一种C-C-B4C结合踏面清扫器研磨子及其制备方法与流程

本发明属于轨道交通装备领域，更具体地说，涉及一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子及其制备方法。

背景技术：

踏面清扫器起着清扫车轮、增加轮轨粘着系数以保证行车制动安全的作用，踏面清扫器直接作用于车轮上的部件被称作研磨子。研磨子是踏面清扫器中一个具有清扫、增粘、修圆等作用的一个摩擦部件，鉴于上述的功能，研磨子对压成型后固化而成，由于酚醛树脂的热分解特性，使得研磨子在长时间的拖磨过程中，由于研磨子对行车安全起到及其重要的作用。在研磨子的生产过程中，一般以酚醛树脂为结合剂进行热压成型，在摩擦的过程中温度急剧升高，使树脂产生热分解，造成结合力下降，进而造成研磨子的摩擦力迅速下降，研磨子掉渣现象严重，另外在树脂热分解的过程中有机物挥发产生的气味会分散在大气中，可能会对环境本身产生不良的影响。

为了解决上述的问题，经检索，中国专利cn102432978a公开了一种用于动车踏面清扫器研磨子，该研磨子由复合材料制成，该复合材料的组分包括改性酚醛树脂6818、还原铁粉、铜纤维、钢纤维、海泡石、钾长石、石墨、冰晶石和氧化铝；再如中国专利cn107915951a公开了一种高速动车用研磨子，该研磨子由酚醛树脂、钢纤维、铜铝粉末、碳纤维、碳化钨、芳纶、氧化铁黑、丁腈橡胶、促进剂组成的复合材料制成；再如中国专利cn108839640a公开了一种高速动车组用研磨子及其制备方法，研磨子由摩擦材料与钢背组成，摩擦材料由特定物理性能的酚醛树脂、增强纤维和填料等组分组成，摩擦材料组分需进行混合和烘干等预处理，钢背需经过喷砂和喷涂树脂胶水等预处理；然后将预处理过的摩擦材料和钢背一起通过特殊的热压成型和热处理等工艺，制备得到研磨子；再如中国专利cn108359212a公开了一种用于轨道车辆的研磨子及其制备方法，研磨子的原料包含：酚醛树脂、钾长石、硫酸钡、石墨、硅灰棉、铜纤维、铁粉、氧化铝以及海泡石；再如中国专利cn107188456a公开了一种动车踏面清扫器修形研磨子及其制备方法，首先按照重量百分比进行原料的配制：粘结剂10～35％，丁腈橡胶5～15％，碳纤维10～20％，芳纶纤维5～10％，修形助剂15～35％，石墨0～10％；然后将上述原料先按比例、分步骤的加入到高速犁耙式混料机中混合，混合5～10min，在室温～150℃下将物料在成型模具中以200～600kg/cm²的压力反应200～500秒，然后将成型的研磨子在高温下烧结，烧结温度为100～140℃，烧结时间5～20小时，即得到研磨子。

通过分析上述专利的内容，由于树脂在升到定温度后会进行缩合反应，同时放出气体，树脂多虽然能增加产品的强度但同时也会放出大量的气体，增加了排气的难度；此外热压成型过程中，温度同样影响研磨子的性能，例如研磨子表面会迅速固化，内部气体就不利于排出，容易产生气泡和裂纹。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有研磨子因树脂热分解造成掉渣现象严重，以及在摩擦过程中树脂会产生热分解释放出有机气体可能会对环境造成不良影响的问题，本发明提供一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子及其制备方法，使其在生产制造阶段树脂即分解完成，并形成碳结合网络，在使用的过程中，利用b4c防止碳结合网络氧化，并且生成b2o3这一低熔点产物，最终形成一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子，包括以下组分及重量百分比含量：结合剂5％～10％，石墨10～20％，碳纤维10～25％，铜纤维10～20％，碳化硼5～8％，铁粉40～50％，其中当石墨和碳化硼的总量是结合剂总量的2-5倍，优选的为3倍，碳纤维与铜纤维的总量不超过30％。

作为本发明的进一步改进，所述结合剂为carboresp，其残炭量高达85％以上，这些结合剂将会在高温烧成时转化为c-c结合网络。其它的树脂类结合剂，如酚醛树脂等，亦可在高温烧成时转化为c-c结合网络，但其转化后的残炭量仅为40％-70％，而本发明中所采用的carboresp结合剂，85％以上的残炭量，可以使碳结合强度更高。

