本發(fā)明涉及高速列車閘片和粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)組元粉末冶金摩擦材料。

背景技術(shù)：

根據(jù)國(guó)內(nèi)需求，我國(guó)已研制出涵蓋時(shí)速200～250km、300～350km的各型高速列車20余種，并依據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》和國(guó)家“十三五”發(fā)展規(guī)劃，滿足高速列車“走出去”的戰(zhàn)略需求，正開展更高速度等級(jí)高速列車的技術(shù)研究。

目前，應(yīng)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(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤及閘片的溫度高(瞬時(shí)可達(dá)1000℃)，合成摩擦材料在400℃以上溫度將發(fā)生摩擦系數(shù)劇烈衰退現(xiàn)象，影響制動(dòng)安全，無法滿足高速列車高速高溫制動(dòng)要求。粉末冶金摩擦材料具有導(dǎo)熱性好，耐熱性好，抗熱衰性能強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)制動(dòng)盤的磨耗小，摩擦性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，且不受雨雪等服役環(huán)境的影響，已被廣泛應(yīng)用于各國(guó)高速列車閘片。

根據(jù)國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)相關(guān)規(guī)定，對(duì)用于各速度等級(jí)高速列車的粉末冶金閘片摩擦材料提出了嚴(yán)格要求，主要體現(xiàn)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(yīng)超過1％，Cr+Zr+W元素含量總和不應(yīng)超過10％。

②材料物理-機(jī)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(jí)的高速列車對(duì)閘片的摩擦磨耗要求不一致，所進(jìn)行試驗(yàn)條件也不一致。

I、時(shí)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(yīng)超過0.35cm³/MJ；摩擦材料的靜摩擦系數(shù)不小于0.35；摩擦材料的瞬時(shí)摩擦系數(shù)要求見圖1。

II、時(shí)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(yīng)超過0.35cm³/MJ；摩擦材料的靜摩擦系數(shù)不小于0.40；摩擦材料的瞬時(shí)摩擦系數(shù)要求見圖2。

中國(guó)專利文獻(xiàn)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(zhì)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(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)技術(shù)要求，摩擦系數(shù)在0.30～0.45之間，波動(dòng)范圍較大，平均磨耗量為0.284cm³/MJ，磨耗量較高。

中國(guó)專利文獻(xiàn)CN103244586公開了一種用于高速列車的金屬基粉末冶金制動(dòng)閘片及其制備方法，該材料的各組元按照質(zhì)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(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的摩擦性能，然而，該摩擦材料的硅、鋁元素含量未滿足國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)技術(shù)要求，且在使用過程中會(huì)對(duì)制動(dòng)盤產(chǎn)生磨耗和磨損，嚴(yán)重影響制動(dòng)盤的使用的使用壽命。

中國(guó)專利文獻(xiàn)CN102191014公開了一種高速列車制動(dòng)用的摩擦材料，該材料的各組元按照質(zhì)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(shù)穩(wěn)定，磨損率低的優(yōu)點(diǎn)，但材料的硅元素含量未滿足國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)技術(shù)要求。

中國(guó)專利文獻(xiàn)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(zhì)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(yōu)良的摩擦穩(wěn)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(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)技術(shù)要求。

從上述可知，現(xiàn)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(dǎo)致材料性能的穩(wěn)定性和可靠性降低，添加二氧化硅、碳化硅等硬質(zhì)顆粒使得材料的導(dǎo)熱性有所降低，增大了對(duì)制動(dòng)盤的損傷，同時(shí)，組元復(fù)雜使得制備工藝難以精確化控制，材料性能的波動(dòng)性增大，部分組元(如鎳、錫)為貴重金屬，生產(chǎn)成本較高，硅、鋁等元素未滿足技術(shù)要求，材料的硬度較高，摩擦系數(shù)穩(wěn)定性差，對(duì)制動(dòng)盤損傷較大等技術(shù)缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)組元粉末冶金摩擦材料，使得所制備閘片的各項(xiàng)性能達(dá)到時(shí)速200～250km高速列車、時(shí)速300～350km及以上高速列車的制動(dòng)要求，滿足國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)相關(guān)規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)，提供一種材料組元超簡(jiǎn)、工藝簡(jiǎn)單及成本較低的高速列車閘片用粉末冶金摩擦材料。

