中，基材粉与功能性组元按质量百分比二组分的含量为：基材粉75-87%，功能性组元13-25%；其中，基材粉为铜包铁粉，鳞片石墨为润滑组元，在烧结完成后，鳞片石墨与铜包铁粉将被烧结时生成的Ti3AlC2形成桥接作用，从而提高基材粉与润滑组元的结合强度，进而降低摩擦材料的磨损率；其中，通过梯次喂料湿法造粒的方式，使得各组元均匀、规律地分布在摩擦材料中；其中，独立颗粒共分为三层，最内层为基材粉、鳞片石墨及Ti3AlC2，是整个摩擦材料的核心部分；中间层为功能组元，主要为摩擦组元、耐高温材料，起到调节摩擦材料摩擦系数及增强高温摩擦性能的作用；最外层为超细铜粉，是摩擦材料的导热通道，起到传递制动过程中产生热量的作用。
优选的，所述独立颗粒最内层为基材粉、鳞片石墨、硬脂酸锌及Ti3AlC2，其中，在梯次喂料湿法造粒过程中，将铜包铁粉、鳞片石墨、钛粉及铝粉进行混料后喷入无水乙醇溶解丙烯酸树脂进行湿法造粒，待烧结完成后，钛粉、铝粉、鳞片石墨中的部分碳元素将会发生化学反应生成针状陶瓷Ti3AlC2，此时针状陶瓷Ti3AlC2一端通过化学键与鳞片石墨相连，另一端则搭接铜包铁粉，增强了摩擦材料中润滑组元与基体组元的结合强度；造粒完成后在50℃条件下烘干1小时；
优选的，所述独立颗粒中间层为功能组元，主要包括摩擦组元及耐高温材料。其中，将一级颗粒与铬粉、氧化铝、二氧化硅、硬脂酸锌按照指定的比例混料10-20分钟，喷入无水乙醇溶解的丙烯酸树脂进行造粒；造粒完成后在50℃条件下烘干1小时；
优选的，所述独立颗粒最外层为导热组元，主要是超细铜粉。其中，将二级颗粒与超细铜粉按照指定的比例混料10-20分钟，喷入无水乙醇溶解的丙烯酸树脂进行造粒；造粒完成后在50℃条件下烘干1小时；
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供了一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料及其制备方法，（1）以铜包铁粉为基材粉，可将铁基摩擦材料的高温、高负荷下优良的摩擦学性能及铜基摩擦材料制动性能稳定、对制动盘的热影响小等多项优异性能集于一体，提高摩擦材料的综合性能；（2）通过梯次喂料湿法造粒的方法进行混料，可使不同的组元以一定的方式均匀、规律地排列，从而提高摩擦材料的综合性能；（3）通过烧结时生成的Ti3AlC2陶瓷相对润滑组元鳞片石墨及基材粉铜包铁粉的桥接作用，提高了基材粉与润滑组元的结合强度，从而提高摩擦材料的摩擦磨损性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的梯次喂料湿法造粒中的独立颗粒示意图。
图2钛铝碳陶瓷相桥接基材粉与润滑组元示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所述的一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，按质量百分比基材粉75-87%，其它组元13-25%；其中基材粉为铜包铁粉，即在铁粉颗粒表面均匀包覆一层铜粉，可将铁基摩擦材料的高温、高负荷下优良的摩擦学性能及铜基摩擦材料制动性能稳定、对制动盘的热影响小等多项优异性能集于一体，提高摩擦材料的综合性能；其中，按质量百分比二组分的含量为铜15-30%，铁70-85%；其它组元包括润滑组元、摩擦组元、耐高温材料、粘结剂、陶瓷相，通过梯次喂料湿法造粒的混料方法，基材粉与鳞片石墨、钛粉、铝粉构成一级颗粒，在烧结时发生化学反应生成陶瓷相Ti3AlC2，其桥接作用可以增强基材粉与润滑组元的结合强度，进而提高摩擦材料的摩擦磨损性能；并将一级颗粒与摩擦组元、耐高温材料混料进行二次造粒，进而调节摩擦材料的摩擦系数、高温摩擦磨损性能，形成二级颗粒；并将二级颗粒与超细铜粉混料进行三次造粒，将超细铜粉均匀地包覆在二级颗粒表面，形成导热通道，提高摩擦材料的导热性能。本发明提供了一种摩擦因数较为稳定、磨损率较低、导热性能好、高温及高负荷工况下性能较为优良的高铁制动摩擦材料。
实例1
