一种高性能粉末冶金制动闸片及其制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金工艺生产铁基高速列车制动闸片技术领域，特别提供了一种高性能粉末冶金制动闸片及其制备方法。
背景技术
铁基粉末冶金摩擦材料具有耐高温、承受载荷大，价格便宜等优点，因而被广泛地作为制动闸片材料应用于多种运载工具和工程机械上。然而在高速列车的制动领域，铁基制动闸片材料尚没有被广泛的应用，主要是因为高速列车的制动盘也为铁基材质。铁基的制动闸片与铁基的制动盘在高速下对磨时会产生严重的黏着磨损等现象，使得闸片材料的磨耗增加直至失效，因此目前与合金钢制动盘相匹配的闸片材料一般为铜基粉末冶金摩擦材料。随着高速列车轻量化以及高速化的要求，碳陶制动盘逐渐被认为是取代合金钢制动盘的材料之一，而铁基制动闸片则可以很好的匹配碳陶制动盘。
铁基制动闸片材料以铁为基体，添加多种组元经过粉末冶金的方法制备而成。专利CN108691935A“铁基摩擦材料”，通过添加铁，非碳质润滑剂的一种或多种润滑剂，以及含钼的化合物，含钨的化合物，硫化锌，含氟化物和金属的化合物，碱土金属磷酸盐、硫酸盐或这两者，一种或多种填料材料，较多的有机粘结剂并且其中不含石棉并且基本上没有铜来制备铁基摩擦材料。专利CN104399970A“一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”通过添加铁粉，铜粉，锰粉，石墨粉，碳化硅粉，二硫化钼粉，二氧化硅粉，三氧化二铝粉和沉淀硫酸钡粉来制备应用于低速下的铁基摩擦材料。专利CN106086718A“一种离合器铁基复合摩擦材料及其制备方法”利用灰铸铁粉或球墨铸铁粉，耐磨粉料，石墨粉及碳纤维制备离合器用铁基摩擦材料。这些都不能与碳陶盘匹配应用于高速列车的制动。虽然从原料上来看，铁基制动闸片的成本低廉，但是在烧结过程中所需的烧结温度一般在1000℃以上。在大规模生产的过程中，在烧结炉的投入、保养以及耗电上都会较大。如何降低烧结温度，从而降低生成成本也是生产企业能否盈利的关键所在。
针对上述情况，本发明提出了一种新型低温烧结、高致密度的铁基粉末冶金制动闸片。通过精确设计组元成分、调控含量以及最终热压烧结的方法，本发明能够在相对较低的烧结温度下制备出高致密，能与碳陶制动盘产生良好配合并在高速下实现较高并且稳定的摩擦系数以及较低的磨损量的高性能铁基粉末冶金制动闸片。
发明内容
本发明的目的在于设计并制备一种能在较低的温度烧结，并且具有高致密度的高速铁路列车制动用铁基粉末冶金闸片，通过控制成分设计以及制备工艺，使得该闸片易于大规模生产并且成本低廉。
一种高性能粉末冶金制动闸片，包括下面组分：
铁粉：50-70重量份，45-75μm；铜粉：5-15重量份，18-45μm；鳞片状石墨：5-15重量份，270-500μm；硫化亚铁粉：1-10重量份，45-75μm；碳化硅粉：2-10重量份，1-10μm；钴铬基合金粉：5-20重量份。
进一步地，上述所述的钴铬基合金粉为钴铬钼合金粉或钴铬钨合金粉。
进一步地，上述所述的钴铬基合金粉均采用气雾化制粉的方式制备，粉末粒度小于13μm。
进一步地，当所述的钴铬基合金粉为钴铬钼合金粉时，成分为Co-(20-35)wt.％Cr-(5-10)wt.％Mo-(1-5)wt.％B-(0-0.5)wt.％Ni-(0-1)wt.％Fe-(0-1)wt.％Mn-(0-0.5)wt.％C。
进一步地，当所述的钴铬基合金粉为钴铬钨合金粉时，成分为Co-(30-40)wt.％Cr-(15-20)wt.％W-(1-5)wt.％B-(1-5)wt.％Ni-(1-5)wt.％Fe-(1-5)wt.％V-(0-0.3)wt.％C。
一种如上所述高性能铁基粉末冶金闸片的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量称取上述原料粉末；
(2)粉末倒入双锥混料机中，并且同时加入无水乙醇。双锥混料筒不断回转使物料翻动，得到混合均匀的混合粉末；
(3)将混合均匀的粉末冷压成型；
(4)将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结；
(5)冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。
进一步地，步骤(2)中，乙醇的加入量为粉末总重量的0.5-1％，混料筒的转速为100-150转/分，混料时间为4-6个小时。
进一步地，步骤(3)中，压力为500-700MPa，保压时间80s-120s。
进一步地，步骤(4)中，烧结温度为800℃-900℃，气氛为氢氮混合气体，保温60-120min。烧结过程中，双向压力在3-5MPa之间以2Hz的频率发生正弦振荡。
原理解释与有益效果：
铁基制动闸片原料成本低廉，但是其内部含有众多的组元。为了使得铁粉以及其他组元粉末较好的烧结到一起形成致密的铁基制动闸片材料，制备时所用的烧结温度以及压力往往比较大。这就会加大设备的投入以及维护成本，并且增大耗电量。因此有必要降低闸片材料的烧结温度。
考虑到上面的因素，我们设计并制备了一种低温烧结、高致密的铁基粉末冶金制动闸片。其设计原理以及优势在于：(1)我们在铁基制动闸片中添加的为钴铬系合金，主要包括钴铬钼和钴铬钨合金粉末。其中，钴铬钼合金具有优良的耐磨耗性质以及耐腐蚀性能，并且在使用过程中具有耐疲劳性能好以及抗拉强度高的优点；钴铬钨则是一种具有高的硬度，能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金。这两种合金粉末的加入能够使得铁基制动闸片的耐磨性尤其是高温下的耐磨性以及摩擦系数稳定性得到提升；(2)采用气雾化方式制备的两种合金粉末形貌规则，并且选取的粉末粒径小。因此这样可以最大限度的减小因为加入的合金粉末硬度较高而对对偶造成的损伤；(3)在钴铬基合金粉末中引入了一定数量的硼。硼是一种降熔点元素，其添加可以确保在较低的烧结温度下液相的出现。因此在烧结保温的过程中，钴铬基合金表面出现液相并填充润湿基体铁粉以及钴铬基粉末之间的缝隙。在与基体铁粉接触的过程中，液相将部分基体铁粉熔化完成连接，然后通过等温凝固使液相消失，最终钴铬基合金粉末与基体铁粉烧结在一起。通过这种方式铁基闸片材料能够在较低的烧结温度下烧结致密并且使得钴铬基合金粉末与铁基体产生优异的界面结合；(4)利用振荡加压烧结，进一步提高闸片材料的致密度以及组织均匀性。
