一种用于火车车轮踏面的摩擦控制剂及其制备工艺的制作方法

本发明属于轮轨润滑领域，具体涉及一种用于火车车轮踏面的摩擦控制剂及其制备工艺。
背景技术：
：现代轨道交通运输领域中，轮轨摩擦与润滑关系到机车牵引能量消耗、行车安全、轮轨材料消耗及维修成本等，因此受到各国铁路部门重视。随着列车运行速度的进一步提高，机车车辆的重载不断增大，轮轨相互动作用力不断增大，与此同时，钢轨损伤(龟裂和剥离)、“噪声”曲线、钢轨磨耗等问题愈加突出。特别是处于小半径曲线上的钢轨，由于存在曲线钢轨对列车轮轴的导向作用，车轮与钢轨产生相互间的黏着、蠕滑和滑动，车轮轮缘、踏面和钢轨轨侧、轨顶磨耗和损伤十分严重。20世纪后，轮缘与钢轨侧面的润滑技术得到长足发展，然而，为了保证轮轨粘着，润滑仅限于轮缘和钢轨侧面，一般用于曲线区段，传统观念认为滚动面是润滑的禁区。随着科学研究的深入，和轨顶的摩擦控制也得到发展，根据德国hy－power公司研究结果，实施踏面摩擦控制可降低噪音35db、钢轨磨耗减少2/3和列车脱轨系数降低67％。然而，对于火车车轮踏面的摩擦系数的控制，有些路局开始使用，但国内尚没有成熟产品在所有路局推广，尤其在曲线半径大、坡度大的线路，减磨效果不够理想，成本高；存在固体润滑粘结膜与轮轨表面附着力附着力不够,且材料脆而受热时易碎裂等问题。技术实现要素：本发明的目的是提供一种用于火车车轮踏面的摩擦控制剂，它具有耐热性高、硬度高、机械强度高和耐磨性好的特点，并可有效控制摩擦系数、成膜性，具有正摩擦特性并可降低行驶噪音，能有效减少钢轨和车轮磨损，确保行车安全；且涉及的制备方法简单、使用方便，适合推广应用。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于火车车轮踏面的摩擦控制剂，各组分及其所占质量百分比包括：各组分及其所占质量百分比包括：复合粘接剂25-50％，润滑剂30-50％，增摩剂5-15％，摩擦改良剂10～30％，固化剂1-3％，促进剂0-1.5％，脱模剂1～3％。优选的，各组分及其所占质量百分比包括：复合粘接剂30-40％，润滑剂35-45％，增摩剂8-10％，摩擦改良剂10-15％，固化剂2％，促进剂1％，脱模剂2％。上述方案中，所述复合粘接基体由无机粘接剂和有机树脂粘接剂组成，且质量比为(1～3):1，所述无机粘接剂为磷酸铝铬或磷酸二氢铝，所述有机粘接剂为不饱和聚酯树脂、热固性丙烯酸树脂或热固性酚醛树脂。上述方案中，所述润滑剂为石墨、二硫化钼中的一种或两种，其细度为800目。上述方案中，所述摩擦改良剂为滑石粉、碳酸钙、膨润土或硅藻土，其细度为800目。所述摩擦改良剂可为所得摩擦控制剂赋予正摩擦特性，改善蠕滑和噪音，同时可作为空间填料在所得摩擦控制剂中起到改善材料的物理与机械性能、调节摩擦性能及降低成本的作用。上述方案中，所述增摩剂为氟化钙、氧化铝、硅酸锆或钾长石，莫氏硬度为5～6，其细度为325目。上述方案中，所述促进剂剂为环烷酸钴、二甲基苯胺或氧化镁。上述方案中，所述固化剂为：当所述树脂粘结剂为不饱和聚酯树脂、热固性丙烯酸树脂时，固化剂选用过氧化环己酮；当所述树脂粘结剂为热固性酚醛树脂时，固化剂选用石油磺酸。上述方案中，所述脱模剂为石蜡、聚乙烯蜡或硬脂酸锌；本申请采用的脱模剂除具有脱模性能外，还具有耐化学性，在与上述不同热固性树脂粘结剂中的化学成份(特别是苯乙烯)接触时不被溶解，同时还具有耐热及应力性能，不易分解或磨损。