一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料的制作方法

本发明涉及高速列车闸片和粉末冶金技术领域，尤其涉及一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料。

背景技术：

根据国内需求，我国已研制出涵盖时速200～250km、300～350km的各型高速列车20余种，并依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和国家“十三五”发展规划，满足高速列车“走出去”的战略需求，正开展更高速度等级高速列车的技术研究。

目前，应用于高速列车闸片的摩擦材料主要有合成材料和粉末冶金材料。由于高速列车制动时，制动盘及闸片的温度高(瞬时可达1000℃)，合成摩擦材料在400℃以上温度将发生摩擦系数剧烈衰退现象，影响制动安全，无法满足高速列车高速高温制动要求。粉末冶金摩擦材料具有导热性好，耐热性好，抗热衰性能强，使用寿命长，对制动盘的磨耗小，摩擦性能稳定等特点，且不受雨雪等服役环境的影响，已被广泛应用于各国高速列车闸片。

根据国内铁路行业标准和UIC(国际铁路联盟)相关规定，对用于各速度等级高速列车的粉末冶金闸片摩擦材料提出了严格要求，主要体现于几方面：

①材料要求：摩擦材料不使用石棉、铅及其化合物；摩擦材料中Si元素含量不大于1％，且Al+Si元素的总含量不应超过1％，Cr+Zr+W元素含量总和不应超过10％。

②材料物理-机械性能要求：具体见表1

表1高速列车用粉末冶金闸片摩擦材料要求

③摩擦磨耗要求

不同速度等级的高速列车对闸片的摩擦磨耗要求不一致，所进行试验条件也不一致。

I、时速200～250km高速列车用粉末冶金闸片摩擦材料要求

摩擦材料的磨耗量不应超过0.35cm³/MJ；摩擦材料的静摩擦系数不小于0.35；摩擦材料的瞬时摩擦系数要求见图1。

II、时速300～350km及以上高速列车用粉末冶金闸片摩擦材料要求

摩擦材料的磨耗量不应超过0.35cm³/MJ；摩擦材料的静摩擦系数不小于0.40；摩擦材料的瞬时摩擦系数要求见图2。

中国专利文献CN101493127公开了一种铜基粉末冶金高速闸片，该材料的各组元按照质量划分，包括铜粉50～70％、铋粉2～5％、粒状石墨5～11％、氮化硼1～4％、锡粉4～8％、铬粉1～5％、钛粉1～5％、镍粉2～6％、铁粉3～8％、氧化铝2～6％、二氧化硅3～8％、锆英石2～7％。该摩擦材料含有12种组元，且硅、铝元素含量未满足国内铁路行业技术要求，摩擦系数在0.30～0.45之间，波动范围较大，平均磨耗量为0.284cm³/MJ，磨耗量较高。

中国专利文献CN103244586公开了一种用于高速列车的金属基粉末冶金制动闸片及其制备方法，该材料的各组元按照质量划分，包括铜粉30～60％、铁粉20～40％、石墨粉8～20％、二硫化钼1～5％、钨1～3％、刚玉1～3％、硅砂1～3％、碳化硼1～3％和碳纤维粉末1～4％。该摩擦材料含有9种组元，具有较高的机械强度和稳定的摩擦性能，然而，该摩擦材料的硅、铝元素含量未满足国内铁路行业技术要求，且在使用过程中会对制动盘产生磨耗和磨损，严重影响制动盘的使用的使用寿命。

中国专利文献CN102191014公开了一种高速列车制动用的摩擦材料，该材料的各组元按照质量划分，包括铜粉50～55％、铁粉7～8％、锡粉7～8％、镍粉3～4％、锰粉2％、铬粉3～4％、鳞片石墨13～16％、碳化硅3～6％和三氧化钼3～6％。该摩擦材料含有9种组元，具有摩擦系数稳定，磨损率低的优点，但材料的硅元素含量未满足国内铁路行业技术要求。

