一种高速列车制动摩擦块及其制备方法

摘要

本发明提供了一种高速列车制动摩擦块，属于列车制动技术领域。本发明提供的高速列车制动摩擦块包括小钢背、摩擦体和设置在小钢背和摩擦体之间的过渡层。本发明通过在小钢背与摩擦体之间添加过渡层，提高了高速列车制动摩擦块的剪切强度，使小钢背与摩擦体粘结更牢固，实施例结果表明，本发明提供的高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度可达16.65MPa以上，与动车组暂行技术条件要求的7MPa相比提高了137％。同时，本发明提供了一种高速列车制动摩擦块的制备方法，此法简单易行，易于实现工业化生产。

权利要求

1.一种高速列车制动摩擦块，其特征在于，包括小钢背、摩擦体和设置在小钢背和摩擦体之间的过渡层；

所述过渡层由以下质量百分含量的组分制备得到：Cu粉 80～90％；

Fe粉 5～15％；

Sn粉 5～8％；

所述摩擦体由包括以下质量百分含量的组分制备得到：所述过渡层的厚度为1～1.5mm。

2.根据权利要求1所述的高速列车制动摩擦块，其特征在于，所述过渡层中Cu粉的粒径≤80μm，Fe粉的粒径≤150μm，Sn粉的粒径≤80μm。

3.根据权利要求1所述的高速列车制动摩擦块，其特征在于，所述摩擦体中Cu粉的粒径≤80μm，Fe粉的粒径≤80μm，Cr粉的粒径≤150μm，SiO2的粒径≤10μm，Al2O3的粒径≤10μm，MoS2的粒径≤200μm，石墨的粒径≤200μm。

4.根据权利要求1所述的高速列车制动摩擦块，其特征在于，所述小钢背的材质为Q235-A钢。

5.权利要求1～4任意一项所述高速列车制动摩擦块的制备方法，包括以下步骤：(1)将所述过渡层原料混合，得到过渡层混合料；将所述摩擦体原料混合，得到摩擦体混合料；

(2)将所述小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料压制成型后进行加压烧结，得到高速列车制动摩擦块。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中压制成型的压力为500～550MPa，保压的时间为5～10s。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中加压烧结的压力为1.5～2.5MPa，温度为850～900℃，时间为2～3h。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中加压烧结的保护气氛为氨分解气体。

说明书

一种高速列车制动摩擦块及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及列车制动领域，特别涉及一种高速列车制动摩擦块及其制备方法。

背景技术

[0002] 我国高铁的运营速度大多在300～350km/h，列车在正常制动尤其是紧急制动时会对制动部位产生强大的热冲击，制动部位承受此热冲击的的关键部件便是刹车片的摩擦块。

[0003] 高铁刹车片用摩擦块一般由镀铜小钢背(以下简称小钢背)和铜基粉末冶金摩擦体(以下简称摩擦体)两部分组成。小钢背与摩擦体在经过压制后初步粘结，在后续烧结时两者进一步粘结，然而两者虽有一定的粘结强度，但由于两者材料不同，其粘结强度并不是很高。但是在对列车进行制动时，如果小钢背与摩擦体的粘结强度存在问题，则会有摩擦体掉落的风险，作为列车运行中最重要的制动部件，摩擦体的掉落可能会造成列车不能在规定距离内停车，严重时可能会造成重大铁路事故。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明目的在于提供一种高速列车制动摩擦块及其制备方法。本发明提供的高速列车制动摩擦块剪切强度高，能大大提高列车制动时的安全性。

[0005] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

[0006] 本发明提供了一种高速列车制动摩擦块，包括小钢背、摩擦体和设置在小钢背和摩擦体之间的过渡层；

[0007] 所述过渡层由包括以下质量百分含量的组分制备得到：

[0008] Cu粉  80～90％；

[0009] Fe粉  5～15％；

[0010] Sn粉  5～8％。

[0011] 优选的，所述过渡层的厚度为1～1.5mm。

[0012] 优选的，所述过渡层中Cu粉的粒径≤80μm，Fe粉的粒径≤150μm，Sn粉的粒径≤80μm。

[0013] 优选的，所述摩擦体由包括以下质量百分含量的组分制备得到：

[0014]

