權(quán)利要求

1.動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，由45～55％的電解銅粉、10～15％的還原鐵粉、2～4％的錳粉、4～8％的菱鎂石粉、4～8％的鉻鐵合金、1～4％的鉬粉、10～15％的碳化硅和10～15％的石墨組成；所述的百分比為質(zhì)量百分比，組分總和為100。2.如權(quán)利要求1所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料，其特征在于，所述電解銅粉中Cu的含量≥99.8％；所述還原鐵粉中Fe的含量≥98.5％；所述錳粉中Mn的含量≥99.7％；所述菱鎂石粉中Mg含量≥75％；所述鉻鐵合金中Cr含量≥60％；所述鉬粉中MoS 2≥99％；所述碳化硅中SiC含量≥98％，所述石墨中C的含量≥99.99％。 3.制備權(quán)利要求1所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，具體過程是： 步驟1，銅粉和鐵粉的還原： 將銅粉和鐵粉分別置于還原爐中進行還原，得到還原后的銅粉和還原鐵粉； 步驟2，球磨： 將還原合格的銅粉和鐵粉分別放入球磨機中球磨0.5～1h；鋼球:銅粉＝鋼球:鐵粉＝10:1；所述的比例為重量比；所述的比例為重量比； 步驟3，烘干： 將錳粉、菱鎂石粉、鉻鐵合金、二硫化鉬、碳化硅和石墨分類放入烘箱內(nèi)烘干； 步驟4，過篩： 將烘干的錳粉、鉻鐵合金、碳化硅和石墨分別進行過篩，取-100目的錳粉、-200目的鉻鐵合金、-120目的碳化硅和+80目的石墨備用； 步驟5，配料、混料： 按質(zhì)量百分比依次稱取所述電解銅粉45～55％、還原鐵粉、錳粉、菱鎂石粉、鉻鐵合金、鉬粉、碳化硅和石墨，與混合油在雙錐型混料機中混合20～24h；得到混合料； 步驟6，壓制： 根據(jù)產(chǎn)品的設計要求稱取得到的混合料并倒入模具中，刮平并冷壓成型，得到多個動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的壓坯； 各所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料壓坯的密度4.8～5.5g/cm 3； 步驟7，燒結(jié)： 將疊放后的組裝件裝入加壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，得到銅基粉末冶金摩擦材料。 4.如權(quán)利要求3所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，所述銅粉和鐵粉還原時，銅粉的還原溫度為400～450℃，升溫速率為150℃/h；鐵粉的還原溫度為650～700℃，升溫速率為200℃/h；所述銅粉與鐵粉的還原反應的保溫時間均為2～3h。 5.如權(quán)利要求3所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，所述球磨用的鋼球中，大球的直徑為96mm，小球的直徑為40mm，并且大球:小球＝3:1，所述的比例為重量比。 6.如權(quán)利要求3所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，所述烘干時，所述烘箱的升溫時間為30min，烘干溫度為120～150℃，保溫時間為4.0～6.0h。 7.如權(quán)利要求3所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，在配料、混料時，各配料的總和與該混合油的比例為1:10；所述比例為重量比；其中該配料的重量單位為kg，該混合油的重量單位為ml； 所述混合油為汽油與機油的混合物；該汽油：機油＝1:1；所述比例為重量比。 8.如權(quán)利要求3所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，所述冷壓成型中，銅基粉末冶金摩擦材料壓坯單位面積承受的壓力為500～600MPa，保壓時間10s。 9.如權(quán)利要求3所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，燒結(jié)時，對所述加壓燒結(jié)爐在通氫氣或氨分解氣的條件下以5℃/min升溫至120℃保溫1.5～2h；保溫結(jié)束后以2℃/min升溫至700℃保溫1.5～2h；繼續(xù)以5℃/min升溫至燒結(jié)溫度890～950℃，加壓至燒結(jié)壓力為0.5～0.7/MPa并保壓保溫3～5h；燒結(jié)結(jié)束后，水冷卻到60℃以下卸壓，出爐。 10.如權(quán)利要求3所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的方法，其特征在于，所述得到的銅基粉末冶金摩擦材料的硬度為40～45HRF，剪切強度為7.6～8.2kg/mm 2，抗壓強度為4.7～5.1kg/mm 2，平均摩擦系數(shù)為0.32～0.41，摩擦系數(shù)穩(wěn)定度為4.0～4.6％，磨損量為0.19～0.25cm 3/MJ。

