CN103302283A - 高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料及其制备方法 - Google Patents

高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料及其制备方法 Download PDF

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王帅
柏跃磊
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高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料及其制备方法，它涉及一种材料及其制备方法。本发明为了解决现有的高速铁路用制动闸片材料摩擦剂硬度高且塑性很差，会造成闸片对配副材料的严重磨损的技术问题。高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料由铜粉、Ti3AlC2粉、铁粉、铝粉、锰粉、镍粉、二氧化硅、锡粉、石墨、氮化硼和二硫化钼制成。制备方法如下：将称取的原料干燥，然后再球磨混合，将经过混合的原料粉放入石墨模具，真空保护下升温加载，保温，即得。与现有技术相比，本发明材料具有摩擦系数稳定，磨损率低，摩擦性能稳定，对制动盘磨损小，导电导热性能好，材料成品率高，易于加工的特点。

Description

高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于高速铁路列车闸片的金属基复合材料及其制备方法，属粉末冶金材料技术领域。
背景技术
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。我国在“十一五”计划纲要指出，要逐步实现客运专线高速化，列车时速要提高到200～250公里，最高时速应大于300公里，在十二五规划制定期间，高铁更是被提升为十二五期间战略新兴产业中的优先发展领域，随着京广高铁和哈大高铁通车，“四纵四横”铁路快客通道的逐步实现，我国已经进入高速铁路时代。但我国高速铁路的闸片材料尚需依赖进口，250公里以上时速的高铁闸片尚无法自主生产。
列车速度的不断提高对其制动性能也提出了越来越严格的要求。高速铁路用制动闸片材料目前发展最成熟应用最广泛的是粉末冶金摩擦材料，它由基体，摩擦剂，润滑剂组成。但传统的粉末冶金摩擦材料在高速铁路制动闸片应用上具有很多问题：由于列车制动的高速摩擦产生高温，这就要求材料具有良好的导热性以防止过高的温度梯度造成闸片的破坏。而传统粉末冶金摩擦材料中的摩擦剂如二氧化硅，其低的导热系数和与基体弱的界面结合造成阻断效应，使材料整体导热系数降低；同时由于摩擦剂硬度很高且塑性很差，会造成闸片对配副材料的严重磨损；为降低磨损，传统粉末冶金摩擦材料要加入很大比例的润滑剂如石墨，这会极大的影响材料的整体力学性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的高速铁路用制动闸片材料导热性差，摩擦剂硬度高且塑性很差，会造成闸片对配副材料的严重磨损的技术问题，提供了一种摩擦系数平稳，磨损率低的高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料及其制备方法。
高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由45～75份铜粉、0.01～10份锰粉、0.01～12份铝粉、1～30份Ti3AlC2粉、0.01～20份铁粉、0.01～10份镍粉、0.01-10份二氧化硅、0.01～12份锡粉、5～40份石墨、0.01～20份氮化硼和0.01～10份二硫化钼制成。
高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、按照体积份数称取45～75份铜粉、0.01～10份锰粉、0.01～12份铝粉、1～30份Ti3AlC2粉、0.01～20份铁粉、0.01～10份镍粉、0.01-10份二氧化硅、0.01～12份锡粉、5～40份石墨、0.01～20份氮化硼和0.01～10份二硫化钼；
二、将步骤一称取的原料干燥，然后再球磨混合12～36小时，得原料粉；
三、将经过步骤二得到的原料粉放入石墨模具，真空保护下以10℃/min的升温速度升温加载，施加载荷为1～35MPa，当温度升至700～1100℃，保温0.5～6小时，即得高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。
Ti3AlC2是一种三元层状化合物。它既具有陶瓷的诸多优点，比如高模量(杨氏模量297GPa，剪切模量124GPa)，高强度。也具有金属的某些性能(比如低硬度，可加工，良好导电导热性能，有较高的损伤容限)，同时因其具有与石墨类似的层状结构而具有一定的自润滑功能。三元层状陶瓷Ti3AlC2因具有上述优异性能而成为铜合金理想的增强相。
本发明提供一种以Ti3AlC2为增强相，铜合金为基体，石墨和六方氮化硼为润滑剂的高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。
本发明的优点如下：
1、以铜合金粉和具有自润滑功能的Ti3AlC2粉末为主要原料；
2、利用热压工艺使烧结，成型一次完成，无需二次烧结和再加工；
3、通过热压工艺合成的复合材料具有可控的界面反应，随反应温度不同界面反应及结合程度不同；
4、产物致密度高，具有良好的综合力学性能，压缩强度高(270MPa～350MPa)，耐磨性好，导电导热性能好，材料成品率高；
