CN107914008B - 一种高通量制备粉末冶金闸片材料的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于粉末冶金制品制备技术领域，涉及一种高通量制备粉末冶金闸片材料的装置及方法。设计一种高通量研究装备，在计算机的控制下将有机物组元储存罐内的高分子组元加注到粘结剂溶液储存罐内。粘结剂通过雾化喷嘴进入锥形混料器内，并与金属原料粉末混合和干燥。粘结化粉末通过不同的检测通道，采用粉末扬尘性采集单元、粉末流动性和松装密度采集单元、压坯尺寸采集单元和压坯重量采集单元对粉末的物理特性和压坯密度进行自动采集。该方法能够针对定制化的产品设计特殊的成分，缩短了研制周期，提高了粉末冶金闸片材料制品设计的精准性。

Description

一种高通量制备粉末冶金闸片材料的装置及方法
技术领域
本发明属于粉末冶金制备技术领域，涉及一种高通量制备粉末冶金闸片材料的装置及方法。
背景技术
现代轨道交通具有速度快、运量大、安全等特点。我国轨道交通发展迅猛，已成为世界上高速铁路发展最快，系统技术最全，集成能力最强，运营里程最长，运行速度最高，在建规模最大的国家。高速列车基础制动装置一般采用盘形制动，利用闸片与制动盘产生的摩擦力实现减速或停车。闸片与制动盘组成一对摩擦副，其中制动闸片是保证高速列车运行安全的关键部件，其性能直接影响到制动性能、制动盘和闸片本身的使用寿命及列车的安全运行。
粉末冶金闸片包括铁基闸片和铜基闸片两大类。铁基闸片材料主要以Fe-Ni-C系合金为基体，添加基体强化元素(Cr、Cu等)，摩擦组元(SiO2、Al2O3、SiC、ZrO2、BC等)和润滑组元(Pb、Sn、Sb、Bi、石墨、MoS2、磷化物、氮化物及氧化物等)制得的摩擦材料。铜基闸片是以铜作为基体，添加基体强化强化组元(Fe、Ni、Mo、Ti、Sn、Zn、P等)，摩擦组元(SiO2、A12O3、SiC、石棉、金属、ZrO2等非金属氧化物、碳化物、氮化物)和润滑组元(石墨、MoS2、CaF2、WS2、B4C、BN、Pb、Bi等)烧结而成的材料。粉末冶金闸片材料的成分、粘结剂类型和含量、加压烧结工艺参数对闸片材料的制动平稳性、抗粘着性、强韧性、耐磨性、热物理性能、结构可靠性基噪音等特性都有重要的影响。可见，影响粉末冶金闸片材料性能的变量多，影响因素复杂。传统的粉末冶金闸片制品通常采用单次混合、单次压制的材料制备方法，研究周期长，效率低，能够优化的变量的数量有限，试验参数的变量间隔较大，实验优化数据不够精准，不能满足高速发展的轨道交通对闸片材料的多样化需求。
为此，在粉末冶金闸片材料的研制过程中引入高通量研究方法，旨在为粉末冶金闸片材料的成分设计、粘结剂的筛选、粘结化和烧结工艺参数的优化提供一种便捷、快速的方法，提高研发的效率，缩短研制周期。高通量研究方法基于并行处理的粘结化处理装备，以及粉末和压坯的快速检测分析手段，缩小变量间隔，增加试验样品的数量和试验次数，快速筛选最优的合金成分、粘结剂配方和工艺参数。粉末冶金闸片材料的应用范围广，用量大，不同的列车运行速度等级、不同的设计要求以及不同的使用环境对粉末冶金闸片材料的性能要求不同，通过高通量研究方法筛选和设计出与更有针对性的闸片材料对降低闸片成本、提高闸片使用的可靠性和环境适应性具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种高通量制备粉末冶金闸片材料的装置及方法，旨在针对不同的列车运行速度等级和不同的使用环境，快速优化粉末冶金闸片材料的成分、粘结剂配方及烧结工艺参数，从而缩短粉末冶金闸片材料的研制周期，提高设计的精准性。
