CN103194659B - 一种弥散强化铜基粉末冶金刹车片及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出以弥散强化铜为基体材料，通过粉末冶金方法制备高速列车刹车片。氧化物弥散强化铜是采用氧化物弥散颗粒来强化铜基体的，所述弥散强化铜选用纳米Al2O3重量比为0.03~5%的弥散强化铜粉。该配方中重量配比为：50~70%弥散强化铜粉、5~20%Fe粉、4~15%C粉（鳞片状）、1~10%SiO2粉、1~7%Al2O3粉、1~7%Sn粉、1~3%Pb粉、1~10%MoS2粉。将所述粉末按比例混合均匀，冷压成型后与钢背一起加压烧结，得到弥散强化铜基刹车片。与传统铜基刹车片相比，采用弥散强化铜为基体的刹车片，使基体强度增加，刹车片热传导率高，稳定性好，疲劳性能和耐磨性能好，且对对偶盘磨损小。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金工艺生产弥散强化铜基高速列车刹车片技术领域。特别是提供了一种以弥散强化铜为基体材料的刹车片制备技术，解决了高速列车刹车片摩擦系数不稳定，磨损严重等问题。
技术背景
自从1897年Herbert Frood发明了第一块以头发和棉线为增强纤维的树脂基刹车片至今已有100多年历史，在这期间刹车材料随科学技术发展而迅速发展，刹车材料已经由一种变为多种，且性能在不断提高，这些材料包括石棉材料、纤维增强树脂基材料、熔铸金属材料、粉末冶金材料、C/C复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等。粉末冶金摩擦材料是由基体材料、润滑剂和摩擦剂三大主要功能元素组成。随着科学技术的不断发展，粉末冶金摩擦材料的研究也得到了巨大的发展，基体材料已经由最初的铜基发展到铁基、铝基和陶瓷基。
目前广泛应用于高速列车的刹车片主要是铜基粉末冶金刹车片。日本在1964年10月1日正式开通了世界上第一条高速铁路列车，运行速度达到了210km/h。在2010年前后，日本高铁稳定运行速度是300km/h。继日本之后，欧美国家也竞相发展高速铁路，其中1988年5月德国的ICE最高速度达406.9km/h,法国的TGA最新型V150超高速列车在2007年试验行驶速度达到574.8km/h，等等。这些国家的高铁目前所使用的制动闸片主要为粉末冶金刹车片。随着国民经济的发展，对高速列车的运行速度要求越来越高，相应的对高铁的安全性能同样要有更高的要求。刹车片的制动性能直接影响了高铁运行的安全性，因此对刹车片的性能要求越来越高。
然而，虽然现在普通铜基高速列车刹车片的研究已经取得一定的成果，但是目前仍存在一些问题。申请（专利）号为CN03126347.X的发明专利，提出了一种铜基粉末冶金摩擦材料。专利中提到涉及到的刹车片摩擦系数在0.25～0.5之间，达到要求，但是在高温时摩擦系数变化比较大。另外在配方中以基体强化元素加入了Al，而Al虽然易溶于铜，但是很容易被氧化，形成具有高温稳定性的Al2O3，这样Al就以摩擦剂的形式存在于摩擦材料中了。虽然可以提高摩擦系数，但是对对偶及自身的磨损都变大了。由此可见，普通铜基摩擦材料仍存在待解决的问题，例如耐磨性、导热性、制动距离等方面均不能满足列车高速化的需要。另外制动噪音大，随制动速度的变化摩擦系数变化大，制动高速列车时磨损严重，使用寿命短等。这对车辆的提速造成一定限制。
本发明提出以弥散强化铜为基制备粉末冶金刹车片，能较好的克服这些缺点以进一步提高材料的综合性能和性价比。弥散强化铜具有较好的塑性、导热率，易于压制，并保证了摩擦热的散失，疲劳性能好。另外弥散强化铜较高的熔点使烧结过程中可适当提高烧结温度，使烧结体中润滑剂与摩擦剂与基体间的结合增强，耐磨性提高。此外，弥散强化铜基刹车片中均匀分布的细小弥散Al2O3不仅可以增强基体的强度，在刹车过程中还可起到摩擦组元的作用，提高摩擦系数，且对对偶磨损小。
发明内容
本发明的目的在于以弥散强化铜代替铜基粉末冶金刹车片中的铜，按照其在整个混合粉中一定的重量百分比进行配比，来制备基体强度、摩擦系数稳定性、耐磨性等性能优于普通铜基合金刹车片的高速列车刹车片。
为实现本发明的目的，采用以下配制、制备技术方案：
一种以弥散强化铜为基的刹车片，采用弥散强化铜为基体，石墨、二硫化钼为固体润滑剂，二氧化硅、氧化铝为摩擦剂，质量分配比为：50%～70%的弥散强化铜粉、5%～20%的Fe粉、4%～15%鳞片状的C粉、1%～10%的SiO2粉、1%～7%的Al2O3粉、1%～7%的Sn粉、1%～3%的Pb粉、1%～10%的MoS2粉。
