CN109112437B - 高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法 - Google Patents
高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法，方法包括：提供碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉；混合上述粉末，得到第一混合粉末，并对第一混合粉末进行第一球磨；将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，得到第二混合粉末；提供碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须；对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理；混合粉末与晶须，得到第三混合粉末；对第三混合粉末进行第二球磨；将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，得到第四混合粉末；对第四混合粉末进行第三磨；对经过第三球磨的第四混合粉末进行热压烧结。本发明通过掺杂金属元晶须，在保持陶瓷基材料的硬度的同时，保证了材料具有足够的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及铁路运输材料领域，特别涉及一种高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法。
背景技术
作为铁路系统中一支新兴力量，高铁以惊人的速度发展着，从无到有，从引进到创新，在短短五年时间内实现了国际四十年的成绩，成为我国现代化有力的推助器，同时，高铁的出行颠覆了人们传统的生活、交往和生产方式。甚至，作为拥有完全自主知识产权的技术体系，高铁开始走出国门，依托“一带一路”的东风，在世界范围内开始进行修建和推广，并为更大范围的人所认知、认可，被称为”中国名片”被广为传播。
提升高铁性能需要提升高铁各个部分的制造工艺水平，刹车片是高铁中的重要材料。刹车片材料包括石棉体、重金属和半金属及非石棉体刹车片等。由于石棉中含有结晶水，当刹车片表面温度达到500℃时，石棉将彻底失去结晶水，造成材料性能急剧下降，磨损率增加。石棉在加工过程中产生的粉尘具有致癌作用，不利于人体健康，且造成环境污染，已被多数国家禁用；重金属刹车片主要以合金为主，钨合金材料用的最广泛。半金属刹车片是基于金属刹车片进行改进的一种刹车片，以钢丝绒作为加固材料，具有较高的强度、导热性，成本相对降低，磨损率也大幅减小，是目前市场上的主流产品。但是，半金属刹车片在刹车过程中产生大量热量，一旦热量无法散发，将导致制动萎缩和刹车液沸腾，长时间使用容易伤盘；非石棉体刹车片主要是采用无机纤维、有机纤维或混合纤维作为补强材料，有机物作为基体材料替代石棉。但该类材料在耐磨性和噪音及强度方面尚不令人十分满意。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法，从而克服现有技术的缺点。
本发明提供了一种高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法，其特征在于：复合材料制备方法包括如下步骤：
提供碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉；
混合碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉，得到第一混合粉末，并对第一混合粉末进行第一球磨，得到经过第一球磨的第一混合粉末；
将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，得到第二混合粉末；
提供碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须；
对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理，得到经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须；
混合第二混合粉末、经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须，得到第三混合粉末；
对第三混合粉末进行第二球磨，得到经过第二球磨的第三混合粉末；
将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，得到第四混合粉末；
对第四混合粉末进行第三球磨，得到经过第三球磨的第四混合粉末；
对经过第三球磨的第四混合粉末进行热压烧结。
优选地，上述技术方案中，在第一混合粉末中，以重量份计，碳化硅粉末占100-200份、碳粉占5-10份、金属Fe粉占10-15份以及金属Ti粉占8-13份。
优选地，上述技术方案中，对第一混合粉末进行第一球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为8-10h，球磨速度为1000-1500r/min，球料比为10:1-15:1。
优选地，上述技术方案中，将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理具体为：热处理气氛为氩气，热处理温度为400-500℃，热处理时间为4-5h。
优选地，上述技术方案中，对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理具体为：热处理气氛为空气，热处理温度为700-800℃，热处理时间为3-4h。
优选地，上述技术方案中，在第三混合粉末中，以重量份计，第二混合粉末占100-150份、经过处理的碳酸钙晶须占3-6份以及经过处理的钛酸钾晶须占3-6份。
优选地，上述技术方案中，对第三混合粉末进行第二球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为15-20h，球磨速度为700-900r/min，球料比为5:1-10:1。
优选地，上述技术方案中，将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理具体为：热处理气氛为氢气，热处理温度为500-600℃，热处理时间为4-5h。
优选地，上述技术方案中，对第四混合粉末进行第三球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为4-8h，球磨速度为400-500r/min，球料比为10:1-15:1。
