一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片及制备方法与流程

本发明属于粉末冶金工艺生产高速列车制动闸片技术领域，特别提供了一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片。

背景技术：

目前各速度等级高速铁路列车上，商业大规模使用的制动盘均为合金钢盘。虽然合金钢盘成本相对较低，易于更换，但是其重量大。并且随着列车运行速度的提高，制动盘也越来越容易开裂，异常磨损，从而造成合金钢制动盘使用寿命缩短甚至引发安全问题。为了满足列车轻量化、高速化的需求，已经应用于高端跑车、飞机等的碳陶制动盘有望成为高速列车未来使用的制动盘材料。碳陶盘具有强度高，耐高温并且密度低等特性。然而，当其与对偶闸片摩擦时，相比于合金钢盘其摩擦界面的温升更高，这也就使得传统的铜基制动闸片面临更加严峻的考验。这主要是因为当铜基体在高温下软化之后，闸片材料的摩擦系数会衰退并且失稳，磨损量异常增大。

基于此，我们改变闸片中铜粉的含量，并且增加铁粉的含量，使得铁粉作为基体制备全新的能够与碳陶盘匹配的铁基粉末冶金闸片。铁粉作为基体具有一系列的优点，比如铁的熔点以及高温强度相对于铜粉来说都更高。此外，铁粉来源更加广，成本也更低。在此之前，铁基粉末冶金摩擦材料也被广泛使用，比如专利cn104399970a“一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”，专利cn104399970a“一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”及专利cn106086718a“一种离合器铁基复合摩擦材料及其制备方法”均发明了一种铁基摩擦材料，但是所使用的领域并不是高速列车的制动领域。其中很大一个原因便是铁粉与同为合金钢的制动盘具有相似，铁与铁之间易于产生焊接，黏着，从而造成摩擦系数不稳定以及磨损量异常增大。对于碳陶材质的制动盘，这一缺点便不再存在，铁基摩擦材料也能更好的发挥其优良的力学以及摩擦磨损性能。然而，碳陶盘与闸片对磨时摩擦界面温升高，这意味着高铁列车在多次连续制动过程中，制动闸片需要经历更加频繁以及剧烈的冷热温度循环，这对闸片润滑性能是一个极大的考验，因为通常闸片中会添加石墨以及二硫化钼作为润滑组元，而石墨和二硫化钼在氧化气氛中的工作温度不能超过450℃及500℃，否则其层状易滑移结构会受到破坏。当因氧化而导致闸片材料润滑性能降低的时候，闸片材料的摩擦系数稳定性以及耐磨性将会剧烈的下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于以铁粉为闸片材料基体，并通过精确设计并调控润滑组元的种类和含量，制定相应的制备方法，得到能够与碳陶制动盘产生良好的配合、在宽的温度范围具有摩擦系数稳定性、适用于高速铁路列车在高速重载条件下紧急制动时的闸片。

基于上述理念，我们发明了一种在宽温域具有摩擦系数稳定性，与碳陶盘相匹配的铁基粉末冶金制动闸片。在此闸片的制备过程中，我们设计了多组元固体润滑剂，同时加入两类能够在不同温度下起润滑作用的组元，包括低温润滑组元和高温润滑组元，其中低温润滑组元主要起作用的温度不超过500℃，而高温润滑组元主要起作用的温度可以达到800℃甚至更高。具体为：低温润滑组元包括石墨，以及ws2，wse2，fes中的一种；高温润滑组元为氟化物(caf2，baf2，laf3，cef3)中的一种，以及氧化物(moo3，wo3，zno，b2o3，v2o3，re2o3)中的一种。低温润滑组元的晶体均为层状结构，存在着在剪切力的作用下易滑移的晶体平面。其中，石墨在室温到氧化温度425℃之间润滑效果好，并且与铁基体具有良好的界面结合，但是其力学强度较低，在高应力制动条件下单独使用时易破碎剥落；ws2，wse2及fes能够在低于500℃的温度下其润滑作用，并且其力学强度较高，与铁基体的界面结合也较好，配合石墨使用能够在低温下产生良好的润滑作用；氟化物在低温下呈现出脆性，润滑作用有限。但是在高温下发脆性到塑性的转变，塑性颗粒能够在摩擦表面涂覆从而产生润滑作用，比如caf2在1000℃的高温中仍然能够对金属和陶瓷产生有效的润滑作用；氧化物的润滑作用主要是由于氧化物颗粒在高温下易变形或剪切引起的，出现这种现象有两个基本原因，其中原因之一是随着离子势差异的增加，氧化物形成低熔点或易剪切复合化合物的能力提高。由于阴离子可以更好的屏蔽或掩盖阳离子，且使得它们不易与周围的阳离子反应，因此，它们倾向于在高温具备低硬度和剪切强。第二个原因是随着离子势差异的增大，离子形成高稳定化合物的能力或亲和力发挥很少的化学或静电吸引力上升。滑动表面之间较低的吸引力预示着滑行接触界面上较低的粘着力，因此获得低摩擦。此外，当氟化物以及氧化物作为高温润滑组元加入时，其粒径匹配为纳米粒径。这主要是因为在低温下这二者均具有较高的脆性，当粒径较大时会对碳陶制动盘产生异常划伤，使得碳陶盘的使用寿命缩短。另外，纳米粒径的氟化物和氧化物颗粒可以在摩擦时参与摩擦膜的形成，对摩擦膜起颗粒强化作用，从而在低温促进摩擦表面摩擦膜的稳定，在高温下进一步在摩擦表面起润滑作用。由于较多润滑组元的加入会阻碍铁基制动闸片材料的烧结过程，从而导致制备的闸片材料孔隙度上升，因此我们进一步的利用振荡加压烧结的方式对铁基制动闸片进行烧结，从而极大的促进了铁基制动闸片的致密化。本发明在全面考虑以上因素后，设计并制备了具有宽温域摩擦系数稳定性的铁基制动闸片，当其与碳陶盘匹配组成制动副的时候，在高速重载条件下紧急制动时具有稳定的摩擦系数。

