本发明涉及粉末冶金摩擦材料技术领域，尤其涉及一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料及其制备方法。
背景技术：
2017年中国铁路总公司推出了时速160公里动力集中电动车组(复兴号“CR200J”)，作为首个在普速线上开跑的复兴号，与传统25T型铁路客车相比，运行速度更高，轴重更大。传统普速列车采用合成材料，由于其材料熔点和力学性能低，摩擦系数不稳定，在使用过程中易碳化和损伤制动盘，不利于列车的安全平稳制动，难以满足制动的要求。时速160公里的动力集中电动车组的核心部件实现了简统化设计，各个零部件标准和接口相同，按照国家标准动车组零部件设计。制动闸片作为列车运行安全的关键零部件，要求在复杂恶劣的运行环境中具备优良的摩擦性能，并且需要承受较高的温度，还需要承受巨大的侧向剪切力和制动压力；合成材料由于其材料熔点和力学性能低，难以承受高速动车组列车制动时的巨大冲击，因此新一代动力集中电动车组明确要求使用粉末冶金闸片代替合成闸片，以提高列车的制动性能。
粉末冶金闸片是以铜、铁、镍等粉末为基体，添加石墨等润滑组元和陶瓷等摩擦组元，经混合、压制和烧结成研磨粒子，最后与钢背组装而成。研磨粒子固定在钢背上，制动时通过闸片托将制动压力施加给研磨粒子，使摩擦材料与制动盘接触摩擦制动，动能转化为热能散发到空气中或随磨屑带走，最终实现列车的减速停车。
在目前公布的专利中，几乎全部的粉末冶金摩擦材料均需要进行压力烧结，烧结压力介于0.5MPa～5.0MPa之间，这种烧结工艺对生产设备和工装的要求较高，存在烧结压力分布不均，需对粉末冶金摩擦材料进行后期整形处理，生产效率低、生产成本高和性能不稳定等缺点。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料及其制备方法，不仅降低了现有压力烧结的生产成本及对设备和工装要求，而且提高了生产效率和摩擦材料的性能稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料，包括以下质量份的各组分：
铜粉40～60份，铁粉8～20份，锡粉4～11份，铬合金粉3～8份，镍粉3～4份，钼合金粉1～3份，磷铁合金粉0.5～3份，锰粉0.5～3份，碳化钛2～5份，莫来石2～5份，氧化铬1～3份，石墨9～25份，二硫化钼1～4份。
优选地，所述的铬合金粉为高碳铬铁粉，粒度为0～75μm，由50～70wt％的铬、≤10wt％的碳和余量的铁组成。
优选地，所述的钼合金粉为钼铁粉，粒度为0～45μm，由60～70wt％的钼、≤8wt％的碳和余量的铁组成。
优选地，所述的莫来石为烧结莫来石，粒度为20～150μm，氧化铝含量为55～65wt％。
优选地，所述的石墨由鳞片石墨和颗粒石墨组成，并且鳞片石墨和颗粒石墨重量比为1～2:1。
一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤A、按照上述的各组分配比，将铜粉、铁粉、锡粉、铬合金粉、镍粉、锰粉、钼合金粉和磷铁粉加入到高速混料机内进行机械合金化处理，从而得到预合金粉；
步骤B、按照上述的各组分配比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再进行混料，从而得到混合料；
步骤C、将所述的混合料冷压成型，并在保护气氛内进行脱胶处理，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛中进行无压烧结处理，从而制得铁路客车用粉末冶金摩擦材料。
优选地，在步骤A中，所述高速混料机的转速为300～500r/min，机械合金化处理时间10～15min。
优选地，在步骤B中，所述粘结剂为0.5～1wt％的石蜡粉，混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h。
优选地，在步骤C中，所述脱胶处理的脱胶温度为300～400℃，脱胶时间为1～3h，保护气氛为氮气与氢气的混合气体。
优选地，在步骤C中，所述无压烧结处理的烧结温度为890～1030℃，保温时间为1～2.5h，所述还原性气氛为氨分解气体、甲烷与氮气的混合气体、氢气与氮气的混合气体。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所提供的铁路客车用粉末冶金摩擦材料先对特定比例的铜粉、铁粉、锡粉、铬合金粉、镍粉、锰粉、钼合金粉和磷铁粉进行机械合金化处理，然后与特定比例的碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼进行混料，从而可有效避免不同比重金属粉末在混料过程中的偏聚现象，有利于烧结过程中金属合金组元的充分扩散，更容易在较低温度下进行冶金结合；此外，本发明对脱胶处理后的压坯进行无压烧结处理，从而可以降低生产成本，提高生产效率，保证粉末冶金摩擦材料的物理力学性能及摩擦磨耗性能的稳定性，延长闸片的使用寿命。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的铁路客车用粉末冶金摩擦材料及其制备方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料，包括以下质量份的各组分：铜粉40～60份，铁粉8～20份，锡粉4～11份，铬合金粉3～8份，镍粉3～4份，钼合金粉1～3份，磷铁合金粉0.5～3份，锰粉0.5～3份，碳化钛2～5份，莫来石2～5份，氧化铬1～3份，石墨9～25份，二硫化钼1～4份。
