本发明属于摩擦材料领域，具体涉及一种用于高速列车闸片的金属间化合物粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
背景技术：
高速列车用制动闸片材料的发展主要经历了合成材料、碳材料和粉末冶金材料三个阶段。其中，合成材料闸片是最早使用且使用时间最长的制动材料，但由于其制动性能在高温条件下显著下降、磨损率急剧增加，已不适用于时速200km/h以上的高速列车；碳材料闸片则是近年重点发展的新型摩擦材料，已在民用飞机和赛车上得到广泛应用，其具有比重小、强度高、模量大、热膨胀系数小、耐高温等诸多优点，然而碳材料的摩擦系数会随着制动温度的上升而急剧增大，造成磨耗量较大，且对潮湿和盐雾环境很敏感，难以满足列车全天候和复杂工况的服役需求；粉末冶金闸片是通过将粉末压制成型后烧结而成的一种复合材料，其实现了金属或非金属的合金化，集多种金属及非金属的优点于一身，导热性能好，摩擦系数稳定，成为目前在线运营的高速列车上装配的主流制动摩擦材料。
随着我国高速铁路建设的蓬勃发展，列车的运营速度将继续提升，服役条件也将更加苛刻，这对列车制动闸片的综合性能提出了更高的要求。铜基粉末冶金摩擦材料相较于传统的铁基粉末冶金摩擦材料具有良好导热性，且制动时不易与铸铁材质的制动盘发生粘结；但以铜代替铁作为基体必然会牺牲摩擦材料的部分强度而致使铜基粉末冶金闸片在制动过程中频繁出现掉角、掉块的现象，造成安全隐患；此外，铜基粉末冶金摩擦材料属于多孔材料，硬度小，在高速下制动磨耗较高，需频繁更换，产品寿命普遍较短，使用成本较高。
现有技术中，常采用添加合金元素的方法来提高铜基粉末冶金摩擦材料的基体强度，例如中国专利cn201210082460.4中公开了添加了锌元素；中国专利cn201510427053.6中添加了锡元素；中国专利cn201510541995.7中添加了铝、镁、银、锡等元素。但上述专利中所添加的低熔点金属在烧结时无法与基体完全化合，剩余的少量单质易在制动产生的高温下软化或熔化而发生粘着磨损现象，甚至以火花的形式飞溅，在摩擦表面留下凹坑，加剧了磨损。
此外，现有技术中通过增加陶瓷颗粒的种类或数量来提高制动闸片的高温摩擦性及耐磨性，实现降低磨耗的目的。例如中国专利cn201310203965.6中添加了cr2alc颗粒；中国专利cn201410765239.8中添加了莫来石；中国专利cn201510427053.6中添加了锆英石等。从微观形貌上看，陶瓷颗粒与基体结合强度很差，且陶瓷属于硬脆相，受力时易发生碎裂产生磨粒磨损，大尺寸的陶瓷颗粒还会划伤制动盘面，造成“以加剧对偶件磨损为代价来降低闸片自身磨耗”的假象，违背了盘片摩擦副以消耗闸片为主的设计初衷。
众多研究机构针对上述问题采用新型强化手段对闸片的综合性能进行提升。中国专利cn20130148199.8中以弥散的al2o3强化铜合金作为基体提高了基体的强度、疲劳性能及耐磨性能。但al2o3的存在提高了基体铜的扩散起始位能，使体积扩散难以启动，阻碍粉末颗粒间烧结颈处的空位流动，延缓了烧结颈的长大，对铜的烧结有很强的抑制作用，降低了基体的连续性。中国专利cn201610632723.2在基体中添加具有珠光体组织的共析钢研磨粉，研制出摩擦系数稳定且磨耗低的闸片，但研磨粉中的珠光体组织在烧结时将发生奥氏体转变，破坏初始的珠光体组织甚至生成不可控的未知组织，对闸片的综合性能带来负面影响。
技术实现要素：
针对以上问题，本发明的目的是采用金属间化合物颗粒作为基体增强相，以有效克服现有技术中存在的不足，提升制动闸片的综合性能，特别是其的高温摩擦性能、剪切强度和耐磨性。
用于实现上述目的的技术方案如下：
本发明提供一种金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料，所述粉末冶金摩擦材料包含：铜、铁、金属间化合物粉、铬铁、石墨、二硫化钼、硫酸钡、二氧化硅、氧化铝、氮化硅。
优选地，按质量百分比计，所述粉末冶金摩擦材料包含：铜40-60％、铁10-20％、金属间化合物粉5-10％、铬铁8-12％、石墨5-12％、二硫化钼3-5％、硫酸钡1-2％、二氧化硅2-4％、氧化铝1-3％、氮化硅2-4％；
优选地，按质量百分比计，所述粉末冶金摩擦材料包含：铜45％、铁12％、金属间化合物粉10％、铬铁8％、石墨8％、二硫化钼5％、硫酸钡2％、二氧化硅3％、氧化铝3％、氮化硅4％。