[0015] 优选的，所述摩擦体中Cu粉的粒径≤80μm，Fe粉的粒径≤80μm，Cr粉的粒径≤150μm，SiO2的粒径≤10μm，Al2O3的粒径≤10μm，MoS2的粒径≤200μm，石墨的粒径≤200μm。

[0016] 优选的，所述小钢背的材质为Q235-A钢。

[0017] 本发明提供了上述高速列车制动摩擦块的制备方法，包括以下步骤：

[0018] (1)将所述过渡层原料混合，得到过渡层混合料；将所述摩擦体原料混合，得到摩擦体混合料；

[0019] (2)将所述小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料压制成型后进行加压烧结，得到高速列车制动摩擦块。

[0020] 优选的，所述步骤(2)中压制成型的压力为500～550MPa，保压的时间为5～10s。

[0021] 优选的，所述步骤(2)中加压烧结的压力为1.5～2.5MPa，温度为850～900℃，时间为2～3h。

[0022] 优选的，所述步骤(2)中加压烧结的保护气氛为氨分解气体。

[0023] 本发明提供了一种高速列车制动摩擦块，包括小钢背、摩擦体和设置在小钢背和摩擦体之间的过渡层。本发明通过在小钢背与摩擦体之间添加过渡层，提高了高速列车制动摩擦块的剪切强度，使小钢背与摩擦体粘结更牢固。实施例结果表明，本发明提供的高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度可达16.65MPa以上，与动车组暂行技术条件要求的7MPa相比提高了137％。

[0024] 本发明提供了一种高速列车制动摩擦块的制备方法，此法简单易行，易于实现工业化生产。

附图说明

[0025] 图1为本发明提供的高速列车制动摩擦块的结构图；

[0026] 其中1为小钢背，2为过渡层，3为摩擦体。

具体实施方式

[0027] 本发明提供了一种高速列车制动摩擦块，结构图如图1所示；包括小钢背1、摩擦体3和设置在小钢背和摩擦体之间的过渡层2；

[0028] 所述过渡层由包括以下质量百分含量的组分制备得到：

[0029] Cu粉  80～90％；

[0030] Fe粉  5～15％；

[0031] Sn粉  5～8％。

[0032] 本发明提供的高速列车制动摩擦块包括小钢背。在本发明中，所述小钢背的材质优选为Q235-A钢；本发明对所述小钢背的形状没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的形状，能够使高速列车制动摩擦块安装在列车制动装置中即可。

[0033] 本发明提供的高速列车制动摩擦块包括设置在小钢背和摩擦体之间的过渡层。在本发明中，所述过渡层的厚度优选为1～1.5mm，更优选为1.2～1.4mm。以质量百分含量计，本发明所述过渡层的制备原料包括80～90％的Cu粉，优选为84～88％。在本发明中，所述Cu粉的粒径优选≤80μm，更优选为40～60μm。在本发明中，所述过渡层中的Cu作为基体组元，决定材料的耐磨及耐热性能。

[0034] 以质量百分含量计，本发明所述过渡层的制备原料包括5～15％的Fe粉，优选为8～12％。在本发明中，所述Fe粉的粒径优选≤150μm，更优选为80～120μm。在本发明中，所述过渡层中的Fe固溶到Cu基体中，形成固溶体，对基体起到强化作用，能够提高材料的强度与硬度。

[0035] 以质量百分含量计，本发明所述过渡层的制备原料包括5～8％的Sn粉，优选为6～7％。在本发明中，所述Sn粉的粒径优选≤80μm，更优选为40～60μm。在本发明中，所述过渡层中的Sn固溶到Cu基体中，形成固溶体，对基体起到强化作用，能够提高材料的强度与硬度。

