CN113004867A - 一种环保型摩擦材料、高铁闸片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种环保型摩擦材料、高铁闸片及制备方法，其中，环保型摩擦材料以原料组分的总重量为基准计，包括以下原料组分及百分数：铜粉15％～30％、紫铜纤维4％～29％、铁粉5％～30％，不锈钢纤维3％～20％、碳化钛3％～10％、氧化锆粉3％～8％、石墨8％～20％、金属硫化物3％～6％、硫酸钡5％～15％、橡胶粉0.1％～1％。采用上述摩擦材料制备的高铁闸片强度高，摩擦系数高且稳定，对对偶盘的磨损小，提高高铁的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及高铁制动装置技术领域，具体涉及一种环保型摩擦材料、高铁闸片及制备方法。
背景技术
高速铁路是我国领先于世界发达国家的先进集成技术之一，是世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。随着我国铁路的不断提速，高铁时速可达到420km/h，甚至更高，大大缩短了不同城市之间的旅行时间，给人们的生活带来很大便捷，但同时也使得列车制动系统承受着越来越大的负荷，对列车的制动技术提出了更为苛刻的要求。尤其是列车遇到突发状况时的紧急制动，通常情况下，高铁在350km/h时，盘载重5.7t的动能为3.5×108J，而盘载重8.5t的动能为5.2×108J，遇到紧急问题时启动紧急制动系统，依靠制动系统中的闸片和制动盘之间的滑动摩擦实现最终停车，即需要制动闸片短时间内将列车动能全部消耗掉，因此高铁提速对高铁闸片提出了更高的性能要求。
发明内容
针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种环保型摩擦材料、高铁闸片及制备方法，用于提高高速列车闸片的制动性能，以解决列车在紧急情况下不能及时制动导致的事故。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种环保型摩擦材料，以所述环保型摩擦材料的原料组分的总重量为基准计，所述环保型摩擦材料包括以下原料组分及重量百分数：铜粉15％～30％、紫铜纤维4％～29％、铁粉5％～30％，不锈钢纤维3％～20％、碳化钛3％～10％、氧化锆粉3％～8％、石墨8％～20％、金属硫化物3％～6％、硫酸钡5％～15％、橡胶粉0.1％～1％。
优选地，所述环保型摩擦材料包括以下原料组分及重量百分数：铜粉15％～30％、紫铜纤维6％～25％、铁粉5％～30％，不锈钢纤维5％～15％、碳化钛4％～9％、氧化锆粉3％～8％、石墨10％～17％、金属硫化物3％～6％、硫酸钡5％～15％、橡胶粉0.3％～0.8％。
本发明的第二个方面是提供一种上述环保型摩擦材料在闸片中的用途。
本发明的第三方面是提供一种高铁闸片，包括钢背和摩擦块，其中，所述摩擦块由上述环保型摩擦材料制备而成。
本发明的第四方面是提供一种高铁闸片的制备方法，包括以下步骤：
将环保型摩擦材料的原料组分按配比称量好放入混料机中混配均匀；
将混配均匀的环保型摩擦材料的原料预压成型；
将预压成型的环保型摩擦材料烧结成型制得摩擦块；
将所述摩擦块磨削至需求的厚度；
将磨削后的摩擦块与钢背组装成高铁闸片。
于本发明的一实施例中，所述预压成型为干法成型，所述干法成型可选择直接干压成型，压制压力为600～800MPa，压制时间为2～5秒；或冷等静压成型，压制压力为850～1050MPa，压制时间为35～55秒。
