一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法，属于粉末冶金摩擦材料技术领域。该制动闸片材料是通过将原料粉干燥筛分后投入混料机，喷入粘结剂，混料后置于钢制模具中压制，然后在还原气氛下烧结，再在还原气氛下进行热处理制成的；其中，所述原料粉为铜粉、铁粉、Ti2AlC粉、铬粉、镍粉、锰粉、二氧化硅、石墨、氮化硼和二硫化钼。本发明专利技术还提供了该制动闸片材料的制备方法。本发明专利技术以通过Ti2AlC获得的原位TiC为主要摩擦组元，制备原位纳米TiC片层骨架的材料，进而以铜为基体，添加少量其他金属，调节石墨等润滑组元的含量，最终获得制动效果优良、磨损率低的新型材料。适用于作为高速铁路列车用制动闸片材料。

A brake pad material for high speed railway train and its preparation method

The invention discloses a brake sluice material used for high speed railway train and a preparation method, which belongs to the technical field of powder metallurgy friction material. The brake materials by powder dry sieving into mixing machine, spray adhesive, mixed pressing in steel mould, then sintered in reducing atmosphere, then heat treatment made in reducing atmosphere; wherein, the raw material powder for copper powder, iron powder, Ti2AlC powder, chromium powder, nickel powder, manganese powder, silicon dioxide, graphite, boron nitride and molybdenum disulfide. The invention also provides a preparation method of the brake sluice material. The present invention by in situ TiC Ti2AlC as the main friction components, preparation of in situ nano TiC layers skeleton materials, using copper as matrix, adding small amounts of other metals, adjust the content of graphite lubricant components, finally obtain excellent braking effect, low rate of wear of new materials. It is suitable for brake sluice material used as a high speed railway train.

【技术实现步骤摘要】
一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法
本专利技术涉及一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法，属于粉末冶金摩擦材料

