CN114833339A

CN114833339A - 耐高温粉末冶金摩擦材料与耐温闸片及其制备方法与应用

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Publication number: CN114833339A
Application number: CN202210485449.6A
Authority: CN
Inventors: 刘思涵; 耿雪骞; 马运章; 王晔; 吕宝佳; 张化谦; 赵春光; 郭子禄; 赵雨良; 张波; 杨伟君; 曹宏发; 赵红卫; 康晶辉
Original assignee: China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; Locomotive and Car Research Institute of CARS; Beijing Zongheng Electromechanical Technology Co Ltd; Tieke Aspect Tianjin Technology Development Co Ltd
Current assignee: China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; Locomotive and Car Research Institute of CARS; Beijing Zongheng Electromechanical Technology Co Ltd; Tieke Aspect Tianjin Technology Development Co Ltd
Priority date: 2022-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2042-05-06
Also published as: CN114833339B

Abstract

本发明提供了一种耐高温粉末冶金摩擦材料与耐温闸片及其制备方法与应用。该耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：镍包铜粉40‑50％、铁粉10‑30％、铬铁粉5‑10％、二硫化钼6‑8％、镍包石墨5‑10％、碳化硅1‑3％；其中，所述镍包铜粉的镀镍层厚度为2‑5μm；所述镍包石墨的镀镍层厚度为5‑10μm。采用本发明的耐高温粉末冶金摩擦材料制成的耐温闸片的耐高温能力强，在高速制动时仍能保持稳定的摩擦磨损性能，适于作为速度在350km/h‑400km/h的高速动车组用耐温闸片。

Description

耐高温粉末冶金摩擦材料与耐温闸片及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于摩擦材料领域，具体涉及一种耐高温粉末冶金摩擦材料与耐温闸片及其制备方法与应用。

背景技术

轨道交通的发展正向着更高的速度不断迈进，未来高速动车组的最高运营速度将在现有的350km/h基础上提高到400km/h甚至更高。目前，高速动车组的制动系统普遍使用铜基粉末冶金闸片，闸片摩擦材料含铜量超过50％，其是组成金属骨架的基本组元，能够为摩擦体提供足够的强度。试验室数据表明，当制动初速度提高到400km/h时，制动盘和闸片的摩擦表面平均温度接近1000℃，闸片材料承受的最高瞬时温度超过1000℃，已接近或超过铜的熔点温度(1089℃)，常规的铜基粉末冶金闸片在该温度下将达到性能极限。

高速制动时，闸片铜骨架的软化破碎将导致包裹在其中的非金属组元不断脱落，无法维持闸片应有的制动性能，摩擦系数持续衰退并伴随着摩擦材料的掉渣掉块现象，磨耗量突增。此外，常用的润滑组元石墨在制动高温下剧烈氧化，摩擦界面失去润滑作用发生严重的粘着，导致制动性能进一步恶化。因此，提高铜基粉末冶金摩擦材料的耐温性和高温力学强度，保证摩擦界面的充足润滑，是提高其高速制动性能的关键。

添加耐高温金属或合金是常见的提高金属基材料耐温性能的方法，其中镍与铜有良好的固溶特性，常被用于铜基材料的增强。专利申请202010350981.8“金属陶瓷闸片、碳陶制动盘的制备方法及摩擦副对偶”公开的技术方案在陶瓷基摩擦材料中添加了镍粉作为强化组元，得到耐磨性好且制动平稳的金属陶瓷闸片；专利申请201811646715.9“一种粉末冶金Ni-Al基高温摩擦材料的制备工艺”公开的技术方案以Ni作为基体制备了具有稳定高温摩擦系数和较低磨损率的Ni-Al基高温摩擦材料；专利申请202011118227.8“一种粉末冶金连接材料及其使用方法”公开的技术方案在粉末冶金连接材料中添加镍粉，制备了用量成分和烧结温度适应性广的连接层材料；专利申请202011157743.1“一种动车组列车碳陶制动盘用粉末冶金闸片摩擦体及其制备方法”公开的技术方案使用铜镍合金作为摩擦材料的基体组元制备了适用于碳陶制动盘的高耐温闸片。