于本发明的一实施例中，所述烧结成型可选择真空炉烧结成型，其中，烧结温度为850～900℃，烧结压力为1～3MPa，烧结时间为4～6小时；或钟罩炉烧结成型，在氢气和/或氮气保护气氛下，烧结温度为850～950℃，烧结压力为1.5～4.5MPa，烧结时间为5～7小时；或者隧道炉烧结成型，在氢气和/或氮气保护气氛下，烧结温度为1000～1100℃，烧结压力为0.5～1.5MPa，烧结时间为2～5小时。
进一步地，烧结成型后的摩擦块的微观结构为纤维紧密交织形成的多孔结构。
于本发明的一实施例中，将摩擦块与钢背组装成高铁闸片后还包括打码和包装，其中打码是在组装完成的高铁闸片上打印配方、生产批次、日期等信息。
如上所述，本发明公开一种环保型摩擦材料，以铜粉、铁粉为基体材料，添加有具有高强度的紫铜和不锈钢纤维作为增强材料，添加碳化钛、氧化锆为增磨材料，增加摩擦材料的摩擦系数，用石墨、金属硫化物作为润滑组元，保护对偶，稳定摩擦系数，由此摩擦材料制备的高铁闸片对对偶盘的磨损小，动静摩擦系数高，刹车片强度高，提高高铁闸片的安全性，满足高铁闸片的使用要求。
本发明的高铁闸片不仅摩擦系数稳定不会出现掉边、掉块现象，而且不含石棉、铅、镉、六价铬等重金属元素，符合环保要求。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明高铁闸片的制备方法的流程图。
图2显示为本发明的高铁闸片在1000X的扫描电镜(SEM)照片。
图3显示为本发明的高铁闸片在2000X的扫描电镜(SEM)照片。
图4显示为本发明的高铁闸片在350km/h速度下紧急制动摩擦系数稳定性测试图。
图5显示为本发明的高铁闸片在380km/h速度下紧急制动摩擦系数测试曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本发明提供的环保型摩擦材料所使用的铜粉、紫铜纤维、铁粉、不锈钢纤维、碳化钛、氧化锆、石墨、金属硫化物、硫酸钡、橡胶粉均可通过一般的商业途径获得。
其中，铜粉的粒度为200～325目；紫铜纤维的长度为150～350μm；铁粉的粒度为200～350目；不锈钢纤维的长度为180～420μm；碳化钛的粒度为325～500目；氧化锆的粒度为100～200目；石墨的粒度为60～120目；金属硫化物的粒度为300～450目；硫酸钡的粒度为200～300目；橡胶粉的粒度为100～325目。
本发明还提供一种高铁闸片，包括钢背和摩擦块，其中摩擦块是由本发明的摩擦材料制备而成。
参见附图1，本发明的高铁闸片的制备方法至少包括以下步骤：
S1、将环保型摩擦材料的原料组分按配比称量好放入混料机中混配均匀；
S2、将混配均匀的环保型摩擦材料的原料预压成型；
S3、将预压成型的环保型摩擦材料烧结成型制得摩擦块；
S4、将所述摩擦块磨削至所需厚度；
S5、将磨削后的摩擦块与钢背组装成高铁闸片。
其中，步骤S1中的环保型摩擦材料为本发明的环保型摩擦材料，即将铜粉、紫铜纤维、铁粉、不锈钢纤维、碳化钛、氧化锆、石墨、金属硫化物、硫酸钡、橡胶粉按照各自的配比称量好，放入混料机中搅拌均匀。
步骤S2中的预压成型是将步骤S1混配均匀的摩擦材料放入模具中压制成型。本发明中的预压成型为干法成型，在一些实施例中，可选择直接干压成型，也可选择冷等静压成型。
其中，选择直接干法成型时，压制压力为600～800MPa，例如，600MPa、700MPa或800MPa等，压制时间为2～5秒；直接干法成型时间短，可提高产品的生产效率。
