一种摩擦体及其制备方法、制动闸片
技术领域
本发明涉及摩擦体材料技术领域，尤其涉及一种用于制动闸片的摩擦体及其制备方法、制动闸片。
背景技术
闸片是组成列车制动装置的重要部件之一，目前高速列车的制动主要采用粉末冶金闸片进行制动。因具有价格低廉、原料来源广泛的优点，铜铁基粉末冶金制动闸片被普遍应用。
列车在制动时，制动闸片将动能转化为热能并散发到空气中达到制动目的，但是铜铁基粉末冶金制动闸片存在易热裂、耐磨性差，同时由于铜铁基粉末冶金制动闸片的质量大，使得列车的耗能也不断增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摩擦体及其制备方法、制动闸片，以提高制动闸片中摩擦体的热稳定性、耐高温性以及耐磨性，降低摩擦体的质量，减少列车的耗能。
为了实现上述目的，本发明提供一种摩擦体。该摩擦体包括铝基复合体以及形成在所述铝基复合体表面的表面涂层，所述铝基复合体为TaC增强Al-Si-Mn-Cr铝基摩擦体；以所述铝基复合体的质量百分比计，所述铝基复合体包括10％～20％的硅、2％～6％的锰、4％～8％的铬、5％～15％的碳化钽，其余为铝。
与现有技术相比，本发明提供的摩擦体中，硅可以抑制热膨胀、改善耐磨性。经发明人实验研究，当硅的质量百分比小于10％时，硅所起到的固溶强化效果有限；而当硅的质量百分比大于20％时，会引发晶格过渡畸变，因此，将硅的质量百分比定为10％～20％。锰可以细化晶粒、提高高温强度，当锰的质量百分比小于2％时，对铝基复合体的强化作用有限；当锰的质量百分比大于6％时，会形成过量Al6Mn弥散相，因此，将锰的质量百分比定为2％～6％。铬可以改善应力腐蚀开裂敏感性，当铬的质量百分比小于4％时，对提高铝基复合体的耐磨性效果不明显；当铬的质量百分比大于8％时，会增加淬火敏感性，因此将铬的质量百分比定为4％～8％。碳化钽可通过钉扎位错移动的作用提高铝基复合体的强度，经过多次试验将碳化钽的质量百分比定为5％～15％。由此可见，本发明提供的摩擦体中通过硅、锰、铬合金元素以及碳化钽强化颗粒的协同效应，并可通过固溶强化和沉淀强化作用，提高铝基复合体的热稳定性和高温强度，同时改善铝基复合体的耐磨性。
另外，现有制动闸片包括摩擦体、骨架、卡簧和钢背等零件组装。经过研究发现，对簧下部件减重后的节能效果是相当于簧上部件减重后节能效果的8-11倍，而制动闸片属于簧下部件，且本发明实施例提供的摩擦体包括铝基复合体，相对于现有铜铁基制动闸片重量轻，因此可减少列车的耗能。
本发明还提供了一种摩擦体的制备方法，所述摩擦体的制备方法包括：
以铝、硅、锰、铬以及碳化钽为原料，采用粉末冶金方法制备铝基复合体；在所述铝基复合体的表面形成表面涂层。
与现有技术相比，本发明提供的摩擦体的制备方法的有益效果与上述技术方案所述摩擦体的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明还提供了一种制动闸片，所述制动闸片包括上述技术方案所述的摩擦体。
与现有技术相比，本发明提供的制动闸片的有益效果与上述技术方案所述摩擦体的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例四中摩擦体与纯铝合金力学性能对比图；
图2为本发明实施例四中摩擦体表面W/Mo表面涂层形貌图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
伴随着中国高铁动车技术的飞速发展，高速列车的运行时速也在不断提升，制动负荷越来越大，对制动领域的系统性能要求也相应提高。