上述一种用于火车车轮踏面的摩擦控制剂的制备方法，包括如下步骤：1)混料工艺：首先按比例称取各组分，各组分及其所占质量百分比包括：复合粘接剂25％-50％，润滑剂30％-50％，摩擦改良剂10％～30％，增摩剂5％-15％，固化剂1％-3％，促进剂0％-1.5％，脱模剂1％～3％；将称取的复合粘接剂和促进剂搅拌均匀备用得液体混合料；将称取的润滑剂、增摩剂、摩擦改良剂和脱模剂混合后置于高速粉碎机中粉碎混匀得固体混合料；将所得液体混合料和固体混合料混合后，再加入称取的固化剂，搅拌均匀，再次置于高速粉碎机中，得混合原料；2)真空抽气工艺：将混合原料加入到模具内，合模后放入真空干燥箱中，在0.01～0.1mpa下，保压8～10min，抽出物料中的空气；3)热压工艺：将经步骤2)处理的模具置于平板硫化机内进行热压，热压温度为150～200℃、压力为20～50mpa和保压时间为2～4h；4)后固化工艺：先脱模，将摩擦控制剂从模具中取出放入到干燥箱中，进行热处理，加热到150～200℃、保温2～4h，即得用于火车车轮踏面的摩擦控制剂。优选的，将步骤4)所得用于火车车轮踏面的摩擦控制剂以石蜡为浸渍剂进行真空浸渍，工艺参数为浸渍温度100～150℃，压力0.01～0.1mpa，时间为1～2h；选用具有润滑性的石蜡作为浸渍液，可进一步提升所得摩擦控制剂的密实性能，优化其摩擦控制效果。本发明的原理为：本发明采用热压成型技术制备出固体踏面摩擦控制剂，复合粘接剂采用磷酸盐无机粘接剂和热固性有机树脂粘接剂，在热压成型时无机粘接剂受热发生一次脱水，其自身的网络结构形成，同时利用热固性树脂固化过程中形成三维网状立体聚合物，将所述润滑剂、增摩剂和摩擦改良剂等骨材包络在网状体之中，形成坚韧的体型复合物，其中占主要部分的润滑剂起到润滑减摩效果，而加入适量的微米级摩擦改良剂，与聚合物树脂以化学键、物理吸附等方式结合，表现出增韧与增强的同步效应，有效提升耐磨性；在上述摩擦体系中引入尺寸较大的增摩剂可进一步保证摩擦系数控制在0.3～0.4之间，有效保证火车车轮踏面的摩擦控制效果，并可进一步改善颗粒间的粘结强度和耐热性能。此外，在实际使用过程中，由于摩擦作用的存在使温度升高，无机粘接剂受热部分分解，出现二次脱水交联，使所得体型复合物的网络结构进一步密实，热固性有机粘接剂的多孔结构和无机粘接剂的高温网络结构，使所得摩擦控制剂在有效保证火车车轮踏面的摩擦控制效果的基础上，改善了单一无机粘接剂的脆性，并可表现出优异的耐高温性能和降噪性能，有效改善曲线半径大、坡度大的线路，减磨效果不够理想、成本高、且受热易碎裂等问题，具有重要的推广应用价值。本发明的有益效果为：1)本发明采用磷酸盐无机粘接剂和热固性有机树脂粘接剂制备复合粘接剂，二者形成的网络结构协同作用，将润滑剂、增摩剂和摩擦改良剂等骨材包络在网状体之中，形成坚韧的体型复合物，改善了单一无机粘接剂的脆性和使用时摩擦生热温度升高强度下降过大；摩擦改良剂可进一步与聚合物树脂以化学键、物理吸附等方式结合，发挥增韧和增强效应，并可抑制复合粘结剂的固化收缩问题；使所得摩擦控制剂表现出耐热性好，机械强度高，硬度高，耐磨性好等优点；此外摩擦改良剂还可赋予摩擦控制剂正摩擦特性，有效抑制轮轨之间的磨损和减少噪音的产生。2)本发明添加的一定细度的硬质增摩剂能够有效控制摩擦控制剂材料的摩擦系数，并能改善颗粒间的粘结强度和耐热性能。3)本发明采用分步混料工艺，使所得材料表现出较高的强度和成膜性能。4)本发明所述摩擦控制剂可以有效地均匀涂覆，并形成一层固体膜，其在保证具有良好粘结强度和耐热性能的同时，能使得轮轨间达到中等摩擦因数(0.35左右)，可有效延长钢轨的使用寿命，减缓钢轨表面疲劳和损耗。5)本发明涉及的制备工艺简单、生产效率高、成本低，且所述摩擦控制剂比传统的液体摩擦控制剂使用简单，配套装置成本也较低，具有重要的经济和环境效益。附图说明图1为实施例1～2和对比例1～2所得摩擦控制剂的摩擦系数图。图2为对比例1(a)和实施例2(b)所得摩擦控制剂经摩擦试验后在圆盘上的固体干膜的三维超景深3d显示效果图。图3为实施例2(a)和对比例1(b)所得摩擦控制剂的tg-dsc曲线图。