CN111875923A - 一种不产生金属镶嵌物且修形效果良好的动车组研磨子 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不产生金属镶嵌物且修形效果良好的动车组研磨子，该种动车组研磨子包括如下重量百分含量的组分：改性酚醛树脂10‑30％、还原铁粉30‑40％、铜纤维10‑20％、钢纤维3‑8％、钾长石3‑8％、石墨4‑9％、冰晶石3‑8％、氧化铝2‑4％、沉淀硫酸钡1‑3％、氮化硼2‑5％，且所述动车组研磨子不包括海泡石。本发明还提供了所述动车组研磨子的制备方法及其在铁路运输中的用途。

Description

一种不产生金属镶嵌物且修形效果良好的动车组研磨子
技术领域
本发明涉及交通运输领域，具体涉及一种不产生金属镶嵌物且修形效果良好的动车组研磨子。
背景技术
动车踏面清扫器起着清扫车轮、增加轮轨粘着系数以保证高速列车制动安全的作用，踏面清扫器直接作用于车轮上的部件即被称作研磨子。研磨子通常采用高金属含量的复合材料制成，通过低速间歇或者连续低压力接触车轮从而起到清扫和增粘作用。
然而，现场所使用的动车组研磨子仍有诸多问题，其中之一就是在使用过程中容易出现金属镶嵌现象。金属镶嵌现象产生的机理世界范围内尚无统一定论，认可比较多的理论是研磨子工作时在车轮踏面进行清扫，在同车轮相互滑动的过程中，对偶件间的‘粘着点’和‘齿合面’会因滑动被剪断而产生阻力即摩擦力。由于研磨子材质中硬质点的成分较多，导致对车轮表层材料的剪断力大，被剪断的极小的金属粒子多。若研磨子中润滑成分少，这些金属粒子易于积聚成金属粉，在压力作用下容易吸附在硬度较低的研磨子表面，造成金属之间的对磨。当摩擦面更新较慢时，金属粉在研磨子表面逐渐堆积形成金属块，即成为金属镶嵌物。严重的金属镶嵌物会造成车轮异常磨耗，甚至划伤车轮，影响行车安全。
在研磨子多年的运用过程中发现的另一问题是，其对车轮多边形的修形效果不佳。
在现有技术中，专利申请CN201110235984.8中公开了一种用于动车踏面清扫器研磨子，该种动车组研磨子由复合材料制成，该复合材料的组分包括改性酚醛树脂、还原铁粉、铜纤维、钢纤维、海泡石、钾长石、石墨、冰晶石和氧化铝。然而，依据该专利申请制备的动车组研磨子在现场使用中还存在以下问题：
(1)清扫车轮踏面产生的金属粒子容易附着在研磨子表面，且摩擦界面更新较慢，附着的金属粒子容易在研磨子表面堆积、长大，出现金属镶嵌现象；
(2)由于石棉会对环境造成污染，如今国际国内技术条件已明确规定各种产品中都不得含有石棉。海泡石为多孔材料，常与石棉共生，配方中有海泡石会导致产品不可避免带入石棉，不符合当今环保要求；
(3)现有研磨子配方中的海泡石容易吸潮，不仅在压制过程中水分受热挥发使半成品内部出现气泡，导致热处理后形成产品内部裂纹，而且还会使研磨子在摩擦过程中形成水膜，从而加重金属粒子附着，导致金属镶嵌现象。
(4)研磨子的修形效果不能满足使用要求。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明通过改进配方来调节动车组研磨子的力学性能和摩擦性能，以期解决其在使用过程中产生金属镶嵌和修形效果不佳的问题。本申请的发明人经过大量实验，提供了一种由复合材料制成的动车组研磨子，该种研磨子具有改进的配方，其在使用过程中的磨耗量提高，从而增加了摩擦面更新速度，从而达到避免金属镶嵌现象的目的。另外，本发明通过对研磨子的配方进行改进并由此提供的动车组研磨子还实现了良好的对车轮多边形的修形效果。
因此，本发明的目的是提供一种动车组研磨子，所述动车组研磨子不产生金属镶嵌物且修形效果良好。
本发明的另一目的是提供上述动车组研磨子的制备方法。
本发明的再一目的是提供上述动车组研磨子在铁路运输中的用途。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。
一方面，本发明提供一种动车组研磨子，其中，所述动车组研磨子包括如下重量百分含量的组分：改性酚醛树脂10-30％、还原铁粉30-40％、铜纤维10-20％、钢纤维3-8％、钾长石3-8％、石墨4-9％、冰晶石3-8％、氧化铝2-4％、沉淀硫酸钡1-3％、氮化硼2-5％，且所述动车组研磨子不包括海泡石。
