CN105798311B - 一种高导热铁基粉末冶金高速列车刹车片的制备方法 - Google Patents
一种高导热铁基粉末冶金高速列车刹车片的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高导热铁基粉末冶金列车刹车片的制备方法，属于高铁制动系统领域。其主要原料是以铁为基体，锰铁、钼铁为基体强化组元；磷片石墨和二硫化钼为润滑组元；三氧化二铝、二氧化硅和硫酸钡为摩擦组元组成。其特点是通过施加平行于摩擦面方向的压力的双向压制工艺，使铁粉在压力作用下沿垂直于压制方向移动，同时带动鳞片石墨的移动来实现鳞片石墨沿垂直于摩擦面方向取向分布。可在不添加铜的前提下使制备的刹车片导热系数提高1～2倍，显著降低摩擦表面温度，提高耐磨性，稳定摩擦系数，避免重金属铜对环境造成污染，使铁基粉末冶金刹车片可应用于高速重载的列车制动系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁基粉末冶金制动摩擦材料，属于高速重载车辆用的刹车片领域。具体涉及一种高铁刹车片。
技术背景
高速列车的制动是通过刹车片与刹车盘的机械接触干滑动摩擦，产生制动力矩，使列车的动能转化成热能来实现的。在制动过程中，刹车片摩擦表面温度最高可达700℃，甚至更高，这就首先要求刹车片在具有足够高的强度和硬度条件下，还要具备良好的导热和耐热性，从而来保证刹车片的摩擦磨损性能。
随着经济的发展、科技的进步轨道列车速度不断提高，目前国际上商业运营的列车速度最高达300km/h以上，实验列车速度达500km/h以上。目前应用在300km/h以上高速列车上的刹车片主要是铜基粉末冶金摩擦材料，处于研究阶段的主要包括半金属材料和C/C复合材料。然而，虽然铜基粉末冶金摩擦材料具有良好的导热和耐热性，但是其各项力学性能都低于铁基粉末冶金摩擦材料，另外其以重金属铜为基体，铜对人体有一定的危害性，且会对环境造成一定的污染，因此铜基粉末冶金刹车片将逐渐被绿色环保的新材料所取代。半金属材料大多以酚醛树脂或改性酚醛树脂为粘接剂，这样必然会影响材料的导热和耐热性，限制了应用范围，仅适合较低速、低载荷的车辆上。C/C复合材料弹性模量高、热传导及耐热性好，并且单位面积吸收功率高，比重小，成为研究的重点对象，但是目前碳纤维产量小、价格贵，且其摩擦性能受环境因素影响较大，限制了C/C复合摩擦材料的应用。因此，急需一种性能优良、绿色环保的高速列车刹车片。
铁基粉末冶金刹车片与铜基粉末冶金刹车片主要区别就是铁基刹车片含铜较少，导热性较差，高速下制动时刹车片摩擦表面温度高，易造成粘连，使摩擦性能下降。除此之外，铁基粉末冶金摩擦材料强度、硬度高，耐热性好。常规铁基粉末冶金刹车片材料中一般添加对环境有一定污染性的铜来提高材料的导热性，用量一般在5％～30％。为迎合世界各国对环境保护的规定，刹车片材料中避免添加铜是制动摩擦材料尤其是干式摩擦材料发展的必然趋势，因此需要一种导热性优良的、可以替代铜的原材料。
鳞片石墨具有导热性各项异性的特征，沿长度(水平)方向导热系数最高达1000w/m·k是沿厚度(垂直)方向的20～50倍，远大于铜的导热系数380w/m·k，。因此鳞片石墨垂直摩擦面取向分布可以提高材料的导热性，具有替代铜的潜力。在常规刹车片的制备工艺下，粉末冶金刹车片中的鳞片石墨整体分布情况是平行于摩擦面的，这样排列的鳞片石墨将会降低材料的导热性。并且在摩擦过程中，在剪应力的作用下平行于摩擦面的鳞片石墨容易的脱落，破坏摩擦面的完整性，影响摩擦磨损性能。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种高导热铁基粉末冶金高速列车刹车片，通过利用鳞片石墨导热系数各向异性的特点，改进加压工艺，设计出一种区别于常规单向加压方法(图1a)的新型压制方法(图2a、c)。常规压制一般采用上压、垂直、单向的压制方法，如图1a，得到的摩擦块的鳞片石墨一般是平行于摩擦面的，如图1b。而本新型压制方法为左右水平双向加压(图2a、c)，在力的作用下，左右冲头向中间的样品移动，通过力在粉末中的传导，使压坯中鳞片石墨竖立起来，垂直于摩擦面、垂直于压制方向分布(图2b、d)。