选择冷等静压成型时，压制压力为850～1050MPa，例如，850MPa、950MPa或1050MPa等，压制时间为35～55秒。
步骤S3中的烧结成型是将步骤S2中的预压成型件经过一定的温度、一定的时间烧结成产品。在一些实施例中，烧结成型可选择真空炉烧结成型、钟罩炉烧结成型、隧道炉烧结成型等。
真空炉烧结成型时，烧结温度为850～900℃，烧结压力为1～3MPa，烧结时间为4～6小时；
钟罩炉烧结成型时，在氢气和/或氮气保护气氛下，烧结温度为850～950℃，烧结压力为1.5～4.5MPa，烧结时间为5～7小时；
隧道炉烧结成型时，在氢气和/或氮气保护气氛下，烧结温度为1000～1100℃，烧结压力为0.5～1.5MPa，烧结时间为2～5小时。
步骤S4是按照高铁闸片的厚度要求将步骤S3得到的摩擦块进行磨削至规定的厚度、平行度、平面度要求。
步骤S5将步骤S4中的摩擦块与钢背及其他附件组装成高铁闸片。
在一些实施例中，还需对组装后的高铁闸片进行打码和包装，其中打码是使用喷码机和专用油墨，在钢背表面或摩擦材料侧面，喷印产品配方号、批次及日期等信息，以便于产品追溯；包装即将打码后的产品装入包装盒。
参见附图2和附图3，采用本发明的制备方法制备的高铁闸片，其摩擦块的微观结构呈现出纤维、多孔结构，且纤维之间紧密交叉排列。纤维结构可提高闸片的强度，使闸片能够承受大的冲击力、剪切力、摩擦力及压力等；另一方面，通过纤维紧密结合能够使摩擦产生的热量快速排散到空气中；再者，多孔结构中的气孔可缓解闸片瞬间承受的冲击力及剪切力，防止闸片高速刹车后掉块。
对高铁闸片进行性能测试，本发明的高铁闸片的所有性能指标都符合TJ/CL307-2019《动车组闸片暂行技术条件》的性能要求。
图4为本发明制备的高铁闸片在350km/h速度下紧急制动摩擦系数测试曲线，横坐标代表初始速度，纵坐标代表瞬时摩擦系数，其摩擦系数为0.3～0.49，且重复测试2次，3次摩擦系数的测试相差无几，说明本发明的高铁闸片摩擦系数稳定。
图5为本发明制备的高铁闸片在380km/h速度下紧急制动摩擦系数测试曲线，横坐标代表初始速度，纵坐标代表瞬时摩擦系数，其摩擦系数为0.23～0.44。
下面列举一些具体实施例和对比例来说明本发明。
实施例1
环保型摩擦材料的配方为：铜粉20％、紫铜纤维20％、铁粉20％，不锈钢纤维10％、碳化钛4％、氧化锆粉5％、石墨12％、金属硫化物3％、硫酸钡5.5％、橡胶粉0.5％。
本实施例中的高速闸片的制备方法为：
将环保型摩擦材料的各原料组分按上述配比放入混料机内混配均匀；然后将上述混配均匀的环保型摩擦材料放入数控压机的模具中压制成型，压制温度为常温，压制压力为700MPa，压制时间5秒；再将预压成型的产品进行烧结成摩擦块，其中，烧结是在氢气和氮气的混合气氛下进行的，烧结温度为880℃，烧结压力为3MPa，烧结时间为5小时；然后将烧结后摩擦块磨削至符合标准，与钢背及其他附件组装在一起形成高铁闸片，再在高铁闸片上打码、包装。
本实施例制备的高铁闸片摩擦系数为0.33～0.48，磨损率小于0.5cm3/MJ，摩擦体剪切强度为21.3MPa，摩擦体冲击强度为18.6MPa，摩擦体抗压强度为230.6MPa。
实施例2
环保型摩擦材料的配方为：铜粉30％、紫铜纤维15％、铁粉10％，不锈钢纤维15％、碳化钛4％、氧化锆粉5％、石墨12％、金属硫化物3％、硫酸钡5.5％、橡胶粉0.5％。
本实施例中的高速闸片的制备方法为：
