CN103184385B

CN103184385B - 以Mn+1XAn层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料及制备方法

Info

Publication number: CN103184385B
Application number: CN201310108878.2A
Authority: CN
Inventors: 王明智; 孟凡爱; 赵玉成; 李晓普; 冯兵强; 张兴旺
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN103184385A

Abstract

一种以M_n+1XA_n层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料及制备方法，所述摩擦材料各组分原料的质量百分比为：铜20-60%，镍0-20%，铁5-15%，氧化硅3-10%，铬0-10%，硫化钼0-4%，M_n+1XA_n15-35%；上述原料为工业纯。所述摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：⑴原料配混；⑵组装；⑶热压烧结。本发明获得的铜基摩擦复合材料烧结体的硬度为HRB56-65，相对密度为92-94%。摩擦系数在0.38-0.53之间，在室温-600℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.40-0.43左右，表现出了优异的高温稳定性，可完全满足高速列车刹车片的使用要求。

Description

以Mn+1XAn层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高速刹车片的摩擦复合材料，属于复合材料制造领域。

背景技术

铁路列车的高速化，亟需相适应的安全刹车系统，而刹车片是关键部件。相关研究表明，现有的刹车片材料，已很难满足车速不断提高的要求，特别是高速状态下制动摩擦引起的摩擦热，对以往半金属刹车片中常用的减摩材料-石墨提出了质疑：摩擦热引起的高温经常超过600℃，甚至更高，会使抗氧化温度只有400℃的石墨发生氧化，从而使刹车片整体的摩擦系数发生较大变化，使刹车片工作不稳定，寿命短，致使高铁安全受到挑战[1 孟凡爱，王焕成，裴龙刚，一种高速列车刹车片及制备方法，中国专利：CN101571173A，2009.11.4]。用于飞机刹车片的碳/碳复合材料也存在性价比不高及易氧化等问题[2 陈贤海，林虹，陈佳纯，摩擦材料以及采用该摩擦材料的飞机刹车片制造工艺，中国专利：CN102604596A，2012.7.25]，即使通过加入较为抗氧化的氮化硼（hBN）、硫化钼（MoS₂）等减摩相，还必须加入8-16%的石墨，难以使人相信该材料能够大幅度提高抗氧化性。同时，大量氮化硼（hBN）、硫化钼（MoS₂）及石墨的加入也起到割裂基体组织的不良作用。因此，在制动过程中稳定的摩擦系数、较高的抗氧化性、良好合适的基体强韧性及经济性就成为这类刹车片摩擦复合材料的基本要求。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述缺陷和不足，本发明提供一种以Mn+1XAn层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料及制备方法。该发明能够大幅提高高速列车刹车片的力学、物理及摩擦磨损性能，同时具有使用可靠、使用寿命长等优点。

本发明提供的以Mn+1XAn层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料，由如下质量百分比原料制备而成：

铜（Cu）20-60%，镍（Ni）0-20%，铁（Fe）5-15%，氧化硅（SiO₂）3-10%，铬（Cr）0-10%，硫化钼（MoS₂）0-4%，M_n+1XA_n 15-35%。

本发明中，所述的刹车片摩擦材料均为工业纯原料。

本发明中，所述原料的粒度为：M_n+1XA_n的粒度为70-170目，其余原料的粒度为-200目。

本发明中，所述M_n+1XA_n包括Ti₃SiC₂、Ti₃AlC₂及Ti₂AlN。M_n+1XA_n中含有MA类杂质相，如TiC、TiN，MA类杂质相的含量≤M_n+1XA_n质量的8%。

本发明还提供上述以M_n+1XA_n层状化合物为减摩材料的刹车片摩擦材料的制备方法，具体步骤如下：

⑴.原料配混：按所述配比称取各组分粉料，采用分级混合方法，先将铜、镍、铁、氧化硅、铬及硫化钼，放入三维混料机中混合40-80分钟，然后加入M_n+1XA_n，继续混合10-20分钟，制成复合粉体；

