CN108118181A - 一种铜基粉末冶金刹车片材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铜基粉末冶金刹车片材料及其制备方法和应用，该铜基粉末冶金刹车片材料由如下重量百分比的原料制得：铜粉54wt％～67wt％，石墨13wt％，铁粉4wt％～17wt％，铁铬合金8wt％～14wt％，碳化硅1wt％～4wt％，二氧化硅1wt％～4wt％；其制备方法包括如下步骤：1)按配比称取原料，放入混料机中混配均匀；2)将混配好的原料装入模具中，在真空气氛或在氮气保护下采用热压烧结或放电等离子烧结得到综合性能优异的刹车片材料。制得的刹车片材料致密度和硬度高，摩擦系数稳定，耐磨损，综合性能优异，可以满足高铁列车制动摩擦片需求。该铜基粉末冶金刹车片材料可用于制备刹车片，制备方法为：采用Q235作基材，将制备铜基粉末冶金刹车片材料的原料与基材经热压烧结工艺进行复合烧结，得到刹车片。
Description
技术领域
本发明涉及一种刹车片材料及其制备方法和应用，特别涉及一种铜基粉末冶金刹车片材料及其制备方法和应用，属于粉末冶金刹车片技术领域。
背景技术
随着科技的进步，高速铁路的速度得到不断提高，其刹车制动装置的使用条件也越来越苛刻，人们要求刹车制动装置要在短时间使得高铁停下来，这会使的高铁巨大的动能转化成制动刹车片的摩擦热能，摩擦副表面会急剧上升，影响到摩擦材料的摩擦系数，使得高铁的安全性、可靠性降低。因此，为了满足高速铁路的综合技术指标，需要不断的探讨和开发出高性能的刹车材料。
制动材料需要同时满足以下几个方面的性能要求：①应具有较高而稳定的摩擦因数，即使受雨雪或酷热条件的影响，摩擦因数也不降低；②增粘效果好，难以发生滑移；③抗热裂性和耐磨性好，以延长使用寿命；④对车轮踏面不产生异常磨损和其它形式的损伤；⑤较高的强度；⑥具有适当的密度。
根据交通车辆和铁路机车的不同制动要求，通常要求刹车片摩擦材料适应于车辆负荷和减速要求，同时兼顾使用寿命，这对刹车片的摩擦系数、硬度和磨损性能提出高的要求。国内现在制备的高速列车摩擦材料仍然达不到高铁列车制动摩擦片的需求，需要大量从国外进口。因此迫切需要寻找一种具有密度适当、硬度、摩擦系数和磨损量的综合性能较好等优点的刹车片材料。
发明内容
发明目的：针对现有刹车片材料综合性能无法达到高铁列车制动摩擦片需求的问题，本发明提供了一种综合性能较好的铜基粉末冶金刹车片材料及其制备方法，并提供了该刹车片材料用于制备刹车片的应用以及刹车片的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种铜基粉末冶金刹车片材料，该刹车片材料由如下重量份的原料制得：铜粉54wt％～67wt％，石墨13wt％，铁粉4wt％～17wt％，铁铬合金8wt％～14wt％，碳化硅1wt％～4wt％，二氧化硅1wt％～4wt％。
优选的，制备刹车片材料的各原料粒度分别为：铜粉400目，石墨0.2～0.8mm，铁粉40～400目，铁铬合金200目，碳化硅500目，二氧化硅5μm。
本发明所述的一种铜基粉末冶金刹车片材料的制备方法，包括如下步骤：
1)原料混配：按配比称取原料，放入混料机中混配均匀；
2)烧结成型：将混配好的原料装入模具中，在真空气氛或在氮气保护下采用热压烧结或放电等离子烧结得到刹车片材料。
上述步骤2)中，采用放电等离子烧结时，控制烧结温度为800～850℃，升温速率为100℃/min，保温时间为20min，对模具施加的压力为30～50MPa；采用热压烧结时，控制烧结温度为950～1000℃，保温时间为120min，对模具施加的压力为10～20MPa。
较优的，待烧结完成后，先将烧结得到的样品在真空气氛或氮气保护下冷却，然后将模具取出，脱模，得到刹车片材料。
本发明所述的刹车片，由该铜基粉末冶金刹车片材料制得。
本发明所述的刹车片的制备方法为：采用Q235作基材，将制备铜基粉末冶金刹车片材料的原料与基材经热压烧结工艺进行复合烧结，得到刹车片。其中，热压烧结工艺条件与步骤2)中相同，即控制烧结温度为950～1000℃，保温时间为120min，对模具施加的压力为10～20MPa。