将环保型摩擦材料的各原料组分按上述配比放入混料机内混配均匀；然后将上述混配均匀的环保型摩擦材料放入数控压机的模具中压制成型，压制温度为常温，压制压力为700MPa，压制时间5秒；再将预压成型的产品进行烧结成摩擦块，其中，烧结是在氢气和氮气的混合气氛下进行的，烧结温度为880℃，烧结压力为3MPa，烧结时间为5小时；然后将烧结后摩擦块磨削至符合标准，与钢背及其他附件组装在一起形成高铁闸片，再在高铁闸片上打码、包装。
本实施例制备的高铁闸片摩擦系数为0.32～0.45，磨损率小于0.5cm3/MJ，摩擦体剪切强度为23.4MPa，摩擦体冲击强度为19.1MPa，摩擦体抗压强度为220.9MPa。
实施例3
环保型摩擦材料的配方为：铜粉30％、紫铜纤维15％、铁粉6％、不锈钢纤维15％、碳化钛7％、氧化锆粉5％、石墨12％、金属硫化物3％、硫酸钡6.5％、橡胶粉0.5％。
本实施例中的高速闸片的制备方法为：
将环保型摩擦材料的各原料组分按上述配比放入混料机内混配均匀；然后将上述混配均匀的环保型摩擦材料放入数控压机的模具中压制成型，压制温度为常温，压制压力为700MPa，压制时间5秒；再将预压成型的产品进行烧结成摩擦块，其中，烧结是在氢气和氮气的混合气氛下进行的，烧结温度为880℃，烧结压力为3MPa，烧结时间为5h；然后将烧结后摩擦块磨削至符合标准，与钢背及其他附件组装在一起形成高铁闸片，再在高铁闸片上打码、包装。
本实施例制备的高铁闸片摩擦系数为0.34～0.49，磨损率小于0.5cm3/MJ，摩擦体剪切强度为19.9MPa，摩擦体冲击强度为18.3MPa，摩擦体抗压强度为210.1MPa。
实施例4
环保型摩擦材料的配方为：铜粉15％、紫铜纤维25％、铁粉15％，不锈钢纤维3％、碳化钛9％、氧化锆粉7％、石墨17％、金属硫化物3％、硫酸钡5.7％、橡胶粉0.3％。
高铁闸片的制备方法为：
将环保型摩擦材料的各原料组分按上述配比放入混料机内混配均匀；然后将上述混配均匀的环保型摩擦材料放入数控压机的模具中压制成型，压制温度为常温，压制压力为600MPa，压制时间5秒；再将预压成型的产品进行烧结成摩擦块，其中，烧结是在真空炉中进行，烧结温度为880℃，烧结压力为3MPa，烧结时间为5小时；然后将烧结后摩擦块磨削至符合标准，与钢背及其他附件组装在一起形成高铁闸片，再在高铁闸片上打码、包装。
本实施例制备的高铁闸片摩擦系数为0.31～0.45，磨损率小于0.5cm3/MJ，摩擦体剪切强度为20.5MPa，摩擦体冲击强度为18.5MPa，摩擦体抗压强度为215.7MPa。
实施例5
环保型摩擦材料的配方为：铜粉15％、紫铜纤维6％、铁粉30％，不锈钢纤维20％、碳化钛3％、氧化锆粉3％、石墨8％、金属硫化物6％、硫酸钡8％、橡胶粉1％。
高铁闸片的制备方法同实施例1。
将环保型摩擦材料的各原料组分按上述配比放入混料机内混配均匀；然后将上述混配均匀的环保型摩擦材料放入数控压机的模具中压制成型，压制温度为常温，压制压力为800MPa，压制时间5秒；再将预压成型的产品进行烧结成摩擦块，其中，烧结是在隧道炉中进行，在氢气和氮气混合气氛保护下，烧结温度为1050℃，烧结压力为1MPa，烧结时间为4小时；然后将烧结后摩擦块磨削至符合标准，与钢背及其他附件组装在一起形成高铁闸片，再在高铁闸片上打码、包装。
本实施例制备的高铁闸片摩擦系数为0.30～0.44，磨损率小于0.5cm3/MJ，摩擦体剪切强度为20.1MPa，摩擦体冲击强度为18.7MPa，摩擦体抗压强度为207.8MPa。
对比例1
摩擦材料的配方为：铜粉30％、紫铜纤维0％、铁粉21％，不锈钢纤维15％、碳化钛7％、氧化锆粉5％、石墨12％、金属硫化物3％、硫酸钡6.5％、橡胶粉0.5％。
高铁闸片的制备方法同实施例1。
