CN113275554B - 一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片及其制造方法，摩擦层的组分包括：电解铜粉、铁粉、锡粉、锰粉、莫来石、二硫化钼、二氧化硅、鳞片石墨、人造石墨。其制造方法为首先称取适量原材料，将其置于混料机中进行混料。将混合均匀的粉料置于事先经过镀铜处理的钢芯板上冷压成型，然后加压烧结，随炉冷却后便得到成品。本发明制造的摩擦片经MM‑1000Ⅲ型摩擦磨损试验机测试以及转辙机上整机测试，摩擦磨损性能优异、制动性能稳定、安全系数高、绿色环保、性价比高、在高湿度（≥90%）环境和极端温度（‑40℃～+70℃）环境下具有极好的耐久性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及交通材料技术领域，尤其是关于一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片及其制造方法。
背景技术
轨道交通（国家铁路系统、城际轨道交通和城市轨道交通）具有运量大、速度快、班次密、安全舒适、准点率高、全天候、运费低和节能环保等优点。随着我国轨道交通的快速发展，人们越来越重视轨道交通的安全性和舒适性。转辙机是轨道信号的基础设备，用于完成道岔的转换和锁闭，为轨道交通提供安全保障并提高运输效率，其工作的稳定性和可靠性对于轨道交通而言显得尤为重要。
转辙机用摩擦联结器是转辙机内动力传递的关键部件，将电机输入经转换后的扭矩传递至动力输出机构，转辙机在转换道岔过程中，若道岔遇到障碍物导致外部阻力过大不能密贴时，则摩擦联结器会进入摩擦状态对转辙机进行保护；若摩擦联结器的摩擦扭矩过小，无法克服道岔阻力转换道岔。所以摩擦联结器所提供的摩擦限制力的稳定性，对转辙机工作的可靠性具有决定性作用，而摩擦片的摩擦磨损性能则决定了减速器制动过程中摩擦限制力的稳定性。目前转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片主要存在的问题是：摩擦因数稳定性低、磨损率高、使用寿命短。
粉末冶金摩擦材料指的是采用金属粉末或金属粉末和非金属粉末的混合物作为原料，经过压制成型、加压烧结而制成的一类金属基复合摩擦材料，具有导热性好、抗剪切强度高和使用寿命长等优点。采用粉末冶金法能制备普通熔炼工艺无法制备的一些具有特殊性能的材料。金属铜具有组织均匀、导热性好、耐磨性高、摩擦因数稳定等优点，能够提高摩擦材料的强度和摩擦磨损性能。二硫化钼和鳞片石墨作为润滑组元，能够降低其余组元之间的摩擦力，提升摩擦材料的整体性。莫来石的晶粒较细小且呈长柱状，能够增强压制过程中粉末的流动性，提高摩擦材料在高低温和高湿度环境中的抗粘结性能和耐磨性。
本发明电动转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片是将基体材料、摩擦组元、润滑组元进行配方设计，并通过冷压成型、加压烧结的方式制造而成。可以解决转辙机用摩擦片摩擦系数稳定低、环境适应性差、磨损量大、价格昂贵等问题。
发明内容
本发明提供了一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片及其制造方法，采用液压机冷压成型，经过加压烧结、随炉冷却及机械加工等工艺路线制造而成。
为解决上述问题，本发明的技术方案是通过这样实现的：
本发明涉及一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片，其特征在于：其组分为电解铜粉、铁粉、锡粉、锰粉、莫来石、二硫化钼、二氧化硅、鳞片石墨、人造石墨；所述各组分的质量分数（%）为：
电解铜粉： 55～65；铁粉： 10～20；锡粉： 0.5～1.5；锰粉：4～6份；
莫来石： 3～5；二硫化钼： 3～7；二氧化硅： 1～4；
鳞片石墨： 4～12；人造石墨： 1～5。
所述的电解铜粉粒度为10-35 µm，纯度为99.0 wt%。
所述的铁粉粒度为20-45 µm，纯度为99.5 wt%。