闸片是组成列车制动装置的重要部件之一，目前高速列车的制动主要采用的是粉末冶金闸片进行制动。列车在制动时，直接影响到列车的运行安全。在制动时，闸片将动能转化为热能并散发到空气中，因此闸片摩擦材料要有较好的摩擦磨损性能。
粉末冶金闸片主要由摩擦体、骨架、卡簧和钢背等零件组装而成。铜铁基粉末冶金制动闸片由于其价格低廉、原料来源广泛而被普遍应用。但铜铁基制动闸片存在易热裂、耐磨性差等问题，难以满足高性能高速列车发展的要求，同时制动闸片的质量大，使得列车的耗能也不断增加。经过研究发现，对簧下部件减重后的节能效果是相当于簧上部件减重后节能效果的8倍-11倍，而制动闸片属于簧下部件，因此，摩擦性好、耐热性优良以及强度高且质量轻的制动闸片具有广阔的市场前景。
实施例一
本发明实施例提供了一种摩擦体。该摩擦体包括铝基复合体以及形成在铝基复合体表面的表面涂层。铝基复合体为TaC增强Al-Si-Mn-Cr铝基摩擦体；以铝基复合体的质量百分比计，铝基复合体包括10％～20％的硅、2％～6％的锰、4％～8％的铬、5％～15％的碳化钽，其余为铝。制备摩擦体时，可使用粉末冶金方法将铝、硅、锰、铬以及碳化钽制备为铝基复合体。可使用激光熔覆方法在铝基复合体表面制备表面涂层。
本发明实施例提供的摩擦体中，硅可以抑制热膨胀、改善耐磨性。经发明人实验研究，当硅的质量百分比小于10％时，硅所起到的固溶强化效果有限；而当硅的质量百分比大于20％时，会引发晶格过渡畸变，因此将硅的质量百分比定为10％～20％。锰可以细化晶粒、提高高温强度，当锰的质量百分比小于2％时，对铝基复合体的强化作用有限；当锰的质量百分比大于6％时，会形成过量Al6Mn弥散相，因此将锰的质量百分比定为2％～6％。铬可以改善应力腐蚀开裂敏感性，当铬的质量百分比小于4％时，对提高铝基复合体的耐磨性效果不明显；当铬的质量百分比大于8％时，会增加淬火敏感性，因此将铬的质量百分比定为4％～8％。碳化钽可通过钉扎位错移动的作用提高铝基复合体的强度，经过多次试验将碳化钽的质量百分比定为5％～15％。由此可见，本发明实施例提供的摩擦体中通过硅、锰、铬合金元素以及碳化钽强化颗粒的协同效应，并可通过固溶强化和沉淀强化作用，提高铝基复合体的热稳定性和高温强度，同时改善铝基复合体的耐磨性。
现有制动闸片包括摩擦体、骨架、卡簧和钢背等零件组装。经过研究发现，对列车的簧下部件减重后的节能效果是相当于列车的簧上部件减重后节能效果的8-11倍，而制动闸片属于簧下部件，且本发明实施例提供的摩擦体包括铝基复合体，相对于现有铜铁基制动闸片重量轻，因此可减少列车的耗能。
在铝、硅、锰、铬以及碳化钽制备成铝基复合体过程中，铝、锰以及铬形成铝锰铬金属间化合物，碳化钽以增强相的形式弥散在铝基复合体内。通过硅、锰、铬合金元素以及碳化钽强化颗粒的协同效应，在铝基复合体中固溶了硅元素，并形成了硅锰铬金属间化合物以及弥散分布的碳化钽增强相，达到了固溶强化和析出强化的效果，提高了铝基复合体的高温强度和耐磨性能。
当铬的质量百分比小于锰的质量百分比时，铝锰铬金属间化合物为Al-Mn-(Cr)。当锰的质量百分比小于铬的质量百分比时，铝锰铬金属间化合物为Al-Cr-(Mn)。Al-Mn-(Cr)中铬元素含量较少，Al-Cr-(Mn)中锰元素含量较少。Al-Mn-(Cr)和Al-Cr-(Mn)仅元素含量不同，表示不定比例的相，因此，Al-Mn-(Cr)和Al-Cr-(Mn)性能几乎相同，使制备的铝基复合体性能相差不大。
本发明实施例为了保证铝、硅、锰、铬以及碳化钽更好地制备成铝基复合体，制备铝基复合体时，硅、锰、铬和铝的粒度均为40目-160目，碳化钽的粒度为160目-400目。
