本发明属于制动器技术领域，涉及一种制动闸片，具体是涉及一种高速列车用粉末冶金闸片及其制备方法。
背景技术：
近年来，随着我国列车向高速发展趋势的加强，其消耗部件之一的制动闸片的研制成为国产化的关键技术之一。高速列车制动时，其动能绝大部分变为热能，使得制动闸片和制动盘摩擦表面温度高达500℃，局部闪点温度可达1000℃。在高速刹车过程中，闸片要承受较大的剪切力、较高的温度和压力，这就对对闸片的性能提出了很高的要求。
目前高速列车制动使用的树脂合成闸片由于材质导热系数低，树脂容易发生碳化导致闸片开裂和失效，因而闸片热稳定系数差，寿命短。因此制备出能适合高速列车制动系统应用的摩擦系数适中、耐磨性好、制动平稳和寿命长的新型制动闸片是当前研究工作者的当务之急。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种高速列车用粉末冶金闸片及其制备方法，克服了合成闸片在高温下的热稳定性差、摩擦系数低的问题，并提高了闸片的耐磨损性能。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种高速列车用粉末冶金闸片，其摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉50～70、铁粉3～10、石墨10～20、碳化硅5～10、石英砂2～6、镍粉0.5～3、碳化钨1～7、氧化钼0.5～2、锆英石1～4、锡粉2～6、氮化硼0.5～2。
所述摩擦体材料配方各组分的微观物理性状分别为：铁粉纯度≥98％，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#；镍粉纯度≥99.5％，粒度为20～63μm，树枝状；碳化钨纯度≥99.5％，灰色粉剂；氧化钼纯度≥98％，粒度为20～45μm，层状粉剂。锆英石纯度ZrO2≥66％，褐色多棱体；锡粉纯度Sn≥99.5％，粉状；氮化硼纯度BN≥98％，六方晶体。
作为优选，所述摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉70、铁粉3、石墨10、碳化硅5、石英砂2、镍粉0.5、碳化钨1、氧化钼2、锆英石4、锡粉2、氮化硼2。
作为优选，所述摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉50、铁粉3.5、石墨11、碳化硅10、石英砂6、镍粉3、碳化钨7、氧化钼2、锆英石1、锡粉6、氮化硼0.5。
作为优选，所述摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉51、铁粉10、石墨20、碳化硅6、石英砂3、镍粉1、碳化钨2、氧化钼1、锆英石2、锡粉3、氮化硼1。
作为优选，所述摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉60、铁粉5、石墨15、碳化硅5、石英砂2、镍粉2、碳化钨3、氧化钼1.5、锆英石3、锡粉2、氮化硼1.5。
一种高速列车用粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)原材料处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为400～450℃，铁粉的还原温度为600～700℃，在氨分解气体环境中保温3小时后空冷至室温；石墨、碳化硅、石英砂、二硫化钼需经过烘干处理，烘干温度为150～200℃，保温3小时后随炉冷却，并在20～60℃环境下恒温处理；
(2)配料：将步骤(1)处理后的原材料根据刹车块的组分比例称取各组元；
(3)混料：将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料；
(4)压制成型：将步骤(3)混合均匀后的混合料，按刹车块压制参数进行称料，倒入压制模具中，在500～600MPa的压制压力，经压制过程，制得刹车块压坯；
(5)模压烧结：将步骤(4)压制得的压坯装入专用石墨夹具，按照从下到上石墨垫片、纸垫片、骨架、刹车块压坯的顺序放入石墨夹具，在加压烧结炉中进行烧结；
(6)机加处理：将步骤(5)所得的刹车块的烧结毛坯，进一步机加处理以及修整外形；
(7)铆接加工：将步骤(6)得到的刹车块与相应钢背进行铆接加工得到高速列车用闸片，包装密封入库。