优选地，上述技术方案中，对第四混合粉末进行热压烧结具体为：烧结气压低于0.01Pa，烧结压力为50-70MPa，烧结温度为2030-2080℃，烧结时间为30-60min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：在高铁运行过程中，刹车片的效能决定了高铁运行是否能够平稳安全，目前现有技术提出了很多技术方案来提升刹车片的强度和硬度。目前现有技术已经提出了陶瓷基刹车片的概念，并且目前已经有一些生产陶瓷基刹车片的工艺。但是目前这些工艺的缺点在于：成品率较低，工艺制程只适合实验室小规模生产，如果将这些工艺直接用于工业化大生产，则成功率太低，成本太高。虽然陶瓷基刹车片的硬度较高，但是这种刹车片的韧性较差，在使用过程中非常容易发生刹车片断裂等问题，如何兼顾陶瓷基刹车片的高强度与高韧性仍然是目前的难题。本申请针对现有技术中存在的技术问题，提出了一种高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法，本发明通过掺杂金属元素和晶须，在保持陶瓷基材料的硬度的同时，保证了材料具有足够的韧性，防止在使用过程中的脆性断裂。同时本发明的方法成品率高，能够实现工业化。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是根据本发明的实施例的高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法的方法流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1是根据本发明的实施例的高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法的方法流程图。如图所示，本发明的高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法包括如下步骤：
步骤101：提供碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉；
步骤102：混合碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉，得到第一混合粉末，并对第一混合粉末进行第一球磨，得到经过第一球磨的第一混合粉末；
步骤103：将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，得到第二混合粉末；
步骤104：提供碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须；
步骤105：对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理，得到经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须；
步骤106：混合第二混合粉末、经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须，得到第三混合粉末；
步骤107：对第三混合粉末进行第二球磨，得到经过第二球磨的第三混合粉末；
步骤108：将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，得到第四混合粉末；
步骤109：对第四混合粉末进行第三球磨，得到经过第三球磨的第四混合粉末；
步骤110：对经过第三球磨的第四混合粉末进行热压烧结。
实施例1
复合材料制备方法包括如下步骤：提供碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉；混合碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉，得到第一混合粉末，并对第一混合粉末进行第一球磨，得到经过第一球磨的第一混合粉末；将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，得到第二混合粉末；提供碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须；对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理，得到经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须；混合第二混合粉末、经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须，得到第三混合粉末；对第三混合粉末进行第二球磨，得到经过第二球磨的第三混合粉末；将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，得到第四混合粉末；对第四混合粉末进行第三球磨，得到经过第三球磨的第四混合粉末；对经过第三球磨的第四混合粉末进行热压烧结。在第一混合粉末中，以重量份计，碳化硅粉末占100份、碳粉占5份、金属Fe粉占10份以及金属Ti粉占8份。对第一混合粉末进行第一球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为8h，球磨速度为1000r/min，球料比为10:1。将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理具体为：热处理气氛为氩气，热处理温度为400℃，热处理时间为4h。对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理具体为：热处理气氛为空气，热处理温度为700℃，热处理时间为3h。在第三混合粉末中，以重量份计，第二混合粉末占100份、经过处理的碳酸钙晶须占3份以及经过处理的钛酸钾晶须占3份。对第三混合粉末进行第二球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为15h，球磨速度为700r/min，球料比为5:1。将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理具体为：热处理气氛为氢气，热处理温度为500℃，热处理时间为4h。对第四混合粉末进行第三球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为4h，球磨速度为400r/min，球料比为10:1。对第四混合粉末进行热压烧结具体为：烧结气压低于0.01Pa，烧结压力为50MPa，烧结温度为2030℃，烧结时间为30min。
实施例2
