本发明属于刹车片技术领域，涉及一种大功率机车用合成闸片，尤其是涉及一种大功率机车用合成闸片摩擦材料及制备方法。
背景技术：
大功率机车在原有机车载重上增加了一倍能载，速度提高50％，制动难度加大，对制动片的磨损也进一步加大，从而对制动片的材料耐磨性能要求提高。现有技术中，制动盘为灰口铸铁制成，所以只能选用合成闸片，合成闸片具备稳定的干湿态摩擦性能、低磨损量、不损伤制动盘、环保等特点。
目前国内大功率机车有4000台，每台装32块合成闸片，按半年更换一次，年需求量25.6万块。现只有某公司配套少量机车，大多数机车用合成闸片主要依靠进口，进口合成闸片成本高，给机车的维护保养带来了不便。为此，急需研制适用于国内大功率机车的闸片产品，实现国产化，以降低闸片的维护和更换成本。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种大功率机车用合成闸片摩擦材料及制备方法，从而达到安全无污染、可靠、耐磨、干湿态摩擦性能稳定的效果。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料，按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂15～25％、钢棉纤维10～20％、石墨5～10％、碳化硅1～5％、石英砂1～5％、氧化铝0.5～3％、硫磺0.5～2％、二硫化钼2～7％、石油焦5～10％、硫酸钡10～15％、丁腈橡胶5～10％、丁苯橡胶5～10％、麻纤维5～10％、芳纶纤维0.5～3％、高温增强纤维2～5％、天然纤维2～5％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
进一步地，所述各组分的微观性状分别为：硫酸钡粒度为20～75μm，海绵状；铜粉纯度≥99.5％，粒度为20～75μm，树枝状；石墨纯度≥92％，粒度为20～40μm，颗粒状；碳化硅纯度≥97％，粒度为50～63μm；石英砂纯度≥97％，粒度为40#～100#；二硫化钼纯度≥97％，粒度为20～45μm，层状粉剂。
进一步地，所述各组分按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂25％、钢棉纤维20％、石墨10％、碳化硅4％、石英砂2％、氧化铝1.5％、硫磺0.5％、二硫化钼2％、石油焦5％、硫酸钡10％、丁腈橡胶5％、丁苯橡胶5％、麻纤维5％、芳纶纤维0.5％、高温增强纤维2％、天然纤维2％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
进一步地，所述各组分按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂20％、钢棉纤维15％、石墨6％、碳化硅1％、石英砂5％、氧化铝0.5％、硫磺1％、二硫化钼3％、石油焦6％、硫酸钡11％、丁腈橡胶10％、丁苯橡胶7％、麻纤维7％、芳纶纤维1％、高温增强纤维4％、天然纤维3％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
进一步地，所述各组分按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂16.5％、钢棉纤维15％、石墨7％、碳化硅3％、石英砂1％、氧化铝3％、硫磺1.5％、二硫化钼5％、石油焦5％、硫酸钡15％、丁腈橡胶6％、丁苯橡胶6％、麻纤维6％、芳纶纤维3％、高温增强纤维2％、天然纤维5％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
进一步地，所述各组分按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂15％、钢棉纤维10％、石墨5％、碳化硅5％、石英砂1％、氧化铝0.5％、硫磺2％、二硫化钼7％、石油焦10％、硫酸钡10％、丁腈橡胶5％、丁苯橡胶10％、麻纤维10％、芳纶纤维2.5％、高温增强纤维5％、天然纤维2％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纤维处理：将纤维类原材料进行搅拌，搅拌参数：3600～3800r/min，搅拌时间：20～30min；
(2)将步骤(1)处理后的原材料根据合成闸片的组分比例称取各组分；
(3)将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料，分散速度2600±50r/min，搅拌速度90±5r/min，混料时间20±2min；
(4)将步骤(3)混合均匀后的混合料，按合成闸片压制参数进行称料，倒入压制模具中，同时放置骨架在模腔内，在压制压力30MPa～50MPa和温度140℃～160℃下，经过25min～40min的保温时间，压制制得闸片；
(5)将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温115～125min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温115～125min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温115～125min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温115～125min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温55～65min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温10～20min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片；
(6)将步骤(5)所得的合成闸片，进一步机加修整外形；
(7)将步骤(6)得到的合成闸片进行喷漆处理，包装密封。
