一种铜基粉末冶金闸片摩擦块及其制备方法
技术领域
本发明涉及高速列车用粉末冶金闸片技术领域，特别涉及一种铜基粉末冶金闸片摩擦块及其制备方法。
背景技术
随着时代的发展，高速列车的速度越来越高，列车的高速度为人们出行提供了便捷，但是列车的安全性也越来越受到人们的重视，高速下列车能否安全平稳的制动停车，是决定列车安全性的重要因素。制动闸片作为制动系统中关键部件之一，其质量的好坏对高速列车安全平稳制动停车起着极其重要的影响作用。
制动闸片中摩擦块为关键部件，传统的高速列车制动闸片摩擦块材料大多采用铁作为基体，而铁基粉末冶金制动闸片与对偶件(如铸铁或钢)具有亲和性，在使用过程中容易产生粘着胶合，摩擦系数波动较大，容易出现异常磨损。同时，因列车速度的不断提升，在制动过程中闸片更易出现界面结合强度不足、磨损量增加等问题，因而对闸片的关键部件摩擦块提出了更高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铜基粉末冶金闸片摩擦块及其制备方法。本发明提供的铜基粉末冶金闸片摩擦块具有高而稳定的摩擦系数、较高的剪切强度和较低的磨损量，可满足车速350km/h及以上高速列车的制动要求。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铜基粉末冶金闸片摩擦块，包括钢背和结合在所述钢背上的摩擦体；所述摩擦体由包括以下质量百分含量的原料制备得到：
优选地，所述铜粉的粒度＜80μm，锡粉的粒度＜80μm，铁粉的粒度＜150μm，石墨的粒度＜300μm，氮化硼的粒度＜80μm，高碳铬铁的粒度＜200μm。
本发明提供了以上技术方案所述的铜基粉末冶金闸片摩擦块的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜粉、锡粉、铁粉、石墨、氮化硼和高碳铬铁混合，得到摩擦体混合粉末；
(2)将所述摩擦体混合粉末和钢背进行压制，得到预成型块；
(3)将所述预成型块在还原气氛下进行加压烧结，得到铜基粉末冶金闸片摩擦块。
优选地，所述步骤(1)混合前还包括将所述铜粉、锡粉、铁粉、石墨、氮化硼和高碳铬铁分别进行烘干，所述烘干的温度为280～320℃，时间为1.5～2h。
优选地，所述步骤(1)中的混合在V形混料机中进行，所述V形混料机的筒体转速为25～30r/min，所述混合的时间为7～8h。
优选地，所述步骤(2)中压制的压力为450～600MPa。
优选地，所述步骤(3)中加压烧结的压力为2～3MPa，温度为850～980℃，时间为2.5～3.5h。
本发明提供了一种铜基粉末冶金闸片摩擦块，包括钢背和结合在所述钢背上的摩擦体；所述摩擦体由包括以下质量百分含量的原料制备得到：铜粉55～65％，锡粉3～10％，铁粉10～20％，石墨5～10％，氮化硼1～3％，高碳铬铁5～10％。本发明通过原料的选择及含量的控制，使提供的铜基粉末冶金闸片摩擦块具有高而稳定的摩擦系数，较高的剪切强度和较低的磨损量，可满足车速350km/h及以上高速列车的制动要求。实施例结果表明，与《动车组闸片暂行技术条件》中的规定相比，本发明提供的铜基粉末冶金闸片摩擦块平均摩擦系数均在0.35以上，磨损率至少降低了60％，粘结面剪切强度至少提高了110％，摩擦体剪切强度至少提高了79％。
本发明还提供了铜基粉末冶金闸片摩擦块的制备方法，本发明提供的制备方法操作简便，易于控制，可实现规模化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种铜基粉末冶金闸片摩擦块，包括钢背和结合在所述钢背上的摩擦体；所述摩擦体由包括以下质量百分含量的原料制备得到：
本发明所述的摩擦体包括铜粉55～65％，优选为60～65％。本发明将铜作为粉末冶金闸片摩擦块的基体，铜基粉末冶金材料具有良好的热平稳性及摩擦性能，制动过程中对制动盘的热影响小，与制动盘粘着倾向小，且磨合性好，同时铜作为基体能使材料具有较高的强度。
本发明所述的摩擦体包括锡粉3～10％，优选为5～8％。本发明所述的摩擦体包括铁粉10～20％，优选为15～18％。本发明将锡和铁作为基体强化组元，与基体形成金属固溶强化，起到提高基体强度和硬度的作用。