优选地，所述粉末冶金摩擦材料由铜、铁、金属间化合物粉、铬铁、石墨、二硫化钼、硫酸钡、二氧化硅、氧化铝、氮化硅组成；
优选地，按质量百分比计，所述粉末冶金摩擦材料由铜40-60％、铁10-20％、金属间化合物粉5-10％、铬铁8-12％、石墨5-12％、二硫化钼3-5％、硫酸钡1-2％、二氧化硅2-4％、氧化铝1-3％、氮化硅2-4％组成；
优选地，按质量百分比计，所述粉末冶金摩擦材料由铜45％、铁12％、金属间化合物粉10％、铬铁8％、石墨8％、二硫化钼5％、硫酸钡2％、二氧化硅3％、氧化铝3％、氮化硅4％组成；
优选地，所述金属间化合物粉为铁铝金属间化合物粉；
优选地，所述铁铝金属间化合物粉包含铁和铝；
优选地，按质量百分比计，所述铁铝金属间化合物粉包含铁60-75％和铝25-40％；
优选地，按质量百分比计，所述铁铝金属间化合物粉包含铁65％和铝35％。
优选地，所述铁铝金属间化合物粉通过包括以下步骤的制备方法制得：按比例称取纯铁(纯度>99.8％)和铝粉(纯度>99.8％)，在氩气保护和高温下球磨，过筛，得到铁铝金属间化合物粉；
优选地，所述高温为670-780℃；
优选地，所述球磨的转速为80-100r/min，优选100r/min；
优选地，所述球磨的时间为24-48h；
优选地，所述得到的铁铝金属间化合物粉的粒度为600-800目。
优选地，所述铁铝金属间化合物粉通过包括以下步骤的固液反应球磨法制得：
按比例称取纯铁球(纯度>99.8％)和铝粉(纯度>99.8％)，在氩气保护、670-780℃温度下，以80-100r/min的转速，球磨24-48h后，过筛，得到粒度为600-800目的铁铝金属间化合物粉。
本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料在制备制动闸片中的用途。
本发明还提供一种制动闸片，所述制动闸片由本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料制成。
本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)按比例称取铜、铁、金属间化合物粉、铬铁、石墨、二硫化钼、硫酸钡、二氧化硅、氧化铝、氮化硅混合后，添加粘结剂，搅拌；
(2)将步骤(1)得到的混合物冷压成型；
(3)将步骤(2)得到的压坯在保护气氛下烧结处理，冷却。
优选地，所述步骤(1)中，所述粘结剂为煤油；
优选地，基于所述粉末冶金摩擦材料总重量计，所述粘结剂的添加量为0.5-1.5％；优选1％；
优选地，所述搅拌的速度为200-400r/min，优选400r/min；
优选地，所述搅拌的时间为20-40min，优选20min；
优选地，所述步骤(2)中，所述冷压成型的压力为30-45mpa，优选45mpa；优选地，所述冷压成型中保持压力10-30s，优选10s；
优选地，所述步骤(3)中，所述保护气氛为氮氢混合气；优选地，所述烧结处理的压力为0.8-2mpa，优选0.8mpa；优选地，所述烧结处理的温度为850-1000℃，优选1000℃；所述烧结处理中保持温度2-3h，优选2h；优选地，所述冷却至≤100℃。
金属间化合物是一种介于金属与陶瓷之间的材料，具有高熔点、高硬度和良好的耐磨性，其的长程有序化使其具有优异的机械性能，特别是在高温条件下的机械性能更加突出，这对高速制动时闪点温度超过800℃的工况下摩擦性能的稳定起到关键作用。本发明提供的金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料，采用金属间化合物添加相提高了金属基体的综合性能，由此获得了具有高韧性、高强度、低磨耗及稳定的高温摩擦性能的高速列车用粉末冶金闸片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料具有高强度、高韧性、耐磨损、高温摩擦性能稳定等优点。本发明中所添加的金属间化合物粉末可使摩擦材料的摩擦体剪切强度提高15-30％，抗弯强度提高30-40％，磨耗降低40-60％，在350km初速度紧急制动时摩擦系数不衰退；进一步地，通过添加铁铝金属间化合物颗粒使基体的综合性能得到显著提升。