中国专利文献CN102011043公开了一种列车闸片用粉末冶金材料的制备方法，该材料的各组元按照质量划分，包括铜粉40～50％、铁粉10～25％、锰铁矿粉8～15％、二氧化硅2～7％、二硫化钼5～9％、氧化铝2～8％、氮化硼1～5％、石墨15～25％和聚丙烯腈纤维0.2～1％。该摩擦材料含有9种组元，具有优良的摩擦稳定性和耐热性，然而，该材料硬度高及硅、铝元素含量均未满足国内铁路行业技术要求。

从上述可知，现有的高速列车闸片用粉末冶金摩擦材料的组元过于繁杂，使得影响材料性能的因素增加，导致材料性能的稳定性和可靠性降低，添加二氧化硅、碳化硅等硬质颗粒使得材料的导热性有所降低，增大了对制动盘的损伤，同时，组元复杂使得制备工艺难以精确化控制，材料性能的波动性增大，部分组元(如镍、锡)为贵重金属，生产成本较高，硅、铝等元素未满足技术要求，材料的硬度较高，摩擦系数稳定性差，对制动盘损伤较大等技术缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料，使得所制备闸片的各项性能达到时速200～250km高速列车、时速300～350km及以上高速列车的制动要求，满足国内铁路行业标准和UIC(国际铁路联盟)相关规定的各项指标，提供一种材料组元超简、工艺简单及成本较低的高速列车闸片用粉末冶金摩擦材料。

本发明一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料，所述材料仅包含六种组元，各组元按照质量百分数划分，包括铜粉40～55％、铁粉8～20％、二氧化锆1～10％、铬铁粉6～15％、石墨16～22％、二硫化钼1～4％。

作为优选方案，本发明一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料，所述材料仅包含六种组元，各组元按照质量百分数划分，包括铜粉45～53％、铁粉10～18％、二氧化锆2～8％、铬铁粉8～15％、石墨17～19％、二硫化钼2～3％。

作为进一步的优选方案，本发明一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料，所述材料仅包含六种组元，各组元按照质量百分数划分，由铜粉53％、铁粉18％、二氧化锆2％、铬铁粉8％、石墨17％和二硫化钼2％组成。

进一步的优选方案所得的材料，根据国内铁路行业标准和UIC的规定，采用1：1台架试验台对其进行检测试验，测得所述材料的静摩擦系数为0.375，平均磨耗量为0.10cm³/MJ。

作为优选方案，本发明一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料，所述材料仅包含六种组元，各组元按照质量百分数划分，由铜粉45％、铁粉10％、二氧化锆8％、铬铁粉15％、石墨19％和二硫化钼3％组成。

进一步的优选方案所得的材料，根据国内铁路行业标准和UIC的规定，采用1：1台架试验台对其进行检测试验，测得所述材料的静摩擦系数为0.420，平均磨耗量为0.18cm³/MJ。

作为优选方案，本发明一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料，所述二氧化锆粉末为煅烧粉末或电熔粉末，其粒度小于250μm。

作为优选方案，本发明一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料，所述铬铁粉中各元素的质量百分数为：铬55～70％、碳6～10％、硅不大于3％及余量为铁，其粒度小于250μm。

本发明一种高速列车闸片用超简组元粉末冶金摩擦材料的制备方法，按设计组分配取各组元后，经混料、压制成型以及加压烧结得到成品。混料时采用三维混合机进行混料，掺入煤油，混合时间为3～5h；压制成型时采用液压机将混合粉末压制成型，压制压力为500～800MPa；加压烧结时，在氢气保护下，利用加压烧结炉对压坯进行烧结，烧结温度为950～1000℃，保温时间为3h。

本发明的有益效果：本发明的摩擦材料采用了铜、铁组元为基体，保证其良好的导热性及物理机械性能(见表2)，且未添加镍、锡等贵重金属，生产成本较低；采用了大颗粒的二氧化锆、铬铁粉作为摩擦组元以提供合适的摩擦系数，同时，二氧化锆粉末由煅烧法或电熔法制备而成，可良好地稳定材料的摩擦系数，铬铁矿制备的铬铁粉由具有高温稳定性的(Cr,Fe)₇C₃、(Cr,Fe)₂₃C₆及(CrFe)等物相构成，可显著地提高材料的耐磨性；采用二硫化钼及高含量的石墨作为润滑组元，降低材料磨损及制动噪声，防止对制动盘的损伤；材料的元素成分满足国内铁路行业标准(行业标准：材料不应使用石棉、铅及其化合物；材料中Si元素含量应不大于1％、且Al+Si元素的总含量不应超过1％；Cr+Zr+W元素含量总和不应超过10％。)。

