CN106907413A - 一种低磁性耐磨擦复合材料及其制备方法、磁悬浮列车用刹车块及磁悬浮列车刹车片 - Google Patents

一种低磁性耐磨擦复合材料及其制备方法、磁悬浮列车用刹车块及磁悬浮列车刹车片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低磁性耐磨擦复合材料，所述低磁性耐磨擦复合材料包括基体组元、摩擦组元、润滑组元，其中，所述基体组元为铜，所述润滑组元为石墨，所述摩擦组元包括锡、镍、钼、钨、铬铁、二氧化硅。采用本发明的低磁性耐磨擦复合材料最终制作得到的刹车片，在摩擦制动的过程中，制动系数平稳，摩擦系数在0.38‑0.43之间。制作低磁性耐磨复合材料的原材料成分比较简单，不伤轨道；所选组元均为无磁性组元，能够满足磁悬浮列车对刹车材料的磁性要求。

Description

一种低磁性耐磨擦复合材料及其制备方法、磁悬浮列车用刹 车块及磁悬浮列车刹车片
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，尤其涉及一种低磁性耐磨擦复合材料及其制备方法、磁悬浮列车用刹车块及磁悬浮列车刹车片。
背景技术
目前，磁悬浮技术不断创新，磁悬浮列车应运而生，湖南长沙2016年已经正式运营了国内第一条时速100km/h国产技术的磁悬浮列车。磁悬浮列车的制动方式有两种：电制动和机械制动，电制动的原理仍然是直线电机的原理，只是通过改变电机中的电流相序，从而改变电机转向，则所输出的力就由原来的牵引力变为了制动力；相较于高铁，磁悬浮列车采用的是无轮技术，机械制动就是利用摩擦力的原理，利用制动闸瓦押在轨道上产生摩擦阻力进行制动。磁悬浮列车的刹车片包括钢制燕尾板及铆接在燕尾板上的刹车块。磁悬浮列车对刹车块与钢轨的摩擦磨损性能的匹配性能提出了更高要求，同时由于列车运行过程中具有强磁场，对刹车块的磁性也提出了更高要求。
现有技术采用的材料摩擦系数偏低，制动距离不符合要求，导致列车运行时间间隔拉长，运行效率低下；现有的材料中摩擦组元复杂，且性能不稳定，与现有轨道材料匹配性差，容易对轨道产生损伤，导致铁路运营维护成本增高。现有材料主要为铜铁基复合材料，具有磁性，不能满足列车对刹车材料低磁性的要求。因此，确有必要研究一种低磁性耐磨擦复合材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，而提供的一种低磁性耐磨擦复合材料及其制备方法、磁悬浮列车用刹车块及磁悬浮列车刹车片。所述低磁性耐磨擦复合材料成分简单，采用其最终获得的刹车片稳定性好、摩擦系数较高、不伤轨道、制动距离符合磁悬浮列车刹车要求。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种低磁性耐磨擦复合材料，包括基体组元、摩擦组元、润滑组元，其中，所述基体组元为铜，所述润滑组元为石墨，所述摩擦组元包括如下重量份的各组分：锡1～7份、镍2～7份、钼1～7份、钨1～5份、二氧化硅5～20份、铬铁1～8份，所述低磁性耐磨擦复合材料中，摩擦组元的质量百分比为15％～30％。
采用二氧化硅、铬铁保证复合材料在低速、低载荷工作条件下的摩擦磨损性能的作用；加入钨、钼等高温难熔金属，起到稳定复合材料高速、重载荷工作条件下的摩擦磨损性能的作用；加入锡，镍主要起到合金强化作用，在保证摩擦组元的质量百分比的条件下，调整以上各材料的比例，最终获得最合适的配方，可用于制作得到具有高摩擦系数，性能稳定，低磁性的复合材料。优选的，所述摩擦组元包括如下重量份的各组分：锡1～7份、镍2～7份、钼1～7份、钨1～5份、二氧化硅5～20份、铬铁1～8份，通过控制铁元素的含量，保证该材料配方为低磁性甚至是无磁性。进一步优选的，所述摩擦组元包括如下重量份的各组分：锡2～6份、镍2～5份、钼3～5份、钨2～5份、铬铁2～8份、二氧化硅8～18份。
石墨为润滑组元，其作用主要为润滑摩擦组元的作用，如果润滑组元过多，会导致复合材料摩擦系数偏低；如果润滑组元过少，材料摩擦系数偏高。通过严谨的试验优化，调整摩擦组元与润滑组元的比例，得到的低磁性耐磨擦复合材料，上述低磁性耐磨擦复合材料，润滑组元的重量百分数为10％～20％。将所述低磁性耐磨擦复合材料制作成刹车块，并最终能制作得到具有高摩擦系数且不伤轮轨的刹车片。
所述低磁性耐磨擦复合材料的布氏硬度为20HBW～45HBW，抗剪切强度为20Mpa～28Mpa，相对回复磁导率为1Gs/Oe～1.08Gs/Oe。