說明書

動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法

技術領域

本發(fā)明涉及粉末冶金銅基剎車材料領域，具體是一種動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法。

背景技術

隨著動車組速度的不斷提升，作為確保高速下運行安全的制動閘片所受的熱負荷和磨損量將成倍增加，其對制動摩擦材料的摩擦磨損性能要求也越來越苛刻。目前我國動車組制動閘片大部分需要進口，不僅增加了成本，而且訂貨的周期也會延長，嚴重制約著動車組的發(fā)展?，F(xiàn)有的銅基粉末冶金摩擦材料存在耐熱負荷性能低和使用壽命短等問題，因此不能滿足動車組閘片用銅基摩擦材料的使用要求。

在公開號為CN108916277A的發(fā)明創(chuàng)造中提出了一種銅基剎車片摩擦材料的制備方法，但僅適用輕型車輛，且未明確摩擦試驗條件，具有一定的局限性。

在公開號為CN107326248A的發(fā)明創(chuàng)造中公開了一種高鐵制動粉末冶金銅基摩擦材料的制備方法，雖然制備出滿足性能的銅基摩擦材料，但未明確摩擦試驗條件，具有一定的局限性。

在公開號為CN107299300A的發(fā)明創(chuàng)造中公開了一種重負荷低磨損銅基摩擦材料及其制備方法，雖制備出銅基摩擦材料，但未經(jīng)過摩擦試驗驗證其性能，缺少摩擦試驗數(shù)據(jù)支撐。

在公開號為CN110387212A的發(fā)明創(chuàng)造中公開了摩擦材料組合物以及用其制備的高速列車制動閘片和應用，其組分中加入一定量的納米氟化鈣，因氟化物對人體有害，不適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

在公開號為CN105063459A的發(fā)明創(chuàng)造中公開了一種高速列車制動用銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法，僅在摩擦磨損試驗機上模擬380km/h高速列車的制動工況，其驗證試驗不全面，且未說明摩擦試驗后銅基摩擦材料的狀態(tài)，具有一定的局限性。

在公開號為CN104480342A的發(fā)明創(chuàng)造中公開了一種高摩擦系數(shù)耐腐蝕銅基剎車材料及其制備方法，但未說明其摩擦穩(wěn)定性，具有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容

為提高銅基粉末冶金摩擦材料的熱穩(wěn)定性和摩擦穩(wěn)定性，降低銅基摩擦材料的磨損量，提高銅基摩擦材料的使用時間，本發(fā)明提出了一種動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法。

本發(fā)明提出的動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料由45～55％的電解銅粉、10～15％的還原鐵粉、2～4％的錳粉、4～8％的菱鎂石粉、4～8％的鉻鐵合金、1～4％的鉬粉、10～15％的碳化硅和10～15％的石墨組成。所述的百分比為質(zhì)量百分比，組分總和為 100。

所述電解銅粉中Cu的含量≥99.8％。所述還原鐵粉中Fe的含量≥98.5％。所述錳粉中Mn的含量≥99.7％。所述菱鎂石粉中Mg含量≥75％。所述鉻鐵合金中Cr含量≥60％。所述鉬粉中MoS 2≥99％。所述碳化硅中SiC含量≥98％。所述石墨中C的含量≥99.99％。

本發(fā)明提出的制備所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的具體過程是：

步驟1，銅粉和鐵粉的還原：

將銅粉和鐵粉分別置于還原爐中進行還原，得到還原后的銅粉和還原鐵粉。

所述銅粉和鐵粉還原時，銅粉的還原溫度為400～450℃，升溫速率為150℃/h；鐵粉的還原溫度為650～700℃，升溫速率為200℃/h；所述銅粉與鐵粉的還原反應的保溫時間均為2～3h。

