CN110184495B - 一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料及其制备方法，包括以下质量份的各组分：铜粉45～65份，铁粉10～25份，铬合金粉3～8份，钼合金粉2～5份，镍粉0.5～3份，锡粉0～3份，碳化钛1～2份，莫来石1.5～3份，氧化铬2～5份，石墨9～17份、二硫化钼1～4份。对铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉和锡粉进行高速预混料，从而得到预合金粉；向预合金粉中加入其余组分和粘结剂进行混料；将混合料冷压成型，并进行脱胶处理，然后进行无压烧结处理即可。本发明不仅降低了现有压力烧结的生产成本及对设备和工装要求，而且提高了生产效率和稳定了摩擦材料的摩擦性能。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金摩擦材料技术领域，尤其涉及一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
背景技术
2004年开始，原铁道部先后引进了CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型高速动车组，开始了我国高速动车组的国产化之路。高速动车组主要是指运行速度200km/h以上的动车组列车，列车制动时将动能转化为热能，闸片表面温度超过500℃，表面闪点温度可达800℃。除承受较高的温度以外，还要承受巨大的侧向剪切力和制动压力。合成材料由于其材料熔点和力学性能低，难以承受高速动车组列车制动时的巨大冲击，而铜基粉末冶金材料具备优良的导热性能、高的熔点和热容量以及适当的摩擦系数，因此铜基粉末冶金材料成为了高速动车组列车制动闸片的首选。高速动车组引进之初，由于国内轨道列车制动闸片基本为合成材料，因此高速动车组粉末冶金摩擦材料需全部进口。
在目前公布的专利中，几乎全部的粉末冶金摩擦材料均需要进行压力烧结，烧结压力介于0.5MPa～5.0MPa之间，这种烧结工艺对生产设备和工装的要求较高，存在烧结压力分布不均，需对粉末冶金摩擦材料进行后期整形处理，生产效率低、生产成本高和性能不稳定等缺点。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料及其制备方法，不仅降低了现有压力烧结的生产成本及对设备和工装要求，而且提高了生产效率和稳定了摩擦材料的摩擦性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料，包括以下质量份的各组分：
铜粉45～65份，铁粉10～25份，铬合金粉3～8份，钼合金粉2～5份，镍粉0.5～3份，锡粉1～3份，碳化钛1～2份，莫来石1.5～3份，氧化铬2～5份，石墨9～17份、二硫化钼1～4份。
优选地，所述的铜粉为电解铜粉，呈枝晶状，粒度0～75μm。
优选地，所述的铁粉为碳还原铁粉和氢还原铁粉，呈海绵状，粒度分别为0～150μm和300～800μm，重量比为3～5:1。
优选地，所述的石墨由鳞片石墨和颗粒石墨组成，并且鳞片石墨和颗粒石墨重量比为1～2:1。
一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤A、按照上述的各组分配比，将铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉和锡粉加入到高速混料机内进行高速预混料，从而得到预合金粉；
步骤B、按照上述的各组分配比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再进行混料，从而得到混合料；
步骤C、将所述的混合料冷压成型，并在保护气氛内进行脱胶处理，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛中进行无压烧结处理，从而制得高速动车组用粉末冶金摩擦材料。
优选地，在步骤A中，所述高速混料机的转速为300～500r/min，高速预混料时间10～15min。
优选地，在步骤B中，所述粘结剂为总质量0.5～1wt％的石蜡粉，混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h。
优选地，在步骤C中，所述脱胶处理的脱胶温度为300～400℃，脱胶时间为1～3h，保护气氛为氮气与氢气的混合气体。
优选地，在步骤C中，所述无压烧结处理的烧结温度为890～1030℃，保温时间为1～2.5h，所述还原性气氛为氨分解气体、氢气与氮气的混合气体。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的高速动车组用粉末冶金摩擦材料先对特定比例的铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉和锡粉进行高速预混料，然后与特定比例的碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼进行混料，从而可有效避免不同比重金属粉末在混料过程中的偏聚现象，有利于烧结过程中金属合金组元的充分扩散，更容易在较低温度下进行冶金结合；此外，本发明对脱胶处理后的压坯进行无压烧结处理，从而可以降低生产成本，提高生产效率，保证粉末冶金摩擦材料的物理力学性能及摩擦磨耗性能的稳定性，延长闸片的使用寿命。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的高速动车组用粉末冶金摩擦材料及其制备方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料，可以包括以下质量份的各组分：铜粉45～65份，铁粉10～25份，铬合金粉3～8份，钼合金粉2～5份，镍粉0.5～3份，锡粉1～3份，碳化钛1～2份，莫来石1.5～3份，氧化铬2～5份，石墨9～17份、二硫化钼1～4份。