为实现本发明的目的，还提供一种所述低磁性耐磨擦复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)配料混料：按照配方比例称取各粉末原材料，将所述粉末原材料放入三维混料机中，混合240-360分钟，充分混合均匀，得到混合料，所述各粉末原材料包括锡粉、镍粉、钼粉、钨粉、二氧化硅粉、铬铁粉、铜粉、石墨颗粒；
(b)压制成型：将混合料装入模具中压制成型；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为980℃～1050℃、压力为7MPa～11MPa条件下，烧结时间200-300分钟，冷却出炉，得到所述低磁性耐磨擦复合材料。
加压烧结为调整低磁性耐磨擦复合材料摩擦磨损性能的关键过程，通过调整烧结温度，时间，压力提高复合材料的物理力学性能，同时可以稳定复合材料的摩擦磨损性能。
粉末冶金压制成型密度主要受原材料成分和压制压力的影响，其中，模具形状也有一定影响。通过试验经验发现，压制成型过程中，将压制密度控制为4.9g/cm3～5.2g/cm3，最终制备得到的磁悬浮列车刹车片与锻钢、铸钢、或铸铁的摩擦配合较好，材料磨损较小，且不伤锻钢、铸钢、或铸铁材质的制动盘或轨道。
进一步的，通过试验经验所知，所述各粉末原材料中，石墨颗粒的粒度对复合材料的磨损量及材料的抗剪切强度都有很大影响，通过对比优化试验，选择出粒度在-50～+150目的石墨颗粒制备的复合材料具有低磨损率，良好的抗剪切强度。
进一步的，所述二氧化硅粉的粒度为-80目；基体组元及摩擦组元中其余的粉末原材料的粒度均为-200目。
为实现本发明的目的，还提供一种由所述低磁性耐磨擦复合材料制备得到的磁悬浮列车用刹车块。
为实现本发明的目的，还提供一种磁悬浮列车刹车片，所述磁悬浮列车刹车片包括燕尾板及铆接在燕尾板上的刹车块，所述刹车块为本发明所述的磁悬浮列车用刹车块。
本发明方法针对现有粉末冶金刹车片摩擦系数偏低，制动距离不够，对制动盘损伤的问题进行了改进，其改进要点体现在刹车片的关键元件刹车块采用金属基粉末冶金原材料制成，使制备的刹车片具有如下特点：在摩擦制动的过程中，制动系数平稳，摩擦系数在0.38-0.43之间。制作低磁性耐磨复合材料的原材料成分比较简单，不伤轨道；所选组元均为无磁性组元，能够满足磁悬浮列车对刹车材料的磁性要求。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例：
实施例1
本实施例的低磁性耐磨擦复合材料包括：铜58份、锡2份、镍3份、钼2份、钨2份、铬铁6份、二氧化硅11份、石墨16份。
本实施例的低磁性耐磨擦复合材料是通过如下方法制备得到的：
(a)配料混料：按照配方比例称取各粉末原材料，粗混后放入三维混料机中，混合200分钟，充分混合均匀，得到混合料，其中，石墨粒度为-50～+150目，二氧化硅粉的粒度为-80目，其余原料粉末包括锡粉、镍粉、钼粉、钨粉、铬铁粉、铜粉的粒度均为-200目；
(b)压制成型：将混合料装入400吨压机的自动模具中压制成型，压制密度为5.1g/cm3，得到生坯；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为980℃、压力为7.9MPa条件下，烧结时间200分钟，冷却出炉，得到低磁性耐磨擦复合材料。
本实施例的低磁性耐磨擦复合材料制备方法步骤(b)中的采用的自动模具为磁悬浮列车用刹车块形状相适应的的模具，制备得到本实施例的磁悬浮列车用刹车块。
将本实施例的磁悬浮列车用刹车块与机加工成型的钢背燕尾板铆接在一起，得到刹车片成品。
根据本实施例的磁悬浮列车用刹车块的物理力学性能如表1所示：
表1
根据本实施例的刹车片测得的MM-3000摩擦磨损试验机制动试验结果如表2所示：
表2
实施例2
本实施例的低磁性耐磨擦复合材料包括：铜58份、锡3份、镍2份、钼3份、钨2份、铬铁8份、二氧化硅12份、石墨12份。
本实施例的低磁性耐磨擦复合材料是通过如下方法制备得到的：
(a)配料混料：按照配方比例称取各粉末原材料，粗混后放入三维混料机中，混合200分钟，充分混合均匀，得到混合料，其中。石墨粒度为-50～+150目，二氧化硅粉的粒度为-80目，其余原料粉末的粒度均为-200目；
(b)压制成型：将混合料装入400吨压机的自动模具中压制成型，压制密度为5.1g/cm3，得到生坯；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为970℃、压力为7.9MPa条件下，烧结时间200分钟，冷却出炉，得到低磁性耐磨擦复合材料。