优选地，所述改性酚醛树脂为17-23％，更优选地为20.00％；
优选地，所述还原铁粉为33-35％，更优选地为34.29％；
优选地，所述铜纤维为14-17％，更优选地为15.71％；
优选地，所述钢纤维为4-6％，更优选地为5.71％；
优选地，所述钾长石为3.5-4.5％，更优选地为4.29％；
优选地，所述石墨为5-7％，更优选地为6.43％；
优选地，所述冰晶石为4-8％，更优选地为5.71％；
优选地，所述氧化铝为3-3.6％，更优选地为3.57％；
优选地，所述沉淀硫酸钡为1-2％，更优选地为1.43％；
优选地，所述氮化硼为2-3％，更优选地为2.86％。
优选地，所述改性酚醛树脂的固化速度为60～90秒/160℃，进一步优选地，所述改性酚醛树脂中丁腈橡胶的含量大于15％；
本发明的动车组研磨子中的改性酚醛树脂在体系中起到韧性热固性粘合剂的作用，粘结各种填料，在踏面清扫时使不同组分发挥各自作用。
优选地，所述还原铁粉为含铁量98％以上铁粉，进一步优选地，所述还原铁粉的细度≥80目。
本发明的动车组研磨子中的还原铁粉有益于调整踏面清扫时研磨子同车轮的摩擦系数大小、清扫效果的高低，从而实现低速时摩擦系数高、高速时摩擦系数低的作用。
优选地，所述铜纤维的长度为8～10mm，直径为直径0.1～0.15mm，进一步优选地，所述铜纤维中Cu>55％，Zn>35％，Fe<10％；
本发明的动车组研磨子中的铜纤维有益于增加研磨子的冲击强度、提高研磨子的导热性、改善研磨子同车轮的接触状态。
优选地，所述钢纤维的DF为1～5.5。
本发明的动车组研磨子中的钢纤维有益于增加研磨子的冲击强度、提高研磨子的导热性。
优选地，所述钾长石的细度大于200目，进一步优选地，所述钾长石中氧化钾的含量大于7％。
本发明的动车组研磨子中的钾长石有益于提高研磨子同车轮的摩擦系数，增加清扫效果。
优选地，所述石墨的含碳量≥85％，进一步优选地，所述石墨为细度为100目的鳞片状石墨；
本发明的动车组研磨子中的石墨有益于润滑研磨子同车轮的界面，防止出现有害车轮的金属镶嵌和对车轮的异常磨耗。
优选地，所述冰晶石为细度大于200目的粉状冰晶石，进一步优选地，所述冰晶石的分子比为1.9～2.0；
本发明的动车组研磨子中的冰晶石在高温状态时能起到高温粘结剂作用。
优选地，所述氧化铝的纯度大于99％，进一步优选地，所述氧化铝的细度≥300目；
本发明的动车组研磨子中的氧化铝有益于清扫研磨子的表面碳化层，利于研磨子表面的更新。
优选地，所述沉淀硫酸钡的细度≥325目；
本发明的动车组研磨子中的沉淀硫酸钡有益于增大研磨子的摩擦系数，控制摩擦因数随温度的波动，且能够提高其冲击强度。
优选地，所述氮化硼纯度≥99％，B2O3含量≤0.5％，细度≥100目；
本发明的动车组研磨子中氮化硼的加入意外地改善了研磨子的修形性能。在对其筛选过程中，发明人发现具有相同作用的还有刚玉、氧化锆等，但是氮化硼的在改善研磨子修形性能方面的作用优于刚玉和氧化锆。此外，由于氮化硼的加入，使得研磨子界面更新加快，磨耗量略微升高，进一步降低了产生金属镶嵌现象的可能性。
另一方面，本发明提供一种所述动车组研磨子的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)将预先称量的各组分，混合均匀，得到预混物；
2)将步骤1)得到的预混物放入烘箱中，于80℃下烘干5min，得烘干的半成品；
3)将步骤2)制备的烘干的半成品放入预热为160～165℃的模压设备中，加入研磨子钢背，加压，保压40min，压制得半成品研磨子；
4)将步骤3)得到的半成品研磨子放入烘箱中，程序升温进行热处理，自然冷却，即得。
优选地，在步骤3)中，所述加压为加压40吨；
优选地，在步骤4)中，所述程序升温按照如下进行：120℃，保温1小时→130℃，保温1小时→150℃，保温2小时→160℃，保温3小时→170℃，保温2小时→180℃，保温4小时；其中所述程序升温按1℃/分钟的升温速度进行；
优选地，在步骤4)中，所述自然冷却为自然冷却至80℃以下。
再一方面，本发明还提供一种所述动车组研磨子在铁路运输中的用途，优选地在动车踏面清扫器中的用途。
将本发明的技术方案与现有技术相比，其优势至少包括以下方面：