具体地，该高速动车组用粉末冶金摩擦材料可以包括以下实施方案：
(1)所述的铜粉可以为电解铜粉，呈枝晶状，粒度为0～75μm。
(2)所述的铁粉可以为碳还原铁粉和氢还原铁粉，呈海绵状，粒度分别为0～150μm和300～800μm，重量比为3～5:1。
(3)所述的铬合金粉为高碳铬铁粉，粒度为0～75μm，由50～70wt％的铬、≤10wt％的碳和余量的铁组成。
(4)所述的钼合金粉为钼铁粉，粒度为0～45μm，由60～70wt％的钼和余量的铁组成。
(5)所述的莫来石为烧结莫来石，粒度为20～150μm，氧化铝含量为55～65wt％。
(6)所述的石墨由鳞片石墨和颗粒石墨组成，并且鳞片石墨和颗粒石墨重量比为1～2:1。
进一步地，该高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法，可以包括以下步骤：
步骤A、按照铜粉:铁粉:铬合金粉:钼合金粉:镍粉:锡粉＝45～65:10～25:3～8:2～5:0.5～3:1～3的质量份之比，将铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉和锡粉加入到高速混料机内进行高速预混料，高速混料机的转速为300～500r/min，高速预混料时间10～15min，从而得到预合金粉。
步骤B、按照碳化钛:莫来石:氧化铬:石墨:二硫化钼＝1～2:1.5～3:2～5:9～17:1～4的质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂(所述粘结剂为石蜡粉，其用量为全部组分总质量的0.5～1％，用于防止非金属粉末偏聚)，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h，从而得到混合料。
步骤C、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为200～500MPa，保压时间为10～60s，并在保护气氛(所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体)内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为300～400℃，脱胶时间为1～3h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氨分解气体、氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为890～1030℃，保温时间为1～2.5h，从而制得粉末冶金摩擦材料。
综上可见，本发明实施例不仅降低了现有压力烧结的生产成本及对设备和工装要求，而且提高了生产效率和稳定了摩擦材料的摩擦性能。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明中提供的高速动车组用粉末冶金摩擦材料及其制备方法进行详细描述。
实施例1
一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料，由以下质量份的各组分制成：铜粉50份，铁粉20份，铬合金粉5份，钼合金粉2份，镍粉1份，锡粉2.5份，碳化钛1份，莫来石1.5份，氧化铬3份，石墨12份、二硫化钼2份。
具体地，该高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
步骤a1、按照铜粉:铁粉:铬合金粉:钼合金粉:镍粉:锡粉＝50:20:5:2:1:2.5的质量份之比，将铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉和锡粉加入到高速混料机内进行高速预混料，高速混料机的转速为500r/min，高速预混料时间10min，从而得到预合金粉。
步骤a2、按照碳化钛:莫来石:氧化铬:石墨:二硫化钼＝1:1:3:12:2的质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为60r/min，混料时间为6h，从而得到混合料。
步骤a3、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为280MPa，保压时间为10s，并在保护气氛(所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体)内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为400℃，脱胶时间为1h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为930℃，保温时间为2h，从而制得高速动车组用粉末冶金摩擦材料。
进一步地，对本发明实施例1的高速动车组用粉末冶金摩擦材料进行摩擦性能的检测试验，试验工况为：车轮直径为920mm，铸钢制动盘直径为640mm，摩擦半径247mm，单个制动盘载荷为5.7t，制动压力为16kN×2，制动的初速度分别为200km/h和250km/h。初速度200km/h停车制动平均摩擦系数为0.349，闸片平均磨耗量为0.08cm3/MJ；初速度250km/h停车制动平均摩擦系数为0.339，闸片平均磨耗量为0.05cm3/MJ。
