CN105506346A - 粉末冶金制动闸片摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉末冶金制动闸片摩擦材料及其制备方法，其制备方法包括以下具体步骤：A、原材料称重，所述原材料包括以下质量百分比的组分：铜：46%～56%，铬铁合金：25%～35%，石墨：8%～18%，碳化硅：4%～7%；B、将原材料充分混匀；C、将原材料压制成形，压制的压力为15MPa～20MPa；D、加压烧结，烧结温度为950℃～1050℃，烧结时间为7h～15h，烧结压力为0.5MPa～3MPa。本发明制得的粉末冶金制动闸片摩擦材料纯净度高，摩擦性能优异，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备制动闸片的粉末冶金材料，以及该材料的制备方法。
背景技术
粉末冶金材料尤其是铜、铁基粉末冶金摩擦材料作为摩擦磨损部件的关键材料，广泛应用于列车、飞机、坦克等大型运输工具之中。随着世界铁路向高速、重载的快速发展，对粉末冶金材料的性能提出了越来越高的要求。
列车在制动过程中，列车动能将在短时间内将动能转化为热能并通过制动盘和制动闸片消散掉，这对制动闸片是一个严酷考验，而制动闸片通常是由摩擦块、金属钢背和燕尾板等零部件组成，制动闸片摩擦块在制动盘盘面圆环上滑动摩擦，依靠摩擦力将列车最终停下来，制动闸片摩擦材料的性能好坏直接决定了列车制动的安全性和舒适性。制动闸片在工作时，承受高温、高压、冲击载荷、交变应力等综合作用，其服役条件极为苛刻。传统的合成材料由于使用温度低，无法满足铁路高速化和重载化的发展需求。目前，高速和重载列车大多使用的是粉末冶金制动闸片。
中国专利文献CN1257903（申请号：99122593.7）公开了一种制动用粉末冶金摩擦材料，该摩擦材料的组分含量为：铜粉：15～30%，锡粉：3～7%，锑粉：0.5～3%，二硫化钼粉：1～3%，石墨：6～12%，氧化铝粉：1.5～6%，氧化硅粉：1.5～6%，铁粉余量，制造工艺压制后在还原性气氛下载980～1000℃下烧结2小时。该方法制得的摩擦材料密度在4.3～4.8g/cm3，硬度28～42HB，密度较低，但硬度较高，且含有铅粉对人体和环境有危害，不符合环保要求。
中国专利文献CN1272454（申请号：03126347.X）公开了一种铜基粉末冶金摩擦材料，该摩擦材料的组分含量为：铜粉：40～80%，锡粉：3～10%，铁粉：2～20%，铝粉：2～10%，碳化硅：1～3%，四硼化碳：1～3%，石墨：1～15%，铅粉：0～10%，二硫化钼：2～10%，钡粉：5～20%，锰粉：0～2%，镁粉：0～2%，二氟化钙：0～2%，制造工艺在950～1050℃烧结温度下加压烧结1.5～2小时。该方法制得的摩擦材料平均磨耗量0.3～0.65，波动范围大，硬度高，且含有铅粉对人体和环境有危害，不符合环保要求。
中国专利文献CN100467659（申请号：200610134187.X）公开了一种铜基粒子强化摩擦材料该摩擦材料的组分含量为：铜粉：30～70%，锡粉：4～11%，铝粉：1～15%，铁粉：5～18%，氧化铝：2～15%，氧化硅：2～15%，铁铬合金：0～15%，石墨：5～20%。制造工艺为采用钟罩式加压烧结法在还原性气氛下载780～880℃下烧结40～60分钟，烧结压力1～2MPa，或采用电流直加热模压烧结成型法在真空条件下750～900℃下烧结3～5分钟，烧结压力为10～50MPa。该方法制得的摩擦材料密度5.0～5.6g/cm3，硬度60～70HB，平均摩擦系数0.35～0.49，磨耗量0.41～0.65cm3/MJ，摩擦系数波动较大，磨耗量超过中国铁路行业标准和UIC（国际铁路联盟）相关规定要求。
中国专利文献CN101280374（申请号：200810031315.7）公开了一种高速动车组用粉末冶金制动闸片及其制备工艺，该摩擦材料的组分含量为：锡粉：1～8%，铁粉：4～10%，铜粉：50～80%，碳化硅：1～3%，石墨：6～12%，海砂：1～8%，三氧化二铝：1～4%，硼铁：1～10%，二硫化钼：1～5%以及硅铁：2～8%；制造工艺为原料混合均匀，混合粉在压制压力350～600MPa下得到压坯，压坯放入具有氢气保护的加压烧结炉中制备粉末冶金制动闸片材料，烧结工艺为烧结炉升温到680～740℃的过程中压力为0.8～1.2MPa，再升温到900～980℃的过程中压力为1.8～2.2MPa，温度达到900～980℃后保温，保温压力为2.3～3.0MPa。该方法制得的摩擦材料密度5.6～6.2g/cm3，表观硬度10～40HB，平均摩擦系数0.3～0.38，密度和硬度较高，平均摩擦系数较低。
