本发明涉及粉末冶金材料技术领域，具体涉及一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
背景技术：
高铁作为现在社会目前最新一代的交通运输方式，在运行速度、运输能力、节能环保等方面具有很大的优势，面对国内市场和国际市场急剧增长的交通运输需求，我国已研制出覆盖时速200-250km/h、300-350km/h的各型号高速列车，特别是中国标准动车组的提速，例如，现复兴号已提速至350km/h，高速列车在行驶制动过程中制动闸片摩擦材料产生的温度非常高，最高的瞬时温度可达500-900℃，因此对制动摩擦材料的摩擦磨损性能要求非常严格，在速度等级250-350km/h的高速列车，合成摩擦材料已经不能满足技术要求，国内外均已全部采用粉末冶金摩擦材料进行制动。
中国专利文献cn107824783公开了一种高速列车制动用铜铁基粉末冶金摩擦材料及制备方法，包括原料铜粉35-65wt％，铁粉15-45wt％，石墨粉6-17wt％，二硫化钼2-5wt％，钨铁合金粉2-6wt％，氧化锆粉1-8wt％，氧化铝粉0-2wt％，氧化硅粉0-1wt％，铬粉0.5-6wt％，其在硬度、磨损量、剪切强度、摩擦系数等性能指标方面都能达到时速300～350km及以上高速列车的制动要求，且具有制动平稳、磨损量小、对对偶盘损伤小等优点。
但随着国内铁路行业标准和国际铁路联盟(uic)技术条件的不断升级提高，另外400km/h的高速列车已经在研制，制动负荷越来越大，同时对高速列车制动系统中的制动制动用摩擦材料闸片的要求也越来越高，要求闸片摩擦材料的摩擦系数更加稳定，抗热衰性能更强，使用寿命更长。因此，研制出一种摩擦系数稳定、抗热衰性能更强，能够满足时速350km/h及以上的高速列车技术制动要求的粉末冶金摩擦材料具有重要的工程、经济和社会意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种性能更优异、摩擦系数更加稳定、抗热衰性能更强的高速列车制动用粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
本发明提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，以重量百分比计，包括以下原料：铜粉45-60wt％、铁粉10-20wt％、镀铜鳞片石墨12-15wt％、镀铜石墨粒5-9wt％、铬铁粉6-10wt％、二硫化钼粉1-3wt％、氧化铝纤维1-2wt％。
优选的，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围50-300目。
优选的，所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围50-200目。
优选的，所述镀铜鳞片石墨采用人造鳞片石墨通过化学镀的方式镀铜，含铜量为40-50wt％，粒度分布范围20-150目；所述镀铜石墨粒铜含量为25-35wt％。
优选的，所述二硫化钼粒度分布范围为100-300目。
优选的，所述铬铁粉粒度分布范围80-200目，其中，以重量百分比计，铬含量为50-60wt％，铁含量40-50wt％。
优选的，所述氧化铝纤维长径比为10:1，包括95wt％al2o3和5wt％sio2。
优选的，所述氧化铝纤维采用化学胶体法制取。
本发明还提供了一种上述高速列车制动用粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
配料：使用自动称料设备按上述的重量份数比称取原材料；
混料：将上述原材料放入v型混料机内，加入煤油，搅拌均匀，混料时长为1-2h，其中，煤油添加量与原料总重量的比例为1ml：100g；
压制：将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为400-700mpa，加压时间8-15s；
烧结：将冷压成型的摩擦材料坯体在保护气氛中进行高温加压烧结。
优选的，制备过程中，保护气体为氮氢混合气，热压压力为2-6mpa，烧结温度870-1000℃，烧结时间为1-2h。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用铜粉和铁粉作为金属基体，可以对其他摩擦和润滑组元形成良好包裹效果体；采用铬铁粉和氧化铝纤维作为摩擦组元能耐提供高而稳定的摩擦系数，其中氧化铝纤维的添加可以提高材料高温摩擦性能，同时提高摩擦材料的自身剪切强度和抗压强度，可以减少摩擦材料的高温高速剥落，降低磨耗；采用镀铜鳞片石墨和二硫化钼作为润滑组元降低材料磨损率，防止制动盘磨损；制备过程中混料时适当加入煤油，可以作为润滑剂提高混料的均匀性，同时煤油相对容易挥发，不影响后续的压制和烧结；本发明高速列车制动用粉末冶金摩擦材料具有优异的力学性能，自身剪切强度可达28.9mpa，综合物理性能较为优异；具有稳定的高温摩擦系数和高温磨损性能、磨耗值低，摩擦系数波动值小，在相同速度不同压力情况下，摩擦系数的波动在0.02范围内，特别是在350km/h时，摩擦系数的波动在0.013范围内；摩擦材料在试验中的平均磨耗为0.087-0.121cm3/mj，远低于《tj/cl307-2014动车组闸片暂行技术条件》规定的粉末冶金闸片磨耗量不应超过0.35cm3/mj要求，高温稳定性能优异；同时测得所述摩擦材料的静摩擦系数为0.356-0.412。