进一步地，所述步骤(5)中，将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温115min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温125min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温115min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温125min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温55min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温20min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片。
进一步地，所述步骤(5)中，将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温125min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温115min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温125min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温115min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温65min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温10min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片。
进一步地，所述步骤(5)中，将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温60min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温15min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种大功率机车用合成闸片摩擦材料及其制备方法，以纳米铝酚醛树脂作为基体组元，通过加入丁腈橡胶、丁苯橡胶等强化组元，从而对基体组元进行强化；通过加入碳化硅、石英砂、氧化铝等组元，从而增加合成闸片的摩擦系数；通过加入石墨、石油焦和二硫化钼等润滑组元，从而增加合成闸片磨损过程中表面的光滑度并减少灰口铸铁制动盘的磨损量，通过加入硫酸钡、麻纤维、高温增强纤维等填料组元，从而降低了合成闸片的成本；同时，提供了该大功率机车用合成闸片的制备工艺，可制备得到符合国内大功率机车使用条件的合成闸片。
使用本技术方案制备的合成闸片，具备稳定的干湿态摩擦性能稳定、磨损量低、制动盘不易损伤、安全无污染、可靠、耐磨等特点。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
本发明所述的一种大功率机车用合成闸片摩擦材料，按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂15～25％、钢棉纤维10～20％、石墨5～10％、碳化硅1～5％、石英砂1～5％、氧化铝0.5～3％、硫磺0.5～2％、二硫化钼2～7％、石油焦5～10％、硫酸钡10～15％、丁腈橡胶5～10％、丁苯橡胶5～10％、麻纤维5～10％、芳纶纤维0.5～3％、高温增强纤维2～5％、天然纤维2～5％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
上述各组分的微观性状分别为：硫酸钡粒度为20～75μm，海绵状；铜粉纯度≥99.5％，粒度为20～75μm，树枝状；石墨纯度≥92％，粒度为20～40μm，颗粒状；碳化硅纯度≥97％，粒度为50～63μm；石英砂纯度≥97％，粒度为40#～100#；二硫化钼纯度≥97％，粒度为20～45μm，层状粉剂。
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纤维处理：将纤维类原材料进行搅拌，搅拌参数：3600～3800r/min，搅拌时间：20～30min；
(2)将步骤(1)处理后的原材料根据合成闸片的组分比例称取各组分；
(3)将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料，分散速度2600±50r/min，搅拌速度90±5r/min，混料时间20±2min；
(4)将步骤(3)混合均匀后的混合料，按合成闸片压制参数进行称料，倒入压制模具中，同时放置骨架在模腔内，在压制压力30MPa～50MPa和温度140℃～160℃下，经过25min～40min的保温时间，压制制得闸片；
(5)将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温115～125min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温115～125min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温115～125min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温115～125min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温55～65min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温10～20min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片；
(6)将步骤(5)所得的合成闸片，进一步机加修整外形；
(7)将步骤(6)得到的合成闸片进行喷漆处理，包装密封。
实施例一
原材料准备：一种大功率机车用合成闸片摩擦材料，按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂25％、钢棉纤维20％、石墨10％、碳化硅4％、石英砂2％、氧化铝1.5％、硫磺0.5％、二硫化钼2％、石油焦5％、硫酸钡10％、丁腈橡胶5％、丁苯橡胶5％、麻纤维5％、芳纶纤维0.5％、高温增强纤维2％、天然纤维2％；上述各组分经充分混合、烘干等步骤后高温烧结而成。