具体地，该铁路客车用粉末冶金摩擦材料可以包括以下实施方案：
(1)所述的铜粉可以为雾化铜粉、电解铜粉或超细铜粉，粒度为0～150μm。
(2)所述的铁粉可以为羰基铁粉、雾化铁粉或还原铁粉，粒度为0～150μm。
(3)所述的铬合金粉为高碳铬铁粉，粒度为0～75μm，由50～70wt％的铬、≤10wt％的碳和余量的铁组成。
(4)所述的镍粉为电解镍粉，粒度为20～100μm。
(5)所述的钼合金粉为钼铁粉，粒度为0～45μm，由60～70wt％的钼、≤8wt％的碳和余量的铁组成。
(6)所述的磷铁合金粉为磷铁粉，粒度为0～45μm，由20～40wt％的磷、≤5wt％的碳和余量的铁组成。
(7)所述的莫来石为烧结莫来石，粒度为20～150μm，氧化铝含量为55～65wt％。
(8)所述的石墨由鳞片石墨和颗粒石墨组成，并且鳞片石墨和颗粒石墨重量比为1～2:1。
进一步地，该铁路客车用粉末冶金摩擦材料的制备方法，可以包括以下步骤：
步骤A、按照铜粉:铁粉:锡粉:铬合金粉:镍粉:钼合金粉:磷铁合金粉:锰粉＝40～60:8～20:4～11:3～8:3～4:1～3:0.5～3:0.5～3的质量份之比，将铜粉、铁粉、锡粉、铬合金粉、镍粉、锰粉、钼合金粉和磷铁粉加入到高速混料机内进行机械合金化处理，高速混料机的转速为300～500r/min，机械合金化处理时间10～15min，从而得到预合金粉。
步骤B、按照碳化钛:莫来石:氧化铬:石墨:二硫化钼＝2～5:2～5:1～3:9～25:1～4的质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂(所述粘结剂为石蜡粉，其用量为全部组分总质量的0.5～1％，用于防止非金属粉末偏聚)，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h，从而得到混合料。
步骤C、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为200～500MPa，保压时间为10～60s，并在保护气氛(所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体)内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为300～400℃，脱胶时间为1～4h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氨分解气体或氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为890～1030℃，保温时间为1～2.5h，从而制得粉末冶金摩擦材料。
综上可见，本发明实施例不仅降低了现有压力烧结的生产成本及对设备和工装要求，而且提高了生产效率和摩擦材料的性能稳定性。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明中所提供的铁路客车用粉末冶金摩擦材料及其制备方法进行详细描述。
实施例1
一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料，由以下质量份的各组分制成：雾化铜粉45份，还原铁粉16份，锡粉6份，铬合金粉5份，镍粉3份，钼合金粉2份，磷铁粉1份，锰粉1份，碳化钛2份，莫来石2份，氧化铬3份，石墨12份，二硫化钼2份。
具体地，该铁路客车用粉末冶金摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
步骤a1、按照上述质量份之比，将铜粉、铁粉、锡粉、铬合金粉、镍粉、锰粉、钼合金粉和磷铁粉加入到高速混料机内进行机械合金化处理，高速混料机的转速为400r/min，机械合金化处理时间15min，从而得到预合金粉。
步骤a2、按照上述质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为60r/min，混料时间为6h，从而得到混合料。
步骤a3、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为350MPa，保压时间为10s，并以氮气与氢气的混合气体作为保护气氛在链带式连续烧结炉内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为400℃，脱胶时间为1h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为960℃，保温时间为2h，从而即制得铁路客车用粉末冶金摩擦材料。