技术介绍
列车的基础制动方式很多，如摩擦制动、电阻制动、磁轨涡流制动等，其中以摩擦制动应用较广。摩擦制动又可分为踏面制动与盘形制动两种，前者制动元件为闸瓦，后者则为制动圆盘/闸片摩擦副。随着国民经济的快速发展，铁路运输的高速化已成为必然趋势，特别是时速在300km及以上的高速铁路的正获得长足发展，而列车速度的不断提高对其制动性能也提出了越来越严格的要求。踏面制动的制动效能已经不能满足需要，闸瓦在高速列车上难以发挥作用，制动闸片材料就成为高速列车摩擦制动的核心一环。制动圆盘/闸片摩擦制动方式要求闸片材料摩擦系数高，耐磨损性能优良。经历了铸铁、合成闸片、铁基和铜基烧结闸片阶段，并已向其他新型复合材料及C/C复合材料闸片/瓦阶段发展，其中铸铁材料最严重的缺点是与对偶材料具有亲和性，磨损严重；有机合成材料长期使用会将对偶磨得非常光滑，降低摩擦系数，同时难以适应高温高压工况；碳碳复合材料成本过高，常用于飞机制动；目前只有粉末冶金材料既能满足使用性能要求，又具有经济适用性。粉末冶金材料又称烧结金属材料，是以金属及合金为基体，添加其他组元，用粉末冶金技术制成的复合材料，是一种含有金属非金属多组元的假合金，包含基体组元，摩擦组元和润滑组元。自1929年出现以来，经过多年研究开发，粉末冶金材料已经成为一种重要的工程材料。粉末冶金材料摩擦组元的选择对材料整体性能的影响至关重要，因为摩擦组元起到提高摩擦系数的作用，作为材料在摩擦过程中的主要硬质相，其对材料的制动效能及摩擦平稳性影响巨大。传统的摩擦组元有氧化物如二氧化硅等；碳化物陶瓷如碳化钛等；硬质金属如钨、钼等。但这些传统摩擦组元存在着不同的问题，如氧化物、碳化物陶瓷存在硬度过高，损伤配副双方导致磨损率高的问题；硬质金属材料存在摩擦系数不足，制动效能差的问题。新型组元如Ti3AlC2等三元层状陶瓷也被添加在铜基体中用作摩擦材料，但其本身作为摩擦组元硬度较低，在高速列车摩擦制动过程中难以独立作为硬质增摩相起到显著提高摩擦系数的作用，反而因其具备一定的自润滑性能而被用作受电弓等的颗粒强化材料。铜是导电性仅次于银的金属材料，广泛应用于电摩擦领域，但强度较低耐磨性差；而碳化钛具备高强度、硬度和高导热、导电特性，是金属的理想增强相。因此结合二者优势的碳化钛增强铜基材料在电摩擦领域具备广阔的应用前景。与铜基体中直接添加碳化钛相比，原位碳化钛增强铜基复合材料因为润湿性好、界面结合力强，其各方面性能均超过直接添加碳化钛制备的其与铜的复合材料，因而原位碳化钛增强铜基复合材料的研究价值和应用前景都更为重要和广阔。常见的原位碳化钛添加方式主要是通过化学合成内反应法，常见的Ti源有Ti粉、TiO2等，C源有炭黑、碳纳米管等，这种添加方式主要是通过原料添加铜基体中高温下Ti源与C源反应制得。但也存在很多问题如原料反应不完全、生成TiC形态尺寸难以控制等问题。近年来的研究发现三元层状化合物在铜中高温环境下可发生分解，已经有关于利用Ti3AlC2、Ti2AlC等的分解制备原位TiC增强铜基材料的报道，多通过简单的热压工艺制备，分解产物及组织仍多以球状颗粒存在，不涉及对组织和摩擦性能的详细论述，更没有在高速摩擦领域的相关性能报道。
技术实现思路
为解决传统闸片材料为了增加摩擦系数添加硬质陶瓷颗粒等，但存在界面结合强度不足等问题，界面结合强度不足则硬质颗粒脱落，导致磨损率升高，同时因硬质颗粒逐渐脱落导致摩擦系数下降等问题出现。本专利技术提供了一种高速铁路列车用制动闸片材料及其制备方法，涉及一种具有特殊组织且摩擦性能优良的原位碳化钛增强铜(铁)基复合材料及其制备方法，用于高速铁路列车的摩擦制动。采用的技术方案如下：本专利技术的目的在于提供一种高速铁路列车用制动闸片材料，该材料是通过将原料粉干燥筛分后投入混料机，喷入粘结剂，混料后置于钢制模具中压制，然后在还原气氛下烧结，再在还原气氛下进行热处理制成的；其中，所述原料粉为铜粉、铁粉、Ti2AlC粉、铬粉、镍粉、锰粉、二氧化硅、石墨、氮化硼和二硫化钼。进一步地，所述Ti2AlC粉的化学计量比为2:1:0.7。进一步地，铜粉45％～73％、铁粉2％～18％、Ti2AlC粉1％～12％、铬粉2％～10％、镍粉0.2％～3％、锰粉0.2％～3％、二氧化硅0.2％-2％、石墨6％～19％、氮化硼0.2％～2％、二硫化钼0.2％～2％。更进一步地，铜粉57％～62％、铁粉2％～12％、Ti2AlC粉7％～12％、铬粉5％～8.5％、镍粉0.5％～3％、锰粉0.5％～3％、二氧化硅1％-2％、石墨6％～12％、氮化硼1％～2％、二硫化钼1.5％～2％。更进一步地，所述原料粉中各成分的质量百分含量为：铜粉57％、铁粉12％、Ti2AlC粉7％、铬粉5％、镍粉0.5％、锰粉0.5％、二氧化硅2％、石墨12％、氮化硼2％、二硫化钼2％。本专利技术还提供了一种上述制动闸片材料的制备方法，其特征在于，是按照以下步骤进行制备的：1)混料：将原料粉经过干燥、筛分、称重后投入混料机，喷入粘结剂，混料2h-5h；2)预制压坯：将经过步骤1)混合后的原料放入钢制磨具中压制，载荷300MPa～500MPa；3)烧结：在还原气氛下，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至烧结温度850℃～980℃，同时加压至30MPa～50MPa，保温1h-2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa～5MPa，保温结束后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力；4)热处理：在还原气氛下，以20℃/min～30℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h-1h，按照上述热处理方法热处理5次～10次。进一步地，步骤1)所述的粘结剂由95％(质量)的煤油和5％(质量)的二烷基磷酸酯组成。进一步地，步骤1)所述的粘结剂按照原料粉总质量的1％-5％(质量)添加。进一步地，步骤2)所述的载荷为400MPa。进一步地，步骤3)是在还原气氛下，以10℃/min的升温速率升温至烧结温度980℃，同时加压至30MPa，保持温度2h，保温的同时保持压力0.5h、然后降压至1MPa，保温结束后后随炉冷却，当炉温低于600℃时卸载压力。进一步地，步骤4)是在还原气氛下，以20℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5h，按照上述热处理方法热处理5次。本专利技术原理：传统的Ti2AlC粉的化学计量比是2:1:1，而本专利技术中制备闸片材料所用的Ti2AlC粉体系通过自蔓延工艺合成，并且通过调整原料钛粉、铝粉、炭黑的摩尔比例为3:1.4:0.8，经过自蔓延工艺获得了化学系数比为Ti：Al：C＝2:1:0.7的C化学计量比缺位的Ti2AlC粉体，本专利技术的专利技术人在实验过程中发现：原位TiC在形成生长过程中，其C的化学计量比越低，TiC越倾向于形成片层状，C的化学计量比越高或到达完全化学计量比1时，其形态越接近于球体，这就是本专利技术中原位TiC为片层状的主要原因，此外本专利技术中所用的闸片烧结工艺和热处理工艺也促进了这种片层状TiC组织的形成，保温阶段较大的烧结压力以及在烧结完毕反复的热处理过程明显促进了Ti2A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速铁路列车用制动闸片材料，其特征在于，所述制动闸片材料是通过将原料粉干燥筛分后投入混料机，喷入粘结剂，混料后置于钢制模具中压制，然后在还原气氛下烧结，再在还原气氛下进行热处理制成的；其中，所述原料粉为铜粉、铁粉、Ti2AlC粉、铬粉、镍粉、锰粉、二氧化硅、石墨、氮化硼和二硫化钼。