[0036] 在本发明中，摩擦体中摩擦组元的存在，会降低摩擦体与小钢背间的粘接强度，而过渡层的添加，使过渡层与钢背和摩擦体间在烧结过程中发生了冶金结合，可以提高高速列车制动摩擦块的剪切强度，使小钢背与摩擦体粘结更牢固。

[0037] 本发明提供的高速列车制动摩擦块包括摩擦体。本发明对所述摩擦体的厚度没有特殊的要求，使用本领域熟知的摩擦体厚度即可。在本发明中，所述摩擦体优选由包括以下质量百分含量的组分制备得到：

[0038]

[0039] 以质量百分含量计，本发明所述摩擦体的制备原料包括50～60％的Cu粉，优选为52～58％。在本发明中，所述Cu粉的粒径优选≤80μm，更优选为40～60μm。在本发明中，所述摩擦体中的Cu为基体，决定材料的耐磨及耐热性能。

[0040] 以质量百分含量计，本发明所述摩擦体的制备原料包括15～25％的Fe粉，优选为18～22％。在本发明中，所述Fe粉的粒径优选≤150μm，更优选为80～120μm。在本发明中，所述摩擦体中的Fe固溶到Cu基体中，形成固溶体，对基体起到强化作用，能够提高材料的强度与硬度。

[0041] 以质量百分含量计，本发明所述摩擦体的制备原料包括2～8％的Cr粉，优选为4～6％。在本发明中，所述Cr粉的粒径优选≤150μm，更优选为80～120μm。在本发明中，所述摩擦体中的Cr作为摩擦组元均匀的分布在基体中，能够提高材料的摩擦系数。

[0042] 以质量百分含量计，本发明所述摩擦体的制备原料包括1～2％的SiO2，优选为1.5％。在本发明中，所述SiO2的粒径优选≤10μm，更优选为6～8μm。在本发明中，所述摩擦体中的SiO2作为摩擦组元均匀的分布在基体中，能够提高材料的摩擦系数。

[0043] 以质量百分含量计，本发明所述摩擦体的制备原料包括0.5～1％的Al2O3，优选为0.75％。在本发明中，所述Al2O3的粒径优选≤10μm，更优选为6～8μm。在本发明中，所述摩擦体中的Al2O3作为摩擦组元均匀的分布在基体中，能够提高材料的摩擦系数。

[0044] 以质量百分含量计，本发明所述摩擦体的制备原料包括1～2％的MoS2，优选为1.5％。在本发明中，所述MoS2的粒径优选≤200μm，更优选为150～180μm。在本发明中，所述摩擦体中的MoS2作为润滑组元，由于此材料结构中，层与层之间的结合较弱而层内原子间结合较强，起到固体润滑的作用，能够提高材料的摩擦稳定性与耐磨性。

[0045] 以质量百分含量计，本发明所述摩擦体的制备原料包括8～15％的石墨，优选为10～12％。在本发明中，所述石墨的粒径优选≤200μm，更优选为150～180μm。在本发明中，所述摩擦体中的石墨可以作为润滑组元，由于此材料结构中，层与层之间的结合较弱而层内原子间结合较强，起到固体润滑的作用，提高材料的摩擦稳定性与耐磨性。

[0046] 本发明通过对摩擦体的组分和含量进行控制，能够进一步提高小钢背与摩擦体的粘结强度。

[0047] 本发明提供了上述高速列车制动摩擦块的制备方法，包括以下步骤：

[0048] (1)将所述过渡层原料混合，得到过渡层混合料；将所述摩擦体原料混合，得到摩擦体混合料；

[0049] (2)将所述小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料压制成型后进行加压烧结，得到高速列车制动摩擦块。

[0050] 本发明将所述过渡层原料混合，得到过渡层混合料。在本发明中，所述过渡层原料的混合时间优选为4～5h，更优选为5h。

[0051] 本发明将所述摩擦体原料混合，得到摩擦体混合料。在本发明中，所述摩擦体原料的混合时间优选为7～8h，更优选为8h。

[0052] 本发明优选使用V型混料机对所述过渡层原料、摩擦体原料分别进行混合；本发明在混合前优选对所述过渡层原料、摩擦体原料分别进行烘干处理，本发明对所述烘干的温度和时间没有特殊的要求，能够将原料中的水分完全去除即可。