(1)提高了配方中石墨的含量，经试验证明，这有利于减少对偶件摩擦产生的金属粒子在研磨子表面附着；
(2)由于海泡石极易吸水，省略配方中的海泡石可显著减轻原材料吸潮现象，不仅可以防止研磨子在生产过程中水分蒸发形成气泡，进而出现内部裂纹，而且可以防止其在使用过程中表面吸水形成水膜而导致的金属镶嵌。为保证去掉海泡石后的材料强度不变，在配方中调整了其他组分的含量，如增加冰晶石、铜纤维含量，还通过加入沉淀硫酸钡以提高摩擦性能和冲击强度；
(3)配方中增加了沉淀硫酸钡、氮化硼，提高研磨子的摩擦系数，显著改善研磨子对车轮多边形的修形效果，经现场装车试验验证有效。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的设备、原料、试剂等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
实施例1
(1)分别称量改性酚醛树脂28公斤；还原铁粉48公斤；铜纤维22公斤；钢纤维8公斤；钾长石6公斤；石墨9公斤；冰晶石8公斤；氧化铝5公斤；沉淀硫酸钡2公斤；氮化硼4公斤；然后，将上述称量好的原材料放入高速混合机中，以50rpm的转速混合1分钟后，以500rpm的转速混合5分钟，得预混物。
(2)将预混物放入烘箱中，于80℃下烘干5min，得烘干的半成品；
(3)取1.56公斤上述烘干的半成品放入预热为160～165℃的模压设备中，加入研磨子钢背，在四柱液压机上加压40吨，保压压制40分钟、卸模、得半成品研磨子；
(4)然后，将得到的半成品研磨子放入烘箱中，按1℃/分钟的升温速度，采用如下程序处理半成品研磨子：120℃，保温1小时→130℃/1小时→150℃/2小时→160℃/3小时→170℃/2小时→180℃/4小时→自然冷却至80℃以下，即得。
依照上述方法所获得的研磨子具有如下物理机械性能：
密度，g/cm<sup>3</sup> 压缩强度，MPa 压缩模量，GPa 冲击强度，J/cm<sup>2</sup> 洛氏硬度，HRR
5.2 119 2.7 5.6 100
实施例2：
按照下表1所示制备研磨子样品A和样品B，其中样品C采用实施例1制备得到的研磨子。
表1：
Figure BDA0002597722540000061
Figure BDA0002597722540000071
按照实施例1所述的方法制备样品A和样品B。
按标准方法测试样品A、B和C的物理性能，在1:3比例缩小的制动动力试验台上测试研磨子的摩擦性能，样品A、B和C的实验室内性能测试结果与现场使用情况对比见下表2、表3。
表2：A、B、C三种研磨子样品的物理力学性能
Figure BDA0002597722540000072
表3：A、B、C三种研磨子样品的摩擦性能
Figure BDA0002597722540000073
Figure BDA0002597722540000081
由表2可知：样品A现场使用良好；与样品A相比，样品B的物理性能变化不大，仅冲击强度稍有下降，但对现场使用效果没有影响。相比而言，样品C的冲击强度有所提高，现场使用无掉渣掉块现象。
由表3可知：样品B的磨耗量显著升高，会导致现场使用过程中不耐磨，寿命达不到要求，但不易出现金属镶嵌物。样品C的磨耗量比样品B低，但高于样品A，这样既能保证使用寿命又不容易产生金属镶嵌。此外，样品C中加入了氮化硼磨料，其摩擦系数显著提高，对车轮的修形效果理想，符合使用要求。
实施例3：
采用实施例1的方法，按照下表4的配方制备研磨子，并将制备得到的研磨子的性能示于表5。
表4：
Figure BDA0002597722540000082
表5：样品D、E的物理性能
Figure BDA0002597722540000083
Figure BDA0002597722540000091
表6：样品D、E的摩擦性能
Figure BDA0002597722540000092
由表4～6可以看出，改变配方比例后，样品D、E的物理性能和摩擦性能均满足现场要求，且不产生金属镶嵌物。但是样品D的粘合剂含量比最优化比例的样品C低，其摩擦试验的磨耗量增大，使用寿命下降；样品E的粘合剂和冰晶石比例比C高，使得摩擦体内部粘合力增大，摩擦试验的磨耗量变小，寿命有所提高但使用时有噪声，且出现金属镶嵌的危险增大。