中国专利文献CN101493127（申请号：200810067969.7）公开了一种铜基粉末冶金高速闸片，该摩擦材料的组分含量为：铜粉：50～70%，铋粉：2～5%，颗粒石墨：5～11%，氮化硼：1～4%，锡粉：4～8%，铬粉1～5%，钛粉：1～5%，镍粉：2～6%，铁粉：3～8%，三氧化二铝：2～6%，二氧化硅：3～8%，锆英石：2～7%。该方法制得的摩擦材料密度高达5.8g/cm3，磨耗量为0.284cm3/MJ，摩擦系数在0.3～0.45之间，波动范围较大，磨耗量较高。
从上述现有技术可知，现有的粉末冶金材料存在配方中合金组分种类过于繁杂，且制备工艺复杂，摩擦材料密度和硬度较高，摩擦系数稳定性差，对制动盘损伤较大等技术缺陷，且部分合金组分为贵金属，生产成本高，配方中还会添加铅粉等对环境和人体健康有害的原料组分。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种纯净度高，摩擦性能优异，成本较低的粉末冶金制动闸片摩擦材料，以及该材料的制备方法。
本发明为解决上述技术问题提出的一种技术方案是：一种粉末冶金制动闸片摩擦材料，由原材料烧结而成，所述原材料包括以下质量百分比的组分：铜：46%～56%，铬铁合金：25%～35%，石墨：8%～18%，碳化硅：4%～7%。
上述铬铁合金中包括以下质量百分比的组分：铬：30%～50%，碳：2%～5%，硅：0.5%～2%，余量为铁。
上述一种优选的技术方案是：所述铬铁合金的质量百分比含量为29%～33%，所述石墨的质量百分比含量为10%～15%。
上述一种优选的技术方案是：所述碳化硅的质量百分比含量为4.5%～5.5%。
上述一种优选的技术方案是：所述石墨是鳞片石墨。
为了使得摩擦材料获得更加稳定的摩擦性能，上述一种优选的技术方案是：所述材料的密度为4.1g/cm3～4.6g/cm3；所述材料用直径为10mm的硬质合金球，在250kgf的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为10～17；所述材料的基体界面剪切强度为4MPa～6MPa。
本发明为解决上述技术问题提出的另一种技术方案是：一种粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，包括以下具体步骤：
A、原材料称重，所述原材料包括以下质量百分比的组分：铜：46%～56%，铬铁合金：25%～35%，石墨：8%～18%，碳化硅：4%～7%；
B、将原材料充分混匀；
C、将原材料压制成形，压制的压力为15MPa～20MPa；
D、加压烧结，烧结温度为950℃～1050℃，烧结时间为7h～15h，烧结压力为0.5MPa～3MPa。
上述一种优选的技术方案是：所述步骤B中，向原材料内添加占原材料总质量0.3%～0.8%的粘合剂，所述粘合剂用于防止粉末混合料偏析，所述粘合剂是煤油或酒精。
上述一种优选的技术方案是：所述步骤B中，采用犁刀式高速混料机，混合时间为15min～45min。
上述一种优选的技术方案是：所述步骤D中，采用能分步升温的钟罩式加压烧结炉进行加压烧结，采用氨分解炉制得的氢气和氮气形成保护气氛。
本发明具有积极的效果：
（1）本发明的摩擦材料采用铜作为基材，铬铁合金和碳化硅作为摩擦组元，石墨改善润滑特性，所烧结得到的摩擦材料具有以下优点：1）烧结密度低，摩擦块硬度低，所制成的闸片制动噪声小，与制动盘匹配良好，对制动盘伤害小；2）瞬时摩擦系数和平均摩擦系数稳定，制动平稳，磨耗量低，使用寿命长，可有效降低车辆的使用和维护成本；3）与镀铜的背板结合强度高，可有效防止摩擦粒子在高温高压的作用下不会发生脱落、缺损和性能衰退等现象。本发明的摩擦材料可应用于160km/h及以上的客运机车或其他铁路车辆，也可用于其他工程机械领域，如重型卡车、矿山机械等。
（2）铬铁合金具有质硬、耐磨、耐高温、抗腐蚀等特性，但铬在空气中容易被氧化，因此本发明添加铬铁合金而不直接添加铬。本发明的摩擦材料采用将铬和铁制成铬铁合金而取代传统的铬和铁，提高其抗氧化能力，使得材料具有一定的硬度，良好的高温稳定性和耐磨特性。另外，铬铁合金与铜或铜合金的亲和力很强，两者可以互溶，以铬铁合金作为摩擦组元，可以改善硬质相与铜基体间的结合状态，提高闸片的平均摩擦系数和摩擦系数稳定性，提升闸片耐热温度，降低闸片磨损量。