5、闸片材料摩擦系数稳定，经销盘摩擦磨损测试摩擦系数在0.35左右波动，磨损率低，摩擦性能稳定，对制动盘材料磨损小。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由45～75份铜粉、0.01～10份锰粉、0.01～12份铝粉、1～30份Ti3AlC2粉、0.01～20份铁粉、0.01～10份镍粉、0.01～10份二氧化硅、0.01～12份锡粉、5～40份石墨、0.01～20份氮化硼和0.01～10份二硫化钼制成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由48～68份铜粉、0.03～8份锰粉、0.5～11份铝粉、2～28份Ti3AlC2粉、1～23份铁粉、0.1～11份镍粉、0.1～9份二氧化硅、0.1～11份锡粉、6～19份石墨、0.1～19份氮化硼和0.1～9份二硫化钼制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由50～60份铜粉、0.5～6份锰粉、1～10份铝粉、3～25份Ti3AlC2粉、0.5～22份铁粉、0.5～10份镍粉、0.2～8份二氧化硅、0.5～10份锡粉、8～18份石墨、0.5～18份氮化硼和0.5～8份二硫化钼制成。其它与具体实施方式一或二之一不相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由52～53份铜粉、1～9份锰粉、3～9份铝粉、5～22份Ti3AlC2粉、1～20份铁粉、1～9份镍粉、1～7份二氧化硅、1～8份锡粉、9～15份石墨、1～15份氮化硼和1～5份二硫化钼制成。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由45份铜粉、5份锰粉、6份铝粉、20份Ti3AlC2粉、10份铁粉、5份镍粉、5份二氧化硅、5份锡粉、10份石墨、5份氮化硼和4份二硫化钼制成。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由60份铜粉、0.01～10份锰粉、0.01～12份铝粉、30份Ti3AlC2粉、25份铁粉、15份镍粉、10份二氧化硅、12份锡粉、40份石墨、20份氮化硼和9份二硫化钼制成。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：实施方式一所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、按照体积份数称取45～75份铜粉、0.01～10份锰粉、0.01～12份铝粉、1～30份Ti3AlC2粉、0.01～20份铁粉、0.01～10份镍粉、0.01-10份二氧化硅、0.01～12份锡粉、5～40份石墨、0.01～20份氮化硼和0.01～10份二硫化钼；
二、将步骤一称取的原料干燥，然后再球磨混合12～36小时，得原料粉；
三、将经过步骤二得到的原料粉放入石墨模具，真空保护下以10℃/min的升温速度升温加载，施加载荷为1～35MPa，当温度升至700～1100℃，保温0.5～6小时，即得高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七同的是步骤二中球磨混合20小时。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是步骤三中所述施加载荷为20MPa。其它与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是步骤三中当温度升至1000℃，保温3小时。其它与具体实施方式七至九之一相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、高按照体积份数称取45份铜粉、0.01份锰粉、12份铝粉、1份Ti3AlC2粉、0.01份铁粉、0.01份镍粉、0.01份二氧化硅、0.01份锡粉、5份石墨、0.01份氮化硼和0.01份二硫化钼；
二、将步骤一称取的原料干燥，然后再球磨混合12小时，得原料粉；
三、将经过步骤二得到的原料粉放入石墨模具，真空保护下以10℃/min的升温速度升温加载，施加载荷为1MPa，当温度升至700℃，保温0.5小时，即得高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。
试验二：高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、高按照体积份数称取60份铜粉、10份锰粉、12份铝粉、30份Ti3AlC2粉、25份铁粉、15份镍粉、10份二氧化硅、12份锡粉、40份石墨、20份氮化硼和10份二硫化钼；
二、将步骤一称取的原料干燥，然后再球磨混合36小时，得原料粉；
三、将经过步骤二得到的原料粉放入石墨模具，真空保护下以10℃/min的升温速度升温加载，施加载荷为35MPa，当温度升至1100℃，保温6小时，即得高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。
试验三：高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、高按照体积份数称取48份铜粉、8份锰粉、10份铝粉、3份Ti3AlC2粉、3份铁粉、3份镍粉、3份二氧化硅、3份锡粉、8份石墨、3份氮化硼和3份二硫化钼；
二、将步骤一称取的原料干燥，然后再球磨混合12～36小时，得原料粉；
三、将经过步骤二得到的原料粉放入石墨模具，真空保护下以10℃/min的升温速度升温加载，施加载荷为4MPa，当温度升至800℃，保温2小时，即得高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。
试验四：高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、高按照体积份数称取50份铜粉、7份锰粉、6份铝粉、8份Ti3AlC2粉、6份铁粉、8份镍粉、4份二氧化硅、6份锡粉、9份石墨、8份氮化硼和2份二硫化钼；
二、将步骤一称取的原料干燥，然后再球磨混合12～36小时，得原料粉；
三、将经过步骤二得到的原料粉放入石墨模具，真空保护下以10℃/min的升温速度升温加载，施加载荷为8MPa，当温度升至900℃，保温3小时，即得高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。
试验五：高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、高按照体积份数称取55份铜粉、2份锰粉、2份铝粉、20份Ti3AlC2粉、20份铁粉、13份镍粉、9份二氧化硅、10份锡粉、19份石墨、18份氮化硼和8份二硫化钼；
二、将步骤一称取的原料干燥，然后再球磨混合12～36小时，得原料粉；
三、将经过步骤二得到的原料粉放入石墨模具，真空保护下以10℃/min的升温速度升温加载，施加载荷为30MPa，当温度升至1000℃，保温4小时，即得高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。