进一步地，所述步骤(1)中，还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理。
进一步地，所述步骤(3)中混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h；
进一步地，所述步骤(5)中，烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，以8～15℃/min的升温速度从室温升到650℃；到650℃时保温15～25min，给刹车块施加0.9～1.4MPa的压力；再以2～5℃/min的升温速度从650℃升到860℃保温80min，给刹车块施加1.5～2.1MPa的压力；接着在860℃时保温175～185min，给刹车块施加2.1～2.7MPa的压力；保温结束后以水冷方式将设备冷却到60℃以下并取出刹车块。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种高速列车用粉末冶金闸片及其制备方法，以铜作为基体组元，通过加入铁粉、镍粉、锡粉等强化组元，从而对基体组元进行强化；通过加入碳化硅、锆英石、石英砂等组元，从而增加汽车刹车片的摩擦系数；通过加入石墨、碳化钨和氧化钼等润滑组元，从而增加汽车刹车片磨损过程中表面的光滑度并减少制动盘的磨损量。
使用本技术方案制备的闸片，平均摩擦系数比合成刹车片高，制动距离短，而且没有明显的热衰退现象，摩擦系数稳定且闸片以及制动盘的磨损量都比较小，制动平稳、使用寿命长，能更好地满足高速列车的制动要求。
附图说明
图1为本发明高速列车用闸片的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面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。下述实施例中未进行详述的步骤，采用常规的方法进行处理。
如图1所示，一种高速列车用粉末冶金闸片，其摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉50～70、铁粉3～10、石墨10～20、碳化硅5～10、石英砂2～6、镍粉0.5～3、碳化钨1～7、氧化钼0.5～2、锆英石1～4、锡粉2～6、氮化硼0.5～2。
上述各组分的微观物力性状分别为：铁粉纯度≥98％，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#；镍粉纯度≥99.5％，粒度为20～63μm，树枝状；碳化钨纯度≥99.5％，灰色粉剂；氧化钼纯度≥98％，粒度为20～45μm，层状粉剂。锆英石纯度ZrO2≥66％，褐色多棱体；锡粉纯度Sn≥99.5％，粉状；氮化硼纯度BN≥98％，六方晶体。
一种高速列车用粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)原材料处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为400～450℃，铁粉的还原温度为600～700℃，在氨分解气体环境中保温3小时后空冷至室温；石墨、碳化硅、石英砂、二硫化钼需经过烘干处理，烘干温度为150～200℃，保温3小时后随炉冷却，并在20～60℃环境下恒温处理；上述还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；
(2)配料：将步骤(1)处理后的原材料根据刹车块的组分比例称取各组元；
(3)混料：将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料；混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h；
(4)压制成型：将步骤(3)混合均匀后的混合料，按刹车块压制参数进行称料，倒入压制模具中，在500～600MPa的压制压力，经压制过程，制得刹车块压坯；
(5)模压烧结：将步骤(4)压制得的压坯装入专用石墨夹具，按照从下到上石墨垫片、纸垫片、骨架、刹车块压坯的顺序放入石墨夹具，在加压烧结炉中进行烧结；
烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，以8～15℃/min的升温速度从室温升到650℃；到650℃时保温15～25min，给刹车块施加0.9～1.4MPa的压力；再以2～5℃/min的升温速度从650℃升到860℃保温80min，给刹车块施加1.5～2.1MPa的压力；接着在860℃时保温175～185min，给刹车块施加2.1～2.7MPa的压力；保温结束后以水冷方式将设备冷却到60℃以下并取出刹车块；