本发明所述的摩擦体包括石墨5～10％，优选为6～8％。本发明所述的摩擦体包括氮化硼1～3％，优选为1.5～2.5％。本发明将石墨和氮化硼作为润滑组元，保证摩擦系数的稳定性、提高材料抗粘接能力，尤其氮化硼作为摩擦材料的润滑组元更易与基体结合，并且在摩擦的过程中易形成润滑层，降低刻划及耕犁现象，与常用润滑组元二硫化钼相比，氮化硼在高温工况下具有更好的稳定性和更优良的润滑性能，可提高材料在高温情况下摩擦系数的稳定性。
本发明所述的摩擦体包括高碳铬铁5～10％，优选为6～8％。本发明将高碳铬铁作为摩擦组元，与基体发生机械与机械-溶解扩散结合，均匀的分布在基体中，起到提高材料摩擦系数、降低材料向对偶件转移的作用。
在本发明中，所述铜粉的粒度优选为＜80μm，更优选为＜60μm；所述锡粉的粒度优选为＜80μm，更优选为＜60μm；所述铁粉的粒度优选为＜150μm，更优选为＜120μm；所述石墨的粒度优选为＜300μm，更优选为＜250μm；所述氮化硼的粒度优选为＜80μm，更优选为＜60μm；所述高碳铬铁的粒度优选为＜200μm，更优选为＜180μm。本发明优选采用振动筛将所述铜粉、锡粉、铁粉、石墨、氮化硼和高碳铬铁的原料分别进行筛分，从而使各组分满足相应的粒度要求；本发明对所述铜粉、锡粉、铁粉、石墨、氮化硼和高碳铬铁的原料来源没有特别的要求，采用市售的各原料即可。
本发明通过原料的选择及含量的控制，使提供的铜基粉末冶金闸片摩擦块具有高而稳定的摩擦系数，较高的剪切强度和较低的磨损量，可满足车速350km/h及以上高速列车的制动要求。
本发明提供了以上技术方案所述的铜基粉末冶金闸片摩擦块的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜粉、锡粉、铁粉、石墨、氮化硼和高碳铬铁混合，得到摩擦体混合粉末；
(2)将所述摩擦体混合粉末和钢背进行压制，得到预成型块；
(3)将所述预成型块在还原气氛下进行加压烧结，得到铜基粉末冶金闸片摩擦块。
本发明优选在混合前将所述铜粉、锡粉、铁粉、石墨、氮化硼和高碳铬铁分别进行烘干，所述烘干的温度优选为280～320℃，时间优选为1.5～2h。本发明优选采用烘干机对各组分进行烘干处理，本发明对所述烘干机没有特别的要求，采用本领域熟知的烘干机即可。
本发明将铜粉、锡粉、铁粉、石墨、氮化硼和高碳铬铁混合，得到摩擦体混合粉末。在本发明中，所述混合优选在V形混料机中进行，所述V形混料机的筒体转速优选为25～30r/min，更优选为28r/min，所述混合的时间优选为7～8h，更优选为7.5h。本发明对所述V形混料机没有特别的要求，采用本领域熟知的V形混料机即可。
得到混合粉末后，本发明将所述摩擦体混合粉末和钢背进行压制，得到预成型块。本发明优选将所述摩擦体混合粉末和钢背放入到专用模具中，采用液压机对所述摩擦体混合粉末和钢背进行压制，所述压制的压力优选为450～600MPa，更优选为500～550MPa。本发明通过压制使摩擦体混合粉末形成摩擦体，并和钢背结合形成具有一定形状和尺寸的预成型块，本发明对所述预成型块的形状和尺寸没有特别的要求，根据需要设置即可。
压制后，本发明将所述预成型块在还原气氛下进行加压烧结，得到铜基粉末冶金闸片摩擦块。在本发明中，所述加压烧结的压力优选为2～3MPa，更优选为2.5MPa，温度优选为850～980℃，更优选为900～950℃，时间优选为2.5～3.5h，更优选为3h。本发明优选将所述预成型块放入烧结炉中进行加压烧结。本发明对所述烧结炉没有特别的要求，采用本领域熟知的烧结炉即可。本发明对所述还原气氛没有特别的要求，采用本领域熟知的还原气氛即可，如氢气等。本发明通过加压烧结，使摩擦体与钢背进一步发生冶金结合，并提高摩擦体的致密性。
本发明提供了铜基粉末冶金闸片摩擦块的制备方法，本发明提供的制备方法操作简便，易于控制，可实现规模化生产。
下面结合实施例对本发明提供的铜基粉末冶金闸片摩擦块及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种铜基粉末冶金闸片摩擦块的制备方法，其具体操作步骤如下：