本发明实施例提供的摩擦体中，硅可以抑制热膨胀、改善耐磨性。经发明人实验研究，当硅的质量百分比小于10％时，硅所起到的固溶强化效果有限；而当硅的质量百分比大于20％时，会引发晶格过渡畸变，因此将硅的质量百分比优选为12％～18％。锰可以细化晶粒、提高高温强度，当锰的质量百分比小于2％时，对铝基复合体的强化作用有限；当锰的质量百分比大于6％时，会形成过量Al6Mn弥散相，因此将锰的质量百分比优选为3％～5％。铬可以改善应力腐蚀开裂敏感性，当铬的质量百分比小于4％时，对提高铝基复合体的耐磨性效果不明显；当铬的质量百分比大于8％时，会增加淬火敏感性，因此将铬的质量百分比优选为5％～7％。碳化钽可通过钉扎位错移动的作用提高铝基复合体的强度，经过多次试验将碳化钽的质量百分比优选为5％～15％。从而更好地保证硅、锰、铬合金元素以及碳化钽强化颗粒的协同效应，并可通过固溶强化和沉淀强化作用，提高铝基复合体的热稳定性和高温强度，同时改善铝基复合体的耐磨性，使摩擦体具备最佳的性能。
本发明实施例为了保证铝、硅、锰、铬以及碳化钽更好地制备成铝基复合体。制备铝基复合体时，硅、锰、铬和铝的粒度优选为70目-120目，碳化钽的粒度优选为200目-300目。
在一些可能的实现方式中，为进一步提高摩擦体的表面强度和耐磨性能，本发明实施例提供的表面涂层含有钨和钼。表面涂层的厚度为2μm～8μm。钨和钼作为耐磨高温金属，并且W/Mo表面涂层设在铝基复合体表面，可进一步提高摩擦体的高温耐磨性能。经测试发现，当W/Mo表面涂层设铝基复合体表面时，摩擦体表面硬度为90HBW～180HBW，屈服强度为90Mpa～160Mpa，抗拉强度为180Mpa～310Mpa，表面摩擦系数为0.12～0.35。
W/Mo表面涂层中的钨和钼质量比经过多次试验尝试，得到了可以达到预期效果的比例，即钨和钼的质量比为(1～3)：(3～1)，优选为(1～2)：(2～1)。
实施例二
本发明实施例还提供了一种摩擦体的制备方法。该摩擦体的制备方法包括以铝、硅、锰、铬以及碳化钽为原料，采用粉末冶金方法制备铝基复合体。
以铝、硅、锰、铬以及碳化钽为原料，采用粉末冶金方法制备铝基复合体包括：
采用混料机以360°交变翻转方式将硅、锰、铬、铝以及碳化钽混合均匀，获得预混料。
采用球磨机将预混料进行细化破碎，获得第一混合料。
在60MPa～80MPa下，于350℃～550℃将第一混合料热等静压烧结2h～4h，获得第一预制体。
将第一预制体在120℃～280℃进行退火6h～12h，获得铝基复合体。
与现有技术相比，本发明实施例提供的摩擦体的制备方法的有益效果与上述摩擦体的有益效果相同，在此不做赘述。
在一些可能的实现方式中，以铝、硅、锰、铬以及碳化钽为原料，采用粉末冶金方法制备铝基复合体后，摩擦体的制备方法还包括：
以钨和钼为原料，采用激光熔覆方法在铝基复合体表面制备表面涂层。
以钨和钼为原料，采用激光熔覆方法在铝基复合体表面制备表面涂层包括：
采用混料机将钨和钼混合均匀，获得第二混合料。
将铝基复合体预热至100℃～200℃，采用激光熔覆方式将第二混合料激光熔覆在预热后的铝基复合体表面，获得第二预制体；激光熔覆方式为同步工作模式，激光光斑直径为0.1mm～0.5mm，激光功率为1kW～5kW，激光熔覆速度为5mm/min～20mm/min。
将第二预制体在180℃～220℃退火30min～60min，获得摩擦体。
实施例三
本发明实施例还提供了一种制动闸片，制动闸片中摩擦体的材料为上述实施例一的摩擦体。
与现有技术相比，本发明实施例提供的制动闸片的有益效果与上述实施例一摩擦体的有益效果相同，在此不再赘述。
实施例四
