高速列车用纤维增强铜基制动闸片及制备和摩擦制动性能制造技术

本发明专利技术一种高速列车用纤维增强铜基制动闸片及制备和摩擦制动性能，包括质量百分比为80‑98.5％的金属粉末，质量百分比为1‑15％的非金属粉末，质量百分比为0.5‑5％的纤维组元；非金属粉末中粒状石墨粉与鳞片石墨粉和金属粉末中的铬粉与高碳铬铁粉均按照比例添加，纤维组元为不同性质纤维混合使用。将上述粉末按比例混合均匀，冷压成形后热压烧结，得到铜基粉末冶金闸片。所得闸片按照低压低速，高压高速，高压高速连续紧急制动三阶段制动程序进行摩擦制动性能检测，检测方法能够反映出高速列车制动用铜基粉末冶金闸片的摩擦制动性能。该闸片在高速下具有较高的摩擦系数，摩擦系数稳定、衰减小，磨损量低以及对制动盘的损伤小优点。

Fiber Reinforced Copper Base Brake Pads for High Speed Trains and Their Fabrication and Friction Braking Performance

The invention relates to a fiber reinforced copper-based brake pad for high-speed train and its preparation and friction braking performance, including metal powder with a mass percentage of 80 98.5%, non-metallic powder with a mass percentage of 1 15% and fiber components with a mass percentage of 0.5 5%; chromium powder and high carbon ferrochromium powder in granular graphite powder and flake graphite powder in non-metallic powder are in accordance with the ratio. For example, the fiber components are mixed with different fibers. Copper-based powder metallurgical brake pads are obtained by mixing the above powders in proportion and sintering them by hot pressing after cold pressing. The obtained brake pads are tested according to the three-stage braking procedure of low-pressure, low-speed, high-pressure and high-speed continuous emergency braking. The test method can reflect the friction braking performance of copper-based powder metallurgy brake pads for high-speed train braking. The brake pad has the advantages of high friction coefficient at high speed, stable friction coefficient, low attenuation, low wear and little damage to the brake disc.