具体实施方式
实施例1：
1.一种高性能粉末冶金制动闸片，包括下面组分：
铁粉：53重量份；铜粉：10重量份；鳞片状石墨，13重量份；硫化亚铁粉：8重量份；碳化硅：6重量份；钴铬钼合金：10重量份；
2.先将上述原料粉末按照比例称取好后倒入双锥混料机中，并且同时加入粉末总重量的0.6％的无水乙醇。双锥混料筒不断回转使物料翻动，转速为110转/分，经过5个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；
3.将混合均匀的粉末冷压成型，压力为500MPa，保压时间100s；
4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至850℃，在氢氮混合气体中烧结，保温90min。烧结过程中，双向压力在3-5MPa之间以2Hz的频率发生正弦振荡；
5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。
实施例2：
1.一种高性能粉末冶金制动闸片，包括下面组分：
铁粉：58重量份；铜粉：6重量份；鳞片状石墨，10重量份；硫化亚铁粉：6重量份；碳化硅：5重量份；钴铬钼合金：15重量份；
2.先将上述原料粉末按照比例称取好后倒入双锥混料机中，并且同时加入粉末总重量的0.8％的无水乙醇。双锥混料筒不断回转使物料翻动，转速为120转/分，经过5个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；
3.将混合均匀的粉末冷压成型，压力为550MPa，保压时间100s；
4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至870℃，在氢氮混合气体中烧结，保温100min。烧结过程中，双向压力在3-5MPa之间以2Hz的频率发生正弦振荡；
5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。
实施例3：
1.一种高性能粉末冶金制动闸片，包括下面组分：
铁粉：62重量份；铜粉：12重量份；鳞片状石墨，7重量份；硫化亚铁粉：5重量份；碳化硅：3重量份；钴铬钼合金：11重量份；
2.先将上述原料粉末按照比例称取好后倒入双锥混料机中，并且同时加入粉末总重量的0.9％的无水乙醇。双锥混料筒不断回转使物料翻动，转速为130转/分，经过5个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；
3.将混合均匀的粉末冷压成型，压力为600MPa，保压时间100s；
4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至880℃，在氢氮混合气体中烧结，保温110min。烧结过程中，双向压力在3-5MPa之间以2Hz的频率发生正弦振荡；
5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。
实施例4：
1.一种高性能粉末冶金制动闸片，包括下面组分：
铁粉：67重量份；铜粉：7重量份；鳞片状石墨，7重量份；硫化亚铁粉：9重量份；碳化硅：3重量份；钴铬钼合金：7重量份；
2.先将上述原料粉末按照比例称取好后倒入双锥混料机中，并且同时加入粉末总重量的1％的无水乙醇。双锥混料筒不断回转使物料翻动，转速为140转/分，经过5个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；
3.将混合均匀的粉末冷压成型，压力为650MPa，保压时间100s；
4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至890℃，在氢氮混合气体中烧结，保温120min。烧结过程中，双向压力在3-5MPa之间以2Hz的频率发生正弦振荡；
5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。
上述四个实施例制备出来的材料的物理性能如表1：
表1上述各实施例1-4闸片的部分物理性能参数
在制动试验机上在350km/h下连续五次制动测得的摩擦系数及磨损量如下表2(机器型号：MM-3000，初始转速：7400r/min,转动惯量：0.4kg﹒m2,施加压力：0.48MPa)：
表2上述各实施例1-4闸片的平均摩擦系数及制动之后的总磨损量(cm3/MJ)
从上表1可以看出，在较低温度下烧结制备的铁基闸片材料体现出90％以上的致密度，从表2可以看出，在连续高速紧急制动的情况下，实施例1-4所制备的闸片材料的摩擦系数能够维持在0.38至0.41之间，具有高且稳定的摩擦系数。从总磨损量来看，根据中国铁路总公司的《TJ/CL304-2019》标准文件，运用于350km/h的铜基制动闸片材料的磨损量上限是0.35cm3/MJ。本发明实施例1-4制备铁基制动闸片的磨损量显著低于此规定，说明其较好的耐磨性。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对遇本领域的专业人士是容易想到的，这种变化应该属于本发明权利要求限定的范围。