步驟2，球磨：

將還原合格的銅粉和鐵粉分別放入球磨機中球磨0.5～1h。鋼球:銅粉＝鋼球:鐵粉＝10:1。所述的比例為重量比。

所述球磨用的鋼球中，大球的直徑為96mm，小球的直徑為40mm，并且大球:小球＝3:1，所述的比例為重量比。

步驟3，烘干：

將錳粉、菱鎂石粉、鉻鐵合金、二硫化鉬、碳化硅和石墨分類放入烘箱內(nèi)烘干。

步驟4，過篩：將烘干的錳粉、鉻鐵合金、碳化硅和石墨分別進行過篩，取-100 目的錳粉、-200目的鉻鐵合金、-120目的碳化硅和+80目的石墨備用。

烘干時，所述烘箱的升溫時間為30min，烘干溫度為120～150℃，保溫時間為4.0～6.0h。

步驟5，配料、混料：

按質(zhì)量百分比依次稱取所述電解銅粉45～55％、還原鐵粉、錳粉、菱鎂石粉、鉻鐵合金、鉬粉、碳化硅和石墨，與混合油在雙錐型混料機中混合20～24h；得到混合料。

在配料、混料時，各配料的總和與該混合油的比例為1:10；所述比例為重量比。其中該配料的重量單位為kg，該混合油的重量單位為ml。

所述混合油為汽油與機油的混合物；該汽油：機油＝1:1；所述比例為重量比。

步驟6，壓制：

根據(jù)產(chǎn)品的設計要求稱取得到的混合料并倒入模具中，刮平并冷壓成型，得到多個動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的壓坯。

各所述動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料壓坯的密度4.8～5.5g/cm 3。

所述冷壓成型中，銅基粉末冶金摩擦材料壓坯單位面積承受的壓力為500～600MPa，保壓時間10s。

步驟7，燒結(jié)：

將疊放后的組裝件裝入加壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，得到銅基粉末冶金摩擦材料。

燒結(jié)時，對所述加壓燒結(jié)爐在通氫氣或氨分解氣的條件下以5℃/min升溫至120℃保溫1.5～2h；保溫結(jié)束后以2℃/min升溫至700℃保溫1.5～2h；繼續(xù)以5℃/min升溫至燒結(jié)溫度890～950℃，加壓至燒結(jié)壓力為0.5～0.7/MPa并保壓保溫3～5h。燒結(jié)結(jié)束后，水冷卻到60℃以下卸壓，出爐。

所述得到的銅基粉末冶金摩擦材料的硬度為40～45HRF，剪切強度為7.6～8.2kg/mm 2，抗壓強度為4.7～5.1kg/mm 2，平均摩擦系數(shù)為0.32～0.41，摩擦系數(shù)穩(wěn)定度為4.0～4.6％，磨損量為0.19～0.25cm 3/MJ

本發(fā)明成功地制備出了一種動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法。平均摩擦系數(shù)0.32≤μcp≤0.41，磨損量≤0.27cm3/MJ。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1.采用導熱性良好和成本較低的菱鎂石粉作為增強材料，不但使銅基粉末冶金摩擦材料的力學性能、抗高溫性能和導熱性能有明顯地提高，而且菱鎂石粉原料充足和價格便宜，明顯可以降低生產(chǎn)成本，也特別適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明取得的有益效果是：

1.本發(fā)明利用粉末冶金制備技術，科學地設計材料的各種成分組成，詳細地給出了銅基粉末冶金摩擦材料各種原材料的配比及原材料還原、球磨、烘干、過篩、配料、混料、壓制、燒結(jié)等整個生產(chǎn)過程中的工藝方案及參數(shù)。

2.本發(fā)明通過科學設計材料的各種成分組成，發(fā)揮了銅合金基體、潤滑組元、固體組元等系統(tǒng)匹配效應，提供了一種具有良好機械強度，適用于速度為350km/h的一種動車組閘片技術要求的銅基粉末冶金摩擦材料，平均摩擦系數(shù)0.32≤μcp≤0.41，磨損量≤0.27cm3/MJ。

3.按照本發(fā)明制造的摩擦材料在摩擦過程未出現(xiàn)摩擦層脫落、掉塊、卡滯、粘結(jié)等現(xiàn)象，制動曲線平穩(wěn)，無噪音產(chǎn)生、無異味生成、制動穩(wěn)定可靠。

4.本發(fā)明的有益效果在于采用導熱性良好和成本較低的菱鎂石粉作為增強材料，不但使銅基粉末冶金摩擦材料的力學性能、抗高溫性能和導熱性能有明顯地提高，而且菱鎂石粉原料充足和價格便宜，明顯可以降低生產(chǎn)成本，也特別適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明獲得銅基粉末冶金摩擦材料試樣。