将压制成型的坯料与钢背叠加，并一起在烧结炉中进行烧结，得到摩擦块。然后将多个摩擦块固定到摩擦块托上，经精整得到高导热铁基粉末冶金高速列车刹车片成品如图2(e、f)。该刹车片通过利用鳞片石墨导热系数的取向性，使导热系数大的方向垂直于摩擦面方向，由此得到的刹车片可在不含铜的情况下，不仅不降低材料的导热性，还能够使刹车片的导热性提高1～2倍，甚至更高。另外由于不含低熔点金属，大大提高材料的耐热性。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种高导热铁基粉末冶金列车刹车片的制备方法，其特征在于：不含铜的铁基粉末冶金刹车片中鳞片石墨沿垂直于摩擦面方向取向分布；通过采用压力作用方向平行于摩擦面的双向压制工艺，实现鳞片石墨垂直于摩擦面方向的取向分布。
具体制备步骤为：原料组成重量百分比为：55～70％铁粉＜75μm、15～20％鳞片石墨粉＜300μm、3～7％三氧化二铝粉＜150μm、3～7％二氧化硅粉＜150μm、2～5％二硫化钼粉120μm和3～7％硫酸钡粉＜150μm、1～4％锰铁粉＜75μm、1～4％钼铁粉＜75μm；将上述各组分按比例配料并在混料机中混合均匀，在600～700MPa压力下冷压成型，压制时施加的力的方向与摩擦面平行，使粉末在力的作用下移动，从而使鳞片石墨竖立起来，垂直于压制方向及摩擦面排列；然后将压坯与钢背叠加放入H2气氛烧结炉中，此时压坯中鳞片石墨长度方向应垂直于钢背，在980～1050℃、2～3MPa压力烧结2～3.5h，然后冷却到室温，得到摩擦块，然后将摩擦块固定到摩擦块底托上，经精整加工，即得到高导热铁基粉末冶金刹车片成品。
压制成型时要添加利于鳞片石墨取向分布的液体石蜡或橡胶汽油作为润滑剂。
本发明的优点
1.用鳞片石墨来代替原材料中具有污染性的重金属铜，使刹车片绿色环保，符合高速列车发展现状。
2.鳞片石墨垂直于摩擦面的方向排列使材料的导热性提高1～2倍，甚至更高，大大提高材料的耐热性。
3.由于鳞片石墨垂直于摩擦面的方向排列与基体结合牢固，不易脱落，可提高材料的耐磨性能。
附图说明
图1为常规压制方式及刹车片中鳞片石墨的排列方式示意图，
图1(a)常规压制方法
图1(b)刹车片中鳞片石墨的排列方式
其中：1.鳞片石墨；2.基体；3.摩擦表面；4.上冲头；
图2为本发明双向压制方式及刹车片中鳞片石墨的排列方式示意图，
图2(a)平行于摩擦面压制方法——侧剖面、
图2(b)摩擦块中鳞片石墨的排列方式——侧剖面、
图2(c)平行于摩擦面压制方法——俯视图、
图2(d)摩擦块中鳞片石墨的排列方式——俯视图、
图2(e)刹车片成品——侧视图、
图2(f)刹车片成品——俯视图；
其中1.鳞片石墨；2.基体；3.摩擦表面；5.左冲头；6.右冲头；7.摩擦块底托；8.钢背；
图3为实施例1刹车片微观形貌，
图4为实施例2刹车片微观形貌，
图5为实施例3刹车片微观形貌，
图6为实施例4刹车片微观形貌。
具体实施方式
实施例1
一种铁基粉末冶金刹车片，由55％铁粉＜75μm、15％鳞片石墨粉＜300μm、7％三氧化二铝粉＜150μm、7％二氧化硅粉＜150μm、5％二硫化钼粉120μm和3％硫酸钡粉＜150μm、4％锰铁粉＜75μm、4％钼铁粉＜75μm。
将上述各组分按比例配料并在混料机中混合均匀，在600MPa压力下冷压成型，压制时施加的力的方向与摩擦面平行，使粉末在力的作用下移动，从而使鳞片石墨竖立起来，垂直于压制方向及摩擦面排列。然后将压坯与钢背叠加放入H2气氛烧结炉中，此时压坯中鳞片石墨长度方向应垂直于钢背，在980℃、2MPa压力烧结3.5h，然后冷却到室温，得到摩擦块，然后将摩擦块固定到摩擦块底托上，经精整加工，即得到高导热铁基粉末冶金刹车片成品，微观结构如图3所示。其沿垂直于摩擦面方向导热系数达到158w/m·k，MM1000摩擦实验机8000r/min制动时摩擦表面最高温度仅302℃。
实施例2