Claims (10)

1.高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料，其特征在于高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由45～75份铜粉、0.01～10份锰粉、0.01～12份铝粉、1～30份Ti3AlC2粉、0.01～20份铁粉、0.01～10份镍粉、0.01～10份二氧化硅、0.01～12份锡粉、5～40份石墨、0.01～20份氮化硼和0.01～10份二硫化钼制成。
2.根据权利要求1所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料，其特征在于高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由48～68份铜粉、0.03～8份锰粉、0.5～11份铝粉、2～28份Ti3AlC2粉、1～23份铁粉、0.1～11份镍粉、0.1～9份二氧化硅、0.1～11份锡粉、6～19份石墨、0.1～19份氮化硼和0.1～9份二硫化钼制成。
3.根据权利要求1所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料，其特征在于高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由50～60份铜粉、0.5～6份锰粉、1～10份铝粉、3～25份Ti3AlC2粉、0.5～22份铁粉、0.5～10份镍粉、0.2～8份二氧化硅、0.5～10份锡粉、8～18份石墨、0.5～18份氮化硼和0.5～8份二硫化钼制成。
4.根据权利要求1所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料，其特征在于高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由52～53份铜粉、1～9份锰粉、3～9份铝粉、5～22份Ti3AlC2粉、1～20份铁粉、1～9份镍粉、1～7份二氧化硅、1～8份锡粉、9～15份石墨、1～15份氮化硼和1～5份二硫化钼制成。
5.根据权利要求1所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料，其特征在于高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由45份铜粉、5份锰粉、6份铝粉、20份Ti3AlC2粉、10份铁粉、5份镍粉、5份二氧化硅、5份锡粉、10份石墨、5份氮化硼和4份二硫化钼制成。
6.根据权利要求1所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料，其特征在于高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料按照体积份数由60份铜粉、8份锰粉、9份铝粉、30份Ti3AlC2粉、25份铁粉、15份镍粉、10份二氧化硅、12份锡粉、40份石墨、20份氮化硼和9份二硫化钼制成。
7.权利要求1所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法，其特征在于高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、按照体积份数称取45～75份铜粉、0.01～10份锰粉、0.01～12份铝粉、1～30份Ti3AlC2粉、0.01～20份铁粉、0.01～10份镍粉、0.01-10份二氧化硅、0.01～12份锡粉、5～40份石墨、0.01～20份氮化硼和0.01～10份二硫化钼；
二、将步骤一称取的原料干燥，然后再球磨混合12～36小时，得原料粉；
三、将经过步骤二得到的原料粉放入石墨模具，真空保护下以10℃/min的升温速度升温加载，施加载荷为1～35MPa，当温度升至700～1100℃，保温0.5～6小时，即得高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料。
8.根据权利要求7所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法，其特征在于步骤二中球磨混合20小时。
9.根据权利要求7所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法，其特征在于步骤三中所述施加载荷为20MPa。
10.根据权利要求7所述高速铁路用Ti3AlC2增强青铜基制动闸片材料的制备方法，其特征在于步骤三中当温度升至1000℃，保温3小时。
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