一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料的制作方法

本發明涉及高速列車閘片和粉末冶金技術領域，尤其涉及一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料。

背景技術：

根據國內需求，我國已研制出涵蓋時速200～250km、300～350km的各型高速列車20余種，并依據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》和國家“十三五”發展規劃，滿足高速列車“走出去”的戰略需求，正開展更高速度等級高速列車的技術研究。

目前，應用于高速列車閘片的摩擦材料主要有合成材料和粉末冶金材料。由于高速列車制動時，制動盤及閘片的溫度高(瞬時可達1000℃)，合成摩擦材料在400℃以上溫度將發生摩擦系數劇烈衰退現象，影響制動安全，無法滿足高速列車高速高溫制動要求。粉末冶金摩擦材料具有導熱性好，耐熱性好，抗熱衰性能強，使用壽命長，對制動盤的磨耗小，摩擦性能穩定等特點，且不受雨雪等服役環境的影響，已被廣泛應用于各國高速列車閘片。

根據國內鐵路行業標準和UIC(國際鐵路聯盟)相關規定，對用于各速度等級高速列車的粉末冶金閘片摩擦材料提出了嚴格要求，主要體現于幾方面：

①材料要求：摩擦材料不使用石棉、鉛及其化合物；摩擦材料中Si元素含量不大于1％，且Al+Si元素的總含量不應超過1％，Cr+Zr+W元素含量總和不應超過10％。

②材料物理-機械性能要求：具體見表1

表1高速列車用粉末冶金閘片摩擦材料要求

③摩擦磨耗要求

不同速度等級的高速列車對閘片的摩擦磨耗要求不一致，所進行試驗條件也不一致。

I、時速200～250km高速列車用粉末冶金閘片摩擦材料要求

摩擦材料的磨耗量不應超過0.35cm³/MJ；摩擦材料的靜摩擦系數不小于0.35；摩擦材料的瞬時摩擦系數要求見圖1。

II、時速300～350km及以上高速列車用粉末冶金閘片摩擦材料要求

摩擦材料的磨耗量不應超過0.35cm³/MJ；摩擦材料的靜摩擦系數不小于0.40；摩擦材料的瞬時摩擦系數要求見圖2。

中國專利文獻CN101493127公開了一種銅基粉末冶金高速閘片，該材料的各組元按照質量劃分，包括銅粉50～70％、鉍粉2～5％、粒狀石墨5～11％、氮化硼1～4％、錫粉4～8％、鉻粉1～5％、鈦粉1～5％、鎳粉2～6％、鐵粉3～8％、氧化鋁2～6％、二氧化硅3～8％、鋯英石2～7％。該摩擦材料含有12種組元，且硅、鋁元素含量未滿足國內鐵路行業技術要求，摩擦系數在0.30～0.45之間，波動范圍較大，平均磨耗量為0.284cm³/MJ，磨耗量較高。

中國專利文獻CN103244586公開了一種用于高速列車的金屬基粉末冶金制動閘片及其制備方法，該材料的各組元按照質量劃分，包括銅粉30～60％、鐵粉20～40％、石墨粉8～20％、二硫化鉬1～5％、鎢1～3％、剛玉1～3％、硅砂1～3％、碳化硼1～3％和碳纖維粉末1～4％。該摩擦材料含有9種組元，具有較高的機械強度和穩定的摩擦性能，然而，該摩擦材料的硅、鋁元素含量未滿足國內鐵路行業技術要求，且在使用過程中會對制動盤產生磨耗和磨損，嚴重影響制動盤的使用的使用壽命。

中國專利文獻CN102191014公開了一種高速列車制動用的摩擦材料，該材料的各組元按照質量劃分，包括銅粉50～55％、鐵粉7～8％、錫粉7～8％、鎳粉3～4％、錳粉2％、鉻粉3～4％、鱗片石墨13～16％、碳化硅3～6％和三氧化鉬3～6％。該摩擦材料含有9種組元，具有摩擦系數穩定，磨損率低的優點，但材料的硅元素含量未滿足國內鐵路行業技術要求。