【技术特征摘要】
1.一种高速铁路列车用制动闸片材料，其特征在于，所述制动闸片材料是通过将原料粉干燥筛分后投入混料机，喷入粘结剂，混料后置于钢制模具中压制，然后在还原气氛下烧结，再在还原气氛下进行热处理制成的；其中，所述原料粉为铜粉、铁粉、Ti2AlC粉、铬粉、镍粉、锰粉、二氧化硅、石墨、氮化硼和二硫化钼。2.根据权利要求1所述的制动闸片材料，其特征在于，所述Ti2AlC粉的化学计量比为2:1:0.7。3.根据权利要求1所述的制动闸片材料，其特征在于，所述原料粉中各成分的质量百分含量为：铜粉45％～73％、铁粉2％～18％、Ti2AlC粉1％～12％、铬粉2％～10％、镍粉0.2％～3％、锰粉0.2％～3％、二氧化硅0.2％-2％、石墨6％～19％、氮化硼0.2％～2％、二硫化钼0.2％～2％。4.根据权利要求1所述的制动闸片材料，其特征在于，所述原料粉中各成分的质量百分含量为：铜粉57％、铁粉12％、Ti2AlC粉7％、铬粉5％、镍粉0.5％、锰粉0.5％、二氧化硅2％、石墨12％、氮化硼2％、二硫化钼2％。5.一种权利要求1所述的制动闸片材料的制备方法，其特征在于，是按照以下步骤进行制备的：1)混料：将原料粉经过干燥、筛分、称重后投入混料机，喷入粘结剂，混料2h-5h；2)预制压坯：将经过步骤1)混合后的原料放入钢制磨具中压制，载...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜久兴，王帅，朱思宇，
申请(专利权)人：哈尔滨市哈东机车车辆配件厂，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23