具体实施方式为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1一种用于火车车轮踏面的摩擦控制剂，其配方用量见下表1，其制备方法包括如下步骤：1)混料工艺：按表3所述配方称取各原料；称取磷酸铝铬，热固性丙烯酸聚酯树脂和促进剂(环烷酸钴)，搅拌均匀，得液体混合料；将称取的润滑剂(石墨、二硫化钼，800目)、增磨剂(硅酸锆，325目)摩擦改良剂(碳酸钙，800目)和脱模剂(硬脂酸锌)混合后置于高速粉碎机中粉碎混匀得固体混合料；将所得液体混合料和固体混合料混合后，再加入称取的固化剂(过氧化环己酮)，搅拌均匀，得混合原料；2)真空抽气工艺：将混合原料加入到模具内，合模后放入真空干燥箱中，在压力为0.01mpa的添加下保压10min，抽出物料中的空气；3)热压工艺：将经步骤2)处理的模具置于平板硫化机内进行热压(辊压温度为150℃、压力为50mpa、保压时间为2h)；4)后固化工艺：将热压产物从模具中取出放入到真空干燥箱中，加热到160℃保温4h，即得用于火车车轮踏面的摩擦控制剂；5)浸渍工艺：将步骤4)所得用于火车车轮踏面的摩擦控制剂以石蜡为浸渍剂进行真空浸渍备用，工艺参数为浸渍温度120℃，压力为0.01mpa，时间为1h。表1实施例1所述摩擦控制剂中各组分的用量组分质量百分数(wt％)磷酸铝铬15热固性丙烯酸树脂15石墨22二硫化钼22碳酸钙13硅酸锆8过氧化环己酮2环烷酸钴1硬脂酸锌2经测试，本实施例制备的摩擦控制剂的使用温度范围为-40℃～400℃；在载荷20n，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，摩擦时间30min，其摩擦系数为0.376(摩擦系数图见图1(a))，体积磨损量为10.02mg·cm-3，成膜厚度11.6μm，密度为2.11g·cm-3，邵氏硬度(d型)为61.2，压缩强度为29.41mpa，弯曲强度为19.88mpa。实施例2一种用于火车车轮踏面的摩擦控制剂，其配方用量见下表2，其制备方法包括如下步骤：1)混料工艺：按表3所述配方称取各原料；称取磷酸镁二氢铝，热固性丙烯酸树脂和促进剂(环烷酸钴)，搅拌均匀，得液体混合料；将称取的润滑剂(石墨、二硫化钼，800目)、摩擦改良剂(碳酸钙，800目)、增摩剂(硅酸锆，325目)和脱模剂(硬脂酸锌)混合后置于高速粉碎机中粉碎混匀得固体混合料；将所得液体混合料和固体混合料混合后，再加入称取的固化剂(过氧化环己酮)，搅拌均匀，得混合原料；2)真空抽气工艺：将混合原料加入到模具内，合模后放入真空干燥箱中，压力为0.01mpa，保压10min，抽出物料中的空气；3)热压工艺：将经步骤2)处理的模具置于平板硫化机内进行热压(辊压温度为180℃、压力为30mpa、保压时间为2h)；4)后固化工艺：将热压产物从模具中取出放入到真空干燥箱中，加热到160℃保温4h，即得用于火车车轮踏面的摩擦控制剂；5)浸渍工艺：将步骤4)所得用于火车车轮踏面的摩擦控制剂以石蜡为浸渍剂进行真空浸渍，工艺参数为浸渍温度120℃，压力0.01mpa，时间为1h。表2实施例2所述摩擦控制剂中各组分的用量组分质量百分数(wt％)磷酸二氢铝20热固性丙烯酸树脂10石墨22二硫化钼22碳酸钙13钾长石8过氧化环己酮2环烷酸钴1硬脂酸锌2经测试，本实施例制备的摩擦控制剂的使用温度范围为-40℃～400℃；在载荷20n，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，摩擦时间30min，摩擦系数为0.399(摩擦系数图见图1(b))，体积磨损量为10.35mg·cm-3，成膜厚度4.9μm，密度为2.18g·cm-3，邵氏硬度(d型)为61.2，压缩强度为26.50mpa，弯曲强度为17.18mpa。本实施例所得摩擦控制剂的经摩擦试验后在圆盘上的固体干膜的三维超景深3d显示效果图见图2(a)，可以看出摩擦控制材料在钢表面形成了一层均匀分布的摩擦控制膜，厚度也较为均匀，其平均厚度为4.9μm；本实施例所得摩擦控制剂的tg-dsc曲线图见图3(a)，结果表明在空气气氛中，摩擦控制剂在200℃时开始失重，300℃时已经失重11.79％，主要是有机树脂的分解，在600℃以后才再次失重，说明无机粘接剂在250～400℃仍起粘接作用。