上述各组分的微观性状分别为：硫酸钡粒度为20～75μm，海绵状；铜粉纯度≥99.5％，粒度为20～75μm，树枝状；石墨纯度≥92％，粒度为20～40μm，颗粒状；碳化硅纯度≥97％，粒度为50～63μm；石英砂纯度≥97％，粒度为40#～100#；二硫化钼纯度≥97％，粒度为20～45μm，层状粉剂。
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纤维处理：将纤维类原材料进行搅拌，搅拌参数：3600～3800r/min，搅拌时间：20～30min；
(2)配料：将步骤(1)处理后的原材料根据合成闸片的组分比例称取各组分；
(3)混料：将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料，分散速度2600±50r/min，搅拌速度90±5r/min，混料时间20±2min；
(4)压制：将步骤(3)混合均匀后的混合料，按合成闸片压制参数进行称料，倒入压制模具中，同时放置骨架在模腔内，在压制压力30MPa～50MPa和温度140℃～160℃下，经过25min～40min的保温时间，压制制得闸片；
(5)固化：将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温115min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温125min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温115min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温125min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温55min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温20min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片；
(6)将步骤(5)所得的合成闸片，进一步机加修整外形；
(7)喷漆：将步骤(6)得到的合成闸片进行喷漆处理，包装密封。
实施例二
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料，按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂20％、钢棉纤维15％、石墨6％、碳化硅1％、石英砂5％、氧化铝0.5％、硫磺1％、二硫化钼3％、石油焦6％、硫酸钡11％、丁腈橡胶10％、丁苯橡胶7％、麻纤维7％、芳纶纤维1％、高温增强纤维4％、天然纤维3％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
上述各组分的微观性状分别为：硫酸钡粒度为20～75μm，海绵状；铜粉纯度≥99.5％，粒度为20～75μm，树枝状；石墨纯度≥92％，粒度为20～40μm，颗粒状；碳化硅纯度≥97％，粒度为50～63μm；石英砂纯度≥97％，粒度为40#～100#；二硫化钼纯度≥97％，粒度为20～45μm，层状粉剂。
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纤维处理：将纤维类原材料进行搅拌，搅拌参数：3600～3800r/min，搅拌时间：20～30min；
(2)将步骤(1)处理后的原材料根据合成闸片的组分比例称取各组分；
(3)将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料，分散速度2600±50r/min，搅拌速度90±5r/min，混料时间20±2min；
(4)将步骤(3)混合均匀后的混合料，按合成闸片压制参数进行称料，倒入压制模具中，同时放置骨架在模腔内，在压制压力30MPa～50MPa和温度140℃～160℃下，经过25min～40min的保温时间，压制制得闸片；
(5)将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温125min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温115min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温125min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温115min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温65min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温10min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片；
(6)将步骤(5)所得的合成闸片，进一步机加修整外形；
(7)将步骤(6)得到的合成闸片进行喷漆处理，包装密封。
实施例三
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料，按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂16.5％、钢棉纤维15％、石墨7％、碳化硅3％、石英砂1％、氧化铝3％、硫磺1.5％、二硫化钼5％、石油焦5％、硫酸钡15％、丁腈橡胶6％、丁苯橡胶6％、麻纤维6％、芳纶纤维3％、高温增强纤维2％、天然纤维5％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
上述各组分的微观性状分别为：硫酸钡粒度为20～75μm，海绵状；铜粉纯度≥99.5％，粒度为20～75μm，树枝状；石墨纯度≥92％，粒度为20～40μm，颗粒状；碳化硅纯度≥97％，粒度为50～63μm；石英砂纯度≥97％，粒度为40#～100#；二硫化钼纯度≥97％，粒度为20～45μm，层状粉剂。