（3）碳化硅具有硬度高、热膨胀系数小、耐磨损、耐化学腐蚀、优良的高温性能和抗热震性能，是理想的高温材料。本发明的摩擦材料采用碳化硅作为摩擦组元中的硬质相，可得到较高的摩擦系数和制动力矩。
（4）本发明的摩擦材料可仅由四种材料烧结而成，纯净度高，批量生产时质量可控性高，在组分较少的情况下，依然可以获得良好的摩擦性能，并且杜绝添加可能对人体及环境有潜在危害的铅、锌及其化合物，更加环保。
（5）本发明的摩擦材料制备方法采取犁刀式高速混合方式，避免采用传统V型混料机混合不匀，混合时间长，容易造成脆性粉末破碎等缺点，使生产效率提高近一倍。
（6）本发明的摩擦材料制备方法采用分步升温的方法使烧结炉升温均匀，并施加一定的烧结压力，确保产品密度和强度。
（7）本发明的摩擦材料制备方法使用粉末冶金制备工艺，制造成本低、产品近终型，材料损耗少，适合大批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例1的摩擦材料的瞬时摩擦系数图表。
图2为本发明实施例2的摩擦材料的瞬时摩擦系数图表。
具体实施方式
实施例1
本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，包括以下具体步骤：
A、采用电子称对原材料进行称重。原材料的组分及其质量百分比为：铜粉：56%，铬铁合金粉：29%，鳞片石墨：10%，碳化硅：5%。铬铁合金粉的组分及其质量百分比为：铬：40%，碳：3%，硅：1.5%，余量为铁。
B、采用犁刀式高速混料机将原材料充分混匀。为了提高材料的混合均匀性，防止原料混合偏析，混合时在原材料中加入占原材料总质量0.5%的煤油作为粘合剂。混合时间为30min。
C、采用粉末冶金专用的压力机将原材料压制成形。压制的压力为16MPa。
D、采用能分步升温的钟罩式加压烧结炉进行加压烧结，烧结温度为980℃，烧结时间为8h。烧结时，为了提高材料的致密性和结合强度，采用液压站或其他加压设备，在摩擦材料烧结过程中施加压力，烧结压力为1.3MPa。烧结时，采用氨分解炉制得的氢气和氮气形成保护气氛。最终得到粉末冶金制动闸片摩擦材料成品。
对本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料进行摩擦系数的检测试验，试验工况为：车轮直径为1210mm，铸钢制动盘直径为1060mm，单个制动盘载荷为11.25t，闸片压力为15kN×2，制动的初速度为160km/h。试验结果如图1所示，制动过程瞬时摩擦系数平稳，平均摩擦系数为0.366，闸片平均磨耗量为0.19cm3/MJ，与之匹配的制动盘表面无热斑，表面平整光洁，无异常磨耗。
实施例2
本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，包括以下具体步骤：
A、采用电子称对原材料进行称重。原材料的组分及其质量百分比为：铜粉：47%，铬铁合金粉：33%，鳞片石墨：15%，碳化硅：5%。铬铁合金粉的组分及其质量百分比为：铬：35%，碳：4%，硅：1%，余量为铁。
B、采用犁刀式高速混料机将原材料充分混匀。混合时间为35min。
C、采用粉末冶金专用的压力机将原材料压制成形。压制的压力为18MPa。
D、采用能分步升温的钟罩式加压烧结炉进行加压烧结，烧结温度为1000℃，烧结时间为11h。烧结时，为了提高材料的致密性和结合强度，采用液压站或其他加压设备，在摩擦材料烧结过程中施加压力，烧结压力为2MPa。烧结时，采用氨分解炉制得的氢气和氮气形成保护气氛。最终得到粉末冶金制动闸片摩擦材料成品。
对本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料进行摩擦系数的检测试验，试验工况为：车轮直径为1210mm，铸钢制动盘直径为1060mm，单个制动盘载荷为11.25t，闸片压力为15kN×2，制动的初速度为160km/h。试验结果如图2所示，制动过程瞬时摩擦系数平稳，平均摩擦系数为0.375，闸片平均磨耗量为0.21cm3/MJ，与之匹配的制动盘表面无热斑，表面平整光洁，无异常磨耗。
实施例3
本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，其余部分与实施例1相同，不同之处在于：
步骤A中，原材料的组分及其质量百分比为：铜粉：50%，铬铁合金粉：33%，鳞片石墨：11%，碳化硅：6%。
步骤B中，粘合剂是占原材料总质量0.8%的酒精。
