本发明涉及制动装置技术领域，尤其涉及一种闸片及其制备方法。
背景技术：
制动闸片是高速列车组制动装置中的关键材料，利用闸片材料与配对制动盘材料的摩擦力使高速列车组的动能转化成热能或其他形式的能量，散发到空气中。闸片根据材料的不同可分为合成闸片、复合材料闸片以及粉末冶金闸片等。早期高速列车使用的合成闸片由于其机械强度较低、冲击韧性较差，磨损量较大，闸片在运行中会出现微裂纹，而且这种闸片材料对水比较敏感，列车在雨季和潮湿地区运行时，会因为闸片潮湿导致材料摩擦力减小，使其制动性能降低。
复合材料闸片一般采用碳/碳复合材料，这种复合材料材是以碳为基体的碳纤维增强的新型结构材料，其增强组分一般为短切碳纤维。这种复合材料的制造成本昂贵，目前大部分只应用于航空航天等重要领域。现有高速列车用闸片材料还是使用生产工艺成熟以及生产成本较低的粉末冶金闸片。
粉末冶金闸片的制备工艺采用传统的粉末冶金方法，将原料粉末混合均匀后压制成型，然后将压坯固定在钢背上一起随炉烧结，最终得到耐磨层与钢背结合的闸片整体，将闸片整体与燕尾板焊接为一体安装到支架上，即可与制动盘组成刹车副。现有技术采用粉末冶金方法制备闸片在烧结过程中，由于闸片内各组分的收缩系数不同，容易产生孔隙、夹粗等缺陷，导致闸片的致密度较低，从而影响其最终的力学性能和摩擦性能。而且，由于是将闸片压坯和钢背一同烧结，烧结过程中闸片压坯本身的收缩与钢背的收缩不一致，使两者的结合强度较低，在使用过程中容易造成闸片脱落的情况。另外，烧结过程中高温会使钢背内部组织结构的变化，影响钢背的机械性能，进而影响整个制动闸片以及刹车副的制动效果。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种闸片及其制备方法，本发明提供的闸片具有较好的制动效果。
本发明提供了一种闸片的制备方法，包括：
将闸片原料粉末在附着有金属层的钢背表面进行3D打印，得到闸片；
所述金属层的成分与闸片原料成分中的金属成分相同。
优选的，所述3D打印过程中的电子束功率为200～300W。
优选的，所述3D打印过程中的光斑直径为0.1～0.25mm。
优选的，所述3D打印过程中的扫描速度为5～30mm/s。
优选的，所述3D打印过程中的铺粉厚度为0.03～0.1mm。
优选的，所述3D打印过程中的扫描间距为0.07～0.2mm。
优选的，所述金属层的厚度为0.1～0.5mm。
优选的，所述附着有金属层的钢背的制备方法为：
在钢背表面电镀金属层。
优选的，所述闸片原料为铜基闸片原料、铁基闸片原料、镍基闸片原料或钛基闸片原料。
本发明提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的闸片。
与现有技术相比，本发明采用3D打印技术将耐磨层直接打印在钢背表面，3D打印过程中采用的高能电子束能够使闸片材料中各组分充分反应、高度致密化，使得到的闸片具有较好的力学性能和摩擦性能；而且，本发明采用表面附着有与闸片原料中金属成分一致的金属层的钢背，3D打印过程中在高能电子束的扫描下，金属层熔化形成一层较薄的熔池，与闸片原料粉末进行充分的冶金结合，使闸片中的耐磨层和钢背具有较高的结合强度。另外，3D打印过程中电子束能量在钢背表面的粉体原料上扫描，不会对钢背内部的组织结构造成影响，保证了钢背本身的机械性能。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种闸片的制备方法，包括：
将闸片原料粉末在附着有金属层的钢背表面进行3D打印，得到闸片；
所述金属层的成分与闸片原料成分中的金属成分相同。