为实现本发明目的，采用以下制备技术方案：

一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，其特征在于，包括下面组分：

铁粉：50-70重量份，45-75μm；铜粉：10-20重量份，13-25μm；石墨烯：0.1-1重量份，0.01-0.1μm；铬铁合金粉：1-5重量份，50-200μm；钼铁合金粉：1-5重量份，50-200μm；铬粉：1-5重量份，50-200μm；钼粉：1-5重量份，50-200μm；低温润滑组元：5-15重量份；高温润滑组元：1-8重量份。

进一步地，所述低温润滑组元含有鳞片状石墨，粒度为300-500μm，最优含量在5-10重量份之间。

进一步地，所述低温润滑组元还含有ws2，wse2，fes中的一种，粒度为48-75μm，最优含量在1-5重量份之间。

进一步地，所述高温润滑组元含有caf2，baf2，laf3，cef3中的一种，粒度为0.05-0.5μm，最优含量为1-4重量份之间。

进一步地，所述高温润滑组元还含有moo3，wo3，zno，b2o3，v2o3，re2o3中的一种，粒度为0.05-0.5μm，最优含量为1-4重量份之间。

一种如上所述的制动闸片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将上述原料粉末按照所述重量份称取；

(2)将称取好的原料粉末除石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒以外倒入双锥混料机中，混料筒不断回转使得物料翻动混合，此时将石墨烯-纳米尺寸的高温润滑组元颗粒-乙醇分散液在高压气体的带动下喷洒成雾状并且均匀地包裹在分散的大颗粒粉末颗粒上，最终得到混合均匀的混合粉末；

(3)将混合均匀的粉末冷压成型；

(4)将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结；

(5)冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。

进一步地，步骤(2)中，混料筒的转速为120-180转/分，混料时间为3-5个小时。

进一步地，步骤(2)中，石墨烯和纳米尺寸的高温润滑组元颗粒共同加入乙醇中，加入量为0.5g/100ml-2g/100ml。将溶液预先进行机械搅拌1.5h，使石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒充分分散在乙醇中；随后石墨烯-乙醇分散液在高压气体的带动下喷洒成雾状进入已旋转40-70min的混料筒中。

进一步地，步骤(3)中，压力为500-800mpa，保压时间50-130s。

进一步地，步骤(4)中，烧结温度为950℃-1050℃，气氛为氢氮混合气体，保温40-100min。烧结过程中，双向压力在2-4mpa之间以2hz的频率发生正弦振荡。

本发明的技术方案具有如下优点：

1、本发明所述的一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，其原料配方中同时包括低温润滑组元和高温润滑组元。其中低温润滑组元包括石墨，以及ws2、wse2、fes中的一种，高温润滑组元包括caf2、baf2、laf3、cef3中的一种，以及moo3、wo3、zno、b2o3、v2o3、re2o3中的一种。通过调控润滑组元的种类和成分，可以制得在宽温域下摩擦系数稳定的铁基制动闸片，且其与碳陶盘对磨制动时，摩擦系数高，磨耗低，对碳陶盘的损伤下，有效的克服了在高速重载情况下紧急制动时摩擦界面温度升高带来的摩擦系数下降以及闸片磨耗大的问题。