作为本发明的进一步改进，所述石墨采用的是镀铜石墨，以提高其机械强度。

作为本发明的进一步改进，所述碳纤维采用sic涂层碳纤维，涂层厚度0.35-0.4微米，以解决纯碳纤维在500℃的氧化问题。

作为本发明的进一步改进，所述碳化硼采用的是1000目细粉，使其更加分散，另外利用其在600度开始氧化的特点，可以起到两个作用，一是防止氧化的作用，可以防止carboresp结合剂形成的碳结合氧化，保证碳结合强度，二是利用碳化硼自身氧化的产物之一是b2o3，是一个低熔点的物质，始熔点445度，可以起到补强作用。

作为本发明的进一步改进，所述的铁粉为二次还原铁粉，粒度为100目。

作为本发明的进一步改进，所述铜纤维是含铜量大于55％的黄铜纤维。

本发明还提供一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子的制备方法，包括如下步骤：

(1)首先将上述原料进行称量配比，然后加入混料机中进行预均化10～20分钟，再加入占原料重量5～10％的有机溶剂，之后造粒2～5分钟出料，即得初步造粒料；

(2)将造粒料投入干燥滚筒内进行旋转二次造粒并干燥至挥发份小于1％，减少挥发分，减少可能产生气体的途径，即得合格混合料；

(3)将合格的混合料及研磨子配套钢背放入冷压模具中，进行冷压成型；

(4)将冷压成型后的研磨子半成品放入固化炉中进行固化处理；

(5)将固化处理后的研磨子半成品均匀地码放在不锈钢罐中，之后密封，烧结窑中进行无氧化烧结，即得研磨子成品。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)的有机溶剂为ff液(糠醛)、乙二醇、无水乙醇中的一种或两种的组合；有机溶剂采用两种组合时，必须有ff液且w(ff液)：w(乙二醇)＝3：1或w(ff液)：w(无水乙醇)＝3：1.5。在实际生产过程中，由于混料的偏析原因，容易造成研磨子的不均匀性，容易造成研磨子的局部强度较高，局部的强度较低，从而影响了整体的强度，通过上述的有机溶剂，不仅可以起到很好的分散作用，同时可以减少组分的偏析现象。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子，采用碳碳结合的方式，可以有效避免研磨子在摩擦的过程中产生的热衰退；采用碳化硼作为补强助剂，可以同时起到中温补强的作用，连同碳碳结合最终形成一种c-c-b4c结合的方式，结构稳定，不会在摩擦的过程中发生掉渣的情况；

(2)本发明的c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子，结合剂在生产过程中已经完全碳化，不会在使用的过程中释放出有机气体，从环境保护的角度有着积极的作用；

(3)本发明的c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子，发明人通过大量的试验和分析，得到当石墨和碳化硼的总量是结合剂总量的2-5倍，优选的为3倍，碳纤维与铜纤维的总量不超过30％，在碳纤维与铜纤维的量一定的情况下，石墨、碳化硼与结合剂的协同作用达到最佳，研磨子的整体结合强度高，研磨子持续拖磨距离达到12000米时，依然保持摩擦系数的稳定性；

(4)本发明的c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子，结合剂为carboresp，其残炭量高达85％以上，这些结合剂将会在高温烧成时转化为c-c结合网络。其它的树脂类结合剂，如酚醛树脂等，亦可在高温烧成时转化为c-c结合网络，但其转化后的残炭量仅为40％-70％，而本发明中所采用的carboresp结合剂，85％以上的残炭量，可以使碳结合强度更高；

(5)本发明的c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子，碳化硼采用的是1000目细粉，使其更加分散，另外利用其在600度开始氧化的特点，可以起到两个作用，一是防止氧化的作用，可以防止carboresp结合剂形成的碳结合氧化，保证碳结合强度，二是利用碳化硼自身氧化的产物之一是b2o3，是一个低熔点的物质，始熔点445度，可以起到补强作用。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明的c-c-b4c结合新型研磨子坡道制动曲线示意图；

图2为传统研磨子坡道制动曲线的结构示意图。

图中：3、9压力；4、10扭矩；2、8温度；1、7系数；5、11时间；6、12满坐标对应：压力2mpa，扭矩100n·m，温度1000℃，摩擦系数1.0。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