综上所述，行业内对镍及镍合金在提高摩擦材料高速制动性能方面已做过深入研究。但从高速列车制动的原理和制动性能需求出发，镍的自润滑性能及工艺性远不及铜，以镍或镍合金为基体的摩擦材料硬度高且韧性较差，在制动性能表现上仍有诸多不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温粉末冶金摩擦材料及由其制成的高速动车组用耐温闸片，该闸片耐高温能力强，在高速制动时仍能保持稳定的摩擦磨损性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种耐高温粉末冶金摩擦材料，按质量百分比计，该耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：

镍包铜粉40-50％、铁粉10-30％、铬铁粉5-10％、二硫化钼6-8％、镍包石墨5-10％、碳化硅1-3％；

其中，所述镍包铜粉的镀镍层厚度为2-5μm；所述镍包石墨的镀镍层厚度为5-10μm。

根据本发明的具体实施方案，高速列车用耐温闸片的运用要求不同于传统的粉末冶金制件或耐磨涂层，后两者通常只追求高的强度和低磨耗量，而高速列车用耐温闸片对闸片产品的摩擦性能要求非常严苛，摩擦系数需要在规定的工况下满足相应公差要求，且磨耗量不宜过低，其中，耐温闸片在高速(350km/h-400km/h)紧急制动的磨耗量应控制在0.25-0.35cm³/MJ，当磨耗量低于0.25cm³/MJ时，摩擦材料在制动过程中表层组织的“代谢”速率较低，不能很快地在制动时剥落露出新鲜的组织，容易使摩擦系数出现衰退，在多次高速紧急制动后摩擦系数逐渐降至0.320以下，使列车制动距离超限。同时，相同工况的制动能量相当，若闸片的磨耗较低，则对偶制动盘将会产生相对较高的磨耗，违背了摩擦副中优先消耗闸片的原则。当磨耗量高于0.35cm³/MJ时，闸片的使用寿命较短，可能诱发掉渣掉角等其他力学性能上的不良现象，同样会造成摩擦系数的衰退。

本发明通过将铜粉和石墨更换为镍包铜粉和镍包石墨，并控制镀镍层的厚度，能够使制备得到的耐温闸片能够满足磨耗量控制在0.25-0.35cm³/MJ的要求。

其中，控制镍包铜粉和镍包石墨镀镍层的厚度是本发明技术方案的关键，过厚的镀层将导致不良的摩擦磨损性能，具体表现包括：(1)因摩擦材料强度和硬度的升高导致的瞬时摩擦系数不稳定、平均摩擦系数下降和制动噪声的增加；(2)磨耗量减小导致对偶制动盘的磨耗量上升，且盘面状态不佳；(3)潮湿工况和静摩擦系数显著降低。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述镍包铜粉的镀镍层厚度为2-3μm；所述镍包石墨的镀镍层厚度为5-7μm。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述镍包铜粉为镍包电解铜粉，所述镍包石墨为镍包鳞片石墨。

根据本发明的具体实施方案，优选地，按质量百分比计，该耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：镍包铜粉46-50％、铁粉18-28％、铬铁粉6-9％、二硫化钼6％、镍包石墨7-10％、碳化硅1-2％。