复合材料制备方法包括如下步骤：提供碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉；混合碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉，得到第一混合粉末，并对第一混合粉末进行第一球磨，得到经过第一球磨的第一混合粉末；将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，得到第二混合粉末；提供碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须；对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理，得到经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须；混合第二混合粉末、经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须，得到第三混合粉末；对第三混合粉末进行第二球磨，得到经过第二球磨的第三混合粉末；将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，得到第四混合粉末；对第四混合粉末进行第三球磨，得到经过第三球磨的第四混合粉末；对经过第三球磨的第四混合粉末进行热压烧结。在第一混合粉末中，以重量份计，碳化硅粉末占200份、碳粉占10份、金属Fe粉占15份以及金属Ti粉占13份。对第一混合粉末进行第一球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为10h，球磨速度为1500r/min，球料比为15:1。将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理具体为：热处理气氛为氩气，热处理温度为500℃，热处理时间为5h。对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理具体为：热处理气氛为空气，热处理温度为800℃，热处理时间为4h。在第三混合粉末中，以重量份计，第二混合粉末占150份、经过处理的碳酸钙晶须占6份以及经过处理的钛酸钾晶须占6份。对第三混合粉末进行第二球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为20h，球磨速度为900r/min，球料比为10:1。将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理具体为：热处理气氛为氢气，热处理温度为600℃，热处理时间为5h。对第四混合粉末进行第三球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为8h，球磨速度为500r/min，球料比为15:1。对第四混合粉末进行热压烧结具体为：烧结气压低于0.01Pa，烧结压力为70MPa，烧结温度为2080℃，烧结时间为60min。
实施例3
复合材料制备方法包括如下步骤：提供碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉；混合碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉，得到第一混合粉末，并对第一混合粉末进行第一球磨，得到经过第一球磨的第一混合粉末；将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，得到第二混合粉末；提供碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须；对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理，得到经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须；混合第二混合粉末、经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须，得到第三混合粉末；对第三混合粉末进行第二球磨，得到经过第二球磨的第三混合粉末；将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，得到第四混合粉末；对第四混合粉末进行第三球磨，得到经过第三球磨的第四混合粉末；对经过第三球磨的第四混合粉末进行热压烧结。在第一混合粉末中，以重量份计，碳化硅粉末占130份、碳粉占6份、金属Fe粉占11份以及金属Ti粉占9份。对第一混合粉末进行第一球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为9h，球磨速度为1100r/min，球料比为11:1。将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理具体为：热处理气氛为氩气，热处理温度为120℃，热处理时间为4.5h。对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理具体为：热处理气氛为空气，热处理温度为720℃，热处理时间为3.5h。在第三混合粉末中，以重量份计，第二混合粉末占110份、经过处理的碳酸钙晶须占4份以及经过处理的钛酸钾晶须占4份。对第三混合粉末进行第二球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为16h，球磨速度为750r/min，球料比为6:1。将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理具体为：热处理气氛为氢气，热处理温度为520℃，热处理时间为4.5h。对第四混合粉末进行第三球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为5h，球磨速度为420r/min，球料比为11:1。对第四混合粉末进行热压烧结具体为：烧结气压低于0.01Pa，烧结压力为55MPa，烧结温度为2050℃，烧结时间为40min。
实施例4
复合材料制备方法包括如下步骤：提供碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉；混合碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉，得到第一混合粉末，并对第一混合粉末进行第一球磨，得到经过第一球磨的第一混合粉末；将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，得到第二混合粉末；提供碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须；对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理，得到经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须；混合第二混合粉末、经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须，得到第三混合粉末；对第三混合粉末进行第二球磨，得到经过第二球磨的第三混合粉末；将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，得到第四混合粉末；对第四混合粉末进行第三球磨，得到经过第三球磨的第四混合粉末；对经过第三球磨的第四混合粉末进行热压烧结。在第一混合粉末中，以重量份计，碳化硅粉末占150份、碳粉占7份、金属Fe粉占12份以及金属Ti粉占10份。对第一混合粉末进行第一球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为9h，球磨速度为1300r/min，球料比为12:1。将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理具体为：热处理气氛为氩气，热处理温度为450℃，热处理时间为4.5h。