(6)机加处理：将步骤(5)所得的刹车块的烧结毛坯，进一步机加处理以及修整外形；
(7)铆接加工：将步骤(6)得到的刹车块与相应钢背进行铆接加工得到高速列车用闸片，包装密封入库。
实施例一
一种高速列车用粉末冶金闸片，其摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉70、铁粉3、石墨10、碳化硅5、石英砂2、镍粉0.5、碳化钨1、氧化钼2、锆英石4、锡粉2、氮化硼2。
上述各组分的微观物力性状分别为：铁粉纯度≥98％，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#；镍粉纯度≥99.5％，粒度为20～63μm，树枝状；碳化钨纯度≥99.5％，灰色粉剂；氧化钼纯度≥98％，粒度为20～45μm，层状粉剂。锆英石纯度ZrO2≥66％，褐色多棱体；锡粉纯度Sn≥99.5％，粉状；氮化硼纯度BN≥98％，六方晶体。
上述的一种高速列车用粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)原材料处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为400℃，铁粉的还原温度为600℃，在氨分解气体环境中保温3小时后空冷至室温；石墨、碳化硅、石英砂、二硫化钼需经过烘干处理，烘干温度为150℃，保温3小时后随炉冷却，并在20℃环境下恒温处理；上述还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；
(2)配料：将步骤(1)处理后的原材料根据刹车块的组分比例称取各组元；
(3)混料：将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料；混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h；
(4)压制成型：将步骤(3)混合均匀后的混合料，按刹车块压制参数进行称料，倒入压制模具中，在500～600MPa的压制压力，经压制过程，制得刹车块压坯；
(5)模压烧结：将步骤(4)压制得的压坯装入专用石墨夹具，按照从下到上石墨垫片、纸垫片、骨架、刹车块压坯的顺序放入石墨夹具，在加压烧结炉中进行烧结；
烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，以8℃/min的升温速度从室温升到650℃；到650℃时保温15～25min，给刹车块施加0.9～1.4MPa的压力；再以2℃/min的升温速度从650℃升到860℃保温80min，给刹车块施加1.5～2.1MPa的压力；接着在860℃时保温175～185min，给刹车块施加2.1～2.7MPa的压力；保温结束后以水冷方式将设备冷却到60℃以下并取出刹车块；
(6)机加处理：将步骤(5)所得的刹车块的烧结毛坯，进一步机加处理以及修整外形；
(7)铆接加工：将步骤(6)得到的刹车块与相应钢背进行铆接加工得到高速列车用闸片，包装密封入库。
实施例二
一种高速列车用粉末冶金闸片，其摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉50、铁粉3.5、石墨11、碳化硅10、石英砂6、镍粉3、碳化钨7、氧化钼2、锆英石1、锡粉6、氮化硼0.5。
上述各组分的微观物力性状分别为：铁粉纯度≥98％，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#；镍粉纯度≥99.5％，粒度为20～63μm，树枝状；碳化钨纯度≥99.5％，灰色粉剂；氧化钼纯度≥98％，粒度为20～45μm，层状粉剂。锆英石纯度ZrO2≥66％，褐色多棱体；锡粉纯度Sn≥99.5％，粉状；氮化硼纯度BN≥98％，六方晶体。
上述的一种高速列车用粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)原材料处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为450℃，铁粉的还原温度为700℃，在氨分解气体环境中保温3小时后空冷至室温；石墨、碳化硅、石英砂、二硫化钼需经过烘干处理，烘干温度为200℃，保温3小时后随炉冷却，并在60℃环境下恒温处理；上述还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；