所述的锡粉粒度为20-45 µm，纯度为99.0 wt%。
所述的锰粉粒度为10-48 µm。
所述的莫来石粒度为200-300 µm。
所述的二硫化钼粒度为10-44 µm。
所述的二氧化硅粒度为70-150 µm。
所述的鳞片石墨粒度为20-80 µm。
所述的人造石墨粒度为20-80 µm。
本发明提供了一种制造上述的转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片的制造方法，包括以下步骤:
（1）称料：按各组分的质量份数分别称取电解铜粉、铁粉、锡粉、锰粉、莫来石、二硫化钼、二氧化硅、鳞片石墨、人造石墨。
（2）混料：将按照各组分质量份数称取完成的原料，以及原料总质量0.5-1.5%的机油，同时置于混料机中进行混料，设置转速为30 r/min，混料时间为180min；
（3）钢芯板预处理：首先将钢芯板进行喷砂，直至其表面光亮。然后用无水乙醇将钢芯板粘接面清理干净，确保无水、无油、无锈。接下来对钢芯板表面进行化学镀铜，镀铜时间为2 h。
（4）冷压成型：将混合均匀的粉料均匀置于钢芯板上，并一同放入模具内进行冷压成型；
（6）加压烧结：将冷压成型的压坯置于模具内，一同放入钟罩式烧结炉（南京苏鑫炉业有限公司RZ12-11/1）内并在氮气气氛的保护下进行加压烧结，烧结结束后随炉冷却即得到转辙机铜基粉末冶金离合器摩擦片。
（7）机械加工：将烧结后的铜基粉末冶金离合器摩擦片初坯根据图纸技术要求进行，磨削加工，确保摩擦片尺寸的厚度公差、平整度和油槽尺寸达到产品技术指标要求，即可得到铜基粉末冶金离合器摩擦片。
作为本发明的进一步说明，所述的化学镀铜液采用硫酸铜、酒石酸钾钠等作为原料，加入氢氧化钠溶液调整pH值至12.5，且在配置化学镀铜液时均使用分析纯试剂，使用交换水。
作为本发明的进一步说明，所述的加压烧结工艺为：压力2.5-3.5 MPa，温度920-935 ℃，时间3 h。
作为本发明的进一步说明，所述通过化学镀铜液化学镀铜镀铜时间为2 h，厚度为8-13μm。
作为本发明的进一步说明，所述的冷压压制工艺为350-500MPa，冷压压制时间为10-15s。
在本发明的制造方法中，对组分进行均匀混料的混料机为混料机，其能有效将原料组分颗粒混合均匀。采用其它型号的混料机也可以，但是一定要保证原料能够混合均匀。对摩擦片进行加压烧结的烧结炉为钟罩式烧结炉（RZ12-11/1，南京苏鑫炉业有限公司），此烧结炉可以设置升温阶段，精确控制每一段温度的保温时间，能使摩擦片加压烧结的过程更加精细。采用其他型号烧结炉也可以，只需控制好升温时间即可。
本发明具备以下良好效果：
（1）本发明选用组织均匀、导热性好、耐磨性高、摩擦因数稳定的金属铜作为第一相基体材料；选用摩擦性能优良且延展性较好的金属铁作为基体增强材料，提高摩擦材料的自身强度和摩擦磨损性能。
（2）本发明采用采用二硫化钼和鳞片石墨作为高温和低温润滑组元，降低其余组元之间的摩擦力，提升摩擦材料的整体性。
（3）本发明在摩擦材料基体中添加晶粒较细小且呈长柱状的莫来石，增强压制过程中粉末的流动性，从而提高摩擦材料在潮湿环境中的抗粘结性能和耐磨性。
（4）本发明在摩擦材料基体中添加人造石墨作为摩擦性能调节剂。由于人造石墨中的碳原子以sp2杂化形成共价键，碳原子之间凭借共价键相互连接，在平面内形成正六边形的环，从而衍生成为片层结构，具有较好的自润滑性，所以其在摩擦过程中会在摩擦表面形成一层石墨膜，既能起到润滑作用，也能对摩擦材料表面裂纹和孔隙起到填充作用。同时随着制动过程中受到对偶剪切力的作用，人造石墨结构将逐渐有序化，形成一些晶体状石墨组织，且随着制动过程的进行而生长，起到稳定摩擦因数和提升摩擦因数稳定性的作用。
（5）本发明采用加压烧结提升摩擦材料的整体性，从而提高铜基粉末冶金离合器摩擦片的硬度和抗剪切性能。
（6）本发明工艺简单、能耗低、均匀性好、各项力学性能优秀、摩擦系数稳定、摩擦电流稳定、磨损率低、热稳定性好，同时具有极好的耐久性和可靠性，使用寿命长的特点。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片及其制造方法，这些描述并不是对本发明内容作进一步的限定。