本实施例的一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)配料：按如下配方进行配料，具体参数见表3，可以采用案称或自动配料加料系统进行配料，要求配料误差±0.05g，包括以下组分及重量百分比含量：8％的carboresp，12％的镀铜石墨，20％的sic涂层碳纤维，15％的55％铜纤维，5％的1000目碳化硼，40％的100目的二次还原铁粉；

(2)混料：将原料按配方比例配制好后，依次投入到混料机中进行预均化及纤维开松，预均化时间600秒；

(3)造粒：之后加入8％有机溶剂，其中有机溶剂包括ff液(糠醛)和乙二醇，w(ff液)：w(乙二醇)＝3：1，进行造粒，造粒时间2分钟，之后即可放料；

(4)烘料：将造粒好的混合料放入烘箱中进行干燥处理，干燥时间3小时，之后检测挥发份为0.8％，要求挥发份＜1％即为合格料；

(5)冷压：将合格料按称重要求称量好后投入冷压模具中，放上配套钢背，按照以下参数进行循环压制：模具温度常温，压制曲线如下：0～20mpa为30s，20～50mpa为60s，50mpa保压150，50～20mpa等比例卸压30s至18mpa，之后完全卸压；

(6)固化：为保证产品均匀固化、保证制品安全需在固化炉中按合理的升温曲线进行，室温～60℃为1小时，60～90℃为3小时，90～122℃为4小时，122～138℃为4小时，138～168℃为3小时，168～185℃为2小时，之后自然冷却到100℃以下即可打开固化室门；

(7)烧成：将固化好的产品均匀地码放在的不锈钢罐中，之后密封，推入烧结窑中，在无氧的环境下按如下升温曲线升温至1000℃：室温～300℃为0.5小时，300～450℃为1小时，450～750℃为5小时，750～850℃为1小时，850～1000℃为1.5小时，1000℃保温1.5小时，之后降温至350℃打开窑门，冷却至室温后即可取出研磨子成品。

对比例1

本对比例1的一种结合踏面清扫器研磨子的制备方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，组分中没有碳化硼。

将实施例1得到的c-c-b4c研磨子成品切割后，在mm3000摩擦试验机上进行摩擦系数测试，如下图1的c-c-b4c结合新型研磨子坡道制动曲线，而对比例1传统的研磨子在mm3000摩擦试验机上进行摩擦系数测试，如下图2所示传统研磨子坡道制动曲线。

表1本实施例c-c-b4c结合新型研磨子坡道制动曲线

表2对比例1传统研磨子坡道制动曲线

通过图1对应的表1和图2对应的表2进行对比可以看出，本实施例c-c-b4c结合的研磨子，其摩擦系数在整个制动过程中，波动量很小，摩擦系数比较稳定。

实施例2

本实施例的一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)配料：按如下配方进行配料，具体参数见表3，可以采用案称或自动配料加料系统进行配料，要求配料误差±0.05g，包括以下组分及重量百分比含量：5％的carboresp，15％的镀铜石墨，15％的sic涂层碳纤维，13％的55％铜纤维，7％的1000目碳化硼，45％的铁粉；

(2)混料：将原料按配方比例配制好后，依次投入到混料机中进行预均化及纤维开松，预均化时间900秒；

(3)造粒：之后加入6％有机溶剂，其中有机溶剂包括ff液(糠醛)和乙二醇，w(ff液)：w(无水乙醇)＝3：1.5，进行造粒，造粒时间5分钟，之后即可放料；

(4)烘料：将造粒好的混合料放入烘箱中进行干燥处理，干燥时间3小时，之后检测挥发份为0.9％，要求挥发份＜1％即为合格料；

(5)冷压：将合格料按称重要求称量好后投入冷压模具中，放上配套钢背，按照以下参数进行循环压制：模具温度常温，压制曲线如下：0～20mpa为30s，20～50mpa为60s，50mpa保压150，50～20mpa等比例卸压30s至18mpa，之后完全卸压；

(6)固化：为保证产品均匀固化、保证制品安全需在固化炉中按合理的升温曲线进行，室温～60℃为1小时，60～90℃为3小时，90～122℃为4小时，122～138℃为4小时，138～168℃为3小时，168～185℃为2小时，之后自然冷却到100℃以下即可打开固化室门；