本实施例的低磁性耐磨擦复合材料制备方法步骤(b)中的采用的自动模具为磁悬浮列车用刹车块形状相适应的的模具，制备得到本实施例的磁悬浮列车用刹车块。
将本实施例的磁悬浮列车用刹车块与机加工成型的钢背燕尾板铆接在一起，得到刹车片成品。
根据本实施例的磁悬浮列车用刹车块的物理力学性能如表3所示：
表3
根据本实施例的刹车片测得的MM-3000摩擦磨损试验机制动试验结果如表4所示：
表4
实施例3
本实施例的低磁性耐磨擦复合材料包括如下重量份的各组分：铜58份、锡2份、镍2份、钼1份、钨1份、铬铁5份、二氧化硅10份、石墨19份。
本实施例的磁悬浮列车用刹车块是通过如下方法制备得到的：
(a)配料混料：按照配方比例称取各粉末原材料，粗混后放入三维混料机中，混合200分钟，充分混合均匀，得到混合料，其中石墨粒度为-50～+150目，二氧化硅粉的粒度为-80目，其余原料粉末的粒度均为-200目；
(b)压制成型：将混合料装入400吨压机的自动模具中压制成型，压制密度为5.1g/cm3，得到生坯；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为970℃、压力为7.9MPa条件下，烧结时间240分钟，冷却出炉，得到低磁性耐磨擦复合材料。
本实施例的低磁性耐磨擦复合材料制备方法步骤(b)中的采用的自动模具为磁悬浮列车用刹车块形状相适应的的模具，制备得到本实施例的磁悬浮列车用刹车块。
将本实施例的磁悬浮列车用刹车块与机加工成型的钢背燕尾板铆接在一起，得到刹车片成品。
根据本实施例的磁悬浮列车用刹车块的物理力学性能如表5所示：
表5
根据本实施例的刹车片测得的MM-3000摩擦磨损试验机制动试验结果如表6所示：
表6
以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低磁性耐磨擦复合材料，包括基体组元、摩擦组元、润滑组元，其特征在于，所述基体组元为铜，所述润滑组元为石墨，所述摩擦组元包括如下重量份的各组分：锡1～7份、镍2～7份、钼1～7份、钨1～5份、二氧化硅5～20份、铬铁1～8份，所述低磁性耐磨复合材料中，摩擦组元的质量百分比为15％～30％。
2.根据权利要求1所述的低磁性耐磨擦复合材料，其特征在于，所述摩擦组元包括如下重量份的各组分：锡2～6份、镍2～5份、钼3～5份、钨2～5份、铬铁2～8份、二氧化硅8～18份。
3.根据权利要求1所述的低磁性耐磨擦复合材料，其特征在于，所述润滑组元的重量百分数为10％～20％。
4.根据权利要求1所述的低磁性耐磨擦复合材料，其特征在于，所述低磁性耐磨擦复合材料的布氏硬度为20HBW～45HBW，抗剪切强度为20Mpa～28Mpa，相对回复磁导率为1Gs/Oe～1.08Gs/Oe。
5.一种如权利要求1至4任意一项所述低磁性耐磨擦复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)配料混料：按照配方比例称取各粉末原材料，将所述粉末原材料放入三维混料机中，混合240-360分钟，充分混合均匀，得到混合料，所述各粉末原材料包括锡粉、镍粉、钼粉、钨粉、二氧化硅粉、铬铁粉、铜粉、石墨颗粒；
(b)压制成型：将混合料装入模具中压制成型；
(c)烧结成型：将生坯与钢背板粘接好后装入烧结炉加压烧结，在烧结温度为980℃～1050℃、压力为7MPa～11MPa条件下，烧结时间200-300分钟，冷却出炉，得到所述低磁性耐磨擦复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中，所述二氧化硅粉的粒度为-80目；基体组元及摩擦组元中其余的原料的粒度均为-200目。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中，所述石墨颗粒的粒度为-50目～+150目。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中，压制密度为4.9g/cm3～5.2g/cm3。
9.一种如权利要求1至4任意一项所述低磁性耐磨擦复合材料制备成的磁悬浮列车用刹车块。
10.一种磁悬浮列车刹车片，所述磁悬浮列车刹车片包括燕尾板及铆接在燕尾板上的刹车块，其特征在于，所述刹车块为权利要求9所述磁悬浮列车用刹车块。
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