实施例1：
本发明称取铜基粉末冶金离合器摩擦片各组分质量分别为:电解铜粉58%、铁粉14%、锡粉0.5%、锰粉4.5%、莫来石4%、二硫化钼5%、二氧化硅3%、鳞片石墨8%、人造石墨3%。
混料：将按照各组分质量份数称取完成的原料，以及原料总质量0.5-1.5%的机油，同时置于混料机中进行混料，设置转速为30 r/min，混料时间为180min；
钢芯板预处理：首先将钢芯板进行喷砂，直至其表面光亮，然后用无水乙醇将钢芯板粘接面清理干净，确保无水、无油、无锈；接下来对钢芯板表面进行镀铜处理。
冷压成型：将混合均匀的粉料均匀置于钢芯板上，并一同放入模具内进行冷压成型；压制压力为350MPa，保压时间为10-15 S。
加压烧结：将冷压成型的压坯置于模具内，一同放入钟罩式烧结炉内并在氮气气氛的保护下进行加压烧结，烧结结束后随炉冷却即得到转辙机铜基粉末冶金离合器摩擦片，烧结温度为920℃，烧结压力为3.5MPa。
机械加工：将烧结后的铜基粉末冶金离合器摩擦片初坯进行加工，确保摩擦片尺寸的厚度公差、平整度和油槽尺寸达到产品技术指标要求，即可得到铜基粉末冶金离合器摩擦片。
将所得的摩擦片经MM1000-Ⅲ型摩擦磨损试验机检测，设置压力为0.6MPa、转速为500r/min，测得动摩擦系数为0.36，摩擦稳定系数0.94；材料制动50次后的平均磨损率为2.9×10-7cm3/J，将所得的摩擦片经转辙机上机测试，-40℃～+70℃正向摩擦电流方差为0.0057，反向摩擦电流方差为0.0035。
实施例2：
本发明称取铜基粉末冶金离合器摩擦片各组分质量分别为:电解铜粉58%、铁粉14%、锡粉0.5%、锰粉4.5%、莫来石45、二硫化钼5%、二氧化硅3%、鳞片石墨8%、人造石墨3%。
混料：将按照各组分质量份数称取完成的原料，以及原料总质量0.5-1.5%的机油，同时置于混料机中进行混料，设置转速为30 r/min，混料时间为180min；
钢芯板预处理：首先将钢芯板进行喷砂，直至其表面光亮，然后用无水乙醇将钢芯板粘接面清理干净，确保无水、无油、无锈，接下来对钢芯板表面进行镀铜处理。
冷压成型：将混合均匀的粉料均匀置于钢芯板上，并一同放入模具内进行冷压成型，压制压力为350 MPa，保压时间为10 -15S。
加压烧结：将冷压成型的压坯置于模具内，一同放入钟罩式烧结炉内并在氮气气氛的保护下进行加压烧结，烧结结束后随炉冷却即得到转辙机铜基粉末冶金离合器摩擦片，烧结温度为930℃，烧结压力为3MPa。
机械加工：将烧结后的铜基粉末冶金离合器摩擦片初坯进行加工，确保摩擦片尺寸的厚度公差、平整度和油槽尺寸达到产品技术指标要求，即可得到铜基粉末冶金离合器摩擦片。
将所得的摩擦片经MM1000-Ⅲ型摩擦磨损试验机检测，设置压力为0.6MPa、转速为500r/min，测得动摩擦系数为0.37，摩擦稳定系数0.95；材料制动50次后的平均磨损率为2.6×10-7cm3/J，将所得的摩擦片经转辙机上机测试，-40℃～+70℃正向摩擦电流方差为0.0053，反向摩擦电流方差为0.0041。
实施例3：
本发明称取铜基粉末冶金离合器摩擦片各组分质量分别为:电解铜粉58%、铁粉14%、锡粉0.5%、锰粉4.5%、莫来石4%、二硫化钼5%、二氧化硅3%、鳞片石墨8%、人造石墨3%。
混料：将按照各组分质量份数称取完成的原料，以及原料总质量0.5-1.5%的机油，同时置于混料机中进行混料，设置转速为30 r/min，混料时间为180min；
钢芯板预处理：首先将钢芯板进行喷砂，直至其表面光亮。然后用无水乙醇将钢芯板粘接面清理干净，确保无水、无油、无锈。接下来对钢芯板表面进行镀铜处理。
冷压成型：将混合均匀的粉料均匀置于钢芯板上，并一同放入模具内进行冷压成型，压制压力为400 MPa，保压时间为10-15 S。