⑵.组装：将混合均匀的复合粉体按需要质量称取，并装入合适的石墨模具中，合上上下压头密封；

⑶.热压烧结：将上述装填好复合粉体的石墨模具置于放电烧结机或热压烧结机的加热仓的上下压头之间，放好后关闭加热仓，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，进行烧结，烧结温度：850-950℃，保温时间：10-40min，升温速度：100℃/min，压头压力：15-60MPa；保温完成后，自然冷却至200℃以下泄压，自然冷却至80℃以下停止抽真空；自然冷却至50℃以下，解除真空，打开加热仓，取出烧结体。

采用上述方法获得的铜基的摩擦复合材料烧结体获得的硬度为HRB56-65，相对密度为92-94%，摩擦系数在0.38-0.53之间，并且在室温-600℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.40-0.43左右，表现出了优异的高温稳定性。

本发明的有益效果是：该发明以M_n+1XA_n 层状化合物替代传统的石墨做减摩相， M_n+1XA_n具有比石墨更高的抗氧化温度，可以在高速摩擦过程中产生高热条件下保持摩擦系数稳定。同时，由于M_n+1XA_n 可与基体材料中的Cu、Ni、Fe、Cr等形成多种物相而使材料适度增强，适合于制造高速列车的高速摩擦片材料。另外，M_n+1XA_n 自身具有比石墨高得多的强度，在高速摩擦过程中将颗粒形式的脱落推移到更长的时间和更高的温度及摩擦速度条件下，提高了高速刹车片摩擦材料的稳定性及可靠性。

具体实施方式

实施例1

按质量百分比称取：铜粉（Cu）45%，镍粉（Ni）5%，铁粉（Fe）12%，氧化硅粉（SiO₂）5%，铬粉（Cr）3%；上述粉料粒度为-200目，将上述粉料放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入Ti₃SiC₂ 30% （粒度为120-170目）继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至30-35MPa，温度900℃，并在此温度下保持15分钟；保温结束后，自然冷却至58℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体。

采用上述方法获得的铜基的摩擦复合材料烧结体获得的硬度平均值为HRB59，相对密度为94%，摩擦系数在0.42-0.48之间，并且在室温-600℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.43，表现出了优异的高温稳定性。

实施例2

按质量百分比称取：铜粉（Cu）40%，镍粉（Ni）4%，铁粉（Fe）15%，氧化硅粉（SiO₂）5%，铬粉（Cr）2%；上述粉料粒度为-200目，将上述粉料放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入Ti₃SiC₂ 32%（粒度为120-170目），硫化钼粉（MoS₂）2%，继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至30MPa，温度950℃，并在此温度下保持30分钟；保温结束后，自然冷却至60℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体。

实施例3

按质量百分比称取：铜粉（Cu）45%，镍粉（Ni）5%，铁粉（Fe）12%，氧化硅粉（SiO₂）5%，铬粉（Cr）3%；上述粉料粒度为-200目，将上述粉料放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入Ti₃AlC₂ 30% （粒度为120-170目）继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至45-50MPa，温度900℃，并在此温度下保持15分钟；保温结束后，自然冷却至60℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体。

采用上述方法获得的铜基的摩擦复合材料烧结体获得的硬度平均值为HRB58，相对密度为96%，摩擦系数在0.40-0.47之间，并且在室温-600℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.41，表现出了优异的高温稳定性。

实施例4

按质量百分比称取：铜粉（Cu）45%，铁粉（Fe）15%，氧化硅粉（SiO₂）5%；上述粉料粒度为-200目，将上述粉料放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入Ti₃SiC₂ 35%（粒度为120-170目）继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至15-25MPa，温度950℃，并在此温度下保持30分钟；保温结束后，自然冷却至60℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体。

采用上述方法获得的铜基的摩擦复合材料烧结体获得的硬度平均值为HRB62，相对密度为97%，摩擦系数在0.41-0.47之间，并且在室温-600℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.43，表现出了优异的高温稳定性。