实施例4：
(1)分别称量改性酚醛树脂28公斤；还原铁粉48公斤；铜纤维22公斤；钢纤维8公斤；钾长石6公斤；石墨9公斤；冰晶石8公斤；氧化铝5公斤；沉淀硫酸钡2公斤；氮化硼4公斤；然后，将上述称量好的原材料放入高速混合机中，以50rpm的转速混合1分钟后，以500rpm的转速混合5分钟，得预混物。
(2)取1.56公斤上述预混物放入已经升温至160～165℃的模压设备中中，加入研磨子钢背，在四柱液压机上加压40吨，保压压制40分钟、卸模、得半成品研磨子；
(3)然后，将得到的半成品研磨子放入烘箱中，按1℃/分钟的升温速度，采用如下程序处理半成品研磨子：120℃，保温1小时→130℃，保温1小时→150℃，保温2小时→160℃，保温3小时→170℃，保温2小时→180℃，保温4小时→自然冷却至80℃以下，即得。
将实施例4制备得到的研磨子与实施例1制备的研磨子进行如下方面的性能比较
实施例1制备的研磨子 实施例4制备的研磨子
内部裂纹出现概率 0 31.3％
研磨子成品率 100％ 68.7％
从上表中可以看出，与不包含烘干步骤的方法相比，本发明的方法降低了压制过程中水分无法排出造成内部裂纹出现的可能性。经工厂生产实践证明，该制备方法可将研磨子成品率提高30％以上。

Claims (8)

1.一种动车组研磨子，其中，所述动车组研磨子包括如下重量百分含量的组分：改性酚醛树脂10-30％、还原铁粉30-40％、铜纤维10-20％、钢纤维3-8％、钾长石3-8％、石墨4-9％、冰晶石3-8％、氧化铝2-4％、沉淀硫酸钡1-3％、氮化硼2-5％，且所述动车组研磨子不包括海泡石。
2.根据权利要求1所述的动车组研磨子，其中，所述改性酚醛树脂为17-23％，优选地为20.00％；
优选地，所述还原铁粉为33-35％，更优选地为34.29％；
优选地，所述铜纤维为14-17％，更优选地为15.71％；
优选地，所述钢纤维为4-6％，更优选地为5.71％；
优选地，所述钾长石为3.5-4.5％，更优选地为4.29％；
优选地，所述石墨为5-7％，更优选地为6.43％；
优选地，所述冰晶石为4-8％，更优选地为5.71％；
优选地，所述氧化铝为3-3.6％，更优选地为3.57％；
优选地，所述沉淀硫酸钡为1-2％，更优选地为1.43％；
优选地，所述氮化硼为2-3％，更优选地为2.86％。
3.根据权利要求1或2所述的动车组研磨子，其中，所述沉淀硫酸钡的细度≥325目。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的动车组研磨子，其中所述氮化硼纯度≥99％，B2O3含量≤0.5％，细度≥100目。
5.一种权利要求1-4中任一项所述的动车组研磨子的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)将预先称量的各组分，混合均匀，得到预混物；
2)将步骤1)得到的预混物放入烘箱中，于80℃下烘干5min，得烘干的半成品；
3)将步骤2)制备的烘干的半成品放入预热为160～165℃的模压设备中，加入研磨子钢背，加压，保压40min，压制得半成品研磨子；
4)将步骤3)得到的半成品研磨子放入烘箱中，程序升温进行热处理，自然冷却，即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，在步骤3)中，所述加压为加压40吨。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其中，在步骤4)中，所述程序升温按照如下进行：120℃，保温1小时→130℃，保温1小时→150℃，保温2小时→160℃，保温3小时→170℃，保温2小时→180℃，保温4小时；其中所述程序升温按1℃/分钟的升温速度进行；
优选地，在步骤4)中，所述自然冷却为自然冷却至80℃以下。
8.一种权利要求1-4中任一项所述的动车组研磨子在铁路运输中的用途，优选地在动车踏面清扫器中的用途。
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