[0053] 得到过渡层混合料和摩擦体混合料后，本发明将所述小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料压制成型后进行加压烧结，得到高速列车制动摩擦块。在本发明中，所述压制成型的压力优选为500～550MPa，更优选为520～540MPa；所述压制成型的时间优选为5～10s，更优选为6～8s；本发明优选使用液压机对所述小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料进行压制成型，本发明通过控制液压机的装料系统实现多层粉末的同时压制。

[0054] 在本发明中，所述加压烧结的压力优选为1.5～2.5MPa，更优选为2.0MPa；所述加压烧结的温度优选为850～900℃，更优选为860～880℃；所述加压烧结的时间优选为2～3h，更优选为2.5h；本发明优选在钟罩式加压烧结炉中进行加压烧结，所述加压烧结的保护气氛为氨分解气体，所述氨分解气体为氢气和氮气混合气体，所述氨分解气体中氮气与氢气的体积比优选为1：3。本发明通过压制成型使过渡层与小钢背和摩擦体间初步具有一定的粘结强度，加压烧结后过渡层与小钢背和摩擦体间的粘结强度得到进一步增强。

[0055] 加压烧结后，本发明优选使烧结块自然冷却至室温，即得到本发明的高速列车制动摩擦块。

[0056] 下面结合实施例对本发明提供的高速列车制动摩擦块及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

[0057] 实施例1

[0058] 将质量含量为50％的Cu粉(粒径为75μm)、25％的Fe粉(粒径为75μm)、5％的Cr粉(粒径为80μm)、2％的SiO2(粒径为5μm)、1％的Al2O3(粒径为5μm)、2％的MoS2(粒径为180μm)、15％的石墨(粒径为180μm)在V型混料机中混合8h得到摩擦体混合料；将质量含量为90％的Cu粉(粒径为80μm)、5％的Fe粉(粒径为150μm)、5％的Sn粉(粒径为80μm)在V型混料机中混合5h得到过渡层混合料；将材料为Q235-A钢种的小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料放入液压机中压制成型，压制成型的压力为500MPa，保压时间为5s；随后在钟罩式加压烧结炉中加压烧结，其中保护气氛为氨分解气体，烧结温度为850℃，压力1.5MPa，保温时间
2h，自然冷却，得到高速列车制动摩擦块；其中，过渡层的厚度为1mm。

[0059] 利用万能材料试验机对所得高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度进行测试，将所得结果列于表1中。

[0060] 对比例1

[0061] 省略实施例1中的过渡层，直接将实施例1中的的摩擦体混合料与小钢背(Q235-A钢种)放入液压机中压制成型和加压烧结，压制成型条件和加压烧结条件和实施例1一致。

[0062] 利用万能材料试验机对所得无过渡层的高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度进行测试，将所得结果列于表1中。

[0063] 实施例2

[0064] 将质量含量为60％的Cu粉(粒径为60μm)、21.5％的Fe粉(粒径为120μm)、2％的Cr粉(粒径为120μm)、1％的SiO2(粒径为10μm)、0.5％的Al2O3(粒径为10μm)、1％的MoS2(粒径为200μm)、14％的石墨(粒径为200μm)混合7h得到摩擦体混合料；将质量含量为80％的Cu粉(粒径为60μm)、12％的Fe粉(粒径为120μm)、8％的Sn粉(粒径为60μm)混合4h得到过渡层混合料；将材料为Q235-A钢种的小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料放入液压机中压制成型，压制成型的压力为550MPa，时间为8s；随后在钟罩式加压烧结炉中加压烧结，其中保护气氛为氨分解气体，烧结温度为900℃，压力2.5MPa，保温时间3h，自然冷却，得到高速列车制动摩擦块；其中，过渡层的厚度为1.5mm。

[0065] 利用万能材料试验机对所得高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度进行测试，将所得结果列于表1中。