本发明对所述闸片原料的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的可制备闸片的原料即可，如铜基、铁基、镍基或钛基等金属基闸片原料即可，可由市场购买获得。在本发明中，所述闸片原料的成分优选包括：
60～68wt％的铜；
5～8wt％的锌；
4～7wt％的铝；
5～8wt％的SiO2；
3～6wt％的铅；
余量为石墨。
在本发明中，所述铜在闸片原料中的质量含量优选为62～66wt％，更优选为63～65wt％，最优选为64wt％。在本发明中，所述锌在闸片原料中的质量含量优选为6～7wt％，更优选为6.5wt％。在本发明中，所述铝在闸片原料中的质量含量优选为5～6wt％，更优选为5.5wt％。在本发明中，所述SiO2在闸片原料中的质量含量优选为5～6wt％，更优选为6～7wt％，最优选为6.5wt％。在本发明中，所述铅在闸片原料中的质量含量优选为4～5wt％，更优选为4.5wt％。
在本发明中，所述闸片原料粉末的粒度优选为30～90μm，更优选为40～80μm，更优选为50～70μm，最优选为55～65μm。本发明对所述闸片原料粉末的制备方法没有特殊的限制，将上述闸片原料中的成分粉末混合后即可制备得到闸片原料粉末。
在本发明中，所述3D打印是一种增材制造技术，是将设计产品通过CAD(计算机辅助设计)软件转化为3D数据，之后通过特定的成型设备，用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“制造”出产品。根据工艺的不同，主要成型方法包括光固化成型(SLA)、激光选区烧结(SLS)、熔融沉积成形(FDM)以及电子束选区熔化(EBM)。与现有技术的“去除型”制造相比，增材制造技术无需原胚和模具，直接根据计算图形数据通过增加材料的方法生成任何形状的物体，因此，可以简化产品的制造程序，缩短产品研制周期，提高效率并降低成本。与现有的粉末冶金法制备闸片相比，本发明提供的闸片的制备方法操作简单、全程自动化可控、生产周期短、原料利用率高。
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。
在机加工、铸造或模塑生产当中，复杂设计的代价高昂，其每项细节都必须通过使用额外的刀具或其它步骤进行制造。相比而言，在增材制造当中，部件的复杂度极少需要或根本无需额外考虑。增材制造可以构建出其它制造工艺所不能实现或无法想像的形状，可以从纯粹考虑功能性的方面来设计部件，而无需考虑与制造相关的限制。增材制造过程无需生产或装配硬模具，且装夹过程用时较短，因此它不存在那些需要通过大批量生产才能抵消的典型的生产成本。增材工艺允许采用非常低的生产批量，包括单件生产，就能达到经济合理的打印生产目的。增材制造部件，特别是金属部件，仍然需要进行机加工。增材制造工序经常不能达到关键性部件所要求的最终细节、尺寸和表面光洁度的要求。但是所有近净成形工艺当中，增材制造是净成形水平最高的工艺，其后续机加工所必须切削掉的材料数量是很微量的。
在本发明中，所述3D打印的方法优选为电子束选区熔化技术或激光选区熔化技术，更优选为电子束选区熔化技术。本发明采用电子束选区熔化技术制备闸片整个过程有计算机程序精确控制，不会造成粉末原料的浪费。与现有技术提供的粉末冶金制备方法相比，本发明提供的制备方法操作简单，且全程自动化可控，周期短，原材料利用率高；不受闸片的形状及尺寸的限制，可以一次性完成各种复杂形状的闸片。