本发明实施例提供了一种摩擦体的制备方法。该摩擦体的制备方法包括以下步骤：
第一步：采用粉末冶金方法制备铝基复合体
选用高纯铝粉、硅粉、锰粉、铬粉以及碳化钽颗粒，在在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量百分比称取14％的硅、4％的锰、5％的铬、9％的碳化钽，其余为铝。硅、锰、铬和铝的粒度为100目。该碳化钽的粒度为280目。
采用混料机以360°交变翻转方式，混合20min，转速30r/min，将硅、锰、铬、铝以及碳化钽混合均匀，获得预混料。
将预混料放入卧式球磨机中进行细化破碎，以公称直径0.7mm的钢球作为研磨介质，球料比为1.3，转速900r/min，球磨时间1.5h，获得第一混合料。
在70MPa下，于450℃将第一混合料热等静压烧结3h，获得第一预制体。
将第一预制体在200℃进行退火9h，获得铝基复合体。
第二步：采用激光熔覆方法制备W/Mo表面涂层
将第一步制备的铝基复合体分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除铝基复合体表面的杂质。然后利用Al2O3悬浮液浸润的尼龙布对铝基复合体的表面进行抛光。随后将铝基复合体在无水乙醇中超声清洗，最后冷风晾干。
选用高纯钨粉和钼粉，将钨粉和钼粉在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量比称重配比，钨粉和钼粉的质量比为1：1，并将钨粉和钼粉混合均匀，获得第二混合料。
将第二混合料放入激光熔覆设备的送粉机构中，将冷风晾干后的铝基复合体预热至150℃，采用激光熔覆方式将第二混合料激光熔覆在预热后的铝基复合体表面，获得第二预制体。激光熔覆方式为同步工作模式，激光光斑直径为0.3mm，激光功率为3kW，激光熔覆速度为12mm/min，送粉速度根据熔覆速度而定。
将第二预制体在200℃退火45min，空冷得到摩擦体。
对实施例四制得的试样进行结构分析和性能检测：
(A)合金化、热处理对力学性能的影响：
依据GB/T 16865-2013，采用拉伸试验测试材料的力学性能，温度25℃，应变速率0.5mm/min。由图1可见，实施例四制得的TaC增强Al-Si-Mn-Cr铝基摩擦体，抗拉强度为290MPa，而纯铝的抗拉强度仅为100MPa，由此可知，Al、Si、Mn、Cr合金元素和TaC颗粒增强相显著提高了摩擦体的力学性能。
(B)W/Mo表面涂层形貌：
采用扫描电镜对W/Mo表面涂层微观形貌进行观察。由图2可见，实施例四制得的W/Mo表面涂层厚度为3μm，涂层整体均匀致密，未发现微裂纹和孔洞，进一步提高了摩擦体的高温耐磨性能。
实施例五
本发明实施例提供了一种摩擦体的制备方法。该摩擦体的制备方法包括以下步骤：
第一步：采用粉末冶金方法制备铝基复合体
选用高纯铝粉、硅粉、锰粉、铬粉以及碳化钽颗粒，在在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量百分比称取16％的硅、5％的锰、6％的铬、11％的碳化钽，其余为铝。硅、锰、铬和铝的粒度为70目，碳化钽的粒度为200目。
采用混料机以360°交变翻转方式，混合30min，转速30r/min，将硅、锰、铬、铝以及碳化钽混合均匀，获得预混料。
将预混料放入卧式球磨机中进行细化破碎，以公称直径0.7mm的钢球作为研磨介质，球料比为1.8，转速1200r/min，球磨时间2h，获得第一混合料。
在80MPa下，于510℃将第一混合料热等静压烧结4h，获得第一预制体。