实施例5

按质量百分比称取：铜粉（Cu）40%，镍粉（Ni）4%，铁粉（Fe）15%，氧化硅粉（SiO₂）5%，铬粉（Cr）2%；上述粉料粒度为-200目，将上述粉料放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入Ti₃AlC₂ 32%（粒度为120-170目），硫化钼粉（MoS₂）2%，继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至45-50MPa，温度850℃，并在此温度下保持30分钟；保温结束后，自然冷却至60℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体。

采用上述方法获得的铜基的摩擦复合材料烧结体获得的硬度平均值为HRB57，相对密度为93%，摩擦系数在0.40-0.46之间，并且在室温-600℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.40，表现出了优异的高温稳定性。

实施例6

按质量百分比称取：铜粉（Cu）50%，铁粉（Fe）15%，氧化硅粉（SiO₂）5%，上述粉料粒度为-200目，将上述粉料放入三维混料机中经60分钟均匀混合，然后加入Ti₂AlN 30%（粒度为120-140目），继续混合30分钟；将混合好的复合粉料放入石墨模具中，置于热压机烧结室上下压头之间，关闭烧结室门，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，然后停止抽真空，充入氩气；上下压头压力升至45-50MPa，温度850℃，并在此温度下保持30分钟；保温结束后，自然冷却至60℃，关闭氩气，取出石墨模具，拆解模具，取出复合摩擦材料块体。

采用上述方法获得的铜基的摩擦复合材料烧结体获得的硬度平均值为HRB56，相对密度为93%，摩擦系数在0.39-0.46之间，并且在室温-600℃条件下仍然保持在这一范围之内，且在初期的数秒之后摩擦系数稳定在0.40，表现出了优异的高温稳定性。

Claims

1.一种以M_n+1XA_n层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料，其特征是：所述刹车片摩擦材料各组分原料的质量百分比为：铜20-60%，镍0-20%，铁5-15%，氧化硅3-10%，铬0-10%，硫化钼0-4%，M_n+1XA_n 15-35%；所述原料为工业纯；所述M_n+1XA_n包括Ti₃SiC₂、Ti₃AlC₂及Ti₂AlN，M_n+1XA_n中含有MA类杂质相，TiC、TiN，MA类杂质相的含量≤M_n+1XA_n质量的8%。

2.根据权利要求1所述的以M_n+1XA_n层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料，其特征是：所述原料的粒度为：M_n+1XA_n的粒度为70-170目，其余原料的粒度为-200目。

3.一种制备如权利要求1所述的以M_n+1XA_n层状化合物为减摩相的刹车片摩擦材料的方法，其特征是：所述刹车片摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：

⑴.原料配混：按所述配比称取各组分粉料，采用分级混合方法，先将铜、镍、铁、氧化硅、铬及硫化钼，放入三维混料机中混合40-80分钟，然后加入减摩材料M_n+1XA_n，继续混合10-20分钟，制成复合粉体；

⑶.热压烧结：将上述装填好复合粉体的石墨模具置于放电烧结机或热压烧结机加热仓的上下压头之间，放好后关闭加热仓，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，进行烧结，烧结温度：850-950℃，保温时间：10-40min，升温速度：100℃/min，压头压力：15-60MPa；保温完成后，自然冷却至200℃以下泄压，自然冷却至80℃以下停止抽真空；自然冷却至50℃以下，解除真空，打开加热仓，取出烧结体；

⑶.热压烧结：将上述装填好复合粉体的石墨模具置于放电烧结机或热压烧结机加热仓的上下压头之间，放好后关闭加热仓，抽真空至（6-9）×10^-3Pa，进行烧结，烧结温度：850-950℃，保温时间：10-40min，升温速度：100℃/min，压头压力：15-60MPa；保温完成后，自然冷却至200℃以下泄压，自然冷却至80℃以下停止抽真空；自然冷却至50℃以下，解除真空，打开加热仓，取出烧结体。