2.本发明原材料中采用镀铜鳞片石墨和镀铜石墨粒添加的方式，非金属颗粒镀铜能够提高烧结金属基摩擦材料的强度，因为其改善了金属和非金属之间的润湿性，使基体金属与非金属颗粒牢固结合一起；非镀铜的非金属颗粒在烧结过程中，摩擦材料的基体金属仍处于固态，未镀铜的非金属颗粒表面往往是粗糙不平的，金属不易进入非金属颗粒表面的凹处，不易与非金属颗粒表面紧密相连，会留下了空隙，结合强度很低；镀铜的非金属颗粒在镀铜的过程中，铜沉积在颗粒的整个表面，使颗粒表面变得平直而光滑，在烧结过程中，基体金属就能较好地包裹住非金属颗粒，通过与铜的相互扩散，使得基体金属与非金属颗粒彼此钉扎啮合，结合强度大大提高，从宏观上显示出更高的强度，更稳定的摩擦系数，更好的抗热衰性。
3.因为镀铜鳞片石墨和镀铜石墨粒比鳞片石墨和石墨粒密度高，还能解决机械混合粉末因材料密度不同(铜8.9×103g/cm3，石墨2.2×103g/cm3)而导致的混料不均匀，产生偏析造成产品质量不稳定的问题。
4.本发明使用电解铜粉和雾化铁粉，电解铜粉呈树枝状，雾化铁粉呈球状，烧结后结构更加紧密均匀，增强材料的力学性质。
5.本发明添加的少量氧化铝纤维，氧化铝纤维属于陶瓷相，高温稳定性较强，与金属基体的浸润性良好，界面反应较小，组成的摩擦材料力学性能、耐磨性均会有提高，能够显著提高摩擦材料的高温摩擦系数稳定性和高温强度，还可以提高由的整体机械性能，增强剪切强度；
6.本发明所用原材料和配比，可在相对较低的烧结压力和温度下制备出性能优异的摩擦材料，节省能耗。
7.本发明制备工艺简单易控、性能优异，具有良好的市场前景。
具体实施方式
下面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。
实施例1
本实施例提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，具体如下：
本实施例5kg，包括以下原料：铜粉2750g、铁粉500g、镀铜鳞片石墨600g、镀铜石墨粒450g、铬铁粉500g、二硫化钼粉100g、氧化铝纤维100g；
其中，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围50-100目；
所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围50-100目；
所述镀铜鳞片石墨采用人造鳞片石墨通过化学镀的方式镀铜，含铜量为40wt％，粒度分布范围20-80目；所述镀铜石墨粒铜含量为25wt％；
所述二硫化钼粒度分布范围100-150目；
所述铬铁粉粒度分布范围80-150目，以重量百分比计，铬含量为50wt％，铁含量为50wt％。
所述氧化铝纤维长径比为10:1，采用化学胶体法制取，包括95wt％al2o3和5wt％sio2。
本实施例的制备步骤为：
使用自动称料设备按上述的重量百分比称取原材料，放入v型混料机内，加入少量煤油，搅拌均匀，混料时长为1h；将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为400mpa，加压时间为8s；再将冷压成型的摩擦材料坯体在由氮气和氢气混合的保护气氛中进行高温加压烧结，烧结温度870℃，热压压力为2mpa，烧结时间为1h。
实施例2
本实施例提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，具体如下：
本实施例5kg，包括以下原料：铜粉2250g、铁粉1000g、镀铜鳞片石墨600g、镀铜石墨粒400g、铬铁粉500g、二硫化钼粉150g、氧化铝纤维100g；
其中，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围50-100目；
所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围150-200目；
所述镀铜鳞片石墨采用人造鳞片石墨通过化学镀的方式镀铜，含铜量为42wt％粒度分布范围80-120目；所述镀铜石墨粒铜含量为28wt％；
所述二硫化钼粒度分布范围250-300目；
所述铬铁粉粒度分布范围80-150目，以重量百分比计，铬含量为55wt％，铁含量为45wt％。
所述氧化铝纤维长径比为10:1，采用化学胶体法制取，包括95wt％al2o3和5wt％sio2。
本实施例的制备步骤为：