本发明的摩擦材料具有合适而稳定的摩擦系数，制动平稳，磨耗量低，使用寿命长，能满足时速200～250km高速列车、时速300～350km及以上高速列车的制动要求(具体性能见实施例)，满足国内铁路行业标准和UIC(国际铁路联盟)相关规定。

本发明的摩擦材料仅由六种组元制备而成，材料组元超简，工艺简单且易控制，可显著降低生产成本。

表2本发明摩擦材料的主要物理机械性能

附图说明

图1为国内铁路行业标准和UIC(国际铁路联盟)的相关规定中对时速为200～250km高速列车用粉末冶金闸片瞬时摩擦系数公差要求；

图2为国内铁路行业标准和UIC(国际铁路联盟)的相关规定中对时速为300～350km及以上高速列车用粉末冶金闸片瞬时摩擦系数公差要求；

图3为本发明实施例1所得摩擦材料的制动速度与瞬时摩擦系数关系图(时速200～250km)；

图4为本发明实施例2所得摩擦材料的制动速度与瞬时摩擦系数关系图(时速300～350km)；

图5为本发明实施例2所得摩擦材料的制动速度与瞬时摩擦系数关系图(时速350km以上)。

具体实施方式

实施例1：时速200～250km高速列车闸片用粉末冶金摩擦材料

材料的各组元按照质量划分，包括铜粉53％、铁粉18％、二氧化锆2％、铬铁粉8％、石墨17％和二硫化钼2％配料，其中二氧化锆粉末为粒度小于250μm的煅烧粉末，铬铁粉的粒度小于250μm及其质量百分数为铬67％、碳9％、硅3％及余量为铁。采用三维混合机进行混料，掺入煤油，混合时间为4h；采用液压机将混合粉末压制成型，压制压力为550MPa；采用加压烧结炉在氢气保护下对压坯进行烧结，烧结温度为970℃，保温时间3h。

根据国内铁路行业标准和UIC(国际铁路联盟)相关规定，采用1：1台架试验台对本实施例的摩擦材料进行了检测试验，摩擦材料的制动曲线平稳(如图3所示)，潮湿条件对摩擦性能影响较小，静摩擦系数为0.375，平均磨耗量为0.10cm³/MJ，与之匹配的制动盘表面无热斑，表面平整光洁，无异常磨耗。试验结果表明，采用该摩擦材料制备的时速200～250km高速列车闸片的各项性能满足时速200～250km高速列车制动要求。

实施例2：时速300～350km及以上高速列车闸片用粉末冶金摩擦材料

材料的各组元按照质量划分，包括铜粉45％、铁粉10％、二氧化锆8％、铬铁粉15％、石墨19％和二硫化钼3％配料，其中二氧化锆粉末为粒度小于250μm的电熔粉末，铬铁粉的粒度小于250μm及其质量百分数为铬55％、碳6％、硅2％及余量为铁。采用三维混合机进行混料，掺入煤油，混合时间为5h；采用液压机将混合粉末压制成型，压制压力为700MPa；采用加压烧结炉在氢气保护下对压坯进行烧结，烧结温度为1000℃，保温时间3h。

根据国内铁路行业标准和UIC(国际铁路联盟)相关规定，采用1：1台架试验台对本实施例的摩擦材料进行了检测试验，摩擦材料的制动曲线平稳(如图4、5所示)，潮湿条件对摩擦性能影响较小，静摩擦系数为0.420，平均磨耗量为0.18cm³/MJ，与之匹配的制动盘表面无热斑，表面平整光洁，无异常磨耗。试验结果表明，采用该摩擦材料制备的时速300～350km及以上高速列车闸片的各项性能满足时速300～350km及以上高速列车制动要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。