发明原理：本发明以铜为基体，以铁、铬、铁铬合金、碳化硅或者二氧化硅为摩擦组元，以石墨为润滑组元制备铜基粉末冶金刹车片材料，其中，铜元素作为基体元素具有优异的热导性和良好的塑性且能通过在摩擦界面产生氧化铜的方式来维持高温下摩擦系数的水平；铁元素既能充当摩擦组元，当含量较大时还能起到基体增强的作用，当铁颗粒均匀弥散在基体中时能够提高基体强度，同时又能使基体表面有微凸的结构，增大了摩擦表面的粗糙度，起到增磨的作用；通过向样品中加入含量和粒度配比适当得非金属摩擦组元碳化硅和二氧化硅，能够使它们均匀弥散在基体中，起到增磨和啮合的作用，保持刹车片摩擦表面的粗糙度，降低由于摩擦表面太光滑所带来的粘着磨损，有利于维持摩擦系数的稳定性和制动平稳性；而铁铬合金在高速摩擦的情况下，和氧气作用在表面形成一层氧化膜，可以有效提高摩擦因数的稳定性。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)本发明的铜基粉末冶金刹车片材料致密度和硬度高，摩擦系数稳定，耐磨损，综合性能优异，可以满足高铁列车制动摩擦片需求；通过调节原料组分含量，制得的铜基粉末冶金刹车片材料可实现摩擦系数在0.18～0.45范围内调整，同时摩擦系数稳定度在标称值±5％内，有利于防止刹车抖动；同时硬度在31～38HB内可调，密度可达到6.1g/cm3；由该刹车片材料制得的刹车片的剪切强度可达38.28MPa；(2)本发明采用的放电等离子烧结法是利用电极电压和压力同时施加于粉末，与传统的从外部加热样品的烧结技术相比，放电等离子烧结法制备样品具有制备温度低，加热速率快，烧结时间短，试样致密度高等优点。
附图说明
图1为实施例1～4制备的样品的摩擦系数稳定性曲线；
图2为实施例1制得的样品的典型摩擦特征微观形貌图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
一种铜基粉末冶金刹车片材料，由以下重量份配比的原料制成：
铜粉67wt％，
石墨13wt％，
铁粉4wt％，
铁铬合金14wt％，
碳化硅1wt％，
二氧化硅1wt％。
上述各材料的粒度分别为：
铜粉400目，
石墨0.2～0.8mm，
铁粉40目，
铁铬合金200目，
碳化硅500目，
二氧化硅5μm。
根据上述原料配比称取粉末原料，放入混料机中混配均匀；将混配好的原料装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中控制烧结温度为800℃，升温速率为100℃/min，保温时间为20min，对模具施加的压力为50MPa，烧结及冷却期间保持真空；待制备和保温都完成之后，让样品冷却一段时间，然后向真空室内充气直到内外气压相近，打开真空室，抬起上模冲，将模具取出，取出制得的刹车片材料样品。
经检测，本实施例制得的样品硬度为HB32.11，密度为5.618g/cm3；摩擦系数为0.45，摩擦系数稳定性如图1；磨损量为7.40mg，摩擦特征微观形貌如图2(a)～2(b)。
实施例2
一种铜基粉末冶金刹车片材料，由以下重量份配比的原料制成：
铜粉67wt％，
石墨13wt％，
铁粉10wt％，
铁铬合金8wt％，
碳化硅1wt％，
二氧化硅1wt％。
上述各材料的粒度分别为：
铜粉400目，
石墨0.2～0.8mm，
铁粉40目，
铁铬合金200目，
碳化硅500目，
二氧化硅5μm。
根据上述原料配比称取粉末原料，放入混料机中混配均匀；将混配好的原料装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中控制烧结温度为810℃，升温速率为100℃/min，保温时间为20min，对模具施加的压力为45MPa，烧结及冷却期间保持真空；待制备和保温都完成之后，让样品冷却一段时间，然后向真空室内充气直到内外气压相近，打开真空室，抬起上模冲，将模具取出，取出制得的刹车片材料样品。
经过检测，本实施例制得的样品硬度为HB38.90，密度为6.174g/cm3，摩擦系数为0.22，磨损量为4.02mg，样品的摩擦系数稳定性能如图1。
实施例3
一种铜基粉末冶金刹车片材料，由以下重量份配比的原料制成：
铜粉58wt％，
石墨13wt％，
铁粉17wt％，
铁铬合金8wt％，
碳化硅2wt％，
二氧化硅2wt％。
上述各材料的粒度分别为：
铜粉400目，
石墨0.2～0.8mm，
铁粉40目，
铁铬合金200目，
碳化硅500目，
二氧化硅5μm。
根据上述原料配比称取粉末原料，放入混料机中混配均匀；将混配好的原料装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中控制烧结温度为820℃，升温速率为100℃/min，保温时间为20min，对模具施加的压力为40MPa，烧结及冷却期间保持真空；待制备和保温都完成之后，让样品冷却一段时间，然后向真空室内充气直到内外气压相近，打开真空室，抬起上模冲，将模具取出，取出制得的刹车片材料样品。