根据本发明的具体实施方案，通过将镍包铜粉和镍包石墨的镀层厚度控制在适当的范围，能够降低过高的摩擦体剪切强度、抗压强度和硬度，并适当提升摩擦体与粘接面的剪切强度以及闸片磨耗量，而且镀层厚度越薄，强度和硬度的变化越不明显。但是，很薄的镀层在制备上存在较大困难，通常存在单个粉体颗粒局部区域镀不上的问题，镀层覆盖面积约在70％左右，为此，本发明在镍镀层中添加了少量的锡元素来增加润湿效果，使材料的强度和硬度进一步下降，同时，锡元素提高了镀镍层的延展性，在制动时帮助镀层更好地铺展在摩擦面上，削弱了因镀层覆盖不完整造成的摩擦系数波动，在一定程度上增加了磨耗量，起到了稳定摩擦的作用。优选地，按质量百分比计，该耐高温粉末冶金摩擦材料中镍包铜粉和镍包石墨的镀镍层的原料组成还包括：锡20wt％-30wt％，优选为30wt％。

本发明还提供了一种耐温闸片，其由本发明提供的上述耐高温粉末冶金摩擦材料制成。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述耐温闸片于350km/h-400km/h高速紧急制动下的磨耗量为0.25-0.35cm³/MJ。

本发明还提供了上述耐温闸片的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将镍包铜粉、铁粉、铬铁粉、二硫化钼、镍包石墨、碳化硅混合得到混合物，添加石蜡作为成型剂；

(2)对所述混合物进行搅拌，优选地，搅拌速度为400-600r/min，搅拌时间为15-25min(例如20min)；

(3)经过搅拌的混合物进行冷压成型得到压坯，优选地，压制压力为10-15MPa，保压时间为5-10s(例如10s)；

(4)将压坯在保护气氛下进行烧结处理，得到所述耐温闸片，优选地，烧结温度为900-1000℃，保温时间为1-2h(例如2h)，烧结压力为1-2MPa，烧结在氮氢保护气氛下进行。

根据本发明的具体实施方案，鳞片石墨是长径比值很大的片状材料，在性能上具有很强的取向性。本发明需要它在摩擦材料中以平行于摩擦面的取向分布，使每一个摩擦面具有均匀面积的石墨，而镍包石墨因为镀层自重不匀和镀层润滑性差(与石墨本身的滑润触感相比)等原因，使用原制备工艺很难达到取向性分布的效果。为此，本发明大幅提高石蜡成型剂的用量和粘度，使每个粉体颗粒都被较厚的石蜡层包裹，这样在压制过程中，石蜡可作为粉体与粉体、及粉体与模具间的润滑剂，消除过多的摩擦力，使镍包石墨的分布形态趋近于平行摩擦面的取向。同时，后续的烧结过程中也增加了相应的脱胶工艺(即先在真空环境中进行低温预烧结，具体为350℃保温30min、500℃保温60min，将石蜡成型剂脱出，再按照烧结工艺完成正常烧结)，将多余的石蜡成型剂脱出，防止对烧结强度造成负面影响。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述石蜡的黏度为120-180Pa·s，更优选为150Pa·s。

根据本发明的具体实施方案，优选地，按质量百分比计，所述石蜡的添加量为0.75-3.0wt％，优选为1.5wt％。

本发明还提供了上述耐温闸片作为高速列车用耐温闸片的应用，更优选地，所述高速列车是速度在350km/h-400km/h的高速动车组。

本发明采用镍包铜粉和镍包石墨并控制镀镍层的厚度制备粉末冶金摩擦材料，有效提高了所制备的耐温闸片的耐高温能力，使耐温闸片在高速制动时仍能保持稳定的摩擦磨损性能。通过控制镀镍层的厚度限制基体中的铜镍比例，使镍包铜粉和镍包石墨分别保留了电解铜粉和鳞片石墨优异的韧性和压制性能。在特定的烧结温度和烧结压力下，金属基体烧结后仍保持着镀镍层包裹铜粉颗粒的组织形貌。镀镍层具有更高的熔点，高速制动时可在基体组织中形成有效的隔绝屏障，改善因铜基体熔融软化而造成的成片脱落现象。

本发明将镍包铜粉和镍包石墨搭配使用，进一步提高了石墨与镍包铜粉基体的结合强度，减少了石墨对基体的割裂作用。高速制动时，石墨在高温空气中发生氧化会失去润滑特性，利用镀镍层将石墨包覆起来可以减少制动过程中石墨的氧化，保留更多的润滑介质，使摩擦界面上摩擦膜的状态趋于稳定，降低闸片磨耗量。

