本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种具有高摩擦系数的制动闸片及其制备方法。
背景技术：
摩擦材料是生产各种机械设备的制动器、离合器和摩擦传动装置所不可缺少的材料之一，其利用摩擦力将运动物体的动能转化为热能散发至空气中，从而使物体减速或停止运动。自从车辆问世以来就开始了摩擦材料的研究，尤其在近20年来，随着运输事业的蓬勃发展，对于摩擦材料的研发也越来越深入，涌现出了许多新型的摩擦材料，如铸铁、青铜、高分子合成材料、粉末冶金材料、碳/碳复合材料等，其中，高分子合成材料和粉末冶金材料是目前用于生产铁路列车制动闸片的主流材料。
随着铁路客货运输量的迅速增加，铁路运输的高速化已成为必然发展趋势，在200～250km/h的动车组领域可以采用高分子合成材料作为制动材料，如CRH1拖车制动闸片，但在更高速度的列车制动领域，高分子合成材料因其强度低、耐热性差、热衰严重，不能适用于300km/h以上高速列车的制动要求，而粉末冶金材料通过优化配方和工艺，可以达到强度高、导热性好、摩擦性能稳定等效果，因此是一种较为理想的高速列车闸片用制动材料。
粉末冶金闸片主要分为铁基和铜基两大类，由于铁基粉末冶金闸片的硬度和强度较高，同时又与其对偶部件(车轮或制动盘)含有较多同种金属--铁，导致相溶性好，使得闸片与车轮或制动盘对磨时产生局部高温，接触面发生粘着及粘着磨损，从而造成铁基粉末冶金闸片的对偶部件的表面常常会出现热裂纹和较深的磨痕。鉴于此，越来越多的研究致力于铜基粉末冶金闸片的开发，现有技术通常在铜基粉末冶金材料体系中添加金属锡形成Cu-Sn合金以强化基体，例如，中国专利文献CN101602105B公开了一种铜基粉末冶金制动闸片材料，由如下原料制成：机械合金粉Cu-Sn：10～80％、机械活化粉Ti-C：1.25～15％、Ni：0～10％、Cr：0～12％、Al2O3：2～8％、石墨：7.75～23％。上述配方以铜为主，不含铁粉，但由于锡是低熔点(231.86℃)金属，制动表面的瞬间摩擦高温足以使其软化甚至融化，一样会产生粘着和粘着磨损现象，致使上述闸片材料在列车高速制动情况下摩擦系数波动较大，且随着服役时间的推移，材料的强度和摩擦性能都将急剧衰减，与全新状态相比磨损状态下的摩擦系数会大幅降低、磨耗量增加，导致上述制动闸片不能有效制动。
因此，如何对现有的铜基粉末冶金材料的配方及加工工艺进行改进以克服上述不足，是本领域技术人员亟待解决的一大技术难题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有的铜基粉末冶金闸片在用于列车高速制动时所存在的摩擦系数衰减明显、磨耗量大的问题，进而提供一种摩擦性能稳定且耐磨损的具有高摩擦系数的制动闸片及其制备方法。
为此，本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种具有高摩擦系数的制动闸片，包括以下原料组分：
铜源，52-62重量份；
共析钢研磨粉，8-12重量份；
镀铜石墨粉，6-15重量份；
硫化亚铁，2-6重量份；
镍源，3-8重量份；
二氧化硅，4-6重量份；
氧化钼，6-12重量份。
优选地，所述具有高摩擦系数的制动闸片包括以下原料组分：
铜源，55-60重量份；
共析钢研磨粉，9-11重量份；
镀铜石墨粉，7-13重量份；
硫化亚铁，3-5重量份；
镍源，4-6重量份；
二氧化硅，5-6重量份；
氧化钼，8-11重量份。
所述铜源为电解铜粉、还原铜粉或水雾化铜粉中的一种或几种。
所述共析钢研磨粉是由共析钢研磨至粒径为200-300目所得到的。
所述镍源为电解镍粉、还原镍粉或水雾化镍粉中的一种或几种。
一种制备上述制动闸片的方法，包括以下步骤：
(1)按照上述重量份称取各原料组分并充分混合，得混合料；