本发明的另一个技术方案是所述弥散强化铜粉是选用10～50nm Al2O3颗粒弥散分布于铜中的强化铜粉，其中弥散分布的纳米级Al2O3颗粒重量比为0.03～5%。
制备上述的一种以弥散强化铜为基的刹车片，将Al2O3粉、SiO2粉100目过筛，其余粉用200目过筛，备用；50%～70%的弥散强化铜粉、5%～20%的Fe粉、4%～15%鳞片状的C粉、1%～10%的SiO2粉、1%～7%的Al2O3粉、1%～7%的Sn粉、1%～3%的Pb粉、1%～10%的MoS2粉倒入器皿盘中简单搅拌，可加入粘结剂；将混合粉倒入V型或双锥型混料机中，加入铁丝，混合10小时后取出；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2～4t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；将冷压型坯与镀铜钢背叠放入热压烧结炉中，热压温度为700～900℃，在氢气或氮气或氨分解气保护气氛下加压烧结，保温时间为30～180分钟；热压压力为10～30kg/cm2，并保持恒定；冷却至300℃以下取出，且冷却过程中保持压力恒定。
本发明的另一个技术方案是所述的钢背材质为40，45，50，55，60或65号钢其中一种。
按质量比将（50%～70%）弥散强化铜粉（纳米Al2O3重量比为0.03～5%）、（5%～20%）Fe粉、（4%～15%）C粉（鳞片状）、（1%～10%）SiO2粉、（1%～7%）Al2O3粉、（1%～7%）Sn粉、（1%～3%）Pb粉、（1%～10%）MoS2粉，上述粉末经过筛后，在V型或双锥型混料机中混合均匀，然后在钢模中经冷压成型，之后在氢气或氮气、氨分解气保护气氛下经热压烧结与钢背烧结成一体，制成刹车片。
本发明的具体步骤为：
1．将Al2O3粉、SiO2粉过100目筛，其余粉过200目筛备用；
2．将上述粉末倒入V型或双锥型混料机中混合10～20小时；
3．将混合均匀后的粉末冷压成型，压力为2～4t/cm2，保证成型后的坯体高度一致；
4．将冷压坯体与镀铜钢背叠放入热压烧结炉中，加热至700～900℃，在氢气或氮气或氨分解气保护气氛下加压烧结，并保温30～180分钟；热压压力为10～30kg/cm2，并保持恒定；
5．冷却至300℃以下取出。冷却过程中保持压力恒定。
本发明的优点
1．打破常规粉末冶金刹车片中基体材料的构成，以弥散的Al2O3强化的铜合金来做基体，使基体进一步强化。
2．依靠基体中弥散强化铜的强度高，硬度随温度变化小及疲劳性能和耐磨性能好的优良特性，使刹车片的综合性能得到提高。
3．根据弥散强化铜在提高力学性能的同时，导热性并不显著降低，这种物理性能和力学性能兼顾的特性，使刹车片在高温下仍可以保证摩擦系数的稳定性，较好的散热性。
4．弥散强化铜目前在世界各国都处于热门材料，并具有较成熟的生产能力，因此比较便宜易得。
具体实施方式
实施例1
1．将Al2O3粉、SiO2粉100目过筛，其余粉用200目过筛，备用；
2．将各种粉按重量比：50%弥散强化铜粉、20%Fe粉、4%C粉、10%SiO2粉、7%Sn粉、3%Pb粉、6%MoS2粉倒入器皿盘中简单搅拌，可加入少量粘结剂；
3．将混合粉倒入V型或双锥型混料机中，加入少量铁丝，混合10小时后取出；
4．将混合均匀后的粉末按计算好的重量装入冷压模具中冷压成型，冷压压力为2t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；
5．将冷压型坯与镀铜钢背叠放入热压烧结炉中，加热至700℃，在氢气或氮气或氨分解气保护气氛下加压烧结，并保温100分钟；热压压力为30kg/cm2，并保持恒定；
6．冷却至300℃以下取出。冷却过程中保持压力恒定。
实施例2
1．将Al2O3粉、SiO2粉100目过筛，其余粉用200目过筛，备用；
2．将各种粉按重量比：60%弥散强化铜粉、12%Fe粉、12%C粉、3%SiO2粉、1%Al2O3粉、3%Sn粉、2%Pb粉、7%MoS2粉倒入器皿盘中简单搅拌，可加入少量粘结剂；
3．将混合粉倒入V型或双锥型混料机中，加入少量铁丝，混合15小时后取出；
4．将混合均匀后的粉末按计算好的重量装入冷压模具中冷压成型，冷压压力为3t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；
5．将冷压型坯与镀铜钢背叠放入热压烧结炉中，加热至800℃，在氢气或氮气或氨分解气保护气氛下加压烧结，并保温90分钟；热压压力为20kg/cm2，并保持恒定；