(7)烧成：将固化好的产品均匀地码放在的不锈钢罐中，之后密封，推入烧结窑中，在无氧的环境下按如下升温曲线升温至1000℃：室温～300℃为0.5小时，300～450℃为1小时，450～750℃为5小时，750～850℃为1小时，850～1000℃为1.5小时，1000℃保温1.5小时，之后降温至350℃打开窑门，冷却至室温后即可取出研磨子成品。

实施例3

本实施例的一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)配料：按如下配方进行配料，具体参数见表3，可以采用案称或自动配料加料系统进行配料，要求配料误差±0.05g，包括以下组分及重量百分比含量：6％的carboresp，18％的镀铜石墨，12％的sic涂层碳纤维，15％的55％铜纤维，6％的1000目碳化硼，43％的铁粉；

(2)混料：将原料按配方比例配制好后，依次投入到混料机中进行预均化及纤维开松，预均化时间900秒；

(3)造粒：之后加入8％ff液，进行造粒，造粒时间5分钟，之后即可放料；

(4)烘料：将造粒好的混合料放入烘箱中进行干燥处理，干燥时间3小时，之后检测挥发份为0.95％，要求挥发份＜1％即为合格料；

(5)冷压：将合格料按称重要求称量好后投入冷压模具中，放上配套钢背，按照以下参数进行循环压制：模具温度常温，压制曲线如下：0～20mpa为30s，20～50mpa为60s，50mpa保压150，50～20mpa等比例卸压30s至18mpa，之后完全卸压；

(6)固化：为保证产品均匀固化、保证制品安全需在固化炉中按合理的升温曲线进行，室温～60℃为1小时，60～90℃为3小时，90～122℃为4小时，122～138℃为4小时，138～168℃为3小时，168～185℃为2小时，之后自然冷却到100℃以下即可打开固化室门；

(7)烧成：将固化好的产品均匀地码放在的不锈钢罐中，之后密封，推入烧结窑中，在无氧的环境下按如下升温曲线升温至1000℃：室温～300℃为0.5小时，300～450℃为1小时，450～750℃为5小时，750～850℃为1小时，850～1000℃为1.5小时，1000℃保温1.5小时，之后降温至350℃打开窑门，冷却至室温后即可取出研磨子成品。

实施例4

本实施例的一种c-c-b4c结合踏面清扫器研磨子的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)配料：按如下配方进行配料，具体参数见表3，可以采用案称或自动配料加料系统进行配料，要求配料误差±0.05g，包括以下组分及重量百分比含量：5％的carboresp，10％的镀铜石墨，10％的sic涂层碳纤维，20％的55％铜纤维，5％的1000目碳化硼，50％的铁粉；

(2)混料：将原料按配方比例配制好后，依次投入到混料机中进行预均化及纤维开松，预均化时间1200秒；

(3)造粒：之后加入6％有机溶剂，其中有机溶剂包括ff液(糠醛)和乙二醇，w(ff液)：w(无水乙醇)＝3：1.5，进行造粒，造粒时间4分钟，之后即可放料；

(4)烘料：将造粒好的混合料放入烘箱中进行干燥处理，干燥时间3小时，之后检测挥发份为0.85％，要求挥发份＜1％即为合格料；

(5)冷压：将合格料按称重要求称量好后投入冷压模具中，放上配套钢背，按照以下参数进行循环压制：模具温度常温，压制曲线如下：0～20mpa为30s，20～50mpa为60s，50mpa保压150，50～20mpa等比例卸压30s至18mpa，之后完全卸压；

(6)固化：为保证产品均匀固化、保证制品安全需在固化炉中按合理的升温曲线进行，室温～60℃为1小时，60～90℃为3小时，90～122℃为4小时，122～138℃为4小时，138～168℃为3小时，168～185℃为2小时，之后自然冷却到100℃以下即可打开固化室门；

(7)烧成：将固化好的产品均匀地码放在的不锈钢罐中，之后密封，推入烧结窑中，在无氧的环境下按如下升温曲线升温至1000℃：室温～300℃为0.5小时，300～450℃为1小时，450～750℃为5小时，750～850℃为1小时，850～1000℃为1.5小时，1000℃保温1.5小时，之后降温至350℃打开窑门，冷却至室温后即可取出研磨子成品。

表3配方参数