附图说明

图1为闸片在高速制动后的盘面附着状态；

图2-图4为采用不同用量和黏度的石蜡成型剂时石墨的分布形态。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种耐温闸片，按质量百分比计，该耐温闸片所采用的耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：镍包铜粉350g、铁粉200g、铬铁粉80g、二硫化钼60g、镍包石墨80g、碳化硅10g、石蜡油10g；其中，所用镍包铜粉的镀镍层厚度2-3μm，所用镍包石墨的镀镍层厚度5-7μm。

该耐温闸片是通过以下步骤制备的：

将各原料放入搅拌机中混料，然后加入1.5wt％的黏度为150Pa·s石蜡作为成型剂，搅拌机转速400r/min，混料时间20min；

将混合粉料冷压成型，压制压力10MPa，保压10s；

将压坯放置在钢背上烧结，其中，烧结压力2MPa，烧结温度900℃，保温2h，后随炉冷却至100℃出炉，得到所述耐温闸片，保护气氛为氮氢混合气。

实施例2

本实施例提供了一种耐温闸片，按质量百分比计，该耐温闸片所采用的耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：镍包铜粉380g、铁粉180g、铬铁粉70g、二硫化钼60g、镍包石墨70g、碳化硅20g、石蜡油10g；其中，所用镍包铜粉的镀镍层厚度2-5μm，所用镍包石墨的镀镍层厚度5-10μm。

该耐温闸片是通过以下步骤制备的：

将各原料放入搅拌机中混料，然后加入1.5wt％的黏度为150Pa·s石蜡作为成型剂，搅拌机转速500r/min，混料时间20min；

将混合粉料冷压成型，压制压力10MPa，保压10s；

实施例3

本实施例提供了一种耐温闸片，按质量百分比计，该耐温闸片所采用的耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：镍包铜粉370g、铁粉220g、铬铁粉60g、二硫化钼50g、镍包石墨60g、碳化硅20g、石蜡油10g；其中，所用镍包铜粉的镀镍层厚度2-3μm，所用镍包石墨的镀镍层厚度5-7μm。

该耐温闸片是通过以下步骤制备的：

将混合粉料冷压成型，压制压力15MPa，保压10s；

将压坯放置在钢背上烧结，其中，烧结压力1.5MPa，烧结温度950℃，保温2h，后随炉冷却至100℃出炉，得到所述耐温闸片，保护气氛为氮氢混合气。

实施例4

本实施例提供了一种耐温闸片，按质量百分比计，该耐温闸片所采用的耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：镍包铜粉390g、铁粉190g、铬铁粉65g、二硫化钼50g、镍包石墨70g、碳化硅15g、石蜡油10g；其中，所用镍包铜粉的镀镍层厚度2-5μm，所用镍包石墨的镀镍层厚度5-10μm。

该耐温闸片是通过以下步骤制备的：

将各原料放入搅拌机中混料，然后加入1.5wt％的黏度为150Pa·s石蜡作为成型剂，搅拌机转速600r/min，混料时间20min；

将混合粉料冷压成型，压制压力15MPa，保压10s；

实施例5

本实施例提供了一种耐温闸片，按质量百分比计，该耐温闸片所采用的耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：镍包铜粉385g、铁粉170g、铬铁粉75g、二硫化钼60g、镍包石墨70g、碳化硅20g、石蜡油10g；其中，所用镍包铜粉的镀镍层厚度2-5μm，所用镍包石墨的镀镍层厚度5-10μm。

