CN102191014A - 一种高速列车制动用的摩擦材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摩擦材料，用于高速列车的制动闸片，包括如下成分：Cu 50-55％、Fe 7-8％、Sn 7-8％、Ni 3-4％、Mn 2％、Cr 3-4％、C(鳞片石墨)13-16％、SiC 3-6％和MoO3 3-6％。本发明的摩擦材料可以通过混粉、压制以及加压烧结的粉末冶金技术制备。本发明的摩擦材料具有摩擦系数稳定，磨损率低的优点，能使高速列车的安全制动，并减小高速列车的使用和维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速列车制动用的摩擦材料，属于粉末冶金技术领域。
背景技术
摩擦材料是各种机械设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中不可缺少的材料之一，是利用摩擦使运动物体的动能转化为热能，从而使物体减速或停止运动的一种多元复合材料。自从车辆发明以来，就开始了摩擦材料的研究。近20年来，随着运输事业的蓬勃发展，摩擦材料发展尤为迅猛，出现了许多新型摩擦材料，并广泛应用于各类工程机械和交通运输工具上。21世纪科技发展的趋势是高速、环保和节能，为适应这一新形势发展的需要，必对摩擦材料的综合性能提出更高的要求。
摩擦材料可分为非金属基和金属基两大类，传统非金属基摩擦材料主要是石棉摩擦材料，因其造成环境污染和高温稳定性不好，已逐渐被近些年来碳/碳复合材料所取代。金属基摩擦材料分为单体金属和粉末冶金摩擦材料，前者主要是指钢、铸铁、青铜等，粉末冶金摩擦材料则主要是指铁基、铜基以及铁铜基摩擦材料。单体金属摩擦材料由于易粘结和高温高速下摩擦因数低等缺点而被其它材料所取代，粉末冶金摩擦材料在材料配比方面具有特别的灵活性和广泛性，且在高速、高负荷条件下表现出良好的摩擦磨损性能，因此其应用范围较其它材料广泛。
随着国民经济的快速发展，铁路客货运输量迅速增加，铁路运输的高速化已成为必然的发展趋势。20世纪90年代初日、法、德等铁路运输发达国家就已开通了时速300km以上的高速列车，而我国在“八五”期间才开通了时速160km的准高速列车，“九五”期间已研制出时速达200km的高速列车，目前已开始进行时速达350km高速列车的研究和筹建工作。列车高速化对制动摩擦材料提出了更高的要求，发达国家对列车制动摩擦材料的研制经历了铸铁、合成闸片/瓦、铁基和铜基烧结闸片/瓦阶段，并已向铝合金基复合材料及C/C复合材料闸片/瓦阶段发展，其中技术最成熟、应用最广泛的是粉末冶金制动闸片/瓦。合成材料和铜基粉末冶金材料有较好的性价比，但合成材料在高速时会把轮面磨得光滑如镜，大大降低摩擦系数。而铜基粉末冶金有较好的综合性能。
粉末冶金刹车材料又称烧结金属刹车材料，是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和润滑组元，用粉末冶金方法制成的复合材料。粉末冶金刹车材料具有足够的强度，合适而稳定的摩擦系数，工作平稳可靠，耐磨及污染少等优点，是现代刹车材料家族中应用较广泛的材料之一。
采用粉末冶金技术生产闸瓦与闸片，不但在性能质量上具有突出的优点，在组分的设计、产品的多样化上也极具灵活性。采用粉末冶金技术可以任意改变材料的组分，可以避免传统制造工艺中的疏松、缩孔、材料组织的枝晶偏析及晶粒长大等铸造缺陷，有助于提高零件的各项力学性能。用粉末冶金技术制备列车制动闸瓦和闸片已取得了很大的成功，形成了粉末冶金铁基、铜基、铁-铜基为主体的粉末冶金摩擦材料体系。对材料的组成、工艺等与性能之间的关系进行了很多研究，这些研究使得粉末冶金摩擦材料的生产技术与产品性能不断提高。
铜基粉末冶金摩擦材料是以铜粉为主要成分，此外含有润滑组元石墨和摩擦组元陶瓷颗粒以及强化铜基体的合金元素等多种组分。铜基粉末冶金摩擦材料在飞机、高速列车、汽车、船舶、工程机械等刹车装置上的应用发展较快。
用于高速列车制动的摩擦材料应满足下列要求：
(1)应具有高而稳定的摩擦因数，即使受雨雪或酷热条件的影响，摩擦因数也不降低。
(2)增粘效果好，难以发生滑移。
(3)抗热裂性和耐磨性好，以延长使用寿命。
(4)对车轮踏面不产生异常磨损和其它形式的损伤。
(5)制动火花少，以防发生火灾事故。
(6)价格便宜。
粉末冶金闸片/瓦由原料粉末经混和、压制、烧结而成。它具有摩擦因数不受天气气候影响的优点，并且耐磨性和导热性都好。高速列车在制动时其制动组件的体积温度将达到500℃以上，闪点温度甚至可达1000℃，在这种情况下，粉末冶金制动闸片/瓦仍能保持良好的摩擦性能。瑞典、加拿大等国的高速列车，大功率机车，日本的新干线，德国ICEZ高速列车和法国TGV-A高速列车等均使用这种闸片，且都取得了优异的制动效果。