(2)配料：将步骤(1)处理后的原材料根据刹车块的组分比例称取各组元；
(3)混料：将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料；混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h；
(4)压制成型：将步骤(3)混合均匀后的混合料，按刹车块压制参数进行称料，倒入压制模具中，在500～600MPa的压制压力，经压制过程，制得刹车块压坯；
(5)模压烧结：将步骤(4)压制得的压坯装入专用石墨夹具，按照从下到上石墨垫片、纸垫片、骨架、刹车块压坯的顺序放入石墨夹具，在加压烧结炉中进行烧结；
烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，以15℃/min的升温速度从室温升到650℃；到650℃时保温15～25min，给刹车块施加0.9～1.4MPa的压力；再以5℃/min的升温速度从650℃升到860℃保温80min，给刹车块施加1.5～2.1MPa的压力；接着在860℃时保温175～185min，给刹车块施加2.1～2.7MPa的压力；保温结束后以水冷方式将设备冷却到60℃以下并取出刹车块；
(6)机加处理：将步骤(5)所得的刹车块的烧结毛坯，进一步机加处理以及修整外形；
(7)铆接加工：将步骤(6)得到的刹车块与相应钢背进行铆接加工得到高速列车用闸片，包装密封入库。
实施例三
一种高速列车用粉末冶金闸片，其摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉51、铁粉10、石墨20、碳化硅6、石英砂3、镍粉1、碳化钨2、氧化钼1、锆英石2、锡粉3、氮化硼1。
上述各组分的微观物力性状分别为：铁粉纯度≥98％，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#；镍粉纯度≥99.5％，粒度为20～63μm，树枝状；碳化钨纯度≥99.5％，灰色粉剂；氧化钼纯度≥98％，粒度为20～45μm，层状粉剂。锆英石纯度ZrO2≥66％，褐色多棱体；锡粉纯度Sn≥99.5％，粉状；氮化硼纯度BN≥98％，六方晶体。
上述的一种高速列车用粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)原材料处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为420℃，铁粉的还原温度为650℃，在氨分解气体环境中保温3小时后空冷至室温；石墨、碳化硅、石英砂、二硫化钼需经过烘干处理，烘干温度为180℃，保温3小时后随炉冷却，并在30℃环境下恒温处理；上述还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；
(2)配料：将步骤(1)处理后的原材料根据刹车块的组分比例称取各组元；
(3)混料：将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料；混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h；
(4)压制成型：将步骤(3)混合均匀后的混合料，按刹车块压制参数进行称料，倒入压制模具中，在500～600MPa的压制压力，经压制过程，制得刹车块压坯；
(5)模压烧结：将步骤(4)压制得的压坯装入专用石墨夹具，按照从下到上石墨垫片、纸垫片、骨架、刹车块压坯的顺序放入石墨夹具，在加压烧结炉中进行烧结；
烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，以12℃/min的升温速度从室温升到650℃；到650℃时保温15～25min，给刹车块施加0.9～1.4MPa的压力；再以3℃/min的升温速度从650℃升到860℃保温80min，给刹车块施加1.5～2.1MPa的压力；接着在860℃时保温175～185min，给刹车块施加2.1～2.7MPa的压力；保温结束后以水冷方式将设备冷却到60℃以下并取出刹车块；