该耐温闸片是通过以下步骤制备的：

将混合粉料冷压成型，压制压力15MPa，保压10s；

将压坯放置在钢背上烧结，其中，烧结压力1MPa，烧结温度1000℃，保温2h，后随炉冷却至100℃出炉，得到所述耐温闸片，保护气氛为氮氢混合气。

试验例1：采用镍包铜粉与镍包石墨对耐温闸片性能的影响

下表1列出了上述实施例1-5的耐温闸片样品及未添加镍包铜粉和镍包石墨的对比例1-2的耐温闸片样品的性能参数对比，其中，对比例1和2分别选用实施例3和实施例2的原料组成和工艺参数，不同之处在于对比例1和2采用的是无镀层的电解铜粉和鳞片石墨。可以看出，实施例1-5所得本发明所述耐高温粉末冶金摩擦材料制得的耐温闸片的剪切强度略高于对比例1和对比例2(对比例1是以电解铜粉替代实施例3的镍包铜粉，对比例2是以鳞片石墨替代实施例2的镍包石墨)的摩擦材料；在1:1制动力试验台上进行高速紧急制动试验时(制动初速度350km/h、380km/h、400km/h)，本发明所述耐温粉末冶金摩擦材料的平均摩擦系数高于对比例1和对比例2，更贴近名义摩擦系数值0.320；且随着制动初速度的增加，摩擦系数衰退不明显，具有高速制动条件下磨耗量相对较低的优点，能够满足400km/h紧急制动需求。

表1：实施例1-5和对比例1-2的耐温闸片的性能参数对比

试验例2：镍包粉末的镀镍层厚度对耐温闸片的力学强度、硬度及磨耗量的影响下表2为镍层厚度对耐温闸片的力学强度、硬度及磨耗量的影响结果。

耐温试验采用单一变量原则，选用实施例4的原料组成和工艺参数进行不同镀层厚度铜粉和石墨的替换验证，其中，对比例7为使用不带镀层的铜粉和石墨的数据。

表2：镍层厚度对耐温闸片的力学强度、硬度及磨耗量的影响

试验结果表明，镀镍层厚度的减小可以降低过高的摩擦体剪切强度、抗压强度和硬度，并适当提升摩擦体与粘接面的剪切强度以及闸片磨耗量，且由于铜粉的含量比例远大于石墨，因此铜粉镀层厚度的变化对摩擦材料的性能影响更显著。

其中，摩擦体与背板依靠铜层完成粘接，镀镍层过厚会降低固相烧结中的扩散作用，导致粘接面强度过低，存在掉块风险。与对比例7进行比较可知，控制镀层厚度可有效保留摩擦材料原有的物理力学特性，并将磨耗量控制在优选范围内。

试验例3：添加不同含量的锡元素镀层对耐温闸片的性能影响

下表3为添加不同含量的锡元素镀层对耐温闸片的性能影响的数据。

试验采用单一变量原则，选用实施例8的原料组成和工艺参数进行锡含量镀层的替换验证，表3中对比例8的镍包粉末镀层不添加锡，其他条件与实施例8完全相同；同时，根据添加量进行了对应成分合金的熔点测试，测试方法为差示扫描量热法(DSC)，熔点值取熔化的起始点，但由于熔炼合金与真实镀层的成分、均匀度、晶粒度等均存在差别，因此本熔点仅做参考，实际镀层成分的起始熔点应低于测试熔点。

表3：镍层中锡元素含量对耐温闸片的性能影响

试验结果表明，锡含量的提高可降低镀层合金的熔点，同时进一步降低了摩擦体的剪切强度、抗压强度和硬度；同时，锡作为低熔点金属，进一步提高了摩擦体与粘接面的润湿程度，对提升粘接面剪切强度有积极作用；在摩擦性能方面，随着锡含量的而提高，磨耗量有略微的上升，在相同工况的连续两次制动试验中，锡含量较高的样品摩擦系数波动小(波动指的是两次制动摩擦系数的差值与第一次制动系数的百分比)，因此，在20wt％-30wt％的添加量中，实施例11的30wt％作为优选含量。