铜基粉末冶金闸片比铁基具有更好的综合性能。日本高速列车所采用的铜基粉末冶金闸片成分为：Cu60％-70％，Sn5％-25％，另加入少量摩擦稳定剂。先将它们搅拌均匀，后高压成型，再与镀银的补强板粘合在一起进行烧结。用低合金铸铁、低合金锻钢及铝基复合材料制备出的制动圆盘都可配用铜基、铜一铁基粉末冶金闸片。最近，日本开发了一种新的铜基粉末冶金闸片，其主要成分为：铜40％-60％，铁+镍2％-20％，陶瓷8％-25％，石墨16％-15％，锡2％-7％。该合金以铜、铁、镍为基体，大大提高了耐热温度，增加陶瓷与石墨的添加量，可进一步提高耐磨性、耐热性和润滑性，可用于350km/时的列车上，其摩擦因数相当稳定。
近几年，国内也开始系统地研究铁基、铜基、铁铜基粉末冶金摩擦材料。例如对铜基航空刹车材料的制备工艺的系统研究，二硫化钼对摩擦磨损性能的研究，对于应用于高速机车、飞机制动、空间对接材料方面的铜基摩擦材料及粉末冶金航空刹车副温度场进行的研究，为制备新型的摩擦材料提供了理论基础。
列车制动摩擦材料的发展趋势是由单一材质、低热容量、低高温比强度(强度/比重)、低耐热裂、低耐热冲击向复合材料、高热容量、高比强度、高耐热裂、高耐热冲击方向发展。考虑列车制动摩擦材料的发展趋势并结合我国的具体实际，从成本、制造技术水平、可靠性等多方面加以综合，粉末冶金铜基摩擦材料是高速列车优选的制动闸片材料。目前随着国内高速列车的发展，其制动闸片材料的研究也正在逐渐起步和发展。
发明内容
本发明提出一种高速列车用的摩擦材料，应用于我国350km/h的高速列车。
本发明的摩擦材料，包括如下成分：Cu 50-55％、Fe 7-8％、Sn 7-8％、Ni 3-4％、Mn 2％、Cr 3-4％、C(鳞片石墨)13-16％、SiC 3-6％和MoO3 3-6％。
本发明的摩擦材料中，基体是铜合金，包括Sn、Fe、Ni、Cr、Mn合金元素。润滑组元是石墨，并且选用润滑性好的鳞片石墨。摩擦剂是SiC和MoO3。
本发明的摩擦材料的制备方法为：混粉、压制以及加压烧结。混粉采用V形混料机，并且为了避免偏析，加入酒精，混合时间为1-2h。压制采用粉末冶金专用液压机成形，压制压力为3-5MPa。烧结采用钟罩炉，烧结温度为860-880℃，烧结时间为2-3h，采用分解氨为保护气氛。
本发明的摩擦材料具有摩擦系数稳定，磨损率低的优点，能使高速列车的安全制动，并减小高速列车的使用和维护成本。
具体实施方式
实施例1
按照如下成分：Cu 50％、Fe 7％、Sn 7％、Ni 3％、Mn2％、Cr 3％、C(鳞片石墨)16％、SiC 6％和MoO3 6％配制混合料。混粉采用V形混料机，并且为了避免偏析，加入酒精，混合时间为2h。压制采用粉末冶金专用液压机成形，压制压力为5MPa。烧结采用钟罩炉，烧结温度为880℃，烧结时间为2h，采用分解氨为保护气氛。
采用MM1000摩擦磨损试验机对上述摩擦材料进行测试，在相当于350km/h的速度下其摩擦系数为0.37，磨损率为0.26cm3/MJ。
实施例2
按照如下成分：Cu 55％、Fe 8％、Sn 8％、Ni 4％、Mn 2％、Cr 4％、C(鳞片石墨)13％、SiC 3％和MoO3 3％配制混合料。混粉采用V形混料机，并且为了避免偏析，加入酒精，混合时间为1h。压制采用粉末冶金专用液压机成形，压制压力为3MPa。烧结采用钟罩炉，烧结温度为860℃，烧结时间为3h，采用分解氨为保护气氛。
采用MM1000摩擦磨损试验机对上述摩擦材料进行测试，在相当于350km/h的速度下其摩擦系数为0.35，磨损率为0.21cm3/MJ。
实施例3
按照如下成分：Cu 53％、Fe 8％、Sn 8％、Ni 4％、Mn 2％、Cr 4％、C(鳞片石墨)14％、SiC 4％和MoO3 5％配制混合料。混粉采用V形混料机，并且为了避免偏析，加入酒精，混合时间为1.5h。压制采用粉末冶金专用液压机成形，压制压力为4MPa。烧结采用钟罩炉，烧结温度为870℃，烧结时间为2.5h，采用分解氨为保护气氛。
采用MM1000摩擦磨损试验机对上述摩擦材料进行测试，在相当于350km/h的速度下其摩擦系数为0.36，磨损率为0.24cm3/MJ。
Claims (1)
1.一种高速列车用的摩擦材料，包括如下成分：
Cu 50-55％、Fe 7-8％、Sn 7-8％、Ni 3-4％、Mn 2％、Cr 3-4％、C(鳞片石墨)13-16％、SiC 3-6％和MoO3 3-6％。
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