CN109513914A - 一种粉末冶金摩擦材料、粉末冶金闸片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于闸片材料制备技术领域，具体涉及一种粉末冶金摩擦材料、粉末冶金闸片及其制备方法。该粉末冶金摩擦材料包括第一粉末冶金摩擦材料和第二粉末冶金摩擦材料，其中，第一粉末冶金摩擦材料包括铜、铬铁合金、石墨、碳化硅、镍和钨铜合金；第二粉末冶金摩擦材料包括铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼、二氧化硅和铜纤维；将第一粉末冶金摩擦材料和第二粉末冶金摩擦材料分别进行预压制，得到第一摩擦体和第二摩擦体，将第一摩擦体嵌入到第二摩擦体中主压成型得到复合摩擦体，经加压烧结后得到粉末冶金闸片。本发明制备得到的闸片在制动周期内平均摩擦系数波动值较小，同时该闸片的剪切强度较大，热衰退性能较好，具有良好的导热性和散热性。
Description
技术领域
本发明属于闸片材料制备技术领域，具体涉及一种粉末冶金摩擦材料、粉末冶金闸片及其制备方法。
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闸片等摩擦磨损部件的关键材料，广泛应用于高速列车、飞机等交通运输中。高速列车作为现代社会最新一代的交通运输方式，在运行速度、运输能力、节能环保等方面具有很大的优势。随着列车向高速、重载的快速发展和国内铁路行业标准和UIC(国际铁路联盟)技术条件的不断升级，对闸片的性能提出了越来越高的要求。
高速列车运行环境多变，常常伴随着沙尘、潮湿、雨雪等天气，同时，列车在高速制动过程中闸片温度大幅度提高，都要求闸片具有足够而稳定的摩擦系数。目前，常用于生产的闸片的材料有粉末冶金摩擦材料、纸基摩擦材料等，由于粉末冶金摩擦材料具有良好的耐磨性、导热性、抗粘性、使用负荷高、工作可靠等优点，被广泛应用于高速列车中。
粉末冶金摩擦材料是一种以金属或合金作为基体，添加摩擦组元、润滑组元以及某些起特殊作用的金属、非金属成分，经压型、烧结的粉末冶金技术制造而成。目前，现有的粉末冶金摩擦材料制成的闸片，在时速350km/h高速列车制动过程中，由于高速度和高压力会使热负荷增大和温度升高，造成闸片的摩擦系数不稳定，对列车安全行驶产生影响。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的粉末冶金摩擦材料存在摩擦系数不稳定等缺陷，从而提供一种粉末冶金摩擦材料、粉末冶金闸片及其制备方法。
为解决上述技术问题，采用如下方案：
本发明提供了一种粉末冶金摩擦材料，包括，
第一粉末冶金摩擦材料，所述第一粉末冶金摩擦材料包括铜，铬铁合金，石墨，碳化硅，镍，钨铜合金，所述第一粉末冶金摩擦材料中铜，铬铁合金，石墨，碳化硅，镍，钨铜合金的质量比为(65-75)：(3-6)：(5-10)：(0-0.5)：(1-3)：(1-3)；
第二粉末冶金摩擦材料，所述第二粉末冶金摩擦材料包括铜，铁，铬铁合金，石墨，二硫化钼，二氧化硅，铜纤维，所述第二粉末冶金摩擦材料中铜，铁，铬铁合金，石墨，二硫化钼，二氧化硅，铜纤维的质量比为(45-55)：(15-20)：(8-10)：(10-25)：(3-5)：(0-0.5)：(5-10)。
所述第一粉末冶金摩擦材料中金属与非金属的质量比为(15:1)-(17:1)；
所述第二粉末冶金摩擦材料中金属与非金属的质量比为(3:1)-(6.5:1)。
再者，本发明还提供了一种粉末冶金闸片，包括上述的粉末冶金摩擦材料。
所述的粉末冶金闸片，包括第一摩擦体和第二摩擦体，所述第二摩擦体具有适于所述第一摩擦体嵌入其中的凹槽，在使用时，所述第一摩擦体嵌入所述第二摩擦体的凹槽中，形成复合摩擦体。
所述第一摩擦体的材料为所述第一粉末冶金摩擦材料；所述第二摩擦体的材料为第二粉末冶金摩擦材料。
所述的粉末冶金闸片，还包括，闸片衬底，所述复合摩擦体排列并设置于所述闸片衬底上。
此外，本发明还提供了一种粉末冶金闸片的制备方法，包括，
预压制成型：将所述第一粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第一摩擦体；将所述的第二粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第二摩擦体；