本發(fā)明一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)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(yōu)選方案，本發(fā)明一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)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(jìn)一步的優(yōu)選方案，本發(fā)明一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)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(jìn)一步的優(yōu)選方案所得的材料，根據(jù)國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC的規(guī)定，采用1：1臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)得所述材料的靜摩擦系數(shù)為0.375，平均磨耗量為0.10cm³/MJ。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)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(jìn)一步的優(yōu)選方案所得的材料，根據(jù)國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC的規(guī)定，采用1：1臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)得所述材料的靜摩擦系數(shù)為0.420，平均磨耗量為0.18cm³/MJ。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)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(yōu)選方案，本發(fā)明一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)組元粉末冶金摩擦材料，所述鉻鐵粉中各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)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(fā)明一種高速列車閘片用超簡(jiǎn)組元粉末冶金摩擦材料的制備方法，按設(shè)計(jì)組分配取各組元后，經(jīng)混料、壓制成型以及加壓燒結(jié)得到成品?；炝蠒r(shí)采用三維混合機(jī)進(jìn)行混料，摻入煤油，混合時(shí)間為3～5h；壓制成型時(shí)采用液壓機(jī)將混合粉末壓制成型，壓制壓力為500～800MPa；加壓燒結(jié)時(shí)，在氫氣保護(hù)下，利用加壓燒結(jié)爐對(duì)壓坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950～1000℃，保溫時(shí)間為3h。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的摩擦材料采用了銅、鐵組元為基體，保證其良好的導(dǎo)熱性及物理機(jī)械性能(見表2)，且未添加鎳、錫等貴重金屬，生產(chǎn)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(shù)，同時(shí)，二氧化鋯粉末由煅燒法或電熔法制備而成，可良好地穩(wěn)定材料的摩擦系數(shù)，鉻鐵礦制備的鉻鐵粉由具有高溫穩(wěn)定性的(Cr,Fe)₇C₃、(Cr,Fe)₂₃C₆及(CrFe)等物相構(gòu)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(rùn)滑組元，降低材料磨損及制動(dòng)噪聲，防止對(duì)制動(dòng)盤的損傷；材料的元素成分滿足國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：材料不應(yīng)使用石棉、鉛及其化合物；材料中Si元素含量應(yīng)不大于1％、且Al+Si元素的總含量不應(yīng)超過1％；Cr+Zr+W元素含量總和不應(yīng)超過10％。)。

本發(fā)明的摩擦材料具有合適而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，制動(dòng)平穩(wěn)，磨耗量低，使用壽命長(zhǎng)，能滿足時(shí)速200～250km高速列車、時(shí)速300～350km及以上高速列車的制動(dòng)要求(具體性能見實(shí)施例)，滿足國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)相關(guān)規(guī)定。

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

表2本發(fā)明摩擦材料的主要物理機(jī)械性能

附圖說明

圖1為國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)的相關(guān)規(guī)定中對(duì)時(shí)速為200～250km高速列車用粉末冶金閘片瞬時(shí)摩擦系數(shù)公差要求；

圖2為國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)的相關(guān)規(guī)定中對(duì)時(shí)速為300～350km及以上高速列車用粉末冶金閘片瞬時(shí)摩擦系數(shù)公差要求；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所得摩擦材料的制動(dòng)速度與瞬時(shí)摩擦系數(shù)關(guān)系圖(時(shí)速200～250km)；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2所得摩擦材料的制動(dòng)速度與瞬時(shí)摩擦系數(shù)關(guān)系圖(時(shí)速300～350km)；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2所得摩擦材料的制動(dòng)速度與瞬時(shí)摩擦系數(shù)關(guān)系圖(時(shí)速350km以上)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：時(shí)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(zhì)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)為鉻67％、碳9％、硅3％及余量為鐵。采用三維混合機(jī)進(jìn)行混料，摻入煤油，混合時(shí)間為4h；采用液壓機(jī)將混合粉末壓制成型，壓制壓力為550MPa；采用加壓燒結(jié)爐在氫氣保護(hù)下對(duì)壓坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為970℃，保溫時(shí)間3h。

根據(jù)國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)相關(guān)規(guī)定，采用1：1臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)對(duì)本實(shí)施例的摩擦材料進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，摩擦材料的制動(dòng)曲線平穩(wěn)(如圖3所示)，潮濕條件對(duì)摩擦性能影響較小，靜摩擦系數(shù)為0.375，平均磨耗量為0.10cm³/MJ，與之匹配的制動(dòng)盤表面無熱斑，表面平整光潔，無異常磨耗。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該摩擦材料制備的時(shí)速200～250km高速列車閘片的各項(xiàng)性能滿足時(shí)速200～250km高速列車制動(dòng)要求。

實(shí)施例2：時(shí)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(zhì)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)為鉻55％、碳6％、硅2％及余量為鐵。采用三維混合機(jī)進(jìn)行混料，摻入煤油，混合時(shí)間為5h；采用液壓機(jī)將混合粉末壓制成型，壓制壓力為700MPa；采用加壓燒結(jié)爐在氫氣保護(hù)下對(duì)壓坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000℃，保溫時(shí)間3h。

根據(jù)國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)相關(guān)規(guī)定，采用1：1臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)對(duì)本實(shí)施例的摩擦材料進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，摩擦材料的制動(dòng)曲線平穩(wěn)(如圖4、5所示)，潮濕條件對(duì)摩擦性能影響較小，靜摩擦系數(shù)為0.420，平均磨耗量為0.18cm³/MJ，與之匹配的制動(dòng)盤表面無熱斑，表面平整光潔，無異常磨耗。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該摩擦材料制備的時(shí)速300～350km及以上高速列車閘片的各項(xiàng)性能滿足時(shí)速300～350km及以上高速列車制動(dòng)要求。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。