本发明属于轨道交通领域，尤其涉及一种高速列车制动用摩擦材料及其制备方法、高速列车刹车块和高速列车闸片。
背景技术：
高铁作为现代社会的一种新的运输方式，在运行速度、运输能力、适应自然环境、节能环保等方面具有明显的优势。目前，我国国内高速列车运营速度高达350km/h，试验速度最高时速达605公里。随着高铁的飞速的发展，闸片作为决定列车行驶速度、紧急制动、运行安全的关键制动部件也正面临着巨大的市场需求。国内外设计开发了多种可用于制作高速列车闸片的制动用摩擦材料。
例如，us20140109723a1公开了一种粉末冶金摩擦材料，其中fe的含量≥7.5％，铜含量≥50％，石墨含量5-15％，二硫化钼0.3-10％，且fe/cu比为0.15-0.40。
cn201019185056公开了一种摩擦材料，用于高速列车的制动闸片，包括如下成分：cu50-55％、fe7-8％、sn7-8％、ni3-4％、mn2％、cr3-4％、c(鳞片石墨)13-16％、sic3-6％和moo33-6％。
cn201510137685公开了一种高速列车制动闸片用粉末冶金摩擦材料由以下百分此的原料制成：铜45-65％、铁1-20％、铬3-5％、氧化锆5-15％、锡2-5％、锰2-4％、石墨10-15％、二硫化钼2-5％、锰铁1-5％。
cn201610241294公开了一种高速列车刹车片的摩擦材料，由如下组分组成：紫铜粉13.2-23.2％；青铜粉14.6-24.6％；紫铜纤维8.7-18.7％；还原铁粉8.5-18.5％；氧化铁2-12％；氧化铬0.6-1.6％；碳化硅1.3-2.3％；钛硅碳2.3-4.3％；硫化锑3.2-13.2％；煅烧氧化铝0.4-1.4％；鳞片石墨1.5-11.5％；锌粉0.8-1.8％；石油焦炭1.5-3.5％；芳纶浆柏0.4-1.4％。
现有高速列车制动用摩擦材料为了保证摩擦材料强度，通常添加有多种合金组元，导致原材料成本增加的同时，由于原材料种类繁多，也大幅度提高了生产过程中的工艺、检验及管理成本；与此同时，为了保证材料高速下具有较高的摩擦系数，现有高速列车制动用摩擦材料中通常添加sic、sio2、al2o3等陶瓷硬质相做作为摩擦组元，然而，由于陶瓷硬质相硬度高且与基体的结合性较差，高速制动时容易剥落，致使在高速制动时材料的制动性能不稳定而且容易划伤制动盘；再有，现有高速列车制动用摩擦材料为了确保不同制动速度下粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损性能的稳定，通常会添加一定量的mos2作为润滑组元，由于mos2粉末松装密度过小混料过程中易形成浮尘且容易分层均匀性较差，同时由于mos2价格高，导致原材料成本高。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种低成本、工艺简单、摩擦性能稳定、耐磨性极佳且能够满足高速列车制动用粉末冶金末材料。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高速列车制动用摩擦材料，所述摩擦材料包括如下述重量份的各组分：铜40-60份、锡1-5份、铁10-20份、摩擦组元16-35份和润滑组元8-18份。
优选的，所述摩擦组元包含如下重量份的组分：氧化锆5-10锰铁10-20份和钨1-5份。
优选的，所述润滑组元仅为石墨。
其中cu为基体组元为其他组元提供骨架支持，sn为合金强化组元强化基体组元，铁、钨、氧化锆、锰铁与基体组元结合性好、硬度适中、高温性能优异，为摩擦组元制动时提供摩擦力，使材料均匀性和耐摩擦性能都十分优异，石墨润滑组元调节摩擦力及摩擦表面状态。
本发明采用sn进行合金强化，获得能够满足高速列车制动用的高剪切强度粉末冶金摩擦材料。与现有技术采用mn、ni、cr等多种合金组元进行合金强化的相比，sn具有原料单一用量少、成本低的优点，sn作为合金元素可以强化cu基体，过低的sn含量合金强化作用不明显，过高的sn含量对cu基体强化过度，通过sn合金强化获得能够满足高速列车制动用摩擦材料对抗剪切强度的要求。