(2)将步骤(1)中的混合料压制成型，得坯体；
(3)对步骤(2)中的坯体进行热压烧结，经等温冷却后即制得所述高摩擦系数制动闸片。
步骤(2)中，所述压制成型的压力为15-25Mpa，时间为10-20s。
步骤(3)中，所述热压烧结的具体操作为：采用热压机将所述坯体加热至800-860℃，并保温0.2-0.5h。
步骤(3)中，所述等温冷却的具体操作为：以5-30℃/min的速率冷却到500℃后，保温30min,再空冷至室温。
本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、本发明所述的具有高摩擦系数的制动闸片，其原料配方中包括以下组分：铜源、共析钢研磨粉、镀铜石墨粉、硫化亚铁、镍源、二氧化硅和氧化钼，通过上述各组分间的合理配比，可以制得具有高摩擦系数的制动闸片，且其在列车高速制动情况下的摩擦系数波动小、磨耗量低，摩擦性能十分稳定，能够满足高速列车的制动要求，有效克服了现有的铜基粉末冶金闸片在用于列车高速制动时所存在的摩擦系数衰减明显、磨耗量大的问题。
2、本发明所述的制动闸片的制备方法是将各原料组分充分混合后压制成型，所得坯体经热压烧结、等温冷却后即可制得本发明的制动闸片，本发明的上述制备方法通过严格控制加热温度及适当的等温冷却处理，使得生产出的材料的密度大幅提高，且材料的组织和结构也更加稳定，能够适用于高速列车制动时产生的高温条件，同时在使用过程中始终具有稳定的高摩擦系数和低磨耗，使得由本发明所述方法制得的制动闸片在高速制动情况下具有摩擦系数高、磨损小、摩擦性能稳定、使用寿命长等优点。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。以下实施例中，1重量份代表1g。
实施例1
本实施例所述的具有高摩擦系数的制动闸片，包括以下原料组分：
电解铜粉，52重量份；
粒径为200目的共析钢研磨粉，12重量份；
镀铜石墨粉，7重量份；
硫化亚铁，5重量份；
电解镍粉，6重量份；
二氧化硅，4重量份；
氧化钼，8重量份。
本实施例所述的制动闸片由如下方法制备：
(1)按照上述重量份称取各原料组分并置于球磨机中进行充分混合4h，得到混合料；
(2)将步骤(1)中的混合料装填至模具中，在15MPa的压力下保压20s即可压制成型得到坯体；
(3)采用热压机将步骤(2)中的坯体直接加热至860℃，并保温0.2h，而后以25℃/min的速率冷却到500℃，并保温30min,再空冷至室温，即制得所述制动闸片，记为闸片A。
实施例2
本实施例所述的具有高摩擦系数的制动闸片，包括以下原料组分：
还原铜粉，62重量份；
粒径为300目的共析钢研磨粉，8重量份；
镀铜石墨粉，13重量份；
硫化亚铁，2重量份；
电解镍粉，8重量份；
二氧化硅，6重量份；
氧化钼，6重量份。
本实施例所述的制动闸片由如下方法制备：
(1)按照上述重量份称取各原料组分并置于球磨机中进行充分混合4h，得到混合料；
(2)将步骤(1)中的混合料装填至模具中，在20MPa的压力下保压15s即可压制成型得到坯体；
(3)采用热压机将步骤(2)中的坯体直接加热至800℃，并保温0.5h，而后以5℃/min的速率冷却到500℃，并保温30min,再空冷至室温，即制得所述制动闸片，记为闸片B。
实施例3
本实施例所述的具有高摩擦系数的制动闸片，包括以下原料组分：
水雾化铜粉，57重量份；
粒径为250目的共析钢研磨粉，11重量份；
镀铜石墨粉，15重量份；
硫化亚铁，6重量份；
还原镍粉，3重量份；
二氧化硅，5重量份；
氧化钼，12重量份。
本实施例所述的制动闸片由如下方法制备：
(1)按照上述重量份称取各原料组分并置于球磨机中进行充分混合4h，得到混合料；
(2)将步骤(1)中的混合料装填至模具中，在25MPa的压力下保压10s即可压制成型得到坯体；