所述一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料及其造粒方法，其一级颗粒、二级颗粒、三级颗粒的半径比为：30：5：1；其中，按照质量百分比各组元含量为：铜包铁粉80.5%、鳞片石墨5%、二硫化钼5%、氧化铝3%、铬粉3.2%、二氧化硅0.8%、硬脂酸锌0.5%、钛铝碳0.5、超细铜粉1%、丙烯酸树脂0.5%。
所述一种基于丙烯酸树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，通过下列步骤制得：
（1）将无水乙醇水浴加热至沸腾状态，将丙烯酸树脂缓慢加入沸腾的无水乙醇中，同时不断搅拌使得丙烯酸树脂充分溶解于无水乙醇中，其中，无水乙醇与丙烯酸树脂二组分的质量百分比为10：1；
（2）将铜包铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、硬脂酸锌、钛粉、铝粉按指定量加入混料机中混料20分钟，其中，料筒转速为20r/min；
（3）将准备好的无水乙醇溶解的丙烯酸树脂从顶端缓慢喷入造粒机中进行造粒，其中，造粒机料筒转速为20r/min，铰刀转速为50r/min，造粒时间为20min；所得的颗粒成为一级颗粒；
（4）将一级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
（5）将一级颗粒、氧化铝、铬粉、二氧化硅、硬脂酸锌按照指定量加入混料机中混料20分钟，其中，料筒转速为30r/min；
（6）将准备好的无水乙醇溶解的丙烯酸树脂从顶端缓慢喷入造粒机中进行造粒，其中，造粒机料筒转速为20r/min，铰刀转速为20r/min，造粒时间为5min；所得的颗粒成为二级颗粒；
（7）将二级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
（8）将二级颗粒与超细铜粉按照指定量加入混料机中进行混料，混料时间为20min，其中，料筒转速为30r/min；
（9）将准备好的无水乙醇溶解的丙烯酸树脂从顶端缓慢喷入造粒机中进行造粒，其中，造粒机料筒转速为20r/min，铰刀转速为20r/min，造粒时间为5min；所得的颗粒成为三级颗粒；
（10）将三级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
（11）将定量的三级颗粒装入模具中进行压制，压制工艺参数为：压制压力2.0GPa；保压时间1min；
（12）将压制样坯放入烧结炉中进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度900℃；烧结时间为1小时；烧结氛围为还原性气体氢气保护；
实例2
所述一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料及其造粒方法，其一级颗粒、二级颗粒、三级颗粒的半径比为：60：10：1；其中，按照质量百分比各组元含量为：铜包铁粉80.5%、鳞片石墨5%、二硫化钼5%、氧化铝3%、铬粉3.2%、二氧化硅0.8%、硬脂酸锌0.5%、钛铝碳0.5、超细铜粉1%、丙烯酸树脂0.5%。
所述一种基于丙烯酸树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，通过下列步骤制得：
（1）将无水乙醇水浴加热至沸腾状态，将丙烯酸树脂缓慢加入沸腾的无水乙醇中，同时不断搅拌使得丙烯酸树脂充分溶解于无水乙醇中，其中，无水乙醇与丙烯酸树脂二组分的质量百分比为10：1；
（2）将铜包铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、硬脂酸锌、钛粉、铝粉按指定量加入混料机中混料20分钟，其中，料筒转速为20r/min；
（3）将准备好的无水乙醇溶解的丙烯酸树脂从顶端缓慢喷入造粒机中进行造粒，其中，造粒机料筒转速为20r/min，铰刀转速为50r/min，造粒时间为20min；所得的颗粒成为一级颗粒；
（4）将一级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