一种高通量制备粉末冶金闸片材料的装置，其特征在于：
高通量制备装置如图1所示，包括有机物组元储存罐、蠕动泵、计算机、粘结剂组元输送通道、粘结剂溶液储存罐、高压气体、雾化喷嘴通道、锥形混料器、控温装置、气力输送装置、原料粉末储存罐、粉末收成罐、分料器、粉末扬尘性采集单元、粉末流动性和松装密度采集单元、传动带、粉末回收罐、中间料靴、橡胶包套、分段控温烧结炉、密度采集单元和超声无损检测数据采集单元。
有机物组元储存罐通过蠕动泵经粘结剂组元输送通道与粘结剂混合溶液储存罐相连；原料粉末储存罐经雾化喷嘴通道连接锥形混料器，粘结剂溶液储存罐通过蠕动泵连接锥形混料器；每一锥形混料器均装有电热套加热模块、控温装置、入气通道、气体调控装置；锥形混料器下端与收粉装置连接；收粉装置通过下端连接的分料器分别与粉末扬尘性采集单元、粉末流动性和松装密度采集单元、中间料靴相连；粉末扬尘性采集单元与粉末流动性和松装密度采集单元通过传送带与粉末回收罐相连；中间料靴与橡胶包套相连；橡胶包套与分段控温烧结炉衔接；分段控温烧结炉通过传送带与密度采集单元和超声无损检测数据采集单元衔接。
一种采用上述高通量制备装置制备粉末冶金闸片材料的方法，首先将不同的有机物组元溶解在溶剂中并储存在有机物组元储存罐内，蠕动泵在计算机的控制下通过粘结剂组元输送通道向不同的粘结剂溶液储存罐内加注不同的有机物组元，其中各有机物组元的加注量由计算机控制，有机物组元混合均匀后得到不同配方的粘结剂溶液。粘结剂溶液储存罐通过蠕动泵连接锥形混料器，原料粉末和粘结剂的混合物在锥形混料器内混合和干燥(60-100℃)。同时，惰性高压气体(0.1-0.3MPa)通过同样的雾化喷嘴通道进入雾化室，并将粘结剂溶液雾化后喷洒进锥形混料器。每一锥形混料器均装有电热套加热模块、控温装置、入气通道、气体调控装置，温度和气氛均由计算机进行控制和实时监测。锥形混料器下端与收粉装置连接。收粉装置下端连接分料器，使粘结化粉末进入不同的检测通道进行粉末性能及压制性能分析，粉末扬尘性采集单元和粉末流动性和松装密度采集单元用于分析粉末的物理特性。通过计算机控制进入中间料靴的粉末，并将粉末分层填装在橡胶包套内，橡胶包套进行冷等静压，得到不同组成的闸片材料坯体。闸片坯体在分段控温的烧结炉内进行烧结，可在不同的温度段内放置闸片材料坯体，从而获得不同成分、不同烧结温度的烧结坯。烧结坯通过传送带进入密度采集单元，密度采集单元中包括尺寸采集器和重量采集器，得到烧结坯密度。同时，烧结坯体进行超声无损检测，利用散射波的波形定性反映粉末冶金闸片材料中孔隙的大概的数量和状态。
所述铜基闸片材料中各组元的质量百分含量为：基体组元：45～60％电解Cu粉(45～75μm)；摩擦组元：1～5％SiO2粉末(10～20μm)、20～30％雾化Fe粉(50～90μm)、1～10％高碳Cr-Fe合金粉(50～90μm)、1～5％Cr粉(50～90μm)；强化组元：1～5％Sn粉(20～40μm)；润滑组元：10～15％的天然鳞片石墨粉(180～270μm)，1～5％MoS2粉(20～40μm)。
所述的粘结剂组元的质量百分含量为：5～10％顺丁橡胶，5～10％丁苯橡胶，5～10％天然橡胶，余量120#汽油。