实施例2
一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料，由以下质量份的各组分制成：铜粉60份，铁粉10份，铬合金粉3份，钼合金粉4份，镍粉1.5份，锡粉1份，碳化钛1.5份，莫来石2份，氧化铬2份，石墨14份、二硫化钼1份。
具体地，该高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
步骤b1、按照铜粉:铁粉:铬合金粉:钼合金粉:镍粉:锡粉＝60:10:3:4:1.5:1的质量份之比，将铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉和锡粉加入到高速混料机内进行高速预混料，高速混料机的转速为400r/min，高速预混料时间13min，从而得到预合金粉。
步骤b2、按照碳化钛:莫来石:氧化铬:石墨:二硫化钼＝1.5:2:2:14:1的质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为60r/min，混料时间为10h，从而得到混合料。
步骤b3、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为320MPa，保压时间为30s，并在保护气氛(所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体)内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为400℃，脱胶时间为2h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为980℃，保温时间为2.5h，从而制得粉末冶金摩擦材料。
进一步地，对本发明实施例2的高速动车组用粉末冶金摩擦材料进行摩擦性能的检测试验，试验工况为：车轮直径为920mm，铸钢制动盘直径为640mm，摩擦半径247mm，单个制动盘载荷为5.7t，制动压力为16kN×2，制动的初速度分别为200km/h和250km/h。初速度200km/h停车制动平均摩擦系数为0.361，闸片平均磨耗量为0.07cm3/MJ；初速度250km/h停车制动平均摩擦系数为0.354，闸片平均磨耗量为0.05cm3/MJ。
实施例3
一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料，由以下质量份的各组分制成：铜粉48份，铁粉14份，铬合金粉5份，钼合金粉5份，镍粉0.5份，锡粉1.5份，碳化钛1.5份，莫来石3份，氧化铬2份，石墨17份、二硫化钼2.5份。
具体地，该高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
步骤c1、按照上述质量份之比，将铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉、锡粉加入到高速混料机内进行高速预混料，高速混料机的转速为300r/min，高速预混料时间15min，从而得到预合金粉。
步骤c2、按照上述质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为30r/min，混料时间为12h，从而得到混合料。
步骤c3、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为500MPa，保压时间为15s，并在保护气氛(所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体)内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为300℃，脱胶时间为3h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为1030℃，保温时间为2h，从而制得粉末冶金摩擦材料。
进一步地，对本发明实施例3的高速动车组用粉末冶金摩擦材料进行摩擦性能的检测试验，试验工况为：车轮直径为920mm，铸钢制动盘直径为640mm，摩擦半径247mm，单个制动盘载荷为5.7t，制动压力为16kN×2，制动的初速度分别为200km/h和250km/h。初速度200km/h停车制动平均摩擦系数为0.371，闸片平均磨耗量为0.08cm3/MJ；初速度250km/h停车制动平均摩擦系数为0.352，闸片平均磨耗量为0.04cm3/MJ。
实施例4
一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料，由以下质量份的各组分制成：铜粉45份，铁粉21份，铬合金粉8份，钼合金粉4.5份，镍粉1份，锡粉2份，碳化钛1份，莫来石2.5份，氧化铬2份，石墨9份、二硫化钼4份。
具体地，该高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
步骤d1、按照上述质量份之比，将铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉和锡粉加入到高速混料机内进行高速预混料，高速混料机的转速为350r/min，高速预混料时间15min，从而得到预合金粉。