钨、氧化锆、锰铁，作为摩擦组元与基体组元结合性好、硬度适中、高温性能优异，氧化锆和锰铁具有适中的硬度，与制动盘硬度匹配性好，制动时不易损伤制动盘同时保证材料具有较好的摩擦性能，钨与铜相容性好，高温下具有良好的硬度，可以保证高速制动高温下，材料摩擦磨损性能，通过优化组合，获得了能够满足高速列车在高速制动时摩擦磨损性能稳定、不损伤制动盘的粉末冶金末摩擦材料。
与现有技术采用石墨和mos2等多种润滑组元的技术方案相比，本发明优化石墨的含量，仅使用石墨作为润滑组元，通过控制材料金相组织结构及密度，获得能够满足高速列车不同速度制动摩擦磨损性能稳定的粉末冶金摩擦材料。
为实现本发明的目的，还提供一种高速列车制动用摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)配料混料：按照所述比例称取所述铜、锡、铁、氧化锆、锰铁、钨和石墨的粉末原材料，并称取航空煤油与所述粉末原材料预混后，充分混合均匀，得到混合料；
(b)压制成型：将所述步骤(a)得到的混合料压制成型，得到生坯；
(c)烧结成型：将所述步骤(b)得到的生坯与钢背板粘接后，装入烧结炉在还原性气氛下进行加压烧结，冷却出炉，制备得到所述高速列车制动用摩擦材料。
进一步的，所述步骤(a)中，称取航空煤油与所述粉末原材料预混后，放入三维混料机中，混合200分钟-300分钟，充分混合均匀，得到混合料；
进一步的，所述步骤(a)中，称取航空煤油的重量份数为1-3份。
进一步的，所述步骤(b)中，压制密度为4.8g/cm3-5.3g/cm3。
进一步的，所述步骤(c)中，烧结温度为900℃-1000℃、烧结压力为5mpa-15mpa、烧结时间为100分钟-300分钟。保证材料各组元间充分烧结性能达到设计设计要求，同时能够保证各批次烧结材料性能稳定。
进一步的，述步骤(c)中，还原性气氛为氢气或氨气。
作为一个总的技术构思，本发明另一方面提供了一种高速列车刹车块，所述高速列车刹车块由上述的高速列车制动用摩擦材料或者由上述制备方法制备得到的高速列车制动用摩擦材料制备得到。
作为一个总的技术构思，本发明另一方面还提供了一种高速列车闸片，所述高速列车闸片包括上述的高速列车刹车块。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的高速列车制动用摩擦材料生产原材料简单、制作成本低、工艺检验成本低、性能均一性好、能够满足高速列车制动技术要求。本发明的高速列车制动用摩擦材料的硬度为10～30hbw、抗剪切强度大于10mpa、摩擦系数稳定在0.30～0.38之间，磨损量不高于9um·side-1·cycle-1，对偶磨损不高于3um·side-1·cycle-1完全能满足300～350km/h及以上动车组粉末冶金闸片技术要求。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
本实施例的高速列车制动用摩擦材料包括如下重量份的各组分：铜40份、铁15份、锡1份、锰铁22份、氧化锆11份、钨1份、石墨10份。
本实施例的高速列车制动用摩擦材料是通过如下方法制备得到的：
(a)配料混料：按照配方比例称取铜、铁、锡、锰铁、氧化锆、钨、石墨的粉末原材料，将粉末原材料与2份航空煤油预混后，放入三维混料机中，混合200分钟，充分混合均匀，得到混合料；
(b)压制成型：将混合料装入400吨压机的自动模具中压制成型，压制密度为5.2g/cm3，得到生坯；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为900℃、压力为8.0mpa条件下，烧结时间200分钟，冷却出炉，得到高速列车制动用摩擦材料。
本实施例的高速列车制动用摩擦材料制备方法步骤(b)中采用的自动模具为与高速列车用刹车块形状相适应的的模具，制备得到本实施例的高速列车刹车块。
将本实施例的高速列车刹车块与机加工成型的钢背燕尾板铆接在一起，得到闸片成品。
根据本实施例的闸片测得闸片的物理力学性能如表1所示：
表1实施例1所得闸片的力学性能