所述锥形混料器带加热夹套，利用导热油进行加热，加热温度为80℃-180℃，混料器内压力为(0.8-0.9)×10-5Pa。锥形混料器的回转速度为100-200转/分，锥形混料器的底部装有高速旋转的叶片，叶片的转速为500-1500转/分。
所述粉末扬尘性采集单元采用可以控制气体流量的砂芯漏斗，砂芯的孔隙小于粉末体系中最小粉末粒径，检测时将50g粉末置于砂芯上方，控制气体流速5L/min，通气时间2min，耐扬尘性＝(m通气后/m通气前)×100。
所述粉末流动性和松装密度采集单元采用底部开口的锥形漏斗，并针对铁粉的流动性选择一个合适的开口尺寸，加入待检测的粉末后，采用激光自动计时，待全部样品通过其漏斗，测量出流动时间。
所述粉末流动性也可通过测量粉末在传送带上的自然堆积时的安息角来表征。
所述密度采集单元利用自动光学检测仪来获得圆柱样品的直径和高度数据，利用自动称重数据采集系统获得样品的重量，重量的精度为0.0001g。
本发明的优点在于：提供了一种高通量制备粉末冶金闸片材料的方法。该方法利用高通量制备材料的方法，设计并构建了自动加注有机物组元、以及自动控温控速的混合干燥装置、以及多通道的分析检测手段。根据很容易快速检测的粉末的流动性、松装密度、和扬尘的数据来筛选闸片用粘结化粉末。同时，针对铜基闸片材料加压烧结的工艺特点，选择分层装填-冷等静压的方法获得多成分的压坯或成分连续变化的坯体，在此基础上在同一烧结炉中获得多温度烧结条件下的样品，并通过超声无损检测技术实现非破坏性的快速、全面检测的目的。该方法适合高效地筛选出所需的粉末冶金闸片材料成分和粘结剂成分。能够根据闸片材料使用时的速度等级和使用环境来设计定制化的产品，提高了粉末冶金闸片材料设计的精准性。该方法工艺流程简单、有效缩短了周期长，提高了研制效率。
附图说明
图1为高通量制备粉末冶金闸片材料的装置结构图。
图2为粘结预混合粉末形貌图。
具体实施方式
实施例1：铜基粉冶金闸片材料的成分优化
采用相同的粘结剂配方：5％顺丁橡胶，10％丁苯橡胶，5％天然橡胶，余量120#汽油。粘结剂的重量百分含量为0.5％。以电解Cu粉(45～75μm)、SiO2粉末(10～20μm)、雾化Fe粉(50～90μm)、高碳Cr-Fe合金粉(50～90μm)、Cr粉(50～90μm)、Sn粉(20～40μm)；天然鳞片石墨粉(180～270μm)、MoS2粉(20～40μm)为原料对成分为45～60％的电解Cu粉-1～5％SiO2-20～30％雾化Fe粉-1～10％高碳Cr-Fe合金粉-1～5％Cr粉-1～5％Sn粉-10～15％的天然鳞片石墨粉-1～5％MoS2粉的铜基闸片材料进行成分优化。首先将有机物组元溶解在溶剂中并储存在有机物组元储存罐内，蠕动泵在计算机的控制下通过粘结剂组元输送通道向不同的粘结剂溶液储存罐内加注相同的有机物组元得到粘结剂溶液。粘结剂溶液在蠕动泵和高压气体(0.1MPa)的作用下在锥形混料器内雾化，加热温度为80℃，混料器内压力为0.8×10-5Pa，锥形混料器的回转速度为100转/分，锥形混料器的底部装有高速旋转的叶片，叶片的转速为500转/分。混合均匀后得到的粘结化铜基粉末进入不同的检测通道进行粉末性能及压制性能分析，粉末扬尘性采集单元和粉末流动性和松装密度采集单元用于分析粉末的物理特性。进入中间料靴的粉末分层填装在橡胶包套内，橡胶包套进行冷等静压，得到不同组成的闸片材料坯体。闸片坯体在分段控温的烧结炉内进行烧结，分别在900℃、950℃、1000℃的温度区间放置铜基闸片材料坯体，从而获得不同成分、不同烧结温度的烧结坯。烧结坯通过传送带进入密度采集单元和超声无损检测单元进行测试。