使用自动称料设备按上述的重量百分比称取原材料，放入v型混料机内，加入少量煤油，搅拌均匀，混料时长为2h；将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为450mpa，加压时间为15s；再将冷压成型的摩擦材料坯体在由氮气和氢气混合的保护气氛中进行高温加压烧结，烧结温度900℃，热压压力为3mpa，烧结时间为2h。
实施例3
本实施例提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，具体如下：
本实施例5kg，包括以下原料：铜粉2500g、铁粉750g、镀铜鳞片石墨750g、镀铜石墨粒300g、铬铁粉450g、二硫化钼粉150g、氧化铝纤维100g；
其中，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围200-250目；
所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围100-150目；
所述镀铜鳞片石墨采用人造鳞片石墨通过化学镀的方式镀铜，含铜量为45wt％，60-100目；所述镀铜石墨粒铜含量为30wt％；
所述二硫化钼粒度分布范围100-150目；
所述铬铁粉粒度分布范围150-200目，以重量百分比计，铬含量为60wt％，铁含量为40wt％。
所述氧化铝纤维长径比为10:1，采用化学胶体法制取，包括95wt％al2o3和5wt％sio2。
本实施例的制备步骤为：
使用自动称料设备按上述的重量百分比称取原材料，放入v型混料机内，加入少量煤油，搅拌均匀，混料时长为1.5h；将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为550mpa，加压时间为9s；再将冷压成型的摩擦材料坯体在由氮气和氢气混合的保护气氛中进行高温加压烧结，烧结温度950℃，热压压力为4mpa，烧结时间为1.5h。
实施例4
本实施例提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，具体如下：
本实施例5kg，包括以下原料：铜粉2750g、铁粉650g、镀铜鳞片石墨700g、镀铜石墨粒350g、铬铁粉400g、二硫化钼粉100g、氧化铝纤维50g；
其中，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围200-150目；
所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围100-150目；
所述镀铜鳞片石墨采用人造鳞片石墨通过化学镀的方式镀铜，含铜量为48wt％粒度分布范围120-180目；所述镀铜石墨粒铜含量为32wt％；
所述二硫化钼粒度分布范围200-150目；
所述铬铁粉粒度分布范围100-150目，以重量百分比计，铬含量为60wt％，铁含量为40wt％。
所述氧化铝纤维长径比为10:1，采用化学胶体法制取，包括95wt％al2o3和5wt％sio2。
本实施例的制备步骤为：
使用自动称料设备按上述的重量百分比称取原材料，放入v型混料机内，加入少量煤油，搅拌均匀，混料时长为1h；将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为650mpa，加压时间为12s；再将冷压成型的摩擦材料坯体在由氮气和氢气混合的保护气氛中进行高温加压烧结，烧结温度980℃，热压压力为5mpa，烧结时间为1h。
实施例5
本实施例提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，具体如下：
本实施例5kg，包括以下原料：铜粉3000g、铁粉750g、镀铜鳞片石墨600g、镀铜石墨粒250g、铬铁粉300g、二硫化钼粉50g、氧化铝纤维50g；
其中，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围250-300目；
所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围150-200目；
所述镀铜鳞片石墨采用人造鳞片石墨通过化学镀的方式镀铜，含铜量为50wt％，粒度分布范围120-160目；所述镀铜石墨粒铜含量为35wt％；
所述二硫化钼粒度分布范围250-300目；
所述铬铁粉粒度分布范围160-200目，以重量百分比计，铬含量为50wt％，铁含量为50wt％。
所述氧化铝纤维长径比为10:1，采用化学胶体法制取，包括95wt％al2o3和5wt％sio2。
本实施例的制备步骤为：
使用自动称料设备按上述的重量百分比称取原材料，放入v型混料机内，加入少量煤油，搅拌均匀，混料时长为2h；将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为700mpa，加压时间为14s；再将冷压成型的摩擦材料坯体在由氮气和氢气混合的保护气氛中进行高温加压烧结，烧结温度1000℃，热压压力为6mpa，烧结时间为2h。