【技术实现步骤摘要】
高速列车用纤维增强铜基制动闸片及制备和摩擦制动性能
本专利技术属于粉末冶金摩擦材料制备
，尤其涉及一种高速列车用纤维增强铜基制动闸片及制备和摩擦制动性能。
技术介绍
高速列车基础制动装置一般采用盘形制动，利用闸片与制动盘相接触产生的摩擦力实现减速或停车。闸片与制动盘构成摩擦副，其中制动闸片是保证高速列车运行安全的关键部件，其性能优劣直接影响高速列车的制动性能、制动盘和闸片本身的使用寿命及列车的运行安全。随着列车运行速度的提高和载荷的增大，其对制动闸片的性能要求也越来越高。德国高铁ICE的最高速度达到406.9km/h,法国高铁TGV的V150超高速列车的试验行驶速度达到578.4km/h,日本高速列车稳定运行速度为300km/h，中国的复兴号高速列车组的稳定运行速度更是达到了350km/h。目前，高速列车制动用闸片主要是铜基粉末冶金闸片，这是由于铜基闸片具有优异的摩擦性能、优异的制动效果、以及良好的导热性能。但是，随着列车高速化，制动负荷越来越大，制动时产生的热能及热冲击也大大增加。摩擦表面铜在高挤压压力和高的温度下发生软化流动，造成摩擦系数在制动过程中产生较大的波动和明显的热衰退。此外，现有闸片对制动盘的损伤较大。提高摩擦系数的稳定性、降低摩擦系数的热衰退以及更好的保护制动盘是开发高性能铜基粉末冶金闸片的三个重要方面。铜基闸片的性能很大程度上受组元性质和含量的影响。目前减缓铜基体在高温下的软化，阻碍其流动的方法主要是通过在铜基体中添加强化组元来实现，比如铁，二氧化硅，碳化硅，氧化铝等颗粒。这种强化作用主要来自于颗粒在铜基体中的均匀分布。另外，存在于摩擦表面的硬质颗粒本身强度就比铜基体大，在摩擦过程中当较软的基体磨损软化后，颗粒突出于摩擦表面,直接与对偶表面相接触，提高摩擦阻力。但是高温下铜基闸片材料的软化主要发生在摩擦表层，一旦表层软化，在剧烈的循环热应力与压力的条件下，突出的硬质颗粒由于颗粒状形貌特点以及与铜基体较弱的界面结合，不足以承载过高的载荷，容易从基体中脱落甚至破碎，这样会大幅度降低硬质颗粒对软化流动的摩擦膜的钉扎和保护作用，从而使闸片材料摩擦表层不能形成稳定的摩擦膜。摩擦表层的软化和流动是造成高速下摩擦系数的衰退和磨损量剧烈升高的主要原因。因此，本专利技术通过调节添加组元的种类、含量及比例来控制摩擦膜的性质，进而调控摩擦系数的大小、提高摩擦系数的稳定性、降低磨损量，使其适合更高速度等级的高速列车。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有高速列车制动用铜基制动闸片高温摩擦系数波动较大、摩擦系数衰退较大、耐磨性能较低以及现有闸片对制动盘的损伤较大的问题，提供了一种通过多组元协同配合来提高铜基闸片摩擦制动性能的方法。通过添加柔性纤维状组元(碳纤维)或刚性纤维状摩擦组元(氧化铝纤维或碳化硅纤维)对铜基体进行强化。此外，为了提高闸片的成分均匀性，减小密度差异较大的组元的偏析，采用喷雾喷洒的方式添加粘结剂，使低密度的石墨或纤维组元均匀粘附在基体粉末颗粒表面，从而获得成分均匀，无偏析的铜基混合粉末。在压制成形过程中，由于摩擦块的厚度较大，采用双向压制保证压坯密度的均匀性，并采用复压复烧的方法来提高闸片的密度和剪切强度，最终制备出在高速下具有较高的摩擦系数，且摩擦系数稳定、磨损量低、对制动盘损伤小的高速列车制动闸片。为实现本专利技术的目的，采用以下制备技术方案：一种高速列车用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，1.原料：粉末状原料：铜粉：48-75μm；铁粉：45-150μm；片状石墨粉：180-380μm；粒状石墨粉：106-300μm；二氧化钛粉：<10μm；二硫化钼：45-150μm；铬粉：10-48μm；高碳铬铁：10-48μm；纤维状组元：氧化铝纤维：直径5-20μm，长度10-100μm；碳化硅纤维：直径0.1-0.5μm，长度10-50μm；碳纤维：直径0.2-0.6μm，长度5-50μm；刚性的氧化铝纤的长径比为5:1-20:1，刚性的碳化硅纤维和柔性的碳纤维的长径比为10:1-100:1。所述的粘结剂成分质量配比为：40-70wt.％乙撑双硬脂酰胺(EBS)；10-20wt.％石蜡；15-30wt.％聚酰胺蜡；2-5wt.％月桂酸；20-40wt.％硬脂酸；2-5wt.％异辛酸；5-10wt.％聚丙烯酸甲脂。所述的溶剂为正庚烷；所述的粘结剂溶液中粘结剂的含量为0.1～0.7wt％，粘结剂的溶解温度为60℃-100℃。铜基闸片的制备包括以下步骤：2.配料：根据铜基闸片的配方进行称量配料。铜基闸片的配方：铜粉：45-65wt.％；铁粉：15-30wt.％；片状石墨粉：1-10wt.％；粒状石墨粉：1-10wt.％；二氧化钛粉：1-10wt.％；二硫化钼粉：1-5wt.％；铬粉：1-10wt.％；高碳铬铁粉：1-10wt.％；氧化铝纤维：1-5wt.％；碳化硅纤维：0.5-3wt.％；碳纤维：0.5-3wt.％。优选地，所述粒状石墨粉与鳞片状石墨粉按质量百分数比例添加：粒状石墨粉与鳞片状石墨粉的比例为1:1～1:1.5。优选地，所述铬粉与高碳铬铁粉末按质量百分数比例添加：铬粉与高碳铬铁粉的比例为1:1～1:1.5。优选地，所述的氧化铝纤维、碳化硅纤维和碳纤维采用化学镀的方法包覆铜或镍，铜或镍包覆层的厚度为1-3μm。优选地，所述的氧化铝纤维、碳化硅纤维和碳纤维采用化学镀的方法。3.粉末的混合：将不同组合配比的原料粉末加入双锥喷雾混料器中。开启导热油泵，将混料筒加热到80-140℃之间。混合粉末在双锥喷雾混料器中进行粘结化处理，首先将粘结润滑剂在60-100℃的温度下溶于溶剂中，形成粘结剂溶液，粘结剂溶液被加热到80-120℃，然后在0.1MPa-1MPa高压气体的携带下进入双锥喷雾混料器中，粘结剂溶液被雾化并均匀喷洒在不断翻滚的物料上，混合6-10h，得到粘结化处理粉末；4.粉末的压制：采用双向压制，将混合均匀的铜基粉末冷压成形，压制压力为400～500MPa；5.闸片的烧结：将冷压坯体在热压烧结炉中烧结，加热至850℃～950℃，保温60-120分钟，热压压力为2MPa～4MPa，保持恒定，烧结气氛为氢氮混合气氛；冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。冷却至100℃以下取出，冷却过程保持压力恒定。6.摩擦制动性能检测：摩擦制动性能的检测包括三个阶段：第一阶段(低压低速阶段)：制动压力<0.35MPa，制动速度为0-200km/h，速度每隔20-50km/h取一个实验测试速度，每个制动速度下重复进行至少3次，起始温度小于60℃。第二阶段(高压高速阶段)，增大制动压力到0.35-0.6MPa，制动速度为200-400km/h，每个制动速度下重复进行至少3次，起始温度不超过60℃。第三阶段在最大制动压力和最高制动速度下连续10次紧急制动，制动间隔不超过1min。记录每一次制动的平均摩擦系数及整个测试结束后总的磨损量。本专利技术采用了以纯电解铜粉为基体，没有添加固溶强化元素，这样能够保证铜基闸片材料的高导热性；粒状石墨具有导热高，强度高，与鳞片石墨按照一定比例配合使用，能够提高基体的强度，并且降低鳞片石墨对基体的分割作用，从而降低磨损量，提高摩擦系数；通过添加具有高强度和高耐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述铜基粉末冶金制动闸片的组成成分包括金属粉末、非金属粉末和纤维组元；其中，所述金属粉末的质量百分比为80‑98.5％，非金属粉末的质量百分比为1‑20％，纤维组元的质量百分比为0.5‑5％。