中國專利文獻CN102011043公開了一種列車閘片用粉末冶金材料的制備方法，該材料的各組元按照質量劃分，包括銅粉40～50％、鐵粉10～25％、錳鐵礦粉8～15％、二氧化硅2～7％、二硫化鉬5～9％、氧化鋁2～8％、氮化硼1～5％、石墨15～25％和聚丙烯腈纖維0.2～1％。該摩擦材料含有9種組元，具有優良的摩擦穩定性和耐熱性，然而，該材料硬度高及硅、鋁元素含量均未滿足國內鐵路行業技術要求。

從上述可知，現有的高速列車閘片用粉末冶金摩擦材料的組元過于繁雜，使得影響材料性能的因素增加，導致材料性能的穩定性和可靠性降低，添加二氧化硅、碳化硅等硬質顆粒使得材料的導熱性有所降低，增大了對制動盤的損傷，同時，組元復雜使得制備工藝難以精確化控制，材料性能的波動性增大，部分組元(如鎳、錫)為貴重金屬，生產成本較高，硅、鋁等元素未滿足技術要求，材料的硬度較高，摩擦系數穩定性差，對制動盤損傷較大等技術缺陷。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料，使得所制備閘片的各項性能達到時速200～250km高速列車、時速300～350km及以上高速列車的制動要求，滿足國內鐵路行業標準和UIC(國際鐵路聯盟)相關規定的各項指標，提供一種材料組元超簡、工藝簡單及成本較低的高速列車閘片用粉末冶金摩擦材料。

本發明一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料，所述材料僅包含六種組元，各組元按照質量百分數劃分，包括銅粉40～55％、鐵粉8～20％、二氧化鋯1～10％、鉻鐵粉6～15％、石墨16～22％、二硫化鉬1～4％。

作為優選方案，本發明一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料，所述材料僅包含六種組元，各組元按照質量百分數劃分，包括銅粉45～53％、鐵粉10～18％、二氧化鋯2～8％、鉻鐵粉8～15％、石墨17～19％、二硫化鉬2～3％。

作為進一步的優選方案，本發明一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料，所述材料僅包含六種組元，各組元按照質量百分數劃分，由銅粉53％、鐵粉18％、二氧化鋯2％、鉻鐵粉8％、石墨17％和二硫化鉬2％組成。

進一步的優選方案所得的材料，根據國內鐵路行業標準和UIC的規定，采用1：1臺架試驗臺對其進行檢測試驗，測得所述材料的靜摩擦系數為0.375，平均磨耗量為0.10cm³/MJ。

作為優選方案，本發明一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料，所述材料僅包含六種組元，各組元按照質量百分數劃分，由銅粉45％、鐵粉10％、二氧化鋯8％、鉻鐵粉15％、石墨19％和二硫化鉬3％組成。

進一步的優選方案所得的材料，根據國內鐵路行業標準和UIC的規定，采用1：1臺架試驗臺對其進行檢測試驗，測得所述材料的靜摩擦系數為0.420，平均磨耗量為0.18cm³/MJ。

作為優選方案，本發明一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料，所述二氧化鋯粉末為煅燒粉末或電熔粉末，其粒度小于250μm。

作為優選方案，本發明一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料，所述鉻鐵粉中各元素的質量百分數為：鉻55～70％、碳6～10％、硅不大于3％及余量為鐵，其粒度小于250μm。

本發明一種高速列車閘片用超簡組元粉末冶金摩擦材料的制備方法，按設計組分配取各組元后，經混料、壓制成型以及加壓燒結得到成品。混料時采用三維混合機進行混料，摻入煤油，混合時間為3～5h；壓制成型時采用液壓機將混合粉末壓制成型，壓制壓力為500～800MPa；加壓燒結時，在氫氣保護下，利用加壓燒結爐對壓坯進行燒結，燒結溫度為950～1000℃，保溫時間為3h。

本發明的有益效果：本發明的摩擦材料采用了銅、鐵組元為基體，保證其良好的導熱性及物理機械性能(見表2)，且未添加鎳、錫等貴重金屬，生產成本較低；采用了大顆粒的二氧化鋯、鉻鐵粉作為摩擦組元以提供合適的摩擦系數，同時，二氧化鋯粉末由煅燒法或電熔法制備而成，可良好地穩定材料的摩擦系數，鉻鐵礦制備的鉻鐵粉由具有高溫穩定性的(Cr,Fe)₇C₃、(Cr,Fe)₂₃C₆及(CrFe)等物相構成，可顯著地提高材料的耐磨性；采用二硫化鉬及高含量的石墨作為潤滑組元，降低材料磨損及制動噪聲，防止對制動盤的損傷；材料的元素成分滿足國內鐵路行業標準(行業標準：材料不應使用石棉、鉛及其化合物；材料中Si元素含量應不大于1％、且Al+Si元素的總含量不應超過1％；Cr+Zr+W元素含量總和不應超過10％。)。