(3)采用热压机将步骤(2)中的坯体直接加热至860℃，并保温0.35h，而后以30℃/min的速率冷却到500℃，并保温30min,再空冷至室温，即制得所述制动闸片，记为闸片C。
实施例4
本实施例所述的具有高摩擦系数的制动闸片，包括以下原料组分：
电解铜粉，55重量份；
粒径为280目的共析钢研磨粉，9重量份；
镀铜石墨粉，6重量份；
硫化亚铁，4重量份；
水雾化镍粉，4重量份；
二氧化硅，5重量份；
氧化钼，11重量份。
本实施例所述的制动闸片由如下方法制备：
(1)按照上述重量份称取各原料组分并置于球磨机中进行充分混合4h，得到混合料；
(2)将步骤(1)中的混合料装填至模具中，在18MPa的压力下保压20s即可压制成型得到坯体；
(3)采用热压机将步骤(2)中的坯体直接加热至850℃，并保温0.2h，而后以17.5℃/min的速率冷却到500℃，并保温30min,再空冷至室温，即制得所述制动闸片，记为闸片D。
实施例5
本实施例所述的具有高摩擦系数的制动闸片，包括以下原料组分：
还原铜粉，60重量份；
粒径为220目的共析钢研磨粉，10重量份；
镀铜石墨粉，10.5重量份；
硫化亚铁，3重量份；
电解镍粉，5.5重量份；
二氧化硅，4重量份；
氧化钼，9重量份。
本实施例所述的制动闸片由如下方法制备：
(1)按照上述重量份称取各原料组分并置于球磨机中进行充分混合4h，得到混合料；
(2)将步骤(1)中的混合料装填至模具中，在22MPa的压力下保压15s即可压制成型得到坯体；
(3)采用热压机将步骤(2)中的坯体直接加热至830℃，并保温0.4h，而后以10℃/min的速率冷却到500℃，并保温30min,再空冷至室温，即制得所述制动闸片，记为闸片E。
对比例1
本对比例提供的金属基粉末冶金制动闸片F，其配方与实施例5相同，但该闸片F的制备方法如下：
(1)按照实施例5中所述的重量份称取各原料组分并置于球磨机中进行充分混合4h，得到混合料；
(2)将步骤(1)中的混合料装填至模具中，在22MPa的压力下保压15s即可压制成型得到坯体；
(3)采用热压机将步骤(2)中的坯体直接加热至1000℃，并保温0.2h，而后以10℃/min的速率冷却到500℃，并保温30min,再空冷至室温，即制得所述制动闸片F。
对比例2
本对比例提供的金属基粉末冶金制动闸片G，其配方与实施例5相同，但该闸片G的制备方法如下：
(1)按照实施例5中所述的重量份称取各原料组分并置于球磨机中进行充分混合4h，得到混合料；
(2)将步骤(1)中的混合料装填至模具中，在22MPa的压力下保压15s即可压制成型得到坯体；
(3)采用热压机将步骤(2)中的坯体直接加热至830℃，并保温0.2h，而后空冷至室温，即制得所述制动闸片G。
实验例
采用西安顺通机电应用技术研究所研制的TM-I型轨道列车作为制动闸片摩擦性能测试的缩比试验台仪器，对本发明实施例1-5和对比例1-2制得的制动闸片A-G进行模拟制动试验，具体实验参数如表1所示：
表1模拟制动试验的实验参数
根据上述测试方法，检测得到各制动闸片的平均摩擦系数和磨耗如表2所示。
表2制动闸片A-G的摩擦性能测试结果
从表2可以看出，制动闸片A-E在时速300-350km/h制动时的平均摩擦系数始终高于0.421，且摩擦系数稳定，在0-350km/h整个运动过程中的平均磨耗低于0.26cm3/MJ，而在相同条件下制动闸片F-G的摩擦系数较小(不超过0.375)，且在使用过程中摩擦系数不稳定、波动较大，磨耗高达0.38cm3/MJ，这充分说明了本发明的制动闸片不仅具有较高的摩擦系数，且在高速制动时摩擦系数波动小、磨耗量低，摩擦性能非常稳定，能够满足高速列车的制动要求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。