就本发明选用的铁铝金属间化合物而言，铝化物为现今国内外重点研究并取得重要进展的高温有序金属间化合物，其中，fe-al系金属间化合物具有比重小、比强度高、高温抗氧化和耐腐蚀性能优异等优点，且不含战略性合金元素如ni、cr等，原料易得，成本远低于ni-al系和ti-al系金属间化合物；此外，fe-al系金属间化合物具有良好的耐磨性及抗粘着磨损、磨粒磨损和高温下抗腐蚀磨损等诸多优势，作为增强相加入本发明摩擦材料中可引入其高温抗氧化、耐腐蚀、耐磨损等优点；更进一步来说，作为一种成熟的摩擦材料，fe-al基的摩擦材料的组成体系及制备方法与本发明制备的粉末冶金摩擦材料十分相近，其中的cu、石墨、mos2、al2o3、si3n4等组分也与本发明的配方料重合。因此，本发明中fe-al金属间化合物的加入即保留了其摩擦磨损性能方面的优势，又能与本发明配方料中其它组分实现良好融合，使摩擦材料的整体性能得到综合提高。例如，fe-al金属间化合物与cu基体润湿良好，且与al2o3间的界面结合强度高，可有效改善al2o3颗粒与cu基体间润湿差的问题，使al2o3颗粒更牢固地存在于cu基体中，减少因摩擦过程中al2o3颗粒脱落而造成的磨粒磨损，降低磨耗。此外，mos2在烧结时分解产生的mo单质固溶在fe-al金属间化合物中可形成固溶强化，若进一步提高mo的含量，则会在晶界处形成沉淀相产生沉淀强化，可显著提高fe-al金属间化合物的高温强度(主要表现为拉伸强度和蠕变抗力)，在高速制动下产生高温时稳定住基体材料的强度，对稳定摩擦系数和降低磨耗十分有益。
本发明人发现，陶瓷颗粒是以嵌入的形式存在于基体中，而金属间化合物与铜基体间润湿良好，形成牢固的冶金结合，使其成为连续完整的整体，将金属间化合物硬度高、强度高、耐磨耐腐蚀的优异特性引入基体中，使基体得到充分强化。金属间化合物的强度随着温度的升高不是持续下降，而是先升高后下降，这种独特的温度-强度关系使基体在高速制动产生的高温下仍能保持较高强度，宏观表现为摩擦材料在高速制动时的摩擦系数保持稳定不衰退。本发明所述金属间化合物颗粒的生产制备技术成熟，成本低廉，发展前景良好。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
实施例1：本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的制备
1.原料：铜400g、铁200g、铁铝金属间化合物粉50g、铬铁100g、石墨110g、二硫化钼30g、硫酸钡10g、二氧化硅40g、氧化铝20g、氮化硅40g、煤油10g；
2.铁铝金属间化合物粉的制备采用固液反应球磨法制备：称取纯铁130g(纯度>99.8％)和铝70g(纯度>99.8％)；将纯铁和铝粉装入球磨罐中，充氩气保护，在670℃的温度下以80r/min的转速球磨48h后取出过筛，得到粒度为600-800目的铁铝金属间化合物粉；
3.制备金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料：将各原料放入搅拌机中，混料，添加煤油，搅拌。搅拌机转速200r/min，混料时间40min；后将混合料冷压成型，压制压力30mpa，保压30s；后将压坯放置在钢背上烧结，烧结压力为2mpa，烧结温度为850℃，保温3h，后随炉冷却至100℃出炉，保护气氛为氮氢混合气。
实施例2：本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的制备
1.原料：铜500g、铁150g、铁铝金属间化合物粉60g、铬铁80g、石墨80g、二硫化钼40g、硫酸钡10g、二氧化硅20g、氧化铝30g、氮化硅30g、煤油10g；
2.铁铝金属间化合物粉的制备采用固液反应球磨法制备：称取纯铁130g(纯度>99.8％)和铝70g(纯度>99.8％)；将纯铁和铝粉装入球磨罐中，充氩气保护，在690℃的温度下以80r/min的转速球磨48h后取出过筛，得到粒度为600-800目的铁铝金属间化合物粉；
3.制备金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料：将各原料放入搅拌机中混料，添加煤油，搅拌。搅拌机转速300r/min，混料时间30min；后将混合料冷压成型，压制压力35mpa，保压25s；后将压坯放置在钢背上烧结，烧结压力为1.5mpa，烧结温度为900℃，保温3h，后随炉冷却至100℃出炉，保护气氛为氮氢混合气。
实施例3：本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的制备