本發明的摩擦材料具有合適而穩定的摩擦系數，制動平穩，磨耗量低，使用壽命長，能滿足時速200～250km高速列車、時速300～350km及以上高速列車的制動要求(具體性能見實施例)，滿足國內鐵路行業標準和UIC(國際鐵路聯盟)相關規定。

本發明的摩擦材料僅由六種組元制備而成，材料組元超簡，工藝簡單且易控制，可顯著降低生產成本。

表2本發明摩擦材料的主要物理機械性能

附圖說明

圖1為國內鐵路行業標準和UIC(國際鐵路聯盟)的相關規定中對時速為200～250km高速列車用粉末冶金閘片瞬時摩擦系數公差要求；

圖2為國內鐵路行業標準和UIC(國際鐵路聯盟)的相關規定中對時速為300～350km及以上高速列車用粉末冶金閘片瞬時摩擦系數公差要求；

圖3為本發明實施例1所得摩擦材料的制動速度與瞬時摩擦系數關系圖(時速200～250km)；

圖4為本發明實施例2所得摩擦材料的制動速度與瞬時摩擦系數關系圖(時速300～350km)；

圖5為本發明實施例2所得摩擦材料的制動速度與瞬時摩擦系數關系圖(時速350km以上)。

具體實施方式

實施例1：時速200～250km高速列車閘片用粉末冶金摩擦材料

材料的各組元按照質量劃分，包括銅粉53％、鐵粉18％、二氧化鋯2％、鉻鐵粉8％、石墨17％和二硫化鉬2％配料，其中二氧化鋯粉末為粒度小于250μm的煅燒粉末，鉻鐵粉的粒度小于250μm及其質量百分數為鉻67％、碳9％、硅3％及余量為鐵。采用三維混合機進行混料，摻入煤油，混合時間為4h；采用液壓機將混合粉末壓制成型，壓制壓力為550MPa；采用加壓燒結爐在氫氣保護下對壓坯進行燒結，燒結溫度為970℃，保溫時間3h。

根據國內鐵路行業標準和UIC(國際鐵路聯盟)相關規定，采用1：1臺架試驗臺對本實施例的摩擦材料進行了檢測試驗，摩擦材料的制動曲線平穩(如圖3所示)，潮濕條件對摩擦性能影響較小，靜摩擦系數為0.375，平均磨耗量為0.10cm³/MJ，與之匹配的制動盤表面無熱斑，表面平整光潔，無異常磨耗。試驗結果表明，采用該摩擦材料制備的時速200～250km高速列車閘片的各項性能滿足時速200～250km高速列車制動要求。

實施例2：時速300～350km及以上高速列車閘片用粉末冶金摩擦材料

材料的各組元按照質量劃分，包括銅粉45％、鐵粉10％、二氧化鋯8％、鉻鐵粉15％、石墨19％和二硫化鉬3％配料，其中二氧化鋯粉末為粒度小于250μm的電熔粉末，鉻鐵粉的粒度小于250μm及其質量百分數為鉻55％、碳6％、硅2％及余量為鐵。采用三維混合機進行混料，摻入煤油，混合時間為5h；采用液壓機將混合粉末壓制成型，壓制壓力為700MPa；采用加壓燒結爐在氫氣保護下對壓坯進行燒結，燒結溫度為1000℃，保溫時間3h。

根據國內鐵路行業標準和UIC(國際鐵路聯盟)相關規定，采用1：1臺架試驗臺對本實施例的摩擦材料進行了檢測試驗，摩擦材料的制動曲線平穩(如圖4、5所示)，潮濕條件對摩擦性能影響較小，靜摩擦系數為0.420，平均磨耗量為0.18cm³/MJ，與之匹配的制動盤表面無熱斑，表面平整光潔，無異常磨耗。試驗結果表明，采用該摩擦材料制備的時速300～350km及以上高速列車閘片的各項性能滿足時速300～350km及以上高速列車制動要求。

以上所述，僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應涵蓋在本發明的保護范圍之內。