圖2是本發(fā)明獲得銅基粉末冶金摩擦材料的SEM圖。從圖中以看出銅基基體與其他組元緊密的連接在一起，并存在一定的孔隙，增大了銅基摩擦材料在摩擦過程中的熱穩(wěn)定性。

圖3是本發(fā)明獲得的銅基粉末冶金摩擦材料制成的試樣在慣量1.57Kg·m2、正向壓力4.8kN、轉(zhuǎn)速4800rpm、有效半徑0.1m條件下測定的摩擦磨損性能試驗曲線。圖中，圖中1是隨剎車時間測定的摩擦系數(shù)曲線，2是隨剎車時間測定的轉(zhuǎn)速曲線，3 是剎車時給定的正向壓力曲線。從圖中可以看出在一定的壓力和轉(zhuǎn)速下，當制備的銅基摩擦材料與摩擦對偶材料形成良好的摩擦接觸后，該銅基摩擦材料的摩擦系數(shù)趨勢較穩(wěn)定，滿足產(chǎn)品技術要求。

圖4為經(jīng)過摩擦試驗后的銅基粉末摩擦材料，可以看出銅基摩擦材料表面完整，未出現(xiàn)表層剝落、掉塊、卡滯、粘結(jié)等現(xiàn)象，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

圖5為公司投入市場的銅基粉末冶金摩擦材料產(chǎn)品。

圖6是本發(fā)明的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明是一種動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料及其制備方法，由45～55％的電解銅粉、10～15％的還原鐵粉、2～4％的錳粉、4～8％的菱鎂石粉、4～8％的鉻鐵合金、 1～4％的鉬粉、10～15％的碳化硅和10～15％的石墨組成。所述的百分比為質(zhì)量百分比，組分總和為100。

本發(fā)明通過4個實施例具體說明其技術方案。各實施例的組分見表1：

本發(fā)明提出的各實施實施例的組分見表1，其中各組分含量為質(zhì)量百分比(％)。

表1

所述電解銅粉中銅的含量≥99.8％，執(zhí)行標準為GB/T5246-2007。

所述還原鐵粉中Fe的含量≥98.5％，執(zhí)行標準為GB/T4136-94。

所述錳粉中Mn的含量≥99.7％，執(zhí)行標準為YB/T051-2015。

所述菱鎂石粉中Mg含量≥75％，執(zhí)行標準為中華人民共和國黑色冶金行業(yè)標準YB/T5208-2016。

所述鉻鐵合金中的Cr≥60％，執(zhí)行標準為GB/T 5683-2008。

所述鉬粉中的MoS 2≥99％，執(zhí)行標準為GB/T23271-2009。

所述碳化硅中SiC含量≥98％，執(zhí)行標準為GB/T 2480-96。

所述石墨中C的含量≥99.99％，執(zhí)行標準為GB/T3518-95。

本發(fā)明還提出了一種制備所述銅基粉末冶金摩擦材料的方法。

制備所述銅基粉末冶金摩擦材料的具體過程是：

步驟1，銅粉和鐵粉的還原：

將銅粉和鐵粉分別置于還原爐中，對該還原爐升溫，并以氫氣作為保護氣氛進行還原，以消除所述銅粉和鐵粉中的氧含量及加工硬化現(xiàn)象。還原溫度：銅粉為400～ 450℃，升溫速率為150℃/h；鐵粉為650～700℃，升溫速率為200℃/h；銅粉與鐵粉的還原反應的保溫時間均為2～3h。