实施例4
本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，其余部分与实施例1相同，不同之处在于：
步骤A中，原材料的组分及其质量百分比为：铜粉：46%，铬铁合金粉：29%，鳞片石墨：18%，碳化硅：7%。
实施例5
本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，其余部分与实施例1相同，不同之处在于：
步骤A中，原材料的组分及其质量百分比为：铜粉：50%，铬铁合金粉：35%，鳞片石墨：8%，碳化硅：7%。
实施例6
本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，其余部分与实施例1相同，不同之处在于：
步骤A中，原材料的组分及其质量百分比为：铜粉：54%，铬铁合金粉：25%，鳞片石墨：16%，碳化硅：5%。
实施例7
本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，其余部分与实施例1相同，不同之处在于：
步骤A中，原材料的组分及其质量百分比为：铜粉：50%，铬铁合金粉：35%，鳞片石墨：10%，碳化硅：5%。
实施例8
本实施例的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，其余部分与实施例1相同，不同之处在于：
步骤A中，原材料的组分及其质量百分比为：铜粉：52%，铬铁合金粉：31%，鳞片石墨：11%，碳化硅：6%。
实施例1至实施例8的粉末冶金制动闸片摩擦材料的力学性能如表1所示。
表1摩擦材料的力学性能表
由于摩擦组元分布在铜基体的各处，因此，表1中的布氏硬度（HBW）是用直径为10mm的硬质合金球，在250kgf的试验载荷作用下，随机在摩擦材料各处表面保持30s时测得的硬度值范围。
显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明实施方式所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种粉末冶金制动闸片摩擦材料，由原材料烧结而成，其特征在于，所述原材料包括以下质量百分比的组分：铜：46%～56%，铬铁合金：25%～35%，石墨：8%～18%，碳化硅：4%～7%。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金制动闸片摩擦材料，其特征在于：所述铬铁合金中包括以下质量百分比的组分：铬：30%～50%，碳：2%～5%，硅：0.5%～2%，余量为铁。
3.根据权利要求1所述的粉末冶金制动闸片摩擦材料，其特征在于：所述铬铁合金的质量百分比含量为29%～33%，所述石墨的质量百分比含量为10%～15%。
4.根据权利要求1所述的粉末冶金制动闸片摩擦材料，其特征在于：所述碳化硅的质量百分比含量为5%～6%。
5.根据权利要求1所述的粉末冶金制动闸片摩擦材料，其特征在于：所述石墨是鳞片石墨。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的粉末冶金制动闸片摩擦材料，其特征在于：所述材料的密度为4.1g/cm3～4.6g/cm3；所述材料用直径为10mm的硬质合金球，在250kgf的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为10～17；所述材料的基体界面剪切强度为4MPa～6MPa。
7.一种粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
A、原材料称重，所述原材料包括以下质量百分比的组分：铜：46%～56%，铬铁合金：25%～35%，石墨：8%～18%，碳化硅：4%～7%；
B、将原材料充分混匀；
C、将原材料压制成形，压制的压力为15MPa～20MPa；
D、加压烧结，烧结温度为950℃～1050℃，烧结时间为7h～15h，烧结压力为0.5MPa～3MPa。
8.根据权利要求6所述的粉末冶金制动闸片摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述步骤B中，向原材料内添加占原材料总质量0.3%～0.8%的粘合剂，所述粘合剂用于防止粉末混合料偏析。
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