对比例1一种摩擦控制剂，其配方用量见下表3，其制备方法包括如下步骤：1)混料工艺：按表1所述配方称取各原料；称取不饱和聚酯树脂，促进剂(环烷酸钴)搅拌均匀，得液体混合料；将称取的润滑剂(石墨、二硫化钼)、增摩剂(钾长石)、摩擦改良剂(滑石粉)和脱模剂(硬脂酸锌)混合后置于高速粉碎机中粉碎混匀得固体混合料；将所得液体混合料和固体混合料混合后，再加入称取的固化剂(过氧化环己酮)，搅拌均匀，再置于高速粉碎机中进行粉碎，得混合原料；2)真空抽气工艺：将所得混合原料加入模具内，合模后放入真空干燥箱中，在压力为0.01mpa的条件下保压10min，抽出物料中的空气；3)热压工艺：将经步骤2)处理的模具置于平板硫化机内进行热压(辊压温度为160℃、压力为30mpa、保压时间为2h；4)后固化工艺：将热压产物从模具中取出放入到真空干燥箱中，加热到150℃保温4h，冷却，即得用于火车车轮踏面的摩擦控制剂。表3对比例1所述摩擦控制剂中各组分的用量组分质量百分数(wt％)不饱和聚酯树脂30石墨21二硫化钼21滑石粉17钾长石6过氧化环己酮2环烷酸钴1硬脂酸锌2经测试，本对比例制备的摩擦控制剂，其使用温度范围为-40℃～250℃；在载荷20n，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，摩擦时间30min，其摩擦系数为0.374(摩擦系数图见图1(c))，体积磨损量为12.3mg·cm-3，成膜厚度10.3μm；密度为2.24g·cm-3，邵氏硬度(d型)为70，压缩强度为27.91mpa，弯曲强度为19.21mpa，350℃马弗炉烧结1h后，压缩强度为13.78mpa，弯曲强度为8.52mpa。本对比例所得摩擦控制剂的经摩擦试验后在圆盘上的固体干膜的三维超景深3d显示效果图见图2(b)，可以看出摩擦控制材料在钢表面形成了一层较为均匀的摩擦控制膜，厚度有高有低，其平均厚度为10.3μm；本对比例所得摩擦控制剂的tg-dsc曲线图见图3(b)，结果表明在空气气氛中，摩擦控制剂在200℃时开始失重，350℃时已经失重18.75％，在450℃失重率达到27.19％，表面摩擦控制剂体系中有机树脂已经分解，表明粘接性减弱。对比例2一种摩擦控制剂，其配方用量见下表4，其制备方法包括如下步骤：1)混料工艺：按表2所述配方称取各原料；热固性丙烯酸树脂和促进剂(环烷酸钴)，搅拌均匀，得液体混合料；将称取的润滑剂(石墨、二硫化钼)、增摩剂(硅酸锆)、摩擦改良剂(碳酸钙)和脱模剂(硬脂酸锌)混合后置于高速粉碎机中粉碎混匀得固体混合料；将所得液体混合料和固体混合料混合后，再加入称取的固化剂(过氧化环己酮)，搅拌均匀，得混合原料；2)真空抽气工艺：将混合原料加入到模具内，合模后放入真空干燥箱中，在压力为0.01mpa的条件下保压10min，抽出物料中的空气；3)热压工艺：将经步骤2)处理的模具置于平板硫化机内进行热压(辊压温度为160℃、压力为30mpa、保压时间为2h)；4)后固化工艺：将热压产物从模具中取出放入到真空干燥箱中，加热到150℃保温4h，即得用于火车车轮踏面的摩擦控制剂；表4对比例2所述摩擦控制剂中各组分的用量经测试，本对比例所得摩擦控制剂的使用温度范围为-40℃～400℃；在载荷20n，转速400rpm，室温，空气中，进行销-盘式摩擦试验，摩擦时间30min,其摩擦系数为0.342(摩擦系数图见图1(d))，体积磨损量为12.3mg·cm-3(除与摩擦系数有关外，还与摩擦控制剂中各组分之间的粘结性能有关)，成膜厚度8.1μm，密度为2.13g·cm-3邵氏硬度(d型)为66.5，压缩强度为25.73mpa，弯曲强度为17.73mpa，350℃马弗炉烧结1h后，压缩强度为17.88mpa，弯曲强度为11.68mpa。以上实施例仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原料前提下，所作出的若干改进，也应视为本发明的保护范围。当前第1页12