主压成型：将所述第一摩擦体嵌入第二摩擦体中主压成型，得到复合摩擦体；
加压烧结：将所述复合摩擦体排列安装于闸片衬底上加压烧结，或
将所述复合摩擦体加压烧结后排列安装于闸片衬底上，制得所述粉末冶金闸片。
所述预压制步骤中，所述第一粉末冶金摩擦材料预压成型的压力为2-5MPa，预压制时间为10-15s；所述第二粉末冶金摩擦材料预压成型的压力为2-5MPa，预压制时间为10-15s。
所述主压成型的压力为7-10MPa，主压时间为25-30s。
所述加压烧结的压力为4-6MPa，温度为890-1100℃，时间为2.5-3.0h。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的粉末冶金摩擦材料，包括两种粉末冶金摩擦材料，其中，第一粉末冶金摩擦材料包括铜、铬铁合金、石墨、碳化硅、镍和钨铜合金；第二粉末冶金摩擦材料包括铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼、二氧化硅和铜纤维。第一粉末冶金摩擦材料有助于稳定闸片的摩擦系数；第二粉末冶金摩擦材料有助于提高粉末冶金摩擦材料的摩擦系数；由第一粉末冶金摩擦材料和第二粉末冶金摩擦材料相互配合，能稳定由两者制得的粉末冶金闸片在时速50-350km/h高速列车制动过程中的摩擦层状态；在大压力测试下，闸片的平均摩擦系数波动值不超过20％，波动较小。
2.本发明提供的粉末冶金摩擦材料，第一粉末冶金摩擦材料中各原料相互配合，能提高由其及第二粉末冶金摩擦材料共同制得的复合粉末冶金闸片的导热性和散热性；同时对金属材料和非金属材料的配比进行选择，使第一粉末冶金摩擦材料和第二粉末冶金摩擦材料具有相同的密度，便于两者有效复合在一起，避免脱离。
3.本发明提供的粉末冶金闸片，包括第一摩体和第二摩擦体，其中，第一摩擦体的材料为第一粉末冶金摩擦材料，第二摩擦体为第二粉末冶金摩擦材料；第二摩擦体具有适于第一摩擦体嵌入其中的凹槽，在使用时，第一摩擦体嵌入第二摩擦体的凹槽中，形成复合摩擦体；在闸片衬底上由复合摩擦体排列并设置于衬底上形成粉末冶金闸片。通过第一摩擦体和第二摩擦体的相互配合，依据《TJ/CL_307动车组闸片暂行技术条件》C.4试验大纲进行试验，该粉末冶金闸片的摩擦系数在0.321-0.446，且在大压力制动时摩擦系数波动值不超过20％，摩擦系数波动值较小，热衰退性能较好，具有良好的导热性和散热性；同时该闸片的减重效果较好，寿命可提高19％-30％。该闸片还可以避免出现金属镶嵌、转移、材料分离的现象。
4.本发明提供的粉末冶金闸片的制备方法，通过对第一粉末冶金摩擦材料和第二粉末冶金摩擦材料分别预压制得到第一摩擦体和第二摩擦体，然后将第一摩擦体嵌入第二摩擦体中主压成型、加压烧结，组装，得到闸片。采用预压制成型、主压成型和加压烧结三个工序相互配合的制备工艺，可以提高粉末冶金闸片的剪切强度。
5.本发明提供的粉末冶金闸片的制备方法，进一步地，通过控制主压成型的压力和时间，可以使第一粉末冶金摩擦材料和第二粉末冶金摩擦材料具有相同的压制效果；同时控制加压烧结过程中的压力，使两种粉末冶金摩擦材料在烧结后收缩的比例相同，具有较好的尺寸匹配性；通过控制两种粉末冶金摩擦材料中组分的配比和加压烧结过程，提高粉末冶金摩擦材料的强度，避免出现材料分离的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为复合摩擦体的俯视图；
图2为图1中复合摩擦体的侧视图；
图3为粉末冶金闸片的结构示意图；
附图标记如下：
1-复合摩擦体；1-1-第一摩擦体；2-2-第二摩擦体；2-闸片衬底。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种粉末冶金闸片及其制备方法，如图1、2和3所示，该粉末冶金闸片包括第一摩擦体1-1和第二摩擦体1-2，第二摩擦体1-2具有适用于第一摩擦体1-1嵌入其中的凹槽，在使用时，第一摩擦体1-1嵌入所述第二摩擦体的1-2凹槽中，形成复合摩擦体1，复合摩擦体1排列并设置于所述闸片衬底2上；
其中，第一摩擦体的材料为第一粉末冶金摩擦材料；第一粉末摩擦材料由质量比为65:6:10:0.5:3:3的铜、铬铁合金、石墨、碳化硅、镍和钨铜合金组成；