得到還原后的銅粉和還原鐵粉。合格的銅粉為玫瑰紅色海綿狀，鐵粉為銀灰色海綿狀。

本發(fā)明提出的各實施例的還原溫度工藝參數(shù)見表2：

表2

步驟2，球磨：

將還原合格的銅粉和鐵粉分別放入球磨機中球磨0.5～1h。鋼球:銅粉/鐵粉＝10:1。所述的比例為重量比。

所述鋼球包括大球與小球。該大球的直徑為96mm，小球的直徑為40mm，并且大球:小球＝3:1，所述的比例為重量比。

步驟3，烘干：

將錳粉、菱鎂石粉、鉻鐵合金、二硫化鉬、碳化硅和石墨分類放入烘箱內(nèi)，將該烘箱升溫120～150℃條件下保溫4.0～6.0h，以去除上述各種粉末中的水分。

所述烘箱的升溫時間為30min。

本發(fā)明提出的各實施例的烘干工藝參數(shù)見表3：

表3

步驟4，過篩：

將烘干的錳粉、鉻鐵合金、碳化硅和石墨分別進行過篩，取-100目的錳粉、-200 目的鉻鐵合金、-120目的碳化硅和+80目的石墨備用。

步驟5，配料、混料：

按質(zhì)量百分比依次稱取電解銅粉45～55％、還原鐵粉10～15％、錳粉2～4％、菱鎂石粉4～8％、鉻鐵合金4～8％、鉬粉1～4％、碳化硅10～15％和石墨10～15％與混合油在雙錐型混料機中混合20～24h，使其顆粒分布均勻；得到混合料。雙錐型混合機轉(zhuǎn)速為40～45r/min。

所述各配料的總和與該混合油的比例為1:10；所述比例為重量比。其中該配料的重量單位為kg，該混合油的重量單位為ml。

所述混合油為汽油與機油的混合物；該汽油：機油＝1:1；所述比例為重量比。

步驟6，壓制：

根據(jù)產(chǎn)品的設計要求稱取得到的混合料并倒入模具中，用刮平器刮平，在5000KN的液壓機上冷壓成型，得到密度4.8～5.5g/cm 3的銅基粉末冶金摩擦材料的壓坯。所述冷壓成型中，銅基粉末冶金摩擦材料壓坯單位面積承受的壓力為500～600MPa，保壓時間10s。得到多個動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的壓坯。

本發(fā)明提出的各實施例的壓制工藝參數(shù)見表4：

表4

步驟7，燒結(jié)：

將得到的各動車組閘片用銅基粉末冶金摩擦材料的壓坯與鋼背分別組裝成組裝件。按現(xiàn)有技術將各組裝件疊放形成料柱，并使各組裝件之間用石墨墊板隔開。

將疊放后的組裝件裝入加壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。

對所述加壓燒結(jié)爐在通氫氣或氨分解氣的條件下先以5℃/min升溫至120℃保溫1.5～2h，以2℃/min升溫至700℃保溫1.5～2h，再以5℃/min升溫至燒結(jié)溫度890～ 950℃，加壓至燒結(jié)壓力為0.5～0.7/MPa并保壓保溫3～5h。燒結(jié)結(jié)束后，水冷卻到 60℃以下卸壓，出爐，得到銅基粉末冶金摩擦材料。

本發(fā)明提出的各實施例的燒結(jié)工藝參數(shù)見表5：

表5

為驗證本發(fā)明的效果，本發(fā)明模擬具體工況條件，通過試驗以驗證本發(fā)明的效果。

所述試驗機為MM-3000型摩擦磨損性能試驗臺；摩擦材料制品試樣規(guī)格為S＝6cm 2，其中S為試樣的表面積；對偶材料為30CrMnSi，硬度HRF26～32。

試驗條件：摩擦材料制品J＝1.57kg·m 2，F(xiàn)＝4.8KN，N＝4800rpm；其中J為慣量， F為正向壓力，N為所述試驗機轉(zhuǎn)速。試驗環(huán)境為干燥環(huán)境。

試驗結(jié)果為：通過在MM-3000型摩擦磨損性能試驗臺上進行摩擦磨損性能試驗，本發(fā)明獲得的銅基摩擦材料制成的試樣在慣量1.57kg·m 2、正向壓力4.8KN、轉(zhuǎn)速 4800rpm的摩擦試驗條件下，該銅基摩擦材料的平均摩擦系數(shù)在0.31～0.41之間，單位面積吸收動能Ws≥34539.51J/cm 2，平均制動距離s≤803.28m，摩擦制動溫度 s≤530.9s，磨損量≤0.27cm 3/MJ，產(chǎn)品滿足技術要求，可用于批量化工業(yè)生產(chǎn)。

按照上述各實施例中配方所生產(chǎn)的銅基粉末冶金摩擦材料主要物理機械性能下表 6所示：

表6

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