2、本发明所述制动闸片的制备方法是将各原料粉末经过准确称量后，经过充分混合冷压成形后，然后冷压坯体在振荡压力下烧结，冷却后即可得到本发明所述的具有宽温域摩擦系数稳定性的铁基制动闸片。在混料过程中，对于粒径小的石墨烯以及高温润滑组元，我们采用溶液喷洒的方式进行混合，避免纳米粉末团聚，使得其更加均匀的分布在铁基制动闸片的基体中并且可以缩短混料时间。考虑到铁基体中组元过多会使得闸片材料的烧结变得困难，因此在烧结过程中压力以一定的频率振荡，期间粉末可以产生移动填补孔隙，从而使得制备出的闸片材料组织均匀性和致密度大幅度提高。这也使得闸片材料的组织，结构以及力学性能更佳稳定，在摩擦过程中摩擦表面的润滑物质消耗后基体中仍然能够提供类似的物质起润滑作用。因此，在高速列车连续紧急制动过程中，铁基制动闸片与碳陶盘组成的摩擦副始终具有摩擦系数稳定和磨耗低的特点。

附图说明

图1.石墨烯喷洒混合示意图：

其中1.双锥混料器支架；2.混料桶；3.真空泵；4.控制阀门一；5.压力计；6.液体容器(用于喷洒前溶剂的盛放)；7.机械混合器；8.液体混合容器(用于原始液体混合)；9.机械混合器支架；10.机械混合叶片；11.高压气瓶；12.控制阀门二；13.控制阀门三；14.控制阀门四。

图2.实施例1和对比例1分别在600℃和800℃下以1m/s的速度滑动摩擦600s时的瞬时摩擦系数随时间的变化。

具体实施方式

按图1所示石墨烯喷洒混合步骤如下：在开始试验时，乙醇、纳米石墨烯及高温润滑组元盛放在8中，10保持不断的搅动；关闭阀门一4和阀门二12，打开阀门三13和阀门四14，真空泵3进行抽气，8中液体在大气压的作用下流入容器6；随后立刻关闭阀门二13和阀门四14，打开阀门一4和阀门二12，在高压气体的作用下6中的液体将喷洒进入混料筒2中。

实施例1：

1.一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，包括下面组分：

铁粉：50重量份；铜粉：18重量份；石墨烯：0.3重量份；铬粉：4重量份；钼粉：4重量份；铬铁合金粉：3重量份；钼铁合金粉：3重量份；鳞片状石墨，6重量份，粒径350μm；fes粉：5重量份，粒径58μm；caf2粉：3.2重量份，粒径0.1μm；moo3粉，3.5重量份，粒径0.1μm。

2.将称取好的原料粉末除石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒以外倒入双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动混合，转速为150转/分，粉末颗粒在混料筒中混合；将石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒加入乙醇中，加入量为1g/100ml。将溶液进行机械搅拌1.5h，使石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒充分分散在乙醇中，形成分散液；随后分散液在高压气体的带动下喷洒成雾状进入已旋转50min的混料筒中，使得石墨烯以及小粒径高温润滑组元均匀地包裹在混料筒中混合的大粒径原料粉末颗粒上，经过3个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为600mpa，保压时间120s；

4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至1050℃，在氢氮混合气体中烧结，保温70min。烧结过程中，双向压力在2-4mpa之间以2hz的频率发生正弦振荡；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。

实施例2：

1.一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，包括下面组分：

铁粉：55重量份；铜粉：15重量份；石墨烯：0.5重量份；铬粉：3重量份；钼粉：3重量份；铬铁合金粉：3重量份；钼铁合金粉：3重量份；鳞片状石墨，7重量份，粒径380μm；ws粉：6重量份，粒径62μm；baf2粉：2重量份，粒径0.15μm；zno3粉，2.5重量份，粒径0.15μm。

2.将称取好的原料粉末除石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒以外倒入双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动混合，转速为140转/分，粉末颗粒在混料筒中混合；将石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒加入乙醇中，加入量为0.8g/100ml。将溶液进行机械搅拌1.5h，使石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒充分分散在乙醇中，形成分散液；随后分散液在高压气体的带动下喷洒成雾状进入已旋转60min的混料筒中，使得石墨烯以及小粒径高温润滑组元均匀地包裹在混料筒中混合的大粒径原料粉末颗粒上，经过3.5个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为650mpa，保压时间100s；

4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至1030℃，在氢氮混合气体中烧结，保温90min。烧结过程中，双向压力在2-4mpa之间以2hz的频率发生正弦振荡；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。

实施例3：

1.一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，包括下面组分：

铁粉：60重量份；铜粉：12重量份；石墨烯：0.7重量份；铬粉：3重量份；钼粉：3重量份；铬铁合金粉：2重量份；钼铁合金粉：2重量份；鳞片状石墨，8重量份，粒径425μm；ws粉：5重量份，粒径62μm；laf3粉：2.3重量份，粒径0.2μm；b2o3粉，2重量份，粒径0.2μm。