在本发明中，所述3D打印过程中电子束功率优选为200～3000W，更优选为500～2500W，更优选为800～2000W，最优选为1000～1500W。在本发明中，所述3D打印过程中的光斑直径优选为0.1～0.25mm，更优选为0.15～0.2mm。在本发明中，所述3D打印过程中的扫描速度优选为5～30mm/s，更优选为10～25mm/s，最优选为15～20mm/s。在本发明中，所述3D打印过程中的铺粉厚度优选为0.03～0.10mm，更优选为0.05～0.08mm。在本发明中，所述3D打印过程中的扫描间距优选为0.07～0.20mm，更优选为0.1～0.15mm。在本发明中，所述3D打印过程中优选为真空环境，更优选真空度小于0.1Pa。在本发明中，所述3D打印的过程优选包括以下步骤：
(1)将闸片原料粉末混合均匀，装入料仓；
(2)预热并抽真空；
(3)铺粉；
(4)电子束束扫描，选区熔化烧结；
(5)工作台下降一个层厚；
(6)重复上述步骤(3)～(5)直到完成闸片的整体构建。
本发明提供的3D打印整个制造过程由计算机控制，实现一次性近净成形。闸片的形状根据实际需求已经过专业画图软件导入电子束粉末快速成型系统内。全程计算机精确控制，不会造成原材料粉末的浪费。3D打印电子束选区熔化的特点是逐层铺粉、选区快速熔化，使得闸片与钢背能够形成牢固的冶金结合，同时高能电子束能量能够使得闸片材料中各个组份充分反应，形成高度致密化，保证了闸片的力学性能、摩擦系数的稳定性及其他摩擦性能的技术要求。
在本发明中，所述钢背表面附着有金属层，所述金属层的成分与闸片原料成分中的金属相同。如在本发明中，闸片原料成分为铜基闸片，所述金属层的成分优选包括：65～75wt％的铜，10～20wt％的锌和5～20wt％的铝。在本发明中，所述金属层的厚度优选为0.1～0.5mm，更优选为0.2～0.4mm，最优选为0.3mm。在本发明中，附着金属层的钢背的制备方法优选为在钢背表面电镀金属层。本发明对所述电镀的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的电镀技术方案，将含有金属层成分的液体电镀到钢背表面即可。本发明在钢背的金属层表面3D打印闸片，钢背在3D打印之前已经放入电子束粉末成型系统的成型腔内。在3D打印过程中钢背表面金属层因高能电子束的扫描会熔化而形成一层薄薄的熔池，正好与金属闸片原料粉末料形成充分的冶金结合，其结合强度是现有技术粉末冶金烧结成型的结合强度的3倍以上。3D打印的电子束扫描过程中，电子束的温度只对钢背金属层有影响，钢背基体整体还是处于一个低温的状态，因此钢背基体内部组织结构不会发生转变，即钢背基体本体的机械性能不会受到影响；现有技术粉末冶金烧结成型的方法中，其烧结炉内的高温将会使得钢件基体内部组织结构发生变化，最终导致钢背机械性能的降低，从而影响高速列车整个制动系统的制动效果。
与现有技术相比，本发明采用3D打印技术制备闸片的优势在于，不受闸片或钢背的形状、尺寸等影响，可以直接一次性成型；同时，金属基闸片与钢背的结合是一种牢固的冶金结合，其结合强度是传统粉末冶金烧结成型方法中的三倍以上；另外，高能电子束及快速选区熔化，都能够使得闸片内部组织更加均匀，高度致密化，几乎无孔隙等缺陷，从而提高了闸片基体本身的力学性能及摩擦性能，其性能是粉末冶金烧结成型方法获得的闸片性能的三倍以上。
本发明提供了上述技术方案所述的方法制备得到的闸片。在本发明中，所述闸片是由上述技术方案所述的3D打印方法制备得到的，这种闸片与钢背具有较好的结合强度，而且具有较高的力学性能以及摩擦性能。
本发明以下实施例所用到的原料均为市售商品。
实施例1
首先将电镀了一层厚度为0.3mm的铜基粉末的钢背提前放置在电子束粉末快速成型系统的成型腔内，通过CAD软件获得待制备闸片的3D数据，并将此数据输送至电子束粉末快速成型系统中；所述铜基粉末的成分为：68wt％Cu、15wt％Zn和17wt％Al；