第二摩擦体的材料为第二粉末冶金摩擦材料，第二粉末冶金摩擦材料由质量比为55:15:8:10:3:5的铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼和铜纤维组成；
上述粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)预压制成型：将第一粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第一摩擦体；将第二粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第二摩擦体；
两种材料预压制的压力均为3.5MPa，时间是10s；
(2)主压成型：将第一摩擦体嵌入第二摩擦体中主压成型，得到复合摩擦体；其中，主压的压力为8.5MPa，时间是30s；
(3)加压烧结：将复合摩擦体排列安装于闸片衬底上，在5.0MPa，890℃下烧结2.5h，得到粉末冶金闸片。
实施例2
本实施例提供了一种粉末冶金闸片及其制备方法，该粉末冶金闸片包括第一摩擦体和第二摩擦体，第二摩擦体具有适用于第一摩擦体嵌入其中的凹槽，在使用时，第一摩擦体嵌入所述第二摩擦体的凹槽中，形成复合摩擦体，复合摩擦体排列并设置于所述闸片衬底上；
其中，第一摩擦体的材料为第一粉末冶金摩擦材料；第一粉末冶金摩擦材料由质量比为75:3:5:1:1的铜、铬铁合金、石墨、镍和钨铜合金组成；
第二摩擦体的材料为第二粉末冶金摩擦材料；第二粉末冶金摩擦材料由质量比为45:20:10:25:5:0.5:10的铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼、二氧化硅和铜纤维组成。
上述粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)预压制成型：将第一粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第一摩擦体；将第二粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第二摩擦体；
两种材料的预压制的压力均为5.0MPa，时间是15s；
主压成型：将第一摩擦体嵌入第二摩擦体中主压成型，得到复合摩擦体；主压的压力为10MPa，时间是30s；
加压烧结：复合摩擦体在6.0MPa，930℃下，烧结3h后排列安装于闸片衬底上，得到所述粉末冶金闸片。
实施例3
本实施例提供了一种粉末冶金闸片及其制备方法，该粉末冶金闸片包括第一摩擦体和第二摩擦体，第二摩擦体具有适用于第一摩擦体嵌入其中的凹槽，在使用时，第一摩擦体嵌入所述第二摩擦体的凹槽中，形成复合摩擦体，复合摩擦体排列并设置于所述闸片衬底上；
其中，第一摩擦体的材料为第一粉末冶金摩擦材料；第一粉末冶金摩擦材料由质量比为70:5:8:0.1:2:2的铜、铬铁合金、石墨、碳化硅、镍和钨铜合金组成；
第二摩擦体的材料为第二粉末冶金摩擦材料；第二粉末冶金摩擦材料由质量比为50:18:9:15:4:0.1:8的铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼、二氧化硅和铜纤维组成。
上述粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)预压制成型：将第一粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第一摩擦体；将第二粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第二摩擦体；
两种材料的预压制的压力均为2.5MPa，时间是10s；
主压成型：将第一摩擦体嵌入第二摩擦体中主压成型，得到粉末冶金摩擦体；主压的压力8MPa，时间30s；
加压烧结：将复合摩擦体排列安装于闸片衬底上，在5.0MPa，970℃下烧结时间2.5h后得到粉末冶金闸片。
实施例4
本实施例提供了一种粉末冶金闸片及其制备方法，该粉末冶金闸片包括第一摩擦体和第二摩擦体，第二摩擦体具有适用于第一摩擦体嵌入其中的凹槽，在使用时，第一摩擦体嵌入所述第二摩擦体的凹槽中，形成复合摩擦体，复合摩擦体排列并设置于所述闸片衬底上；