对比例1中制备的高铁闸片摩擦系数为0.28～0.43，磨损率小于0.5cm3/MJ，摩擦体剪切强度为13.6MPa，摩擦体冲击强度为11.5MPa，摩擦体抗压强度为143.7MPa。
对比例2
摩擦材料的配方为铜粉30％、紫铜纤维15％、铁粉21％，不锈钢纤维0％、碳化钛7％、氧化锆粉5％、石墨12％、金属硫化物3％、硫酸钡6.5％、橡胶粉0.5％。
高铁闸片的制备方法同实施例1。
对比例2制备的高铁闸片的摩擦系数为0.29～0.45，磨损率小于0.5cm3/MJ，摩擦体剪切强度为11.3MPa，摩擦体冲击强度为9.1MPa，摩擦体抗压强度为137.2Mpa。
对比例3
摩擦系数的配方为：铜粉20％、紫铜纤维20％、铁粉20％，不锈钢纤维10％、碳化钛4％、氧化锆粉5％、石墨12％、金属硫化物3％、硫酸钡6％、橡胶粉0％。
高铁闸片的制备方法同实施例1。
对比例3中制备的高铁闸片的摩擦系数为0.31～0.45，磨损率小于0.52cm3/MJ，摩擦体剪切强度为19.1MPa，摩擦体冲击强度为14.7MPa，摩擦体抗压强度为181.1MPa。
综上所述，本发明提供一种摩擦材料，采用本发明的摩擦材料制备的高铁闸片对对偶盘的磨损小、动静摩擦系数高且摩擦系数稳定，闸片的强度高，提高高铁的安全性，满足高铁闸片的使用要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种环保型摩擦材料，其特征在于，以所述环保型摩擦材料的原料组分的总重量为基准计，所述环保型摩擦材料包括以下原料组分及重量百分数：
2.根据权利要求1所述的环保型摩擦材料，其特征在于，以所述环保型摩擦材料的原料组分的总重量为基准计，所述环保型摩擦材料包括以下原料组分及重量百分数：
3.权利要求1-2任一项所述的环保型摩擦材料在闸片中的用途。
4.一种高铁闸片，包括钢背和摩擦块，其特征在于，所述摩擦块由权利要求1-2任一所述的环保型摩擦材料制成。
5.一种如权利要求4所述的高铁闸片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将环保型摩擦材料的原料组分按配比称量好放入混料机中混配均匀；
将混配均匀的环保型摩擦材料的原料预压成型；
将预压成型的环保型摩擦材料烧结成型制得摩擦块；
将所述摩擦块磨削至需求的厚度；
将磨削后的摩擦块与钢背组装成高铁闸片。
6.根据权利要求5所述的高铁闸片的制备方法，其特征在于，所述预压成型为干法成型，所述干法成型为：
直接干压成型，压制压力为600～800MPa，压制时间为2～5秒；或
冷等静压成型，压制压力为850～1050MPa，压制时间为35～55秒。
7.根据权利要求5所述的高铁闸片的制备方法，其特征在于，所述烧结成型为：
真空炉烧结成型，烧结温度为850～900℃，烧结压力为1～3MPa，烧结时间为4～6小时；或
钟罩炉烧结成型，在氢气和/或氮气保护气氛下，烧结温度为850～950℃，烧结压力为1.5～4.5MPa，烧结时间为5～7小时；或
隧道炉烧结成型，在氢气和/或氮气保护气氛下，烧结温度为1000～1100℃，烧结压力为0.5～1.5MPa，烧结时间为2～5小时。
8.根据权利要求5所述的高铁闸片的制备方法，其特征在于，烧结成型后的摩擦块的微观结构为纤维紧密交织形成的多孔结构。
9.根据权利要去5所述的高铁闸片的制备方法，其特征在于，将摩擦块与钢背组装成高铁闸片后还包括打码和包装。
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