对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理具体为：热处理气氛为空气，热处理温度为750℃，热处理时间为3.5h。在第三混合粉末中，以重量份计，第二混合粉末占120份、经过处理的碳酸钙晶须占5份以及经过处理的钛酸钾晶须占5份。对第三混合粉末进行第二球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为18h，球磨速度为800r/min，球料比为8:1。将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理具体为：热处理气氛为氢气，热处理温度为550℃，热处理时间为4.5h。对第四混合粉末进行第三球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为6h，球磨速度为450r/min，球料比为12:1。对第四混合粉末进行热压烧结具体为：烧结气压低于0.01Pa，烧结压力为60MPa，烧结温度为2050℃，烧结时间为50min。
为了便于阅读并出于突出重点的目的，以下对比例采用简写的形式，未明确写出的步骤和参数与实施例1一致。
对比例1
不对经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，直接将经过第一球磨的第一混合粉末与经过处理的晶须混合。
对比例2
不对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理。
对比例3
不对经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，也不对经过第二球磨的第三混合粉末进行第三球磨。
对比例4
在第一混合粉末中，以重量份计，碳化硅粉末占250份、碳粉占8份、金属Fe粉占2份以及金属Ti粉占2份。
对比例5
对第一混合粉末进行第一球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为15h，球磨速度为800r/min，球料比为20:1。
对比例6
将经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理具体为：热处理气氛为氩气，热处理温度为600℃，热处理时间为6h。
对比例7
对碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理具体为：热处理气氛为空气，热处理温度为400℃，热处理时间为5h。
对比例8
在第三混合粉末中，以重量份计，第二混合粉末占200份、经过处理的碳酸钙晶须占2份以及经过处理的钛酸钾晶须占2份。
对比例9
对第三混合粉末进行第二球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为25h，球磨速度为1000r/min，球料比为15:1。
对比例10
将经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理具体为：热处理气氛为氢气，热处理温度为800℃，热处理时间为8h。
对比例11
对第四混合粉末进行第三球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为3h，球磨速度为800r/min，球料比为20:1。
对比例12
对第四混合粉末进行热压烧结具体为：烧结气压低于0.01Pa，烧结压力为40MPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为80min。
对比例13
对第四混合粉末进行热压烧结具体为：烧结气压低于0.01Pa，烧结压力为100MPa，烧结温度为2100℃，烧结时间为20min。
对实施例1-4，对比例1-13进行抗弯强度以及硬度测试，测试方法是本领域公知的方法，为了便于比较和说明，将测试结果根据实施例1归一化。测试结果见表1。
表1
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种高强度的用于高铁刹车片的复合材料制备方法，其特征在于：所述复合材料制备方法包括如下步骤：
提供碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉；
混合所述碳化硅粉末、碳粉、金属Fe粉以及金属Ti粉，得到第一混合粉末，并对所述第一混合粉末进行第一球磨，得到经过第一球磨的第一混合粉末；
将所述经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理，得到第二混合粉末；
提供碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须；
对所述碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理，得到经过处理的碳酸钙晶须以及经过处理的钛酸钾晶须；
混合所述第二混合粉末、所述经过处理的碳酸钙晶须以及所述经过处理的钛酸钾晶须，得到第三混合粉末；
对所述第三混合粉末进行第二球磨，得到经过第二球磨的第三混合粉末；
将所述经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理，得到第四混合粉末；
对所述第四混合粉末进行第三球磨，得到经过第三球磨的第四混合粉末；
对所述经过第三球磨的第四混合粉末进行热压烧结，
在所述第一混合粉末中，以重量份计，所述碳化硅粉末占100-200份、碳粉占5-10份、金属Fe粉占10-15份以及金属Ti粉占8-13份，对所述第一混合粉末进行第一球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为8-10h，球磨速度为1000-1500r/min，球料比为10:1-15:1，
将所述经过第一球磨的第一混合粉末进行第一热处理具体为：热处理气氛为氩气，热处理温度为400-500℃，热处理时间为4-5h，
对所述碳酸钙晶须以及钛酸钾晶须进行第二热处理具体为：热处理气氛为空气，热处理温度为700-800℃，热处理时间为3-4h，
在所述第三混合粉末中，以重量份计，第二混合粉末占100-150份、所述经过处理的碳酸钙晶须占3-6份以及所述经过处理的钛酸钾晶须占3-6份，
对所述第三混合粉末进行第二球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为15-20h，球磨速度为700-900r/min，球料比为5:1-10:1，
将所述经过第二球磨的第三混合粉末进行第三热处理具体为：热处理气氛为氢气，热处理温度为500-600℃，热处理时间为4-5h，
对所述第四混合粉末进行第三球磨具体为：磨球材料为玛瑙，球磨气氛为氩气气氛，球磨时间为4-8h，球磨速度为400-500r/min，球料比为10:1-15:1，
对所述第四混合粉末进行热压烧结具体为：烧结气压低于0.01Pa，烧结压力为50-70MPa，烧结温度为2030-2080℃，烧结时间为30-60min。
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