实施例2：铜基粉冶金闸片材料的粘结剂配方优化
采用相同的铁基合金成分：56％电解Cu粉(48μm)，20％雾化Fe粉(75μm)，3％Cr粉(75μm)，4％高碳Cr-Fe合金粉(75μm)，1％SiO2粉(18μm)，1％Sn粉(38μm)，2％MoS2粉(38μm)，13％天然鳞片石墨粉(200μm)。对成分为：5～10％顺丁橡胶，5～10％丁苯橡胶，5～10％天然橡胶，余量120#汽油的粘结剂配方进行优化。首先将有机物组元溶解在溶剂中并储存在有机物组元储存罐内，蠕动泵在计算机的控制下通过粘结剂组元输送通道向不同的粘结剂溶液储存罐内加注相同的有机物组元得到粘结剂溶液。粘结剂溶液在蠕动泵和高压气体(0.1MPa)的作用下在锥形混料器内雾化，加热温度为80℃，混料器内压力为0.8×10-5Pa，锥形混料器的回转速度为100转/分，锥形混料器的底部装有高速旋转的叶片，叶片的转速为500转/分。混合均匀后得到的粘结化铜基粉末进入不同的检测通道进行粉末性能及压制性能分析，粉末扬尘性采集单元和粉末流动性和松装密度采集单元用于分析粉末的物理特性。进入中间料靴的粉末分层填装在橡胶包套内，橡胶包套进行冷等静压，得到不同组成的闸片材料坯体。闸片坯体在分段控温的烧结炉内进行烧结，分别在900℃、950℃、1000℃的温度区间放置铜基闸片材料坯体，从而获得不同成分、不同烧结温度的烧结坯。烧结坯通过传送带进入密度采集单元和超声无损检测单元进行测试。
实施例3：铁基粉末冶金闸片材料的成分优化
采用相同的粘结剂配方：10％顺丁橡胶，8％丁苯橡胶，5％天然橡胶，余量120#汽油。粘结剂的重量百分含量为0.3％。以水雾化纯铁粉(<150μm)、羰基镍粉(<5μm)、二硫化钼(<20μm)、锡粉(<40μm)、鳞片石墨粉(<250μm)、氧化铝(<180μm)为原料粉末，对成分为：Fe-(10-18％)Ni-(1-5％)MoS2-(1-5％)Sn-(10-20％)C-(15-25％)Al2O3的铁基闸片材料进行成分优化。首先将有机物组元溶解在溶剂中并储存在有机物组元储存罐内，蠕动泵在计算机的控制下通过粘结剂组元输送通道向不同的粘结剂溶液储存罐内加注相同的有机物组元得到粘结剂溶液。粘结剂溶液在蠕动泵和高压气体(0.3MPa)的作用下在锥形混料器内雾化，加热温度为120℃，混料器内压力为0.9×10-5Pa，锥形混料器的回转速度为200转/分，锥形混料器的底部装有高速旋转的叶片，叶片的转速为1000转/分。混合均匀后得到的粘结化铁基粉末进入不同的检测通道进行粉末性能及压制性能分析，粉末扬尘性采集单元和粉末流动性和松装密度采集单元用于分析粉末的物理特性。进入中间料靴的粉末分层填装在橡胶包套内，橡胶包套进行冷等静压，得到不同组成的闸片材料坯体。闸片坯体在分段控温的烧结炉内进行烧结，分别在1000℃、1030℃、1050℃的温度区间放置铁基闸片材料坯体，从而获得不同成分、不同烧结温度的烧结坯。烧结坯通过传送带进入密度采集单元和超声无损检测单元进行测试。
实施例4：铁基粉冶金闸片材料的粘结剂配方优化