根据本实施例的闸片测得的mm-3000摩擦磨损试验机制动试验结果如表2所示：
表2实施例1所得闸片的制动试验数据
实施例2：
本实施例的高速列车制动用摩擦材料由包括如下重量份的各组分：铜45份、铁13份、锡1份、锰铁14份、氧化锆12份、钨粉1份、石墨14份。
本实施例的高速列车制动用摩擦材料是通过如下方法制备得到的：
(a)配料混料：按照配方比例称取铜、铁、锡、锰铁、氧化锆、钨、石墨的粉末原材料，将粉末原材料与2份航空煤油预混后，放入三维混料机中，混合250分钟，充分混合均匀，得到混合料；
(b)压制成型：将混合料装入400吨压机的自动模具中压制成型，压制密度为5.1g/cm3，得到生坯；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为900℃、压力为7.0mpa条件下，烧结时间200分钟，冷却出炉，得到高速列车制动用摩擦材料。
本实施例的高速列车制动用摩擦材料制备方法步骤(b)中采用的自动模具为与高速列车用刹车块形状相适应的的模具，制备得到本实施例的高速列车刹车块。
将本实施例的高速列车刹车块与机加工成型的钢背燕尾板铆接在一起，得到闸片成品。
根据本实施例的闸片测得闸片的物理力学性能如表3所示：
表3实施例2所得闸片的力学性能
根据本实施例的闸片测得的mm-3000摩擦磨损试验机制动试验结果如表4所示：
表4实施例2所得闸片的制动试验数据
实施例3：
本实施例的高速列车制动用摩擦材料由包括如下重量份的各组分：铜55份、铁9份、锡2份、锰铁10份、氧化锆10份、钨1份、石墨13份。
本实施例的高速列车制动用摩擦材料是通过如下方法制备得到的：
(a)配料混料：按照配方比例称取铜、铁、锡、锰铁、氧化锆、钨、石墨的粉末原材料，将粉末原材料与2份航空煤油预混后，放入三维混料机中，混合300分钟，充分混合均匀，得到混合料；
(b)压制成型：将混合料装入400吨压机的自动模具中压制成型，压制密度为5.0g/cm3，得到生坯；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为900℃、压力为8.0mpa条件下，烧结时间200分钟，冷却出炉，得到高速列车制动用摩擦材料。
本实施例的高速列车制动用摩擦材料制备方法步骤(b)中采用的自动模具为与高速列车用刹车块形状相适应的的模具，制备得到本实施例的高速列车刹车块。
将本实施例的高速列车刹车块与机加工成型的钢背燕尾板铆接在一起，得到闸片成品。
根据本实施例的闸片测得闸片的物理力学性能如表5所示：
表5实施例3所得闸片的力学性能
根据本实施例的闸片测得的mm-3000摩擦磨损试验机制动试验结果如表6所示：
表6实施例3所得闸片的制动试验数据
实施例4：
本实施例的高速列车制动用摩擦材料由包括如下重量份的各组分：铜60份、铁10份、锡2份、锰铁10份、氧化锆8份、钨1份、石墨9份。
本实施例的高速列车制动用摩擦材料是通过如下方法制备得到的：
(a)配料混料：按照配方比例称取铜、铁、锡、锰铁、氧化锆、钨、石墨的粉末原材料，将粉末原材料与2份航空煤油预混后，放入三维混料机中，混合300分钟，充分混合均匀，得到混合料；
(b)压制成型：将混合料装入400吨压机的自动模具中压制成型，压制密度为5.3g/cm3，得到生坯；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为900℃、压力为6.0mpa条件下，烧结时间200分钟，冷却出炉，得到高速列车制动用摩擦材料。
本实施例的高速列车制动用摩擦材料制备方法步骤(b)中采用的自动模具为与高速列车用刹车块形状相适应的的模具，制备得到本实施例的高速列车刹车块。
将本实施例的高速列车刹车块与机加工成型的钢背燕尾板铆接在一起，得到闸片成品。
根据本实施例的闸片测得闸片的物理力学性能如表7所示：
表7实施例3所得闸片的力学性能
根据本实施例的闸片测得的mm-3000摩擦磨损试验机制动试验结果如表8所示：
表8实施例4所得闸片的制动试验数据
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。