加压烧结：将冷压成型的压坯置于模具内，一同放入钟罩式烧结炉内并在氮气气氛的保护下进行加压烧结，烧结结束后随炉冷却即得到转辙机铜基粉末冶金离合器摩擦片，烧结温度为930℃，烧结压力为3MPa。
机械加工：将烧结后的铜基粉末冶金离合器摩擦片初坯进行加工，确保摩擦片尺寸的厚度公差、平整度和油槽尺寸达到产品技术指标要求，即可得到铜基粉末冶金离合器摩擦片。
将所得的摩擦片经MM1000-Ⅲ型摩擦磨损试验机检测，设置压力为0.6MPa、转速为500r/min，测得动摩擦系数为0.37，摩擦稳定系数0.95；材料制动50次后的平均磨损率为2.3×10-7cm3/J，将所得的摩擦片经转辙机上机测试，-40℃～+70℃正向摩擦电流方差为0.0031，反向摩擦电流方差为0.0022。
实施例4：
本发明称取铜基粉末冶金离合器摩擦片各组分质量分别为:电解铜粉58%、铁粉14%、锡粉0.5%、锰粉4.5%、莫来石4%、二硫化钼5%、二氧化硅3%、鳞片石墨8%、人造石墨3%。
混料：将按照各组分质量份数称取完成的原料，以及原料总质量0.5-1.5%的机油，同时置于混料机中进行混料，设置转速为30 r/min，混料时间为180min；
钢芯板预处理：首先将钢芯板进行喷砂，直至其表面光亮，然后用无水乙醇将钢芯板粘接面清理干净，确保无水、无油、无锈，接下来对钢芯板表面进行镀铜处理。
冷压成型：将混合均匀的粉料均匀置于钢芯板上，并一同放入模具内进行冷压成型，压制压力为400 MPa，保压时间为10 -15S。
加压烧结：将冷压成型的压坯置于模具内，一同放入钟罩式烧结炉内并在氮气气氛的保护下进行加压烧结，烧结结束后随炉冷却即得到转辙机铜基粉末冶金离合器摩擦片，烧结温度为930℃，烧结压力为2.5MPa。
机械加工：将烧结后的铜基粉末冶金离合器摩擦片初坯进行加工，确保摩擦片尺寸的厚度公差、平整度和油槽尺寸达到产品技术指标要求，即可得到铜基粉末冶金离合器摩擦片。
将所得的摩擦片经MM1000-Ⅲ型摩擦磨损试验机检测，设置压力为0.6MPa、转速为500r/min，测得动摩擦系数为0.37，摩擦稳定系数0.94；材料制动50次后的平均磨损率为2.4×10-7cm3/J，将所得的摩擦片经转辙机上机测试，-40℃～+70℃正向摩擦电流方差为0.0049，反向摩擦电流方差为0.0038。
实施例5：
本发明称取铜基粉末冶金离合器摩擦片各组分质量分别为:电解铜粉58%、铁粉14%、锡粉0.5%、锰粉4.5%、莫来石4%、二硫化钼5%、二氧化硅3%、鳞片石墨8%、人造石墨3%。
混料：将按照各组分质量份数称取完成的原料，以及原料总质量0.5-1.5%的机油，同时置于混料机中进行混料，设置转速为30 r/min，混料时间为180min；
钢芯板预处理：首先将钢芯板进行喷砂，直至其表面光亮。然后用无水乙醇将钢芯板粘接面清理干净，确保无水、无油、无锈。接下来对钢芯板表面进行镀铜处理。
冷压成型：将混合均匀的粉料均匀置于钢芯板上，并一同放入模具内进行冷压成型。压制压力为500 MPa，保压时间为10-15 S。
加压烧结：将冷压成型的压坯置于模具内，一同放入钟罩式烧结炉内并在氮气气氛的保护下进行加压烧结，烧结结束后随炉冷却即得到转辙机铜基粉末冶金离合器摩擦片，烧结温度为935℃，烧结压力为3MPa。
机械加工：将烧结后的铜基粉末冶金离合器摩擦片初坯进行加工，确保摩擦片尺寸的厚度公差、平整度和油槽尺寸达到产品技术指标要求，即可得到铜基粉末冶金离合器摩擦片。
将所得的摩擦片经MM1000-Ⅲ型摩擦磨损试验机检测，设置压力为0.6MPa、转速为500r/min，测得动摩擦系数为0.38，摩擦稳定系数0.93；材料制动50次后的平均磨损率为2.5×10-7cm3/J。将所得的摩擦片经转辙机上机测试，-40℃～+70℃正向摩擦电流方差为0.0045，反向摩擦电流方差为0.0042。
本发明是经过多位摩擦材料加工技术人员长期工作经验积累，并通过创造性劳动创作而出，本发明制造得到的转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片均匀性好、各项力学性能优秀、热力学性能好、摩擦电流稳定、在高湿度（≥90%）环境和极端温度（-40℃～+70℃）环境下具有极好的耐久性和可靠性、低磨耗率、使用寿命长，具有较高的实用价值。