对比例1
本对比例提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，具体如下：
本对比例5kg，包括以下原料：铜粉3000g、铁粉750g、鳞片石墨600g、石墨粒250g、铬铁粉300g、二硫化钼粉50g、氧化铝纤维50g；
其中，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围250-300目；
所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围150-200目；
所述鳞片石墨采用人造鳞片石墨，粒度分布范围100-150目；
所述二硫化钼粒度分布范围250-300目；
所述铬铁粉粒度分布范围150-200目，以重量百分比计，铬含量为50wt％，铁含量为50wt％。
所述氧化铝纤维长径比为10:1，采用化学胶体法制取，包括95wt％al2o3和5wt％sio2。
本对比例的制备步骤为：
使用自动称料设备按上述的重量百分比称取原材料，放入v型混料机内，加入少量煤油，搅拌均匀，混料时长为2h；将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为700mpa，加压时间为14s；再将冷压成型的摩擦材料坯体在由氮气和氢气混合的保护气氛中进行高温加压烧结，烧结温度1000℃，热压压力为6mpa，烧结时间为2h。
对比例2
本对比例提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，具体如下：
本对比例5kg，包括以下原料：铜粉3000g、铁粉750g、鳞片石墨600g、石墨粒250g、铬铁粉300g、二硫化钼粉50g、氧化铝粉末50g；
其中，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围150-300目；
所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围150-200目；
所述鳞片石墨采用人造鳞片石墨，粒度分布范围100-150目；
所述二硫化钼粒度分布范围250-300目；
所述铬铁粉粒度分布范围150-200目，以重量百分比计，铬含量为50wt％，铁含量为50wt％。
所述氧化铝粉末粒度分布范围100-150目。
本对比例的制备步骤为：
使用自动称料设备按上述的重量百分比称取原材料，放入v型混料机内，加入少量煤油，搅拌均匀，混料时长为2h；将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为700mpa，加压时间为14s；再将冷压成型的摩擦材料坯体在由氮气和氢气混合的保护气氛中进行高温加压烧结，烧结温度1000℃，热压压力为6mpa，烧结时间为2h。
对比例3
本对比例提供了一种高速列车制动用粉末冶金摩擦材料，具体如下：
本对比例5kg，包括以下原料：铜粉3000g、铁粉750g、鳞片石墨600g、石墨粒250g、铬铁粉300g、二硫化钼粉50g、氧化铝粉末50g；
其中，所述铜粉采用电解铜粉，粒度分布范围250-300目；
所述铁粉采用雾化铁粉，粒度分布范围150-200目；
所述镀铜鳞片石墨采用人造鳞片石墨，粒度分布范围100-150目；
所述二硫化钼粒度分布范围250-300目；
所述铬铁粉粒度分布范围100-150目，以重量百分比计，铬含量为50wt％，铁含量为50wt％。
所述氧化铝纤维长径比为10:1，采用化学胶体法制取，包括95wt％al2o3和5wt％sio2。
本对比例的制备步骤为：
使用自动称料设备按上述的重量百分比称取原材料，放入v型混料机内，搅拌均匀，混料时长为2h；将混合均匀的原材料混合物冷压成型，成型压力为300mpa，加压时间为14s；再将冷压成型的摩擦材料坯体在由氮气和氢气混合的保护气氛中进行高温加压烧结，烧结温度800℃，热压压力为1mpa，烧结时间为2h。
测试结果
1、物理性能测试：根据本发明所制得的摩擦材料物理性能如下表1所示。
表1实施例1-5、对比例1-3物理性能测试结果
2、采用mm3000型摩擦磨损性能试验台对制得的摩擦材料分别在80km/h、160km/h、250km/h和350km/h进行进行摩擦磨损性能试验，模拟高速列车80-350km/h初速度紧急制动试验，其中在每个速度值的三个制动次序试验机设定压力分别为0.4mpa、0.21mpa和0.56mpa，四个速度值的发动机转速分别为1629r/min、3257r/min、5089r/min和7125r/min；根据本发明所制得的摩擦材料测得的mm3000摩擦磨损性能试验数据如下表2所示。
表2实施例1-5、对比例1-3摩擦性能和磨损性能测试结果
表2续
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。