1.原料：铜600g、铁100g、铁铝金属间化合物粉70g、铬铁80g、石墨60g、二硫化钼30g、硫酸钡10g、二氧化硅20g、氧化铝10g、氮化硅20g、煤油20g；
2.铁铝金属间化合物粉的制备采用固液反应球磨法制备：称取纯铁140g(纯度>99.8％)和铝60g(纯度>99.8％)；将纯铁和铝粉装入球磨罐中，充氩气保护，在720℃的温度下以80r/min的转速球磨48h后取出过筛，得到粒度为600-800目的铁铝金属间化合物粉；
3.制备金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料：将各原料放入搅拌机中，混料，添加煤油，搅拌。搅拌机转速400r/min，混料时间20min；后将混合料冷压成型，压制压力40mpa，保压20s；后将压坯放置在钢背上烧结，烧结压力为1.2mpa，烧结温度为950℃，保温2.5h，后随炉冷却至80℃出炉，保护气氛为氮氢混合气。
实施例4：本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的制备
1.原料：铜450g、铁150g、铁铝金属间化合物粉80g、铬铁100g、石墨50g、二硫化钼50g、硫酸钡20g、二氧化硅30g、氧化铝30g、氮化硅40g、煤油20g；
2.铁铝金属间化合物粉的制备采用固液反应球磨法制备：称取纯铁150g(纯度>99.8％)和铝50g(纯度>99.8％)；将纯铁和铝粉装入球磨罐中，充氩气保护，在750℃的温度下以80r/min的转速球磨48h后取出过筛，得到粒度为600-800目的铁铝金属间化合物粉；
3.制备金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料：将各原料放入搅拌机中，混料，添加煤油，搅拌。搅拌机转速400r/min，混料时间20min；后将混合料冷压成型，压制压力45mpa，保压10s；后将压坯放置在钢背上烧结，烧结压力为0.8mpa，烧结温度为1000℃，保温2h，后随炉冷却至80℃出炉，保护气氛为氮氢混合气。
实施例5：本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的制备
1.原料：铜450g、铁150g、铁铝金属间化合物粉90g、铬铁90g、石墨90g、二硫化钼50g、硫酸钡20g、二氧化硅20g、氧化铝10g、氮化硅30g、煤油10g；
2.铁铝金属间化合物粉的制备采用固液反应球磨法制备：称取纯铁130g(纯度>99.8％)和铝70g(纯度>99.8％)；将纯铁和铝粉装入球磨罐中，充氩气保护，在780℃的温度下以100r/min的转速球磨24h后取出过筛，得到粒度为600-800目的铁铝金属间化合物粉；
3.制备金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料：将各原料放入搅拌机中，混料，添加煤油，搅拌。搅拌机转速400r/min，混料时间20min；后将混合料冷压成型，压制压力45mpa，保压10s；后将压坯放置在钢背上烧结，烧结压力为0.8mpa，烧结温度为1000℃，保温2h，后随炉冷却至100℃出炉，保护气氛为氮氢混合气。
实施例6：本发明金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的制备
1.原料：铜460g、铁130g、铁铝金属间化合物粉100g、铬铁90g、石墨100g、二硫化钼50g、硫酸钡20g、二氧化硅20g、氧化铝10g、氮化硅20g、煤油10g；
2.铁铝金属间化合物粉的制备采用固液反应球磨法制备：称取纯铁130g(纯度>99.8％)和铝70g(纯度>99.8％)；将纯铁和铝粉装入球磨罐中，充氩气保护，在700℃的温度下以100r/min的转速球磨36h后取出过筛，得到粒度为600-800目的铁铝金属间化合物粉；
3.制备金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料：将各原料放入搅拌机中，混料，添加煤油，搅拌。搅拌机转速400r/min，混料时间20min；后将混合料冷压成型，压制压力45mpa，保压10s；后将压坯放置在钢背上烧结，烧结压力为0.8mpa，烧结温度为1000℃，保温2h，后随炉冷却至100℃出炉，保护气氛为氮氢混合气。