上述实施例方案仅是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求中指出了本发明产品组成成分、成分比例、制造方法参数的范围，而上述的说明并未指出本发明参数的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应当认为是包括在权利要求书的范围内。
Claims (5)
1.一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片的制造方法，其特征在于：其组分为电解铜粉、铁粉、锡粉、锰粉、莫来石、二硫化钼、二氧化硅、鳞片石墨、人造石墨；所述各组分的质量分数（%）为：
电解铜粉：55～65；铁粉：10～20；锡粉： 0.5～1.5；
锰粉： 4～6；莫来石： 3～5；二硫化钼： 3～7；
二氧化硅： 1～4；鳞片石墨： 4～12；人造石墨： 1～5
所述的电解铜粉粒度为10-35 µm，纯度为99.0 wt%；
所述的铁粉粒度为20-45 µm，纯度为99.5 wt%；
所述的锡粉粒度为20-45 µm，纯度为99.0 wt%；
所述的锰粉粒度为10-48 µm；
所述的莫来石粒度为200-300 µm；
所述的二硫化钼粒度为10-44 µm；
所述的二氧化硅粒度为70-150 µm；
所述的鳞片石墨粒度为20-80 µm；
所述的人造石墨粒度为20-80 µm；
制造方法包括以下步骤:
（1）称料：按各组分的质量分数分别称取电解铜粉、铁粉、锡粉、锰粉、莫来石、二硫化钼、二氧化硅、鳞片石墨、人造石墨；
（2）混料：将按照各组分质量分数称取完成的原料，以及原料总质量0.5-1.5 %的机油，同时置于混料机中进行混料，设置转速为30 r/min，混料时间为180min；
（3）钢芯板预处理：首先将钢芯板进行喷砂，直至其表面光亮；
然后用无水乙醇将钢芯板粘接面清理干净，确保无水、无油、无锈，接下来对钢芯板表面进行化学镀铜，镀铜时间为2 h，厚度为8-13μm；
（4）冷压成型：将混合均匀的粉料均匀置于钢芯板上，并一同放入模具内进行冷压成型，压制工艺为350-500MPa，压制时间为10-15s；
（6）加压烧结：将冷压成型的压坯置于模具内，一同放入钟罩式烧结炉内并在氮气气氛的保护下进行加压烧结，烧结结束后随炉冷却即得到铜基粉末冶金离合器摩擦片初坯；
（7）机械加工：将烧结后的铜基粉末冶金离合器摩擦片初坯根据图纸技术要求进行，磨削加工，确保摩擦片尺寸的厚度公差、平整度和油槽尺寸达到产品技术指标要求，即可得到铜基粉末冶金离合器摩擦片。
2.根据权利要求1所述的一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片的制造方法，其特征在于：所述的步骤（3）中的化学镀铜液采用硫酸铜、酒石酸钾钠作为原料，加入氢氧化钠溶液调整pH值至12.5，且在配置化学镀铜液时均使用分析纯试剂，使用交换水。
3.根据权利要求1所述的一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片的制造方法，其特征在于：所述的步骤（6）中加压烧结工艺为：压力2.5-3.5 MPa，温度920-935 ℃，时间3 h。
4.根据权利要求1所述的一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片的制造方法，其特征在于：所述的步骤（3）通过化学镀铜液化学镀铜，镀铜时间为2 h，厚度为8-13μm。
5.根据权利要求1所述的一种转辙机用铜基粉末冶金离合器摩擦片的制造方法，其特征在于：所述的步骤（4）中冷压压制工艺为350-500MPa，冷压压制时间为10-15s。
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