一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片及制备方法技术

本发明专利技术提供一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片及制备方法，具体组成成分包括铁粉，铜粉，石墨烯，铬铁合金粉，钼铁合金粉，铬粉，钼粉，低温润滑组元以及纳米高温润滑组元。所制备的铁基制动闸片通过混粉，压制和在振荡压力下烧结而成。该发明专利技术能够充分发挥不同润滑组元在不同温度下的润滑优势，并且通过喷洒混料及振荡加压烧结的方式促进闸片组织的均匀性与致密度。所制备的闸片价格低廉，能与碳陶盘匹配在高速下提供稳定且较高的摩擦系数，较低的磨损量以及延长制动盘使用寿命，适用于速度等级350km/h及以上的高速铁路列车制动系统。

【技术实现步骤摘要】
一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片及制备方法
本专利技术属于粉末冶金工艺生产高速列车制动闸片
，特别提供了一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片。
技术介绍
目前各速度等级高速铁路列车上，商业大规模使用的制动盘均为合金钢盘。虽然合金钢盘成本相对较低，易于更换，但是其重量大。并且随着列车运行速度的提高，制动盘也越来越容易开裂，异常磨损，从而造成合金钢制动盘使用寿命缩短甚至引发安全问题。为了满足列车轻量化、高速化的需求，已经应用于高端跑车、飞机等的碳陶制动盘有望成为高速列车未来使用的制动盘材料。碳陶盘具有强度高，耐高温并且密度低等特性。然而，当其与对偶闸片摩擦时，相比于合金钢盘其摩擦界面的温升更高，这也就使得传统的铜基制动闸片面临更加严峻的考验。这主要是因为当铜基体在高温下软化之后，闸片材料的摩擦系数会衰退并且失稳，磨损量异常增大。基于此，我们改变闸片中铜粉的含量，并且增加铁粉的含量，使得铁粉作为基体制备全新的能够与碳陶盘匹配的铁基粉末冶金闸片。铁粉作为基体具有一系列的优点，比如铁的熔点以及高温强度相对于铜粉来说都更高。此外，铁粉来源更加广，成本也更低。在此之前，铁基粉末冶金摩擦材料也被广泛使用，比如专利CN104399970A“一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”，专利CN104399970A“一种铁基粉末冶金摩擦材料及其制备方法”及专利CN106086718A“一种离合器铁基复合摩擦材料及其制备方法”均专利技术了一种铁基摩擦材料，但是所使用的领域并不是高速列车的制动领域。其中很大一个原因便是铁粉与同为合金钢的制动盘具有相似，铁与铁之间易于产生焊接，黏着，从而造成摩擦系数不稳定以及磨损量异常增大。对于碳陶材质的制动盘，这一缺点便不再存在，铁基摩擦材料也能更好的发挥其优良的力学以及摩擦磨损性能。然而，碳陶盘与闸片对磨时摩擦界面温升高，这意味着高铁列车在多次连续制动过程中，制动闸片需要经历更加频繁以及剧烈的冷热温度循环，这对闸片润滑性能是一个极大的考验，因为通常闸片中会添加石墨以及二硫化钼作为润滑组元，而石墨和二硫化钼在氧化气氛中的工作温度不能超过450℃及500℃，否则其层状易滑移结构会受到破坏。当因氧化而导致闸片材料润滑性能降低的时候，闸片材料的摩擦系数稳定性以及耐磨性将会剧烈的下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于以铁粉为闸片材料基体，并通过精确设计并调控润滑组元的种类和含量，制定相应的制备方法，得到能够与碳陶制动盘产生良好的配合、在宽的温度范围具有摩擦系数稳定性、适用于高速铁路列车在高速重载条件下紧急制动时的闸片。基于上述理念，我们专利技术了一种在宽温域具有摩擦系数稳定性，与碳陶盘相匹配的铁基粉末冶金制动闸片。在此闸片的制备过程中，我们设计了多组元固体润滑剂，同时加入两类能够在不同温度下起润滑作用的组元，包括低温润滑组元和高温润滑组元，其中低温润滑组元主要起作用的温度不超过500℃，而高温润滑组元主要起作用的温度可以达到800℃甚至更高。具体为：低温润滑组元包括石墨，以及WS2，WSe2，FeS中的一种；高温润滑组元为氟化物(CaF2，BaF2，LaF3，CeF3)中的一种，以及氧化物(MoO3，WO3，ZnO，B2O3，V2O3，Re2O3)中的一种。低温润滑组元的晶体均为层状结构，存在着在剪切力的作用下易滑移的晶体平面。其中，石墨在室温到氧化温度425℃之间润滑效果好，并且与铁基体具有良好的界面结合，但是其力学强度较低，在高应力制动条件下单独使用时易破碎剥落；WS2，WSe2及FeS能够在低于500℃的温度下其润滑作用，并且其力学强度较高，与铁基体的界面结合也较好，配合石墨使用能够在低温下产生良好的润滑作用；氟化物在低温下呈现出脆性，润滑作用有限。但是在高温下发脆性到塑性的转变，塑性颗粒能够在摩擦表面涂覆从而产生润滑作用，比如CaF2在1000℃的高温中仍然能够对金属和陶瓷产生有效的润滑作用；氧化物的润滑作用主要是由于氧化物颗粒在高温下易变形或剪切引起的，出现这种现象有两个基本原因，其中原因之一是随着离子势差异的增加，氧化物形成低熔点或易剪切复合化合物的能力提高。由于阴离子可以更好的屏蔽或掩盖阳离子，且使得它们不易与周围的阳离子反应，因此，它们倾向于在高温具备低硬度和剪切强。第二个原因是随着离子势差异的增大，离子形成高稳定化合物的能力或亲和力发挥很少的化学或静电吸引力上升。滑动表面之间较低的吸引力预示着滑行接触界面上较低的粘着力，因此获得低摩擦。此外，当氟化物以及氧化物作为高温润滑组元加入时，其粒径匹配为纳米粒径。这主要是因为在低温下这二者均具有较高的脆性，当粒径较大时会对碳陶制动盘产生异常划伤，使得碳陶盘的使用寿命缩短。另外，纳米粒径的氟化物和氧化物颗粒可以在摩擦时参与摩擦膜的形成，对摩擦膜起颗粒强化作用，从而在低温促进摩擦表面摩擦膜的稳定，在高温下进一步在摩擦表面起润滑作用。由于较多润滑组元的加入会阻碍铁基制动闸片材料的烧结过程，从而导致制备的闸片材料孔隙度上升，因此我们进一步的利用振荡加压烧结的方式对铁基制动闸片进行烧结，从而极大的促进了铁基制动闸片的致密化。本专利技术在全面考虑以上因素后，设计并制备了具有宽温域摩擦系数稳定性的铁基制动闸片，当其与碳陶盘匹配组成制动副的时候，在高速重载条件下紧急制动时具有稳定的摩擦系数。为实现本专利技术目的，采用以下制备技术方案：一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，其特征在于，包括下面组分：铁粉：50-70重量份，45-75μm；铜粉：10-20重量份，13-25μm；石墨烯：0.1-1重量份，0.01-0.1μm；铬铁合金粉：1-5重量份，50-200μm；钼铁合金粉：1-5重量份，50-200μm；铬粉：1-5重量份，50-200μm；钼粉：1-5重量份，50-200μm；低温润滑组元：5-15重量份；高温润滑组元：1-8重量份。进一步地，所述低温润滑组元含有鳞片状石墨，粒度为300-500μm，最优含量在5-10重量份之间。进一步地，所述低温润滑组元还含有WS2，WSe2，FeS中的一种，粒度为48-75μm，最优含量在1-5重量份之间。进一步地，所述高温润滑组元含有CaF2，BaF2，LaF3，CeF3中的一种，粒度为0.05-0.5μm，最优含量为1-4重量份之间。进一步地，所述高温润滑组元还含有MoO3，WO3，ZnO，B2O3，V2O3，Re2O3中的一种，粒度为0.05-0.5μm，最优含量为1-4重量份之间。一种如上所述的制动闸片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将上述原料粉末按照所述重量份称取；(2)将称取好的原料粉末除石墨烯以及纳米尺寸的高温润滑组元颗粒以外倒入双锥混料机中，混料筒不断回转使得物料翻动混合，此时将石墨烯-纳米尺寸的高温润滑组元颗粒-乙醇分散液在高压气体的带动下喷洒成雾状并且均匀地包裹在分散的大颗粒粉末颗粒上，最终得到混合均匀的混合粉末；(3)将混合均匀的粉末冷压成型；(4)将冷坯体在双向振荡压力烧结炉中烧结；(5)冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，其特征在于，包括下面组分：/n铁粉：50-70重量份，45-75μm；铜粉：10-20重量份，13-25μm；石墨烯：0.1-1重量份，0.01-0.1μm；铬铁合金粉：1-5重量份，50-200μm；钼铁合金粉：1-5重量份，50-200μm；铬粉：1-5重量份，50-200μm；钼粉：1-5重量份，50-200μm；低温润滑组元：5-15重量份；高温润滑组元：1-8重量份。/n