下表1列出了上述各实施例样品及未添加金属间化合物粉末样品的性能参数对比。
可以看出，本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的机械性能良好，硬度、剪切强度和抗弯强度均高于对比例1(没有添加本发明所述金属间化合物粉末)的摩擦材料；
在1:1制动力试验台上进行350km/h速度下紧急制动试验时，本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料具有摩擦系数稳定不衰退、重复性良好、高速制动条件下磨耗量低的优点，能够满足高速动车组列车运行时的制动需求。
表1：本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的性能参数对比
实施例7：本发明所述金属间化合物粉的用量筛选实验
本发明中，考虑到对摩擦材料综合性能的影响，以本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的质量百分比计，所述fe-al金属间化合物的添加量范围为5-10％，如下表2所示：
表2：本发明所述金属间化合物粉的用量筛选
从上表2中可看出，当fe-al金属间化合物的添加量低于5％时，各项性能提升不明显，增强效果较弱；而当添加量高于10％以后，硬度值已超过30hbw，更是在添加量为20t％时达到35.46hbw。而闸片硬度过高会对制动盘造成不良影响，加剧盘面磨损，缩短制动盘寿命，不符合实际运用要求。此外，剪切强度和抗弯强度的提升速率随添加量增加而有所下降，在添加量达到10％以后继续添加fe-al金属间化合物增强效果不明显。
在摩擦磨损性能方面，当添加量高于10％以后，平均摩擦系数值随添加量的进一步提高而显著下降，甚至在添加量达到20％时降低至0.2980，该值低于未增强样品的平均摩擦系数值。造成摩擦系数大幅下滑的主要原因是：fe-al金属间化合物本身具有较高的强度和硬度，在摩擦中有着良好的抗粘合性，大量添加时增加了基体中硬质相点的面积，导致闸片与对偶的粘着和啮合性差，使摩擦系数降低。而当添加量持续增加时，磨耗量仍然保持下降趋势。这是由于fe-al金属间化合物具有较高的加工硬化率，耐磨性良好。同时也对应上文中摩擦材料硬度过高的问题，过量的fe-al金属间化合物可能造成对偶件磨损加剧，并以自身磨耗降低的形式表现出来。
综上所述，综合考虑fe-al金属间化合物添加量对摩擦材料的各项性能影响，优选出本发明中添加量为5-10％。
实施例8：本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料制备方法的工艺参数筛选实验
本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料的制备方法中，关键工艺参数为所述步骤(2)中的冷压成型压力和所述步骤(3)中的烧结温度。
其中，冷压成型压力的选择将直接影响烧结效果并最终影响成品性能。冷压成型压力的选择基于对样品重量和厚度的控制，当重量和厚度的要求为一定值时，冷压成型压力需大于25mpa而使生坯成型。在此基础上，当冷压成型压力大于30mpa时，则生坯表面较为致密，具有一定强度，具备烧结条件；而当冷压成型压力大于45mpa时，生坯表面出现过压现象，产生裂纹，硬质颗粒被挤压出基体表面，不具备烧结条件。故选择冷压成型压力的范围为30-45mpa。
烧结温度的选择则基于原料的熔点，以金属基体的熔点为准。本发明中，所述粉末冶金件的烧结温度低于金属基体熔点，以固相烧结为主，烧结过程中可能存在着少量液相；基体cu的熔点为1083℃，选择低于熔点50-250℃的温度区间烧结，在保证基体不熔化的前提下尽量提高元素的扩散系数，使粉体颗粒间充分结合形成烧结颈，提高基体强度。同时，作为产品考虑成本问题，在保证烧结强度的前提下尽量降低烧结温度，减少能耗，故选择烧结温度范围为850-1000℃，如下表3所示：
表3：本发明所述金属间化合物增强型粉末冶金摩擦材料制备方法中的冷压成型压力和烧结温度对成品性能影响
如表3所示，冷压成型压力对硬度、密度的影响较大，而剪切强度同时受到上述两种参数的共同影响。此外，较疏松的材料摩擦系数高，磨耗量大，较致密的材料摩擦系数低，磨耗量小。
总之，以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。