将第一预制体在200℃进行退火12h，获得铝基复合体。
第二步：采用激光熔覆方法制备W/Mo表面涂层
将第一步制备的铝基复合体分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除铝基复合体表面的杂质。然后利用Al2O3悬浮液浸润的尼龙布对铝基复合体的表面进行抛光。随后将铝基复合体在无水乙醇中超声清洗，最后冷风晾干。
选用高纯钨粉和钼粉，将钨粉和钼粉在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量比称重配比，钨粉和钼粉的质量比为1.5：1，并将钨粉和钼粉混合均匀，获得第二混合料。
将第二混合料放入激光熔覆设备的送粉机构中，将冷风晾干后的铝基复合体预热至200℃，采用激光熔覆方式将第二混合料激光熔覆在预热后的铝基复合体表面，获得第二预制体。激光熔覆方式为同步工作模式，激光光斑直径为0.5mm，激光功率为4.5kW，激光熔覆速度为14mm/min，送粉速度根据熔覆速度而定。
将第二预制体在220℃退火45min，空冷得到摩擦体。
经性能检测，本实施例制得的摩擦体在热处理后，W/Mo表面涂层厚度为2μm，摩擦体抗拉强度为240MPa，与纯铝材料相比，强度提高了140MPa。
实施例六
本发明实施例提供了一种摩擦体的制备方法。该摩擦体的制备方法包括以下步骤：
第一步：采用粉末冶金方法制备铝基复合体
选用高纯铝粉、硅粉、锰粉、铬粉以及碳化钽颗粒，在在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量百分比称取10％的硅、2％的锰、4％的铬、5％的碳化钽，其余为铝。硅、锰、铬和铝的粒度为40目，碳化钽的粒度为160目。
采用混料机以360°交变翻转方式，混合10min，转速30r/min，将硅、锰、铬、铝以及碳化钽混合均匀，获得预混料。
将预混料放入卧式球磨机中进行细化破碎，以公称直径0.3mm的钢球作为研磨介质，球料比为0.6，转速600r/min，球磨时间1h，获得第一混合料。
在60MPa下，于350℃将第一混合料热等静压烧结2h，获得第一预制体。
将第一预制体在120℃进行退火6h，获得铝基复合体。
第二步：采用激光熔覆方法制备W/Mo表面涂层
将第一步制备的铝基复合体分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除铝基复合体表面的杂质。然后利用Al2O3悬浮液浸润的尼龙布对铝基复合体的表面进行抛光。随后将铝基复合体在无水乙醇中超声清洗，最后冷风晾干。
选用高纯钨粉和钼粉，将钨粉和钼粉在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量比称重配比，钨粉和钼粉的质量比为1：3，并将钨粉和钼粉混合均匀，获得第二混合料。
将第二混合料放入激光熔覆设备的送粉机构中，将冷风晾干后的铝基复合体预热至100℃，采用激光熔覆方式将第二混合料激光熔覆在预热后的铝基复合体表面，获得第二预制体。激光熔覆方式为同步工作模式，激光光斑直径为0.1mm，激光功率为1kW，激光熔覆速度为5mm/min，送粉速度根据熔覆速度而定。
将第二预制体在180℃退火30min，空冷得到摩擦体。
实施例七
本发明实施例提供了一种摩擦体的制备方法。该摩擦体的制备方法包括以下步骤：
第一步：采用粉末冶金方法制备铝基复合体
(1)选用高纯铝粉、硅粉、锰粉、铬粉以及碳化钽颗粒，在在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量百分比称取15％的硅、4％的锰、6％的铬、10％的碳化钽，其余为铝。硅、锰、铬和铝的粒度为100目，碳化钽的粒度为280目。