【技术特征摘要】
1.一种宽温域摩擦系数稳定的粉末冶金制动闸片，其特征在于，包括下面组分：
铁粉：50-70重量份，45-75μm；铜粉：10-20重量份，13-25μm；石墨烯：0.1-1重量份，0.01-0.1μm；铬铁合金粉：1-5重量份，50-200μm；钼铁合金粉：1-5重量份，50-200μm；铬粉：1-5重量份，50-200μm；钼粉：1-5重量份，50-200μm；低温润滑组元：5-15重量份；高温润滑组元：1-8重量份。


2.根据权利要求1所述的制动闸片，其特征在于，所述低温润滑组元含有鳞片状石墨，粒度为300-500μm，最优含量在5-10重量份之间。


3.根据权利要求1所述的制动闸片，所述低温润滑组元还含有WS2，WSe2，FeS中的一种，粒度为48-75μm，最优含量在1-5重量份之间。


4.根据权利要求1所述的制动闸片，其特征在于，所述高温润滑组元含有CaF2，BaF2，LaF3，CeF3中的一种，粒度为0.05-0.5μm，最优含量为1-4重量份之间。


5.根据权利要求1所述的制动闸片，其特征在于，所述高温润滑组元还含有MoO3，WO3，ZnO，B2O3，V2O3，Re2O3中的一种，粒度为0.05-0.5μm，最优含量为1-4重量份之间。


6.一种根据权利要求1所述制动闸片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将上述原料粉末按照所述重量份称取；
(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲选辉，张鹏，章林，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11