2.将称取好的原料粉末除石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒以外倒入双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动混合，转速为160转/分，粉末颗粒在混料筒中混合；将石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒加入乙醇中，加入量为1.2g/100ml。将溶液进行机械搅拌1.5h，使石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒充分分散在乙醇中，形成分散液；随后分散液在高压气体的带动下喷洒成雾状进入已旋转65min的混料筒中，使得石墨烯以及小粒径高温润滑组元均匀地包裹在混料筒中混合的大粒径原料粉末颗粒上，经过4个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为700mpa，保压时间90s；

4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至1010℃，在氢氮混合气体中烧结，保温60min。烧结过程中，双向压力在2-4mpa之间以2hz的频率发生正弦振荡；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。

实施例4：

1.一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，包括下面组分：

铁粉：65重量份；铜粉：8重量份；石墨烯：0.8重量份；铬粉：3重量份；钼粉：3重量份；铬铁合金粉：2重量份；钼铁合金粉：2重量份；鳞片状石墨，7重量份，粒径500μm；wse2粉：4重量份，粒径53μm；cef3粉：1.5重量份，粒径0.3μm；wo3粉，2.7重量份，粒径0.3μm。

2.将称取好的原料粉末除石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒以外倒入双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动混合，转速为170转/分，粉末颗粒在混料筒中混合；将石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒加入乙醇中，加入量为1.5g/100ml。将溶液进行机械搅拌1.5h，使石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒充分分散在乙醇中，形成分散液；随后分散液在高压气体的带动下喷洒成雾状进入已旋转70min的混料筒中，使得石墨烯以及小粒径高温润滑组元均匀地包裹在混料筒中混合的大粒径原料粉末颗粒上，经过4.5个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为750mpa，保压时间80s；

4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至1000℃，在氢氮混合气体中烧结，保温80min。烧结过程中，双向压力在2-4mpa之间以2hz的频率发生正弦振荡；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。

对比例1：

1.一种不含高温润滑组元的铁基粉末冶金制动闸片，包括下面组分：

铁粉：59.5重量份；铜粉：15重量份；石墨烯：0.5重量份；铬粉：3重量份；钼粉：3重量份；铬铁合金粉：3重量份；钼铁合金粉：3重量份；鳞片状石墨，7重量份，粒径380μm；ws粉：6重量份，粒径62μm。

2.将称取好的原料粉末除石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒以外倒入双锥混料机中，混料筒不断回转使物料翻动混合，转速为150转/分，粉末颗粒在混料筒中混合；将石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒加入乙醇中，加入量为1g/100ml。将溶液进行机械搅拌1.5h，使石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒充分分散在乙醇中，形成分散液；随后分散液在高压气体的带动下喷洒成雾状进入已旋转50min的混料筒中，使得石墨烯以及小粒径高温润滑组元均匀地包裹在混料筒中混合的大粒径原料粉末颗粒上，经过3个小时的混料时间得到混合均匀的复合粉末；

3.将混合均匀的粉末冷压成形，压力为600mpa，保压时间120s；

4.将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结，加热至1050℃，在氢氮混合气体中烧结，保温70min。烧结过程中，双向压力在2-4mpa之间以2hz的频率发生正弦振荡；

5.冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力振荡不变。

上述实施例1-4以及对比例1制备出来的物理性能如表1：

表1上述各实施例1-4以及对比例1部分物理性能参数

从表1可以看出，对比例1-4的物理性质相近，对比例1的致密度略高，这是由于实施例1-4中多添加了纳米尺寸的高温润滑组元颗粒阻碍烧结所致。

在制动试验机上在350km/h下连续五次制动测得的摩擦系数及磨损量如下表2(机器型号：mm-1000，初始转速：7400r/min,转动惯量：0.4kg﹒m²,施加压力：0.48mpa)：

表2上述各实施例1-4闸片及对比例1平均摩擦系数及制动之后的总磨损量(cm³/mj)

从上表2可以看出，在连续高速紧急制动的情况下，实施例1-4材料的摩擦系数能够维持在0.4至0.45之间，而且摩擦系数稳定，没有出现明显的高速高温导致的摩擦系数衰退。从总磨损量来看，本发明实施例1-4制备铁基制动闸片的磨损量显著低于对比例1，说明实施例1-4所制备的闸片材料具有极佳的耐磨性。

从附图2可以看出，在600℃下，实施例1和对比例1的瞬时摩擦系数波动都较小，并且实施例1的瞬时摩擦系数值略高，这是由高温润滑组元在此时起硬质相增大摩擦系数所致。在800℃下，对比例1的瞬时摩擦系数波动剧烈增大，约在0-0.5之间波动，而实施例2的瞬时摩擦系数波动虽然较600℃时也增大，但是幅度仍然较小，并且摩擦系数值仍然较大。这说明高温润滑组元和低温润滑组元的加入使得铁基制动闸片材料在宽的温度范围实现了摩擦系数的稳定。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，这种变化应该属于本发明权利要求限定的范围。