【技术特征摘要】
1.一种高速列车用纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述铜基粉末冶金制动闸片的组成成分包括金属粉末、非金属粉末和纤维组元；其中，所述金属粉末的质量百分比为80-98.5％，非金属粉末的质量百分比为1-20％，纤维组元的质量百分比为0.5-5％。2.根据权利要求1所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述金属粉末的各个组分的质量百分比为：铜粉：45-65％；铁粉：15-30％；锐钛矿型二氧化钛粉：1-10％；二硫化钼粉：1-5％；铬粉：1-10％；高碳铬铁粉：1-10％。所述铜粉的粒径为48-75μm，所述铁粉的粒径为45-150μm，所述二氧化钛粉的粒径为<10μm，所述二硫化钼粉的粒径为45-150μm，所述铬粉的粒径为10-48μm，所述高碳铬铁粉的粒径为10-48μm。3.根据权利要求1所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述非金属粉末的各个组分质量百分比为：片状石墨粉：1-10％；粒状石墨粉：1-10％；所述片状石墨粉的粒径为180-380μm，所述粒状石墨粉的粒径为106-300μm。4.根据权利要求1所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述纤维组元为刚性的氧化铝纤维或碳化硅纤维，柔性的碳纤维中的一种时：其中，当选用氧化铝纤维时，质量百分比为：1-5％；当选用碳化硅纤维或碳纤维时，质量百分比为：0.5-3％。5.根据权利要求4所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述纤维组元为刚性的氧化铝纤维或碳化硅纤维和柔性的碳纤维混合时：刚性的氧化铝纤维或者碳化硅纤维与柔性的碳纤维的比例为1:0.5-1:1，混合纤维的含量为1-4％。6.根据权利要求5所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于，纤维状组元：氧化铝纤维：直径5-20μm，长度10-100μm；碳化硅纤维：直径0.1-0.5μm，长度10-50μm；碳纤维：直径0.2-0.6μm，长度5-50μm。7.根据权利要求6所述的纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于，其特征在于：刚性的氧化铝的长径比为5:1-20:1，刚性的碳化硅纤维或柔性的碳纤维的长径比为10:1-100:1。8.根据权利要求3所述纤维增强铜基粉末冶金制动闸片，其特征在于：所述粒状石墨粉与鳞片石墨粉的的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：章林，曲选辉，张鹏，吴佩芳，释迦才让，曹静武，付康习，
申请(专利权)人：北京科技大学，北京天宜上佳高新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11