（5）将一级颗粒、氧化铝、铬粉、二氧化硅、硬脂酸锌按照指定量加入混料机中混料20分钟，其中，料筒转速为30r/min；
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（7）将二级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
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（9）将准备好的无水乙醇溶解的丙烯酸树脂从顶端缓慢喷入造粒机中进行造粒，其中，造粒机料筒转速为20r/min，铰刀转速为20r/min，造粒时间为5min；所得的颗粒成为三级颗粒；
（10）将三级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
（11）将定量的三级颗粒装入模具中进行压制，压制工艺参数为：压制压力2.0GPa；保压时间1min；
（12）将压制样坯放入烧结炉中进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度900℃；烧结时间为1小时；烧结氛围为还原性气体氢气保护；
实例3
所述一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料及其造粒方法，其一级颗粒、二级颗粒、三级颗粒的半径比为：30：5：2；其中，按照质量百分比各组元含量为：铜包铁粉80.5%、鳞片石墨5%、二硫化钼5%、氧化铝3%、铬粉3.2%、二氧化硅0.8%、硬脂酸锌0.5%、钛铝碳0.5、超细铜粉1%、丙烯酸树脂0.5%。
所述一种基于丙烯酸树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，通过下列步骤制得：
（1）将无水乙醇水浴加热至沸腾状态，将丙烯酸树脂缓慢加入沸腾的无水乙醇中，同时不断搅拌使得丙烯酸树脂充分溶解于无水乙醇中，其中，无水乙醇与丙烯酸树脂二组分的质量百分比为10：1；
（2）将铜包铁粉、鳞片石墨、二硫化钼、硬脂酸锌、钛粉、铝粉按指定量加入混料机中混料20分钟，其中，料筒转速为20r/min；
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（4）将一级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
（5）将一级颗粒、氧化铝、铬粉、二氧化硅、硬脂酸锌按照指定量加入混料机中混料20分钟，其中，料筒转速为30r/min；
（6）将准备好的无水乙醇溶解的丙烯酸树脂从顶端缓慢喷入造粒机中进行造粒，其中，造粒机料筒转速为20r/min，铰刀转速为20r/min，造粒时间为5min；所得的颗粒成为二级颗粒；
（7）将二级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
（8）将二级颗粒与超细铜粉按照指定量加入混料机中进行混料，混料时间为20min，其中，料筒转速为30r/min；
（9）将准备好的无水乙醇溶解的丙烯酸树脂从顶端缓慢喷入造粒机中进行造粒，其中，造粒机料筒转速为20r/min，铰刀转速为20r/min，造粒时间为5min；所得的颗粒成为三级颗粒；
（10）将三级颗粒在50℃烘箱中烘干1小时；
（11）将定量的三级颗粒装入模具中进行压制，压制工艺参数为：压制压力2.0GPa；保压时间1min；
（12）将压制样坯放入烧结炉中进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度900℃；烧结时间为1小时；烧结氛围为还原性气体氢气保护。