一种铁基粉末冶金刹车片，由67％铁粉＜75μm、20％鳞片石墨粉＜300μm、3％三氧化二铝粉＜150μm、3％二氧化硅粉＜150μm、2％二硫化钼粉120μm和3％硫酸钡粉＜150μm、1％锰铁粉＜75μm、1％钼铁粉＜75μm。
将上述各组分按比例配料并在混料机中混合均匀，在650MPa压力下冷压成型，压制时施加的力的方向与摩擦面平行，使粉末在力的作用下移动，从而使鳞片石墨竖立起来，垂直于压制方向及摩擦面排列。然后将压坯与钢背叠加放入H2气氛烧结炉中，此时压坯中鳞片石墨长度方向应垂直于钢背，在1000℃、2.5MPa压力烧结3h，然后冷却到室温，得到摩擦块，然后将摩擦块固定到摩擦块底托上，经精整加工，即得到高导热铁基粉末冶金刹车片成品，微观结构如图4所示。其沿垂直于摩擦面方向导热系数达到171w/m·k，MM1000摩擦实验机8000r/min制动时摩擦表面最高温度仅285℃。
实施例3
一种铁基粉末冶金刹车片，由70％铁粉＜75μm、15％鳞片石墨粉＜300μm、4％三氧化二铝粉＜150μm、4％二氧化硅粉＜150μm、2％二硫化钼粉120μm和3％硫酸钡粉＜150μm、1％锰铁粉＜75μm、1％钼铁粉＜75μm。
将上述各组分按比例配料并在混料机中混合均匀，在700MPa压力下冷压成型，压制时施加的力的方向与摩擦面平行，使粉末在力的作用下移动，从而使鳞片石墨竖立起来，垂直于压制方向及摩擦面排列。然后将压坯与钢背叠加放入H2气氛烧结炉中，此时压坯中鳞片石墨长度方向应垂直于钢背，在1050℃、3MPa压力烧结2h，然后冷却到室温，得到摩擦块，然后将摩擦块固定到摩擦块底托上，经精整加工，即得到高导热铁基粉末冶金刹车片成品，微观结构如图5所示。其沿垂直于摩擦面方向导热系数达到160w/m·k，MM1000摩擦实验机8000r/min制动时摩擦表面最高温度仅295℃。
实施例4
一种铁基粉末冶金刹车片，由64％铁粉＜75μm、17％鳞片石墨粉＜300μm、4％三氧化二铝粉＜150μm、4％二氧化硅粉＜150μm、3％二硫化钼粉120μm和4％硫酸钡粉＜150μm、2％锰铁粉＜75μm、2％钼铁粉＜75μm。
将上述各组分按比例配料并在混料机中混合均匀，在600MPa压力下冷压成型，压制时施加的力的方向与摩擦面平行，使粉末在力的作用下移动，从而使鳞片石墨竖立起来，垂直于压制方向及摩擦面排列。然后将压坯与钢背叠加放入H2气氛烧结炉中，此时压坯中鳞片石墨长度方向应垂直于钢背，在1000℃、2MPa压力烧结3h，然后冷却到室温，得到摩擦块，然后将摩擦块固定到摩擦块底托上，经精整加工，即得到高导热铁基粉末冶金刹车片成品，微观结构如图6所示。其沿垂直于摩擦面方向导热系数达到161w/m·k，MM1000摩擦实验机8000r/min制动时摩擦表面最高温度仅296℃。
Claims (2)
1.一种高导热铁基粉末冶金列车刹车片的制备方法，其特征在于：不含铜的铁基粉末冶金刹车片中鳞片石墨沿垂直于摩擦面方向取向分布；通过采用压力作用方向平行于摩擦面的双向压制工艺，实现鳞片石墨垂直于摩擦面方向的取向分布；
具体制备步骤为：原料组成重量百分比为：55~70%铁粉＜75μm、15~20%鳞片石墨粉＜300μm、3~7%三氧化二铝粉＜150μm、3~7%二氧化硅粉＜150μm、2~5%二硫化钼粉120μm和3~7%硫酸钡粉＜150μm、1~4%锰铁粉＜75μm、1~4%钼铁粉＜75μm；将上述各组分按比例配料并在混料机中混合均匀，在600~700MPa压力下冷压成型，压制时施加的力的方向与摩擦面平行，使粉末在力的作用下移动，从而使鳞片石墨竖立起来，垂直于压制方向及摩擦面排列；然后将压坯与钢背叠加放入H2气氛烧结炉中，此时压坯中鳞片石墨长度方向应垂直于钢背，在980~1050ºC、2~3MPa压力烧结2~3.5h，然后冷却到室温，得到摩擦块，然后将摩擦块固定到摩擦块底托上，经精整加工，即得到高导热铁基粉末冶金刹车片成品。
2.如权利要求1所述高导热铁基粉末冶金列车刹车片的制备方法，其特征在于在压制成型时要添加利于鳞片石墨取向分布的液体石蜡或橡胶汽油作为润滑剂。
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