其中，第一摩擦体的材料为第一粉末冶金摩擦材料；第一粉末冶金摩擦材料由质量比为68:4:6:0.4:1:3的铜、铬铁合金、石墨、碳化硅、镍和钨铜合金组成；
第二摩擦体的材料为第二粉末冶金摩擦材料；第二粉末冶金摩擦材料由质量比为52:17:10:10:5:0.1:9的铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼、二氧化硅和铜纤维组成；
上述粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)预压制成型：将第一粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第一摩擦体；将第二粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第二摩擦体；
两种材料的预压制的压力均为2.0MPa，时间是10s；
(2)主压成型：将第一摩擦体嵌入第二摩擦体中主压成型，得到复合摩擦体；主压的压力为7.0MPa，时间是25s；
(3)加压烧结：复合摩擦体在4.5MPa，1000℃下，烧结时间2.5h后排列安装于闸片衬底上，得到粉末冶金闸片。
实施例5
本实施例提供了一种粉末冶金闸片及其制备方法，该粉末冶金闸片包括第一摩擦体和第二摩擦体，第二摩擦体具有适用于第一摩擦体嵌入其中的凹槽，在使用时，第一摩擦体嵌入所述第二摩擦体的凹槽中，形成复合摩擦体，复合摩擦体排列并设置于闸片衬底上；
其中，第一摩擦体的材料为第一粉末冶金摩擦材料；第一粉末冶金摩擦材料由质量比为73:4.5:7:0.3:2.5:2.5的铜、铬铁合金、石墨、碳化硅、镍和钨铜合金组成；
第二摩擦体的材料为第二粉末冶金摩擦材料；第二粉末冶金摩擦材料由质量比为47:19:8.5:23:4.5:0.3:7的铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼、二氧化硅和铜纤维组成；
上述粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)预压制成型：将第一粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第一摩擦体；将第二粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第二摩擦体；
两种材料的预压制的压力均为3.0MPa，时间是13s；
(2)主压成型：将第一摩擦体嵌入第二摩擦体中主压成型，得到复合摩擦体；主压的压力9.0MPa，时间27s；
(3)加压烧结：复合摩擦体在5.5MPa，1050℃下，烧结时间2.7h后排列安装于闸片衬底上，得到粉末冶金闸片。
对比例1
本对比例提供了一种粉末冶金摩擦材料闸片及其制备方法，该粉末冶金摩擦材料闸片由质量比为51:16:9:11:5:0.5:5的铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼、二氧化硅和铜纤维组成。
上述闸片的制备方法，包括如下步骤：
上述材料在8.0MPa下，压制30s后得到坯体，排列并设置于所述闸片衬底上，然后将衬底在5.0MPa，970℃下，烧结2.5h后得到闸片。
对比例2
本对比例提供了一种粉末冶金摩擦材料闸片及其制备方法，该粉末冶金摩擦材料闸片由质量比为55:15:8:10:3:5的铜、铁、铬铁合金、石墨、二硫化钼、二氧化硅和铜纤维组成。
上述闸片的制备方法，包括如下步骤：
上述材料在3.5MPa下进行预压制，压制时间为10s，然后再在8.5MPa下，压制30s后得到坯体，排列并设置于所述闸片衬底上，然后将衬底在5.0MPa，890℃下，烧结2.5h后得到闸片。
试验例
对实施例1-5和对比例1-2得到的闸片进行性能测试，其中，
制动周期内的摩擦系数测试方法和大压力下摩擦系数的测试方法参照《TJCL-307-2014动车组闸片暂行技术条件》中C.4《300-350km/h及350km/h以上动车组燕尾通用型和非燕尾型粉末冶金闸片1:1制动动力试验程序》，测试结果见表1；