采用混料机以360°交变翻转方式，混合20min，转速30r/min，将硅、锰、铬、铝以及碳化钽混合均匀，获得预混料。
将预混料放入卧式球磨机中进行细化破碎，以公称直径0.7mm的钢球作为研磨介质，球料比为1.3，转速900r/min，球磨时间1.5h，获得第一混合料。
在70MPa下，于450℃将第一混合料热等静压烧结3h，第一预制体。
将第一预制体在200℃进行退火9h，获得铝基复合体。
第二步：采用激光熔覆方法制备W/Mo表面涂层
将第一步制备的铝基复合体分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除铝基复合体表面的杂质。然后利用Al2O3悬浮液浸润的尼龙布对铝基复合体的表面进行抛光。随后将铝基复合体在无水乙醇中超声清洗，最后冷风晾干。
选用高纯钨粉和钼粉，将钨粉和钼粉在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量比称重配比，钨粉和钼粉的质量比为1：1，并将钨粉和钼粉混合均匀，获得第二混合料。
将第二混合料放入激光熔覆设备的送粉机构中，将冷风晾干后的铝基复合体预热至150℃，采用激光熔覆方式将第二混合料激光熔覆在预热后的铝基复合体表面，获得第二预制体。激光熔覆方式为同步工作模式，激光光斑直径为0.3mm，激光功率为3kW，激光熔覆速度为12mm/min，送粉速度根据熔覆速度而定。
将第二预制体在200℃退火45min，空冷得到摩擦体。
实施例八
本发明实施例提供了一种摩擦体的制备方法。该摩擦体的制备方法包括以下步骤：
第一步：采用粉末冶金方法制备铝基复合体
选用高纯铝粉、硅粉、锰粉、铬粉以及碳化钽颗粒，在在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量百分比称取20％的硅、6％的锰、8％的铬、15％的碳化钽，其余为铝。硅、锰、铬和铝的粒度为160目，碳化钽的粒度为400目。
采用混料机以360°交变翻转方式，混合30min，转速30r/min，将硅、锰、铬、铝以及碳化钽混合均匀，获得预混料。
将预混料放入卧式球磨机中进行细化破碎，以公称直径1.2mm的钢球作为研磨介质，球料比为2.0，转速1200r/min，球磨时间2h，获得第一混合料。
在80MPa下，于550℃将第一混合料热等静压烧结4h，获得第一预制体。
将第一预制体在280℃进行退火12h，获得铝基复合体。
第二步：采用激光熔覆方法制备W/Mo表面涂层
将第一步制备的铝基复合体分别在500#、1000#、1500#和2000#水砂纸上进行打磨，去除铝基复合体表面的杂质。然后利用Al2O3悬浮液浸润的尼龙布对铝基复合体的表面进行抛光。随后将铝基复合体在无水乙醇中超声清洗，最后冷风晾干。
选用高纯钨粉和钼粉，将钨粉和钼粉在无水乙醇中超声清洗并烘干。按所需质量比称重配比，钨粉和钼粉的质量比为3：1，并将钨粉和钼粉混合均匀，获得第二混合料。
将第二混合料放入激光熔覆设备的送粉机构中，将冷风晾干后的铝基复合体预热至200℃，采用激光熔覆方式将第二混合料激光熔覆在预热后的铝基复合体表面，获得第二预制体。激光熔覆方式为同步工作模式，激光光斑直径为0.5mm，激光功率为5kW，激光熔覆速度为20mm/min，送粉速度根据熔覆速度而定。
将第二预制体在220℃退火60min，空冷得到摩擦体。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