[0066] 对比例2

[0067] 省略实施例2中的过渡层，直接将实施例2中的摩擦体混合料与小钢背(Q235-A钢种)放入液压机中压制成型和加压烧结，压制成型条件和加压烧结条件和实施例2一致。

[0068] 利用万能材料试验机对所得无过渡层的高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度进行测试，将所得结果列于表1中。

[0069] 实施例3

[0070] 将质量含量为55％的Cu粉(粒径为50μm)、25％的Fe粉(粒径为50μm)、8％的Cr粉(粒径为150μm)、1.5％的SiO2(粒径为8μm)、0.75％的Al2O3(粒径为8μm)、1.5％的MoS2(粒径为150μm)、8.25％的石墨(粒径为150μm)混合8h得到摩擦体混合料；将质量含量为85％的Cu粉(粒径为50μm)、8％的Fe粉(粒径为100μm)、7％的Sn粉(粒径为50μm)混合5h得到过渡层混合料；将材料为Q235-A钢种的小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料放入液压机中压制成型，压制成型的压力为520MPa，保压时间为10s；随后在钟罩式加压烧结炉中加压烧结，其中保护气氛为氨分解气体，烧结温度为860℃，压力2MPa，保温时间2.5h，自然冷却，得到高速列车制动摩擦块；其中，过渡层的厚度为1.2mm。

[0071] 利用万能材料试验机对所得高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度进行测试，将所得结果列于表1中。

[0072] 对比例3

[0073] 省略实施例3中的过渡层，直接将实施例3中的摩擦体混合料与小钢背(Q235-A钢种)放入液压机中压制成型和加压烧结，压制成型条件和加压烧结条件和实施例3一致。

[0074] 利用万能材料试验机对所得无过渡层的高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度进行测试，将所得结果列于表1中。

[0075] 实施例4

[0076] 将质量含量为60％的Cu粉(粒径为40μm)、15％的Fe粉(粒径为80μm)、7％的Cr粉(粒径为100μm)、2％的SiO2(粒径为6μm)、1％的Al2O3(粒径为6μm)、2％的MoS2(粒径为160μm)、13％的石墨(粒径为160μm)混合7h得到摩擦体混合料；将质量含量为83％的Cu粉(粒径为40μm)、10％的Fe粉(粒径为80μm)、7％的Sn粉(粒径为40μm)混合4h得到过渡层混合料，并将材料为Q235-A钢种的小钢背、过渡层混合料和摩擦体混合料放入液压机中压制成型，压制成型的压力为540MPa，时间为6s；随后在钟罩式加压烧结炉中加压烧结，其中保护气氛为氨分解气体，烧结温度为880℃，压力2.2MPa，保温时间2.8h，自然冷却，得到高速列车制动摩擦块；其中，过渡层的厚度为1.4mm。

[0077] 利用万能材料试验机对所得高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度进行测试，将所得结果列于表1中。

[0078] 对比例4

[0079] 省略实施例4中的过渡层，直接将实施例4中的摩擦体混合料与小钢背(Q235-A钢种)放入液压机中压制成型和加压烧结，压制成型条件和加压烧结条件和实施例4一致。

[0080] 利用万能材料试验机对所得无过渡层的高速列车制动摩擦块粘结面的剪切强度进行测试，将所得结果列于表1中。

[0081] 表1实施例1～4及对比例1～4所得摩擦块的剪切强度对照表

[0082]项目 剪切强度/MPa 项目 剪切强度/MPa
实施例1 16.65 对比例1 7.58
实施例2 17.53 对比例2 8.23
实施例3 18.09 对比例3 7.83
实施例4 17.61 对比例4 8.12

[0083] 由表1可知，本发明通过在小钢背与摩擦体之间添加过渡层，可以大幅度提高高速列车制动摩擦块的剪切强度，所得高速列车制动摩擦块的剪切强度可达16.65MPa以上，与动车组暂行技术条件要求的7MPa相比提高了137％。

[0084] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。