采用相同的铁基合金成分：以水雾化纯铁粉(<150μm)、羰基镍粉(<5μm)、二硫化钼(<20μm)、锡粉(<40μm)、鳞片石墨粉(<250μm)、氧化铝(<180μm)为原料粉末，成分为Fe-15％Ni-3％MoS2-3％Sn-15％C-20Al2O3。对成分为：5～10％顺丁橡胶，5～10％丁苯橡胶，5～10％天然橡胶，余量120#汽油的粘结剂配方进行优化，粘结剂的重量百分含量为0.3％。首先将有机物组元溶解在溶剂中并储存在有机物组元储存罐内，蠕动泵在计算机的控制下通过粘结剂组元输送通道向不同的粘结剂溶液储存罐内加注相同的有机物组元得到粘结剂溶液。粘结剂溶液在蠕动泵和高压气体(0.3MPa)的作用下在锥形混料器内雾化，加热温度为120℃，混料器内压力为0.9×10-5Pa，锥形混料器的回转速度为200转/分，锥形混料器的底部装有高速旋转的叶片，叶片的转速为1000转/分。混合均匀后得到的粘结化铁基粉末进入不同的检测通道进行粉末性能及压制性能分析，粉末扬尘性采集单元和粉末流动性和松装密度采集单元用于分析粉末的物理特性。进入中间料靴的粉末分层填装在橡胶包套内，橡胶包套进行冷等静压，得到不同组成的闸片材料坯体。闸片坯体在分段控温的烧结炉内进行烧结，分别在1000℃、1030℃、1050℃的温度区间放置铁基闸片材料坯体，从而获得不同成分、不同烧结温度的烧结坯。烧结坯通过传送带进入密度采集单元和超声无损检测单元进行测试。

Claims (9)

1.一种高通量制备粉末冶金闸片材料的装置，其特征在于：高通量研究装置包括有机物组元储存罐(1)、蠕动泵(2)、计算机(3)、粘结剂组元输送通道(4)、粘结剂溶液储存罐(5)、高压气体(6)、雾化喷嘴通道(7)、锥形混料器(8)、控温装置(9)、气力输送装置(10)、原料粉末储存罐(11)、收粉装置(12)、分料器(13)、粉末扬尘性采集单元(14)、粉末流动性和松装密度采集单元(15)、传动带(16)、粉末回收罐(17)、中间料靴(18)、橡胶包套(19)、分段控温烧结炉(20)、密度采集单元(21)和超声无损检测数据采集单元(22)；
有机物组元储存罐(1)通过蠕动泵(2)经粘结剂组元输送通道(4)与粘结剂溶液储存罐(5)相连；原料粉末储存罐(11)经雾化喷嘴通道(7)连接锥形混料器(8)，粘结剂溶液储存罐(5)通过蠕动泵(2)连接锥形混料器(8)；每一锥形混料器均装有电热套加热模块、控温装置、入气通道、气体调控装置；锥形混料器(8)下端与收粉装置(12)连接；收粉装置(12)通过下端连接的分料器(13)分别与粉末扬尘性采集单元(14)、粉末流动性和松装密度采集单元(15)、中间料靴(18)相连；粉末扬尘性采集单元(14)与粉末流动性和松装密度采集单元(15)通过传送带(16)与粉末回收罐(17)相连；中间料靴(18)与橡胶包套(19)相连；橡胶包套(19)与分段控温烧结炉(20)衔接，分段控温烧结炉(20)通过传送带与密度采集单元(21)和超声无损检测数据采集单元(22)衔接。