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纤维处理：将纤维类原材料进行搅拌，搅拌参数：3600～3800r/min，搅拌时间：20～30min；
(2)将步骤(1)处理后的原材料根据合成闸片的组分比例称取各组分；
(3)将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料，分散速度2600±50r/min，搅拌速度90±5r/min，混料时间20±2min；
(4)将步骤(3)混合均匀后的混合料，按合成闸片压制参数进行称料，倒入压制模具中，同时放置骨架在模腔内，在压制压力30MPa～50MPa和温度140℃～160℃下，经过25min～40min的保温时间，压制制得闸片；
(5)将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温60min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温15min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片；
(6)将步骤(5)所得的合成闸片，进一步机加修整外形；
(7)将步骤(6)得到的合成闸片进行喷漆处理，包装密封。
实施例四
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料，按质量百分比计算包括纳米铝酚醛树脂15％、钢棉纤维10％、石墨5％、碳化硅5％、石英砂1％、氧化铝0.5％、硫磺2％、二硫化钼7％、石油焦10％、硫酸钡10％、丁腈橡胶5％、丁苯橡胶10％、麻纤维10％、芳纶纤维2.5％、高温增强纤维5％、天然纤维2％；上述各组分经充分混合后高温烧结而成。
上述各组分的微观性状分别为：硫酸钡粒度为20～75μm，海绵状；铜粉纯度≥99.5％，粒度为20～75μm，树枝状；石墨纯度≥92％，粒度为20～40μm，颗粒状；碳化硅纯度≥97％，粒度为50～63μm；石英砂纯度≥97％，粒度为40#～100#；二硫化钼纯度≥97％，粒度为20～45μm，层状粉剂。
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)纤维处理：将纤维类原材料进行搅拌，搅拌参数：3600～3800r/min，搅拌时间：20～30min；
(2)将步骤(1)处理后的原材料根据合成闸片的组分比例称取各组分；
(3)将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料，分散速度2600±50r/min，搅拌速度90±5r/min，混料时间20±2min；
(4)将步骤(3)混合均匀后的混合料，按合成闸片压制参数进行称料，倒入压制模具中，同时放置骨架在模腔内，在压制压力30MPa～50MPa和温度140℃～160℃下，经过25min～40min的保温时间，压制制得闸片；
(5)将步骤(4)压制制得的闸片，在固化炉中进行固化，固化工艺参数为：以2℃/min的升温速度从室温升到80℃，到80℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从80℃升到100℃，到100℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从100℃升到120℃，到120℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从120℃升到140℃，到140℃时保温120min；再以2℃/min的升温速度从140℃升到160℃，到160℃时保温60min；再以2℃/min的升温速度从160℃升到180℃，到180℃时保温15min；保温结束后以空冷方式将设备冷却到60℃以下并取出合成闸片；
(6)将步骤(5)所得的合成闸片，进一步机加修整外形；
(7)将步骤(6)得到的合成闸片进行喷漆处理，包装密封。
实施例五
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按要求对合成闸片所使用到的原材料以及骨架进行预处理；
(2)按如下配方配料：纳米铝酚醛树脂23％、钢棉纤维20％、石墨10％、碳化硅3％、石英砂2％、氧化铝2.5％、硫磺1％、二硫化钼2％、石油焦5％、硫酸钡10％、丁腈橡胶7％、丁苯橡胶5％、麻纤维5％、芳纶纤维0.5％、高温增强纤维2％、天然纤维2％；
(3)利用搅拌进行混和30min，保证各组元均匀分布；
(4)利用液压机及模具，称取一定量的混合料倒入模具中，表面刮平，骨架放入模具内，压制成型；
(5)利用工装将压制成型的闸片化炉对合成闸片进行固化；
(6)根据图纸对固化后的合成闸片进行后续机加处理；
(7)对机加后合格的合成闸片进行喷漆，并包装入库。
摩擦磨损性能：适用于最高速度为120km/h，且轴重不大于25t的铁道机车，按TB/T 3344-2014《机车用合成闸片》标准进行停车制动试验，平均摩擦系数μ动＝0.36，静摩擦系数μ静≥0.36，合成闸片磨耗量0.8cm3/MJ。
实施例六
一种大功率机车用合成闸片摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按要求对合成闸片所使用到的原材料以及骨架进行预处理；
(2)按如下配方配料：纳米铝酚醛树脂20％、钢棉纤维20％、石墨5％、碳化硅3％、石英砂3％、氧化铝2.5％、硫磺2％、二硫化钼6％、石油焦5％、硫酸钡14％、丁腈橡胶5％、丁苯橡胶5％、麻纤维5％、芳纶纤维0.5％、高温增强纤维2％、天然纤维2％；
(3)利用搅拌进行混和30min，保证各组元均匀分布；
(4)利用液压机及特定模具，称取一定量的混合料倒入模具中，表面刮平，骨架放入模具内，压制成型；
(5)利用工装将压制成型的闸片化炉对合成闸片进行固化；
(6)根据图纸对固化后的合成闸片进行后续机加处理；
(7)对机加后合格的合成闸片进行喷漆，并包装入库。
摩擦磨损性能：适用于最高速度为120km/h，且轴重不大于25t的铁道机车，按TB/T 3344-2014《机车用合成闸片》标准进行停车制动试验，平均摩擦系数μ动＝0.32，静摩擦系数μ静≥0.35，合成闸片磨耗量小于0.6cm3/MJ。