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，其特征在于：它包括基材粉、润滑组元、摩擦组元、耐高温材料、粘结剂和陶瓷，其中，基材粉与其它组元按质量比含量为：基材粉75-87%，其它组元13-25%；其中基材粉为铜包铁粉，二组分的含量为铜15-30%，铁70-85%，其中铜粉均匀地包覆在铁粉颗粒表面；其中，润滑组元占总体的5-15%，润滑组元为鳞片石墨和二硫化钼，按质量百分比二组分含量为：鳞片石墨50-75%，二硫化钼25-50%；其中，摩擦组元占总体的3-8%，摩擦组元为氧化铝和铬粉，按质量百分比二组分含量为：氧化铝60-80%，铬粉20-40%；其中耐高温材料为二氧化硅，占总体的0.5-1.5%；其中，粘结剂为硬脂酸锌，占总体的0.2-0.8%；陶瓷颗粒为钛铝碳体系，占总体的0.5-1%；采用梯次喂料湿法造粒的方法进行混料；首先将基材粉、鳞片石墨、二硫化钼、硬脂酸锌、钛粉与铝粉按照指定的比例加入混料机中混料10-20分钟，接着喷入0.1-0.2%的无水乙醇溶解丙烯酸树脂进行第一次造粒，所得的颗粒称为一级颗粒；造粒完成后将一级颗粒在50℃条件下烘干1小时；将一级颗粒与摩擦组元、耐高温材料、硬脂酸锌按照指定比例混料10-20分钟，接着喷入0.2-0.3%的无水乙醇溶解丙烯酸树脂进行第二次造粒，所得的结果称为二级颗粒；造粒完成后将二级颗粒在50℃条件下烘干1小时；将二级颗粒与指定比例的超细铜粉混料10-20分钟，接着喷入0.1-0.2%的无水乙醇溶解丙烯酸树脂进行第三次造粒，将超细铜粉包覆在二级颗粒表面，所得的结果成为三级颗粒；造粒完成后将三级颗粒在50℃条件下烘干1小时。
2.根据权利要求1所述的一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，其特征在于：采用无水乙醇溶解丙烯酸树脂作为连桥液。
3.根据权利要求2所述的一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，其特征在于：所述的连桥液的溶解过程为先将无水乙醇水浴加热至沸腾状态，接着缓慢加入指定量的丙烯酸树脂，同时用玻璃棒进行搅拌。
4.根据权利要求2所述的一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，其特征在于：所述丙烯酸树脂与无水乙醇按质量百分比二组分含量为：无水乙醇8-11%，丙烯酸树脂89-92%。
5.根据权利要求1所述的一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，其特征在于：所述一级颗粒中含有均匀分布的钛粉、铝粉，在烧结过程中与鳞片石墨中的一部分碳元素发生反应生成针状Ti3AlC2陶瓷相，陶瓷相一端与鳞片石墨相连，另一端则搭接铜包铁粉，从而提高鳞片石墨与基材粉的结合强度，进而提高摩擦材料的摩擦磨损性能。
6.根据权利要求1所述的一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，其特征在于：其基材粉为铜包铁粉，将铁基摩擦材料的高温、高负荷下优良的摩擦学性能及铜基摩擦材料制动性能稳定、对制动盘的热影响小多项优异性能集于一体，提高摩擦材料的综合性能。
7.根据权利要求1所述的一种基于低碳树脂粘结剂的粉末冶金高铁制动摩擦材料，其特征在于：其制备过程如下：
（1）一级颗粒的制备：将基材粉、鳞片石墨、二硫化钼、硬脂酸锌、钛粉与铝粉按照指定的比例加入混料机中混料10-20分钟，喷入0.1-0.2%的无水乙醇溶解丙烯酸树脂进行湿法造粒；造粒完成后在50℃条件下烘干1小时；
（2）二级颗粒的制备：将一级颗粒与摩擦组元、耐高温材料、硬脂酸锌按照指定比例混料10-20分钟，接着喷入0.2-0.3%的无水乙醇溶解丙烯酸树脂进行湿法造粒；造粒完成后在50℃条件下烘干1小时；
（3）三级颗粒的制备：将二级颗粒与指定比例的超细铜粉混料10-20分钟，喷入0.1-0.2%的无水乙醇溶解丙烯酸树脂进行湿法造粒；造粒完成后在50℃条件下烘干1小时；
（4）压制：将定量的三级颗粒装入模具中进行压制，压制工艺参数为：压制压力1.8-2.3GPa；保压时间0.5-1分钟；
（5）烧结：将压制样坯放入烧结炉中进行烧结，烧结工艺参数为：烧结温度850-930℃；烧结时间为0.5-1.5小时；烧结氛围为惰性气体保护。
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