其中，平均摩擦系数定义：瞬时摩擦系数在制动距离上积分的平均值，符号为μm，即：
s2是制动距离，表示从制动时最大速度到0时行走距离；
μa是瞬时摩擦系数，表示任意给定制动瞬间切向力与闸片总压力之比；
平均摩擦系数波动值计算方法为：
μmin是制动试验中得到的最小的平均摩擦系数；
μmax是制动试验中得到的最大的平均摩擦系数；
相应测试结果如下表1所示。
表1实施例1-5和对比例1-2的闸片的性能测试结果
从上述测试结果中，可知，本发明制备得到的闸片的平均摩擦系数波动值较小，实施例1与对比例2相比，说明采用两种粉末冶金摩擦材料相互配合，有助于稳定闸片的平均摩擦系数。在大压力测试条件下，闸片的平均摩擦系数的波动值均不超过20％；本发明制备得到的闸片在350km/h、31.5kN制动时的温度不超过600℃。
本发明制备得到的闸片的剪切强度在14MPa以上，与对比例相比，明显得到了提升。减重降低的百分数为寿命提高的百分数，与对比例1相比，本发明制备得到的闸片的减重效果较好，寿命可提高19％-30％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种粉末冶金摩擦材料，其特征在于，包括，
第一粉末冶金摩擦材料，所述第一粉末冶金摩擦材料包括铜，铬铁合金，石墨，碳化硅，镍，钨铜合金，所述第一粉末冶金摩擦材料中铜，铬铁合金，石墨，碳化硅，镍，钨铜合金的质量比为(65-75)：(3-6)：(5-10)：(0-0.5)：(1-3)：(1-3)；
第二粉末冶金摩擦材料，所述第二粉末冶金摩擦材料包括铜，铁，铬铁合金，石墨，二硫化钼，二氧化硅，铜纤维，所述第二粉末冶金摩擦材料中铜，铁，铬铁合金，石墨，二硫化钼，二氧化硅，铜纤维的质量比为(45-55)：(15-20)：(8-10)：(10-25)：(3-5)：(0-0.5)：(5-10)。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述第一粉末冶金摩擦材料中金属与非金属的质量比为(15:1)-(17:1)；
所述第二粉末冶金摩擦材料中金属与非金属的质量比为(3:1)-(6.5:1)。
3.一种粉末冶金闸片，其特征在于，包括权利要求1或2所述的粉末冶金摩擦材料。
4.根据权利要求3所述的粉末冶金闸片，其特征在于，包括第一摩擦体和第二摩擦体，所述第二摩擦体具有适于所述第一摩擦体嵌入其中的凹槽，在使用时，所述第一摩擦体嵌入所述第二摩擦体的凹槽中，形成复合摩擦体。
5.根据权利要求4所述的粉末冶金闸片，其特征在于，所述第一摩擦体的材料为所述第一粉末冶金摩擦材料；
所述第二摩擦体的材料为第二粉末冶金摩擦材料。
6.根据权利要求4或5所述的粉末冶金闸片，其特征在于，还包括，闸片衬底，所述复合摩擦体排列并设置于所述闸片衬底上。
7.一种权利要求5或6所述的粉末冶金闸片的制备方法，其特征在于，包括，
预压制成型：将所述第一粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第一摩擦体；
将所述的第二粉末冶金摩擦材料预压成型，得到第二摩擦体；
主压成型：将所述第一摩擦体嵌入第二摩擦体中主压成型，得到复合摩擦体；
加压烧结：将所述复合摩擦体排列安装于闸片衬底上加压烧结，或
将所述复合摩擦体加压烧结后排列安装于闸片衬底上，制得所述粉末冶金闸片。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述预压制步骤中，所述第一粉末冶金摩擦材料预压成型的压力为2-5MPa，预压制时间为10-15s；
所述第二粉末冶金摩擦材料预压成型的压力为2-5MPa，预压制时间为10-15s。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述主压成型的压力为7-10MPa，主压时间为25-30s。
10.根据权利要求7-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述加压烧结的压力为4-6MPa，温度为890-1100℃，时间为2.5-3.0h。
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