经过检测，本实施例制得的样品硬度为HB31.11，密度为5.608g/cm3，摩擦系数为0.18，磨损量为6.90mg；样品摩擦系数稳定性能如图1。
实施例4
一种铜基粉末冶金刹车片材料，由以下重量份配比的原料制成：
铜粉54wt％，
石墨13wt％，
铁粉17wt％，
铁铬合金8wt％，
碳化硅4wt％，
二氧化硅4wt％。
上述各材料的粒度分别为：
铜粉400目，
石墨0.2～0.8mm，
铁粉40目，
铁铬合金200目，
碳化硅500目，
二氧化硅5μm。
根据上述原料配比称取粉末原料，放入混料机中混配均匀；将混配好的原料装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中控制烧结温度为850℃，升温速率为100℃/min，保温时间为20min，对模具施加的压力为35MPa，烧结及冷却期间保持真空；待制备和保温都完成之后，让样品冷却一段时间，然后向真空室内充气直到内外气压相近，打开真空室，抬起上模冲，将模具取出，取出制得的刹车片材料样品。
经过检测，本实施例制得的样品硬度为HB36.74，密度为5.400g/cm3；摩擦系数为0.24；磨损量为7.1mg；样品的摩擦系数稳定性能如图1。
由图1可以看出，实施例1～4制得的样品可在较短时间内形成良好稳定的摩擦系数，摩擦系数稳定度在标称值±5％内。
实施例5
一种铜基粉末冶金刹车片材料，由以下重量份配比的原料制成：
铜粉67wt％，
石墨13wt％，
铁粉10wt％，
铁铬合金8wt％，
碳化硅1wt％，
二氧化硅1wt％。
上述各材料的粒度分别为：
铜粉400目，
石墨0.2～0.8mm，
铁粉40目，
铁铬合金200目，
碳化硅500目，
二氧化硅5μm。
采用Q235作基材，在热压烧结炉中，控制烧结温度为950℃，保温时间为120min，对模具施加的压力为20MPa，将上述原料与基材复合烧结，得到刹车片样品，按“TJCL_307-2014动车组闸片暂行技术条件”标准要求从制得的刹车片样品中取样做摩擦体剪切试验，其中，采用的剪切速率为0.5mm/min，剪切方向为沿固定的剪切面直接施加水平剪力。经检测试样剪切强度达到38.28MPa。
Claims (8)
1.一种铜基粉末冶金刹车片材料，其特征在于，该刹车片材料由如下重量百分比的原料制得：铜粉54wt％～67wt％，石墨13wt％，铁粉4wt％～17wt％，铁铬合金8wt％～14wt％，碳化硅1wt％～4wt％，二氧化硅1wt％～4wt％。
2.根据权利要求1所述的铜基粉末冶金刹车片材料，其特征在于，所述刹车片材料各原料粒度分别为：铜粉400目，石墨0.2～0.8mm，铁粉40～400目，铁铬合金200目，碳化硅500目，二氧化硅5μm。
3.一种权利要求1所述的铜基粉末冶金刹车片材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)原料混配：按配比称取原料，放入混料机中混配均匀；
2)烧结成型：将混配好的原料装入模具中，在真空气氛或在氮气保护下采用热压烧结或放电等离子烧结得到刹车片材料。
4.根据权利要求3所述的铜基粉末冶金刹车片材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，采用放电等离子烧结时，控制烧结温度为800～850℃，升温速率为100℃/min，保温时间为20min，对模具施加的压力为30～50MPa。
5.根据权利要求3所述的铜基粉末冶金刹车片材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，采用热压烧结时，控制烧结温度为950～1000℃，保温时间为120min，对模具施加的压力为10～20MPa。
6.根据权利要求3所述的铜基粉末冶金刹车片材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，待烧结完成后，先将烧结得到的样品在真空气氛或氮气保护下冷却，然后将模具取出，脱模，得到刹车片材料。
7.一种由权利要求1所述的铜基粉末冶金刹车片材料制得的刹车片。
8.一种权利要求7所述的刹车片的制备方法，其特征在于，采用Q235作基材，将制备铜基粉末冶金刹车片材料的原料与基材经热压烧结工艺进行复合烧结，得到刹车片。
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