在这里以合金熔点作为材料在制动过程中的延展性评估依据之一，原因是摩擦副表面的附着层很大程度上来自于因制动高温造成的金属材料软化剥离；金属镍的熔点和硬度都较高，在制动时不容易均匀铺展，导致摩擦面附着物薄厚不一且不连续。这将造成摩擦界面的不稳定和受热不均，对摩擦系数和盘面状态均有不良影响，添加低熔点组元锡后，拉低了整体镀层的熔点，甚至在某些锡含量不均匀区域会在制动时优先出现软化熔融现象(高速制动时闸片表面的瞬时温度可达到1000℃以上)，作为高速制动过程中的半固相润滑剂提升了盘面附着状态，适当增加闸片磨耗量，使摩擦性能更稳定，图1展示了对比例8(左图)和实施例11(右图)在相同的高速制动后的盘面附着状态。

试验例4：石蜡成型剂不同用量和粘度对石墨分布形态的影响

对比例9、实施例12与实施例13基于实施例1的原料组成和工艺参数，考察石蜡成型剂用量和粘度对石墨分布形态的影响，参见下表4，图2-图4分别展示了采用不同用量和黏度的石蜡成型剂时石墨的分布形态。

表4：石蜡成型剂不同用量和粘度对石墨分布形态的影响

结果表明，提高成型剂的用量和粘度后，鳞片石墨的分布形态逐渐由无取向的杂乱无章变为趋近于平行摩擦面分布(金相组织中深灰色长条状)。

总之，以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims

1.一种耐高温粉末冶金摩擦材料，按质量百分比计，该耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：

2.根据权利要求1所述的耐高温粉末冶金摩擦材料，其中，所述镍包铜粉的镀镍层厚度为2-3μm；所述镍包石墨的镀镍层厚度为5-7μm。

3.根据权利要求1所述的耐高温粉末冶金摩擦材料，其中，所述镍包铜粉为镍包电解铜粉，所述镍包石墨为镍包鳞片石墨。

4.根据权利要求1-3任一项所述的耐高温粉末冶金摩擦材料，其中，按质量百分比计，该耐高温粉末冶金摩擦材料的原料组成包括：

镍包铜粉46-50％、铁粉18-28％、铬铁粉6-9％、二硫化钼6％、镍包石墨7-10％、碳化硅1-2％。

5.根据权利要求1-3任一项所述的耐高温粉末冶金摩擦材料，其中，按质量百分比计，该耐高温粉末冶金摩擦材料中镍包铜粉和镍包石墨的镀镍层原料组成还包括：锡20wt％-30wt％，优选为30wt％。

6.一种耐温闸片，其由权利要求1-5任一项所述的耐高温粉末冶金摩擦材料制成。

7.根据权利要求6所述的耐温闸片，其中，所述耐温闸片于350km/h-400km/h高速紧急制动下的磨耗量为0.25-0.35cm³/MJ。

8.根据权利要求6所述的耐温闸片的制备方法，其包括以下步骤：

(2)对所述混合物进行搅拌，优选地，搅拌速度为400-600r/min，搅拌时间为15-25min，更优选地，搅拌时间为20min；

(3)经过搅拌的混合物进行冷压成型得到压坯，优选地，压制压力为10-15MPa，保压时间为5-10s，更优选地，保压时间为10s；

(4)将压坯在保护气氛下进行烧结处理，得到所述耐温闸片，优选地，烧结温度为900-1000℃，保温时间为1-2h，烧结压力为1-2MPa，烧结在氮氢保护气氛下进行，更优选地，保温时间为2h。

9.根据权利要求8所述的耐温闸片的制备方法，其中，所述石蜡的黏度为120-180Pa·s，优选为150Pa·s；

优选地，按质量百分比计，所述石蜡的添加量为0.75-3wt％，优选为1.5wt％。

10.根据权利要求6所述的耐温闸片作为高速列车用耐温闸片的应用，优选地，所述高速列车是速度在350km/h-400km/h的高速动车组。