2.一种采用权利要求1所述装置高通量制备粉末冶金闸片材料的方法，其特征在于：首先将不同的有机物组元溶解在溶剂中并储存在有机物组元储存罐(1)内，蠕动泵(2)在计算机(3)的控制下通过粘结剂组元输送通道(4)向不同的粘结剂溶液储存罐(5)内加注不同的有机物组元，其中各有机物组元的加注量由计算机控制，有机物组元混合均匀后得到不同配方的粘结剂；粘结剂溶液储存罐(5)通过蠕动泵(2)连接锥形混料器(8)，原料粉末和粘结剂的混合物在锥形混料器内混合和干燥，干燥温度60-100℃；同时，惰性高压气体通过同样的雾化喷嘴通道进入雾化室，并将粘结剂溶液雾化后喷洒进锥形混料器(8)，高压气体压力为0.1-0.5MPa；每一锥形混料器均装有电热套加热模块、控温装置、入气通道、气体调控装置；温度和气氛均由计算机进行控制和实时监测；锥形混料器(8)下端与收粉装置(12)连接；收粉装置(12)下端连接分料器，使粘结化粉末进入不同的检测通道进行粉末性能及压制性能分析，粉末扬尘性采集单元(14)和粉末流动性和松装密度采集单元(15)用于分析粉末的物理特性；通过计算机控制进入中间料靴(18)的粉末，并将粉末分层填装在橡胶包套内(19)，橡胶包套进行冷等静压，得到不同组成的闸片材料坯体；闸片坯体在分段控温的烧结炉(20)内进行烧结，可在不同的温度段内放置闸片材料坯体，从而获得不同成分、不同烧结温度的烧结坯；烧结坯通过传送带进入密度采集单元，密度采集单元中包括尺寸采集器和重量采集器，从而得到烧结坯密度；同时，烧结坯体进行超声无损检测，利用散射波的波形定性反映粉末冶金闸片材料中孔隙的大概的数量和状态。
3.根据权利要求2所述的高通量制备粉末冶金闸片材料的方法，其特征在于：所述原料粉末为铜基粉末冶金摩擦材料，其中各组元的质量百分含量为：基体组元：45～60％电解Cu粉45～75μm；摩擦组元：1～5％SiO2粉末10～20μm、20～30％雾化Fe粉50～90μm、1～10％高碳Cr-Fe合金粉50～90μm和1～5％Cr粉50～90μm；强化组元：1～5％Sn粉20～40μm；润滑组元：10～15％的天然鳞片石墨粉180～270μm，1～5％MoS2粉20～40μm。
4.根据权利要求2所述的一种高通量制备粉末冶金闸片材料的方法，其特征在于：所述的粘结剂组元的质量百分含量为5～10％顺丁橡胶，5～10％丁苯橡胶，5～10％天然橡胶，余量120#汽油。
5.根据权利要求2所述的高通量制备粉末冶金闸片材料的方法，其特征在于：所述锥形混料器带加热夹套，利用导热油进行加热，加热温度为80℃～180℃，混料器内压力为(0.8-0.9)×10-5Pa；锥形混料器的回转速度为100-200转/分，锥形混料器的底部装有高速旋转的叶片，叶片的转速为500-1500转/分。
6.根据权利要求2所述的高通量制备粉末冶金闸片材料的方法，其特征在于：所述粉末扬尘性采集单元采用可以控制气体流量的砂芯漏斗，砂芯的孔隙应小于粉末体系中最小粉末粒径，检测时将50g粉末置于砂芯上方，控制气体流速5L/min，通气时间2min。
7.根据权利要求2所述的高通量制备粉末冶金闸片材料的方法，其特征在于：所述粉末流动性和松装密度采集单元采用底部开口的锥形漏斗，并针对铁粉的流动性选择一个合适的开口尺寸，加入待检测的粉末后，采用激光自动计时，待全部待检测的粉末通过其漏斗，测量出流动时间。
8.根据权利要求2所述的高通量制备粉末冶金闸片材料的方法，其特征在于：所述粉末流动性通过测量粉末在传送带上的自然堆积时的安息角来表征。
9.根据权利要求2所述的高通量制备粉末冶金闸片材料的方法，其特征在于：所述密度采集单元采用自动称重数据采集系统，重量的精度为0.0001g。
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