6．冷却至300℃以下取出。冷却过程中保持压力恒定。
实施例3
1．将Al2O3粉、SiO2粉100目过筛，其余粉用200目过筛，备用；
2．将各种粉按重量比：70%弥散强化铜粉、5%Fe粉、15%C粉、1%SiO2粉、3%Al2O3粉、1%Sn粉、1%Pb粉、4%MoS2粉倒入器皿盘中简单搅拌，可加入少量粘结剂；
3．将混合粉倒入V型或双锥型混料机中，加入少量铁丝，混合20小时后取出；
4．将混合均匀后的粉末按计算好的重量装入冷压模具中冷压成型，冷压压力为4t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；
5．将冷压型坯与镀铜钢背叠放入热压烧结炉中，加热至900℃，在氢气或氮气或氨分解气保护气氛下加压烧结，并保温30分钟；热压压力为10kg/cm2，并保持恒定；
6．冷却至300℃以下取出。冷却过程中保持压力恒定。
实施例4
1．将Al2O3粉、SiO2粉100目过筛，其余粉用200目过筛，备用；
2．将各种粉按重量比：59%弥散强化铜粉、12%Fe粉、15%C粉、7%Al2O3粉、3%Sn粉、3%Pb粉、1%MoS2粉倒入器皿盘中简单搅拌，可加入少量粘结剂；
3．将混合粉倒入V型或双锥型混料机中，加入少量铁丝，混合15小时后取出；
4．将混合均匀后的粉末按计算好的重量装入冷压模具中冷压成型，冷压压力为3t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；
5．将冷压型坯与镀铜钢背叠放入热压烧结炉中，加热至800℃，在氢气或氮气或氨分解气保护气氛下加压烧结，并保温90分钟；热压压力为20kg/cm2，并保持恒定；
6．冷却至300℃以下取出。冷却过程中保持压力恒定。
实施例5
1．将Al2O3粉、SiO2粉100目过筛，其余粉用200目过筛，备用；
2．将各种粉按重量比：50%弥散强化铜粉、20%Fe粉、7%C粉、4%SiO2粉、3%Al2O3粉、6%Sn粉、10%MoS2粉倒入器皿盘中简单搅拌，可加入少量粘结剂；
3．将混合粉倒入V型或双锥型混料机中，加入少量铁丝，混合10小时后取出；
4．将混合均匀后的粉末按计算好的重量装入冷压模具中冷压成型，冷压压力为2t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；
5．将冷压型坯与镀铜钢背叠放入热压烧结炉中，加热至700℃，在氢气或氮气或氨分解气保护气氛下加压烧结，并保温100分钟；热压压力为30kg/cm2，并保持恒定；
6．冷却至300℃以下取出。冷却过程中保持压力恒定。
表1上述各实施例刹车片的部分实验性能参数
Claims (3)
1.一种弥散强化铜基粉末冶金刹车片，其特征在于：采用弥散强化铜为基体，石墨、二硫化钼为固体润滑剂，二氧化硅、氧化铝为摩擦剂，质量分配比为：50％～70％的弥散强化铜粉、5％～20％的Fe粉、4％～15％鳞片状的C粉、1％～10％的SiO2粉、1％～7％的Al2O3粉、1％～7％的Sn粉、1％～3％的Pb粉、1％～10％的MoS2粉；
所述弥散强化铜粉是选用10～50nm Al2O3颗粒弥散分布于铜中的强化铜粉，其中弥散分布的纳米级Al2O3颗粒重量比为0.03～5％。
2.一种弥散强化铜基粉末冶金刹车片的制备方法，用于制备权利要求1中的弥散强化铜基粉末冶金刹车片，其特征是：将Al2O3粉、SiO2粉100目过筛，其余粉用200目过筛，备用；50％～70％的弥散强化铜粉、5％～20％的Fe粉、4％～15％鳞片状的C粉、1％～10％的SiO2粉、1％～7％的Al2O3粉、1％～7％的Sn粉、1％～3％的Pb粉、1％～10％的MoS2粉倒入器皿盘中简单搅拌，可加入粘结剂；将混合粉倒入V型或双锥型混料机中，加入铁丝，混合10小时后取出；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2～4t/cm2，且保证成型后的坯料高度一致；将冷压型坯与镀铜钢背叠放入热压烧结炉中，热压温度为700～900℃，在氢气或氮气或氨分解气保护气氛下加压烧结，保温时间为30～180分钟；热压压力为10～30kg/cm2，并保持恒定；冷却至300℃以下取出，且冷却过程中保持压力恒定。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所述的钢背材质为40，45，50，55，60或65号钢其中一种。
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