将粒度为75μm的粉末原料，按照60wt％Cu、8wt％Zn、7wt％Al、5wt％SiO2、6wt％Pb以及余量的石墨进行混合，得到铜基原料粉末；将铜基原料粉末装入电子束粉末快速成型系统中的料仓内；
按照上述3D数据进行铺粉，然后采用电子束扫描进行选区熔化烧结，所述电子束扫描过程中的电子束功率为1000W～1200W，束斑宽度为0.16mm，线扫描速度为25mm/s～30mm/s，分层的厚度为0.1mm，扫描的间距为0.1mm；制备得到闸片。
实施例2
首先将电镀了一层厚度为0.3mm的铜基粉末的钢背提前放置在电子束粉末快速成型系统的成型腔内，通过CAD软件获得待制备闸片的3D数据，并将此数据输送至电子束粉末快速成型系统中；所述铜基粉末的成分为：75wt％Cu、18wt％Zn和7wt％Al；
将粒度为75μm的粉末原料，按照65wt％Cu、6wt％Zn、5wt％Al、6wt％SiO2、5wt％Pb以及余量的石墨进行混合，得到铜基原料粉末；将得到铜基原料粉末装入电子束粉末快速成型系统中的料仓内；
按照上述3D数据进行铺粉，然后采用电子束扫描进行选区烧结，所述电子束扫描过程中的电子束功率为2000W～2200W，束斑宽度为0.20mm，线扫描速度为15mm/s～20mm/s，分层的厚度为0.12mm，扫描的间距为0.15mm；制备得到铜基闸片。
实施例3
首先将电镀了一层厚度为0.3mm的铜基粉末的钢背提前放置在电子束粉末快速成型系统的成型腔内，通过CAD软件获得待制备闸片的3D数据，并将此数据输送至电子束粉末快速成型系统中；所述铜基粉末的成分为：70wt％Cu、20wt％Zn和10wt％Al；
将粒度为75μm的粉末原料，按照68wt％Cu、5wt％Zn、4wt％Al、5wt％SiO2、3wt％Pb以及余量的石墨进行混合，得到铜基原料粉末；将得到铜基原料粉末装入电子束粉末快速成型系统中的料仓内；
按照上述3D数据进行铺粉，然后采用电子束扫描进行选区烧结，所述电子束扫描过程中的电子束功率为1500W～1800W，束斑宽度为0.18mm，线扫描速度为15mm/s～20mm/s，分层的厚度为0.1mm，扫描的间距为0.15mm；制备得到铜基闸片。
实施例4
对本发明实施例1～3制备得到的闸片进行动态模拟实验以及实际装车考核实验。
采用干式摩擦材料试验机测试本发明实施例制备得到的闸片的摩擦磨损性能，测试过程中的转速n为6500rpm，惯量J为2.0kg.cm.s2，制动压力P为1.0MPa，刹车10次，测试其平均磨损系数μ。
测试结果为，本发明实施例制备得到的闸片的平均磨损系数为0.3～0.4，制备得到的闸片能够满足时速达到250km/h及以上的速度的高速动车组的制动要求，具有较好的界面结合强度、力学性能以及耐磨性能。
由以上实施例可知，本发明提供了一种闸片的制备方法，包括：将闸片原料粉末在附着有金属层的钢背表面进行3D打印，得到闸片；所述金属层的成分与闸片原料成分中的金属成分相同。本发明在3D打印过程中高能电子束能够使闸片材料中各组分充分反应，使得到的闸片具有较好的力学性能和摩擦性能；而且，本发明采用表面附着有与闸片原料中金属成分相同的金属层的钢背，3D打印过程中在高能电子束的扫描下，金属层熔化形成一层较薄的熔池，与闸片原料粉末进行充分的冶金结合，使闸片中的耐磨层和钢背具有较高的结合强度。另外，3D打印过程中电子束能量在钢背表面的粉体原料上扫描，不会对钢背内部的组织结构造成影响，保证了钢背本身的机械性能。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。