步骤d2、按照上述质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为30/min，混料时间为12h，从而得到混合料。
步骤d3、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为200MPa，保压时间为15s，并在保护气氛(所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体)内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为350℃，脱胶时间为3h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为890℃，保温时间为2.5h，从而制得粉末冶金摩擦材料。
进一步地，对本发明实施例4的高速动车组用粉末冶金摩擦材料进行摩擦性能的检测试验，试验工况为：车轮直径为920mm，铸钢制动盘直径为640mm，摩擦半径247mm，单个制动盘载荷为5.7t，制动压力为16kN×2，制动的初速度分别为200km/h和250km/h。初速度200km/h停车制动平均摩擦系数为0.389，闸片平均磨耗量为0.09cm3/MJ；初速度250km/h停车制动平均摩擦系数为0.374，闸片平均磨耗量为0.06cm3/MJ。
综上可见，本发明实施例不仅降低了现有压力烧结的生产成本及对设备和工装要求，而且提高了生产效率和稳定了摩擦材料的摩擦性能。
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披露的技术范围内，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该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料，用于无压烧结处理，所述无压烧结处理的烧结温度为890～1030℃，保温时间为1～2.5h，其特征在于，包括以下质量份的各组分：
铜粉45～65份，铁粉10～25份，铬合金粉3～8份，钼合金粉2～5份，镍粉0.5～3份，锡粉1～3份，碳化钛1～2份，莫来石1.5～3份，氧化铬2～5份，石墨9～17份、二硫化钼1～4份；
其中，所述的铬合金粉为高碳铬铁粉，粒度为0～75μm，由50～70wt％的铬、≤10wt％的碳和余量的铁组成；所述的钼合金粉为钼铁粉，粒度为0～45μm，由60～70wt％的钼和余量的铁组成。
2.根据权利要求1所述的高速动车组用粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述的铜粉为电解铜粉，呈枝晶状，粒度0～75μm。
3.根据权利要求1所述的高速动车组用粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述的铁粉为碳还原铁粉和氢还原铁粉，呈海绵状，粒度分别为0～150μm和300～800μm，重量比为3～5:1。
4.根据权利要求1所述的高速动车组用粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述的石墨由鳞片石墨和颗粒石墨组成，并且鳞片石墨和颗粒石墨重量比为1～2:1。
5.根据权利要求1所述的高速动车组用粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述的莫来石为烧结莫来石，粒度为20～150μm，氧化铝含量为55～65wt％。
6.一种高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、按照权利要求1中所述的各组分配比，将铜粉、铁粉、铬合金粉、钼合金粉、镍粉和锡粉加入到高速混料机内进行高速预混料，从而得到预合金粉；
步骤B、按照权利要求1中所述的各组分配比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再进行混料，从而得到混合料；
步骤C、将所述的混合料冷压成型，并在保护气氛内进行脱胶处理，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛中进行无压烧结处理，从而制得高速动车组用粉末冶金摩擦材料。
7.根据权利要求6所述的高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，在步骤A中，所述高速混料机的转速为300～500r/min，高速预混料时间10～15min。
8.根据权利要求6或7所述的高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，在步骤B中，所述粘结剂为总质量0.5～1wt％的石蜡粉，混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h。
9.根据权利要求6或7所述的高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，在步骤C中，所述脱胶处理的脱胶温度为300～400℃，脱胶时间为1～3h，保护气氛为氮气与氢气的混合气体。
10.根据权利要求6或7所述的高速动车组用粉末冶金摩擦材料的制备方法，其特征在于，在步骤C中，所述无压烧结处理的烧结温度为890～1030℃，保温时间为1～2.5h，所述还原性气氛为氨分解气体、氢气与氮气的混合气体。
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