(1)将原材料粉末置于振动筛中根据粉末粒度进行筛分处理，筛分后各原料的粒度分别为：Cu50μm，Sn45μm，Fe75μm，石墨180μm，氮化硼45μm，高碳铬铁150μm；将筛分后的粉末置于烘干机中进行烘干处理，烘干温度300℃，烘干时间2h；然后，将烘干后的粉末按照配方比例置于V型混料机中进行混合，筒体转速28r/min，混合时间8h，其各组分质量百分比为：Cu60％，Sn5％，Fe18％，石墨7％，氮化硼1％，高碳铬铁9％；
(2)将混合均匀的粉末和小钢背利用液压机压制成具有一定形状和尺寸的预成型块，压制压力为500MPa；
(3)将预成型块放入烧结炉中，在还原性气体保护下进行加压烧结，烧结温度为860℃，压力为2MPa，保温时间2.5h，得到铜基粉末冶金闸片摩擦块。
按照《动车组闸片暂行技术条件》(TJ/CL 307-2014)的方法对铜基粉末冶金闸片摩擦块进行性能检测，测试结果：平均摩擦系数0.36，磨损率0.11cm3/MJ，粘接面剪切强度15.8MPa，摩擦体剪切强度11.02MPa。
实施例2
一种铜基粉末冶金闸片摩擦块的制备方法，其具体操作步骤如下：
(1)将原材料粉末置于振动筛中根据粉末粒度进行筛分处理，筛分后各原料的粒度分别为：Cu50μm，Sn45μm，Fe75μm，石墨180μm，氮化硼45μm，高碳铬铁150μm；将筛分后的粉末置于烘干机中进行烘干处理，烘干温度300℃，烘干时间2h；然后，将烘干后的粉末按照配方比例置于V型混料机中进行混合，筒体转速28r/min，混合时间8h，其各组分质量百分比为：Cu55％，Sn8％，Fe20％，石墨9％，氮化硼2％，高碳铬铁6％；
(2)将混合均匀的粉末和小钢背利用液压机压制成具有一定形状和尺寸的预成型块，压制压力为550MPa；
(3)将预成型块放入烧结炉中，在还原性气体保护下进行加压烧结，烧结温度为950℃，压力为3MPa，保温时间3h，得到铜基粉末冶金闸片摩擦块。
按照《动车组闸片暂行技术条件》(TJ/CL 307-2014)的方法对铜基粉末冶金闸片摩擦块进行性能检测，测试结果：平均摩擦系数0.38，磨损率0.12cm3/MJ，粘接面剪切强度16.5MPa，摩擦体剪切强度12.13MPa。
实施例3
一种铜基粉末冶金闸片摩擦块的制备方法，其具体操作步骤如下：
(1)将原材料粉末置于振动筛中根据粉末粒度进行筛分处理，筛分后各原料的粒度分别为：Cu50μm，Sn45μm，Fe75μm，石墨180μm，氮化硼45μm，高碳铬铁150μm；将筛分后的粉末置于烘干机中进行烘干处理，烘干温度300℃，烘干时间2h；然后，将烘干后的粉末按照配方比例置于V型混料机中进行混合，筒体转速28r/min，混合时间7h，其各组分质量百分比为：Cu57％，Sn6％，Fe20％，石墨7％，氮化硼3％，高碳铬铁7％；
(2)将混合均匀的粉末和小钢背利用液压机压制成具有一定形状和尺寸的预成型块，压制压力为550MPa；
(3)将预成型块放入烧结炉中，在还原性气体保护下进行加压烧结，烧结温度为900℃，压力为2MPa，保温时间3h，得到铜基粉末冶金闸片摩擦块。
按照《动车组闸片暂行技术条件》(TJ/CL 307-2014)的方法对铜基粉末冶金闸片摩擦块进行性能检测，测试结果：平均摩擦系数0.375，磨损率0.11cm3/MJ，粘接面剪切强度16.0MPa，摩擦体剪切强度11.50MPa。
《动车组闸片暂行技术条件》中规定：粉末冶金闸片材料摩擦体剪切强度≥6MPa，粘接面剪切强度≥7MPa，磨耗量不应超过0.35cm3/MJ，运行速度350km/h的动车组闸片平均摩擦系数为0.27～0.41。
通过以上实施例可以看出，与《动车组闸片暂行技术条件》中的要求相比，本发明提供的铜基粉末冶金闸片摩擦块平均摩擦系数均在0.35以上，磨损率至少降低了60％，粘结面剪切强度至少提高了110％，摩擦体剪切强度至少提高了79％，可满足车速350km/h及以上高速列车的制动要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