(6)机加处理：将步骤(5)所得的刹车块的烧结毛坯，进一步机加处理以及修整外形；
(7)铆接加工：将步骤(6)得到的刹车块与相应钢背进行铆接加工得到高速列车用闸片，包装密封入库。
实施例四
一种高速列车用粉末冶金闸片，其摩擦体材料配方按重量份计算包括：铜粉60、铁粉5、石墨15、碳化硅5、石英砂2、镍粉2、碳化钨3、氧化钼1.5、锆英石3、锡粉2、氮化硼1.5。
上述各组分的微观物力性状分别为：铁粉纯度≥98％，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#；镍粉纯度≥99.5％，粒度为20～63μm，树枝状；碳化钨纯度≥99.5％，灰色粉剂；氧化钼纯度≥98％，粒度为20～45μm，层状粉剂。锆英石纯度ZrO2≥66％，褐色多棱体；锡粉纯度Sn≥99.5％，粉状；氮化硼纯度BN≥98％，六方晶体。
上述的一种高速列车用粉末冶金闸片的制备方法，包括如下步骤：
(1)原材料处理：将铜粉和铁粉进行还原处理，铜粉的还原温度为400℃，铁粉的还原温度为700℃，在氨分解气体环境中保温3小时后空冷至室温；石墨、碳化硅、石英砂、二硫化钼需经过烘干处理，烘干温度为150℃，保温3小时后随炉冷却，并在60℃环境下恒温处理；上述还原后的铜粉和铁粉须经相应粒度的标准筛子过筛处理；
(2)配料：将步骤(1)处理后的原材料根据刹车块的组分比例称取各组元；
(3)混料：将步骤(2)处理后的原材料放入混料机中进行混料；混料转速为30～60r/min，混料时间为6～12h；
(4)压制成型：将步骤(3)混合均匀后的混合料，按刹车块压制参数进行称料，倒入压制模具中，在500～600MPa的压制压力，经压制过程，制得刹车块压坯；
(5)模压烧结：将步骤(4)压制得的压坯装入专用石墨夹具，按照从下到上石墨垫片、纸垫片、骨架、刹车块压坯的顺序放入石墨夹具，在加压烧结炉中进行烧结；
烧结工艺参数为：在氨分解气体保护下，以8℃/min的升温速度从室温升到650℃；到650℃时保温15～25min，给刹车块施加0.9～1.4MPa的压力；再以5℃/min的升温速度从650℃升到860℃保温80min，给刹车块施加1.5～2.1MPa的压力；接着在860℃时保温175～185min，给刹车块施加2.1～2.7MPa的压力；保温结束后以水冷方式将设备冷却到60℃以下并取出刹车块；
(6)机加处理：将步骤(5)所得的刹车块的烧结毛坯，进一步机加处理以及修整外形；
(7)铆接加工：将步骤(6)得到的刹车块与相应钢背进行铆接加工得到高速列车用闸片，包装密封入库。
实施例五
一种高速列车用粉末冶金闸片的制备方法，包括以下步骤：
(1)按要求对闸片所使用到的原材料以及闸片钢背进行预处理；
(2)按如下配方配料：55％铜粉、7％铁粉、6％鳞片石墨、5％颗粒石墨、7％碳化硅、4％石英砂、2.5％镍粉、5％碳化钨、2.5％氧化钼；1％氮化硼、1％锆英石、4％锡粉；
(3)利用V型混料机进行8h混料，保证各组元均匀分布；
(4)利用液压机及模具，称取设定比例的混合料倒入模具中，表面刮平并压制成型；
(5)将压制成型的刹车块压坯与石墨垫片按顺序装入石墨夹具中；
(6)利用钟罩式加压烧结炉对刹车块压坯进行烧结；
(7)根据图纸对烧结后的刹车块进行后续机加处理后，将刹车块与相应钢背进行铆接加工；
(8)对铆接合格的闸片进行喷漆，并包装入库。
实施例六
一种高速列车用粉末冶金闸片的制备方法，包括以下步骤：
(1)按要求对闸片所使用到的原材料以及闸片钢背进行预处理；
(2)按如下配方配料：54％铜粉、4％铁粉、5％鳞片石墨、7％颗粒石墨、5％碳化硅、5％石英砂、3％镍粉、4％碳化钨、1％氧化钼；2％氮化硼、4％锆英石、6％锡粉；
(3)利用V型混料机进行8h混料，保证各组元均匀分布；
(4)利用液压机及模具，称取设定比例的混合料倒入模具中，表面刮平并压制成型；
(5)将压制成型的刹车块压坯与石墨垫片按顺序装入石墨夹具中；
(6)利用钟罩式加压烧结炉对刹车块压坯进行烧结；
(7)根据图纸对烧结后的刹车块进行后续机加处理后，将刹车块与相应钢背进行铆接加工；
(8)对铆接合格的闸片进行喷漆，并包装入库。
采用上述技术方案得到的摩擦磨损性能：惯量J＝124.53～136.21kgf·m·s2，制动力F＝10.75～11.33kN，进行刹车试验，平均摩擦系数μ＝0.422～0.434，汽车刹车片磨损量为0.30～0.37cm3/MJ，对偶磨损量为0.042～0.051cm3/MJ。