进一步地，对本发明实施例1的铁路客车用粉末冶金摩擦材料进行摩擦性能的检测试验，试验工况为：车轮直径为915mm，铸钢制动盘直径为640mm，摩擦半径247mm，单个制动盘载荷9.0t(重车)/6.5t(空车)，制动压力为42kN，制动的初速度为160km/h。制动盘载荷9.0t，初速度160km/h状况下，停车制动平均摩擦系数为0.337～0.35，闸片平均磨耗量为0.05cm3/MJ；制动盘载荷6.5t，初速度160km/h状况下，停车制动平均摩擦系数为0.327～0.34，闸片平均磨耗量为0.08cm3/MJ。
实施例2
一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料，由以下质量份的各组分制成：雾化铜粉42份，还原铁粉18份，锡粉5份，铬合金粉4份，镍粉4份，钼合金粉2份，磷铁粉1份，锰粉1份，碳化钛2份，莫来石3份，氧化铬2份，石墨14份，二硫化钼2份。
具体地，该铁路客车用粉末冶金摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
步骤b1、按照上述质量份之比，将铜粉、铁粉、锡粉、铬合金粉、镍粉、锰粉、钼合金粉和磷铁粉加入到高速混料机内进行机械合金化处理，高速混料机的转速为400r/min，机械合金化处理时间20min，从而得到预合金粉。
步骤b2、按照上述质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为60r/min，混料时间为6h，从而得到混合料。
步骤b3、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为400MPa，保压时间为30s，并在保护气氛(所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体)内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为400℃，脱胶时间为2h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为1010℃，保温时间为2h，从而即制得铁路客车用粉末冶金摩擦材料。
进一步地，对本发明实施例2的铁路客车用粉末冶金摩擦材料进行摩擦性能的检测试验，试验工况为：车轮直径为915mm，铸钢制动盘直径为640mm，摩擦半径247mm，单个制动盘载荷9.0t(重车)/6.5t(空车)，制动压力为42kN，制动的初速度为160km/h。制动盘载荷9.0t，初速度160km/h状况下，停车制动平均摩擦系数为0.345～0.35，闸片平均磨耗量为0.02cm3/MJ；制动盘载荷6.5t，初速度160km/h状况下，停车制动平均摩擦系数为0.33～0.34，闸片平均磨耗量为0.06cm3/MJ。
实施例3
一种铁路客车用粉末冶金摩擦材料，由以下质量份的各组分制成：电解铜粉46.5份，羰基铁粉12.5份，锡粉8份，铬合金粉5份，镍粉3份，钼合金粉2份，磷铁粉1份，锰粉1份，碳化钛2份，莫来石2份，氧化铬3份，石墨12份，二硫化钼2份。
具体地，该铁路客车用粉末冶金摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
步骤c1、按照上述质量份之比，将铜粉、铁粉、锡粉、铬合金粉、镍粉、锰粉、钼合金粉和磷铁粉加入到高速混料机内进行机械合金化处理，高速混料机的转速为400r/min，机械合金化处理时间15min，从而得到预合金粉。
步骤c2、按照上述质量份之比，向所述预合金粉中加入碳化钛、莫来石、氧化铬、石墨和二硫化钼，并加入粘结剂，再采用“V”型混料机进行混料，混料转速为60r/min，混料时间为8h，从而得到混合料。
步骤c3、将所述的混合料冷压成型，冷压成型的压力为450MPa，保压时间为15s，并在保护气氛(所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体)内进行脱胶处理，脱胶处理的脱胶温度为400℃，脱胶时间为3h，然后将脱胶处理后的压坯置于还原性气氛(所述还原性气氛为氢气与氮气的混合气体)中进行无压烧结处理，无压烧结处理的烧结温度为980℃，保温时间为2h，从而即制得铁路客车用粉末冶金摩擦材料。
进一步地，对本发明实施例3的铁路客车用粉末冶金摩擦材料进行摩擦性能的检测试验，试验工况为：车轮直径为915mm，铸钢制动盘直径为640mm，摩擦半径247mm，单个制动盘载荷9.0t(重车)/6.5t(空车)，制动压力为42kN，制动的初速度为160km/h。制动盘载荷9.0t，初速度160km/h状况下，停车制动平均摩擦系数为0.34～0.348，闸片平均磨耗量为0.04cm3/MJ；制动盘载荷6.5t，初速度160km/h状况下，停车制动平均摩擦系数为0.325～0.335，闸片平均磨耗量为0.08cm3/MJ。
综上可见，本发明实施例不仅降低了现有压力烧结的生产成本